INSTITUTO POLITECNICO i l i l

INSTITUTO POLITECNICO i l i lEscuela Superior de Ingeniería Química

e Industrias Extractivas

“ PROYECTO PARA LA OBTENCION DE BIOGAS

A PARTIR DE ESTIERCOL.”

Tesis ProfesionalQue presenta:

mmm mm oviudoPara obtener el Título de

INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL

GEN: 79 - 83

México, D. F.

I N S T I T U T O P O L I T E C N I C O N A C I O N A L

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

TESIS PROFESIONAL PROYECTO PARA LA OBTENCION DE BIOGAS A PARTIR DEL ESTIERCOL

PASANTE DE INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL:FERNANDO GARCIA OVANDO

ASESOR:ING. JESUS CASTELLANOS CORONA.

.«8.

Es r4

i ' ■J'hI N S T I T U T O P O L IT E C N IC O N A C I O N A L T" 3°

Q ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS■ / fs 'h ii

DIVISION DE SISTEMAS DE TITULACION

Si CHI IAKIA 1)1.

luilaliun 1'L‘i.uca México, D, F. Febrero 12, de 1986

C. FERNANDO GARCIA OVANDO.Pasante de Ingeniero QUIMICO INDUSTRIAL. 1979-1983Presente

El tema de trabajo y/o tesis para su examen profesional en la opción TESIS TRADICIONAL INDIVIDUAL,

es propuesto por el C. ING. JESUS CASTELLANO CORONA. quien será el responsable

de la calidad de trabajo que usted presentCfreferid t al ten! “ PROYECTO P kA LA OBTENCION DE BIOGAS A — PARTIR DE ESTIERCOL." .

el cual deberá usted desarrollar de acuerdo con el saínente orden

'*...v |i i

; ■ ■ i------- i ' *HSSUMEN. :■ f r t - :i.-iníroducck®.* | * j — *

ii.-oeneealidadesI i 1 > iIII.- SELECCION Y iásCRIPCIONJSEI, PROCESO.IV.- selección: deTsquipo,V.- ANALISIS SCOÑO}ffpi-5, ' " 1"*7¿ ' i

CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFIA."

ING. RUBEN LEMUS BARRON.El J efe del Departamento de Opción

ING. RUBEN LEMUS BARRON.El Jefe de la División de Sistemas de Titulación

El Dector de la Éácúela

mrg’

POR SU APOYO Y CONSTANCIA-

PARA LOGRAR UNA DE MIS ANHELADAS METAS.

A MIS PADRES:

AL ING. JESUS CASTELLANOS CORONA.

POR SABER ENCAUSAR MIS

INQUIETUDES EN TODOS LOS AÑOS QUE LO-

TUVE COMO PROFESOR Y AL APOYO QUE ME-

BRINDO EN LA CULMINACION DE LA PRESENTE.

A TODOS LOS CAUSANTES:

PORQUE SIN ELLOS NO SERIA -

POSIBLE LA EDUCACION GRATUITA A TODOS -

LOS NIVELES EN MEXICO.

POR TODO EL APOYO BIBLIOGRnTTCO RECIBIDO.

AL PERSONAL DEL C.D.I.N.

i GRACIAS

C O N T E N I D O

Página

RESUMEN.............................................................................................

CAPITULO

I . INTRODUCCION............................................................. 1

Consumo mundial de energ ía . Biomasa. Ven

ta ja s que se derivan de la obtención y --

aprovechamiento d e l Biogás.

I I . GENERALIDADES.......................................................... 10

D esa r ro l lo h i s t ó r i c o de la B io te cn o lo g ía .

D e f in ic io n e s . Biometanización. Materia -- prima para p roducir b iogás . Propiedades -

f í s i c a s y químicas de l b iogás. P r in c ip io s

y cond ic iones para producir b iogás . Condi_ ciones bás icas para la fermentación C iné

t i c a de l p roceso d i g e s t i v o . P u r i f i c a c ió n

del b iogás.

I I I . SELECCION Y DESCRIPCION DEL PROCESO............ 32

Descomposición orgán ica . Descripción del p roceso .

IV. SELECCION DEL EQUIPO........................................... 42

Sistema e s t á t i c o s in a g i ta c ión mecánica.

D igestores de lecho empacado, de f l u j o --

p is tón , para a lim entac ión por l o t e s , de -

carga continua. C r i t e r io s para la s e le £ -

c ión de un d ig e s to r . Operación de l equipo

s e le c c io n a d o .

A U T O R I Z A C I O N DE L T E M A DE T E S I S ............................

Página

V. ANALISIS ECONOMICO............................................ 57

CONCLUSIONES................................................................................... 61

BIBLIOGRAFIA.................................................................................. 63

R E S U M E N

La u t i l i z a c i ó n t r a d i c i o n a l d e l e s t i é r c o l en e l me

d io r u r a l mexicano se r e a l i z a bás icam en te de dos form as: una

es su a p l i c a c i ó n d i r e c t a como f e r t i l i z a n t e en la s s u p e r f i c i e s

de c u l t i v o y l a o t r a es como una fu e n te de e n e r g ía c a l o r í f i c a

de jando que e l e s t i é r c o l se seque para poder quem arlo .

La fe rm e n ta c ió n ( d i g e s t i ó n a n a e r ó b ic a ) d e l e s t i é £

c o l abre l a p o s i b i l i d a d de o b te n e r s im u ltáneam ente l o s r e c u r

sos mencionados a n t e r io rm e n te » más l a o b te n c ió n de un comple^

¡nento a l i m e n t i c i o para e l ganado.

En e s t e e s tu d io se t r a t ó de i n t e g r a r e l con oc im ien

t o e m p í r i c o , l a c i e n c i a moderna y la p e r s p e c t i v a soc ioeconón ü

ca con r e s p e c t o a la a p l i c a c i ó n de l o s d i g e s t o r e s a n a e ró b ic o s

en e l medio r u r a l m ex icano, o b ten ien d o como r e s u l t a d o , l a - -

u t i l i z a c i ó n de un d i g e s t o r con b a jo c o s t o de a d q u i s i c i ó n , - -

i n s t a l a c i ó n , m anten im ien to , mano de obra y mínimos requerí^ -

m ien tos de e n e r g ía , l o cu a l conduce h a c ia l o que puede s e r -

e l i n i c i o y o p c ión v i a b l e para e l apoyo d e l v e rd a d e ro d e s a r r £

l i o r u r a l i n t e g r a l y d e l e s tu d io de la s fu e n te s a l t e r n a s y -

r e n o v a b le s de e n e r g ía .

C A P I T U L O I

INTRODUCCION.

El problema en e rg é t ic o es uno de los más graves del

mundo contemporáneo. Las fuentes en e rgé t ica s son e l f a c t o r -

fundamental para asegurar la s cond ic iones de v ida ac tua les .

He aquí la razón por la que no debe ser subestimado d icho - -

problema.

Haciendo un a n á l i s i s d e l problema e n e rg é t ic o en e l

mundo c a p i t a l i s t a , se d is t ingu en t r e s pe r íodos :

PRIMERO.- Corresponde a lo s años de 1939 a 1958;

se hace s e n t i r en los pa íses c a p i t a l i s t a s una escasez de ene£

g ía . La p r in c ip a l fuente en e rg é t ica en es te per íodo es e l -

carbón, mientras que e l p e t r ó le o se usa en cantidades r e s t r in

gidas con f in e s domésticos o como materia prima para generar

energ ía e l é c t r i c a .

SEGUNDO.- P r in c ip ia en 1958. T iene lugar la revo

luc ión del transporte y comienza la producción de superpetro

l e ro s que abaratan e l costo d e l transpor te de l p e t r ó l e o , y -

1

son descub iertos una s e r ie de yacim ientos p e t r o l í f e r o s ; simul

táneamente se m an i f ie s ta una poderosa tendencia opuesta que -

crea premisas r e a le s para e l desencadenamiento de una futura

c r i s i s en e rgé t ica en e l mundo.

TERCERO.- Se da a in i c i o s de lo s años se ten tas .

Crece la ayuda a lo s "pa íses en v ía s de d e s a r r o l l o " , y se in

crementa la exp lo ta c ió n de la s r iquezas na tu ra les .

Se estima que en las últimas cuatro décadas, e l --

mundo ha consumido más en erg ía que la que se u t i l i z ó durante

toda su h i s t o r i a p re v ia Cfigura N o . l ) .

A s í se t ien e que desde la segunda guerra mundial,

la demanda de la en erg ía ha c re c id o a una tasa constante de

5.54 anual (más de l 20Q4 desde 1940).

Los eventos ocurr idos en e l campo de la en erg ía -

durante los años s e ten ta , han ob l igado a l mundo a cobrar con

c ie n c ia , de que las fuentes t r a d ic io n a le s de energ ía son eos

tosas y f i n i t a s , y que su agotamiento no se encuentra muy le

jano.

As í se t ien e que e l p e t r ó le o , e l carbón, e l gas -

natura l y la madera, se han ven ido agotando debido a su e x ce

s iva exp lo ta c ión ; és to ha provocado una s e r ie de problemas de

2

C O N S U M O M U N D I A L D E E f C R G I A

Año

M M B D - MILLONES DE BARRILES AL OIA

I . P . N . E . S t l . Q . I . E .

T E S I S P R O F E S I O N A L

F I G U R A N o - I

FERNANDO GARCIA OVANDO

3

t ip o económico que aunados a o t ro s , como la contaminación del

ambiente, la f a l t a de nuevas fuentes de en erg ía y la degrada

c ión de bosques, nos o b l ig a a estud iar fuen tes no convenciona

le s de energ ía , de las cua les , la "BIOMASA" es una de e l l a s y

de la que se puede obtener "b io g á s ” , a lcoh o l e t í l i c o y ener -

g ía c a l o r í f i c a ; dependiendo de l t ip o de "BIOMASA" que se pro

c e s e .

El término "BIOMASA" cubre una amplia gama de ma

t e r i a l e s orgán icos que t ienen por proceso na tu ra l e l creci_ -

miento, usando como n u tr ien tes p r in c ip a le s const itu yen tes - -

a tm os fé r icos y m inera les , con f o t o s ín t e s i s como fuente de - -

energ ía bás ica ; además se de f in e como la m ater ia v e g e ta l o --

animal c o n v e r t ib le en en erg ía , y comprende:

A rb o le s , arbustos, h ierbas , c u l t i v o s que son fuen

te de energ ía , a lg a s , p lantas acuát icas , res iduos de a g r icu l

tu ra , res iduos f o r e s t a l e s , abonos, res iduos s ó l id o s , residuos

in d u s t r ia le s , aguas de desecho y desechos humanos.

La "BIOMASA" es la p r in c ip a l fuen te de energ ía en

las zonas ru ra les de pa íses en d e s a r r o l lo , en donde v iv en a¿

rededor de ca s i la mitad de la pob lac ión mundial.

En esas zonas proporciona energ ía para la supervi^

vencía y represen ta también, ca s i la t o ta l id a d de la energ ía

4

F U E N T E S D E E N E R G I A A L T E R N A A L O S H I D R O C A R B U R O S .

• CARBON MINERAL

•NUCLEAR

.6E0TERMIA

I . P . N . E . S . I . Q . I . E -

T E S 1S P R O F E S I O N A L -

F I G U R A N o . 2FERNANDO GARCIA OVANDO

5

u t i l i z a d a para e l d e s a r r o l lo de estas reg iones de l g lobo te -

rráqueo.

En México, e l problema de la d i s t r ib u c ió n de gas -

doméstico en la s zonas ru ra les de c u l t i v o , no es un problema

f á c i l de r e s o l v e r , sobre todo s i se toma en cuenta que las --

áreas de c u l t i v o se encuentran d ispersas en reg iones con esca

sos recursos para e l t ra n sp o r te , almacenamiento y c r é d i t o , ce:

mo ocurre t íp icam ente en lo s llamados d i s t r i t o s de temporal,

que es en donde se produce la mayor parte de l maíz. También

co in c ide que en esas r e g ion es , a pesar de con tarse con c a n t i

dades a p rec ia b les de ganado, e l abono animal producido se en

cuentra d isp e rso , l e j o s de las áreas aptas para e l c u l t i v o , -

porque la ganadería e j i d a l y comunal productora de c r ia s para

engorda, se nutre de p a s t i z a le s y po tre ros s ituados en las --

áreas marginales no aptas para e l c u l t i v o in te n s iv o .

Con base en lo s datos d e l V Censo A g r í c o la , Ganade

ro y E j id a l de 1970, se t e n ía , a l primero de f eb re ro de ese -

a'ñí) un t o t a l de 21,136,432 cabezas de ganado vacuno. Esto --

permite esperar una gran producción de e s t i é r c o l . S i se con

s idera que una res produce d iariamente 26 kgs . de e s t i é r c o l -

hümedo y 10 l i t r o s de o r in a , la cantidad t o t a l de e s t i é r c o l -

teóricamente d isp on ib le s e r la de 549,547.23 toneladas.

Debido a l escaso in cen t ivo que r e c ib e la in ten s i-

6

f i c a c ió n de la ganadería e j i d a l por la carencia de técn icas

apropiadas para e l aprovechamiento adecuado de lo s desechos

o rgán icos , gran par te de és tos se p ierden en e l campo, ya sea

porque permanecen abandonados en las zonas marginales de pas

to r e o , o porque la l lu v ia y e l v ien to a rras tran e l amoniaco

de los e s t e r c o le r o s .

El v a lo r económico de l "BIOGAS" obten ido d e l e¿ -

t i é r c o l de bovino es de in te ré s para comunidades a g r íc o la s -

a is la d a s , en donde es costoso e l transporte d e l combustible

o e l tendido de l suministro e l é c t r i c o ; s in embargo, más de -

c inco m il lones de mexicanos se encuentran en es tas c o n d ic io

nes, y como la producción a g r íc o la se h a l la más deprimida en

esas r e g io n es , e l v a lo r e s t r a t é g ic o de l "BIOGAS" der ivado de

la fermentación (d ig e s t ió n ) de los d esperd ic io s o rgán icos , -

puede ser cons iderab le en cuanto a incrementar la producción

de a limentos b ás icos , en e s p e c ia l para mecanizar lo s traba jos

de i r r i g a c i ó n , desgranado d e l maíz, secado de lo s granos y -

procesamiento d e l nixtamal o masa para hacer t o r t i l l a s , preci^

sámente estas labores son con frecuenc ia l im ita n te s para aña

d i r v a lo r -a la a g r ic u l tu ra t r a d ic io n a l .

Además, la energ ía de la biomasa es fá c i lm en te -

adaptable con l im ita c io n es so c ia le s mínimas y es ambientalmen

te acep tab le . La más amplia u t i l i z a c i ó n de la biomasa para -

e l d e s a r r o l l o , dará por resu ltado un ambiente más puro, con -

7

un d e s e q u i l ib r io e c o ló g ic o mínimo y proporc ionará los medios

para reaprovechar lo s n u tr ien tes .

A continuación se es tab lecen algunas de las princi_

pa les ven ta jas que se der ivan de la obtención y aprovechamien

to d e l "BIOGAS" en un medio ru ra l :

i ) El uso del "BIOGAS", que es una fuente de ener

g ía b io ló g i c a de abastecim iento inago tab le e --

i l im i t a d o , es una opción v ia b le para r e s o l v e r -

e l problema ru ra l de lo s com bustib les , ya que -

es un m agn íf ico su s t i tu to de l carbón y la made

ra .

i i ) La u t i l i z a c i ó n d e l "BIOGAS" es una a l t e rn a t iv a

para a c e le ra r e l progreso de la a g r ic u l tu ra . La

materia orgánica en heces y o r in a , se descompone

completamente a través de la fermentación (d ig e ¿

t i ó n ) anaerób ica , incrementando notablemente la

e f e c t i v id a d de l e s t i é r c o l como f e r t i l i z a n t e .

Además, en México la producción a g r í c o la de las

áreas de temporal es a fectada por la poca fer t i^

l id ad d e l sue lo , como consecuencia del c u l t i v o

sosten ido de unas cuantas e sp e c ie s , sobre todo

s i no se cuenta con s u f ic ie n te s recursos econ¡5

micos para p ro tege r a l suelo de la e ros ión y -

8

para comprar f e r t i l i z a n t e s orgánicos y químicos

Es aquí en donde se j u s t i f i c a una vez más la - -

u t i l i z a c i ó n de los desechos orgánicos para obte

ner "BIOGAS" a p a r t i r de e s t i é r c o l , ya que los

e f lu en tes obten idos pueden u t i l i z a r s e como abo

no orgán ico r i c o en amoniaco.

í i i ) La fermentación de las heces y o r in a , es una -

e f i c a z a l t e r n a t i v a para adm in istrar los desis -

chos o rgán icos , provee condic iones de sanidad

ru ra l y aumenta e l n i v e l de salud de la gente.

i v ) La u t i l i z a c i ó n del "BIOGAS", puede a b r i r una -

nueva fuente para la mecanización de la agri^ -

c u l tu ra .

9

C A P I T U L O II

GENERALIDADES.

BIOTECNOLOGIA. Es un nombre nuevo para procesos -

que t ienen su o r igen en la antigüedad. Así se t ienen que, --

hace c ien tos de años, la gente aprendiS a producir v in o , que

so y pan a través de la fermentación.

La fermentación se i n i c i ó como c ien c ia en e l año -

de 1857, cuando LUIS PASTEUR descubrió que era e l resu ltado -

de la acción de c i e r t o s microorganismos e s p e c í f i c o s . Además,

se const ituyó como una in du s tr ia a p r in c ip io s d e l s i g l o XX, -

con la producción de enzimas m ic r o b io ló g ic a s , ác idos orgáni. -

eos y levaduras. Poster iorm ente , las técn icas de fermenta

c ión para e l uso com erc ia l se d esa r ro l la ro n s ig n i f ic a t iv a m e n te

durante los primeros t r e in t a años de l presente s i g l o .

BIOTECNOLOGIA. Se puede d e f in i r en la ac tua lidad

como la reunión de procesos in d u s t r ia le s que invo lucran e l -

uso de sistemas b io ló g i c o s , pr inc ipa lm ente la fermentación y

procesos asoc iados.

1 0

D E S A R R O L L O R E T O R I C O D E L A B I O T E C N O L O G I A .

F E C H A S U C E S O .

6 000 A . C eamtóalcohqucas pan r o js s o son obtenidos por.

FERMENTACION.

1857 P&5TEUR DEMUESTRA QUE LA FERMENTACION ES CAUSAOA -

POR MICROORGANISMOS.

1900 SE INDUSTflUUZA LA FEÜMEHTACCN.

1923 s e ►Rüoucr a c i d o crrRtto p o r f e r m b i t m i o n a e s c a l a-

INDUSTRIAL.

1944 M A N PRODUCCION HE P E M D U M A OUtMTIE LA SEGUNDA .

G U E W U MUNDIAL.

1953 ES DESCUBIERTA LA ESÜKUCTMtA DEL ONA

1973 U RESOMBUUiClON DEL ONA HACE POSiaLE l.í IN6ÉN/H» GENETICA.

1962 LA INSULINA ES EL PRIMER PRODUCTO COMERCIAS. OBTENIDO -

A PARTIR B E L DNA.

1

l . P . N . E . S . I . Q . I . E


T A B L A N o . 1 .FERNA N O O GARCIA OVANDO

1 1

FERMENTACION. Es una reacciSn en la cual se usa -

un b lo c a ta l i z a d o r para c o n v e r t i r la materia prima en produc -

t o s .

BIOCATALIZADOR. Es generalmente una b a c te r ia , l e

vadura u hongo.

En la ac tua l idad a lo s r e c ip ie n te s que se emplean

en la fermentación se le s llama BIORREACTORES, REACTORES BIO

LOGICOS, FERMENTORES 0 DIGESTORES.

A la materia prima que alimenta a l b io r r e a c to r se

le llama SUSTRATO,

La parte p r in c ip a l d e l su s tra to es la fuente de --

carbón que es e l que u t i l i z a n lo s microorganismos para pro --

v eerse de energ ía y a limento para la producción de los com --

puestos f in a l e s . Los microorganismos también requ ieren de --

o t ro s n u tr ien tes importantes, és tos son la c la v e para proveer

a la es tructura molecular de los componentes c e lu la r e s , como

núcleos , paredes y membranas. Los n u tr ien tes mencionados e s

tán con s t i tu id o s por a zu fr e , f ó s f o r o , p o ta s io , magnesio, n i -

trógeno y v a r io s m inera les , dependiendo d e l microorganismo -

que se t r a t e . Más de estos n u tr ien te s son ad ic ionados a los

ferm entores , como las sa les m inera les d ísu e l ta s en e l agua,

en algunas s ituac iones también se añade e l n it rógeno en fo r -

1 2

ma de a m o n ía c o .

Las c é lu la s también neces itan oxígeno para mantener

su proceso m etabólico . Las fermentaciones con microorganismos

aerób icos son sosten idas burbujeando a ir e en e l fe rm en to r .

Las fermentaciones con microorganismos anaeróbicos

se e fectúan en ausencia de a i r e . Estos microorganismos, ob

t ienen e l oxigeno n ecesa r io para su metabolismo, de uno de -

lo s sustratos que contienen oxígeno en abundancia.

ECUACION GENERAL PARA UN PROCESO DE FERMENTACION:

FUENTEDE

NUTRIENTES + CARBON + OXIGENO microorganismos > pR0:DUCT0S + CALOR

La conversión b io ló g i c a entraña la d es in teg rac ión

enzimática de la biomasa, con producción de energ ía , mediante

microorganismos en las cond ic iones adecuadas.

BIOMETANIZACION. Es un proceso m ic rob io ló g ic o que

con v ie r te a la biomasa, en ausencia de a i r e , en metano y -

b ióx ido de carbono (BIOGAS), dejando un residuo e s ta b i l i z a d o ,

que es potencia lm ente adecuado para su u t i l i z a c i ó n como f e r t ¿

zante, acondicionador d e l suelo y complemento a l im e n t ic io p£

ra e l ganado.

1 3

M A T E R I A P R I M A P A R A PRO D U C I R BIOGAS.

Cuando la m ateria prima fermenta, tan so lo parte -

de e l l a se c o n v ie r te en metano, a lgo de m a te r ia l no d ig e r id o

se acumula en e l b io r r e a c t o r , o tra parte pasa a l res iduo y a

la espuma que se forma.

Por o tro lado , tan to la cantidad de carbono como -

de n itrógeno en la materia prima ( e s t i é r c o l ) son de v i t a l im

portanc ia para lo s microorganismos. Se sabe que es tas b a c te

r ia s requ ie ren de 25 a 35 veces más carbono que n it rógeno .

La tab la No. 2 muestra lo s v a lo r e s medios de la --

composición de l e s t i é r c o l .

RELACION CARBONO/NITROGENO (C/N).

S i la r e la c ió n C/N es a l t a , o sea con poca concen

t ra c ió n de n i t rógen o , tendrá como consecuencia que algunas -

b ac te r ia s mueran por f a l t a de é s t e , empleando la s res tan tes -

e l n itrógeno c o n s t i tu t iv o de la s cé lu la s de a q u e l la s . En e l

proceso de as im i la c ió n de es te n it rógeno pa r te d e l carbono -

en e l b io r r e a c to r se reduce cuando la s b a c te r ia s recobran e l

n itrógeno f a l t a n t e . Entonces, la d ig e s t ió n puede continuar,

pero e l proceso g lo b a l será más len to que s i e l m a te r ia l ali_

mentado tu v ie ra una r e la c ió n más adecuada.

1 4

C O M P O S I C I O N P R O M E D I O D E L E S T I E R C O L .

C O M P O S I C I O N E S P Í E C I E

°/* B O V I N O P O R C I N O

s o l i d o s t o t a l e s

BASE HUMEDA17.6 18.3

SOLIOOS VOLATILES

BASE SECA79.7 03. e

N2 BASE SECA 2.0 4.1

P20 5 BASE SECA 1.25 2.3

K20 BASE S E C A 2.9 4. 5

HUMEDAD «2.4 60 7

C ' n23.a 18.6

pH 7.7 6 0

I . P . N . E . S . I . Q . I . E .

T E S I S P R O F E S I O N A L .

T A B L A N o . 2FERNA N D O GARCIA OVANDO

Si la re la c ión es baja , e l carbono se terminará an

tes que e l n itrógeno, originando que e l proceso de fermenta -

ción se detenga y posteriormente e l sustrato perderá el n i t r ó

geno remanente.

La f in a l id ad de la d igest ión anaeróbica es lograr

una conversión máxima de carbono a metano, con la mínima p é r

dida de nitrógeno.

Para a justar la re la c ión C/N, se recomienda agre -

gar a l d igestor materia les de f á c i l acceso en e l medio a gr íc£

la , como la paja y otros vege ta les .

BIOGAS.

El biogás es un combustible que se produce por la

fermentación m icrob io lóg ica de varios materia les orgánicos, -

bajo condiciones constantes de humedad, acidez y temperatura.

El p r in c ipa l constituyente del biogás es e l metano,

también conocido como gas de los pantanos.

El biogás in ic ia e l dominio de la energía biológi^

ca, la cual puede ser producida a r t i f ic ia lm en te .

1 6

COMPOSICION D E L BIOGAS.

S U S T A N C I A

°/o

V O L U M E N

METANO 50 - 60

BlOXI DO DE CARBONO 30 - 40

HIDROGENO * - 10

NITROGENO 4 . 6

ACIDO SULF HlíRICO

MONOXIDO OE CARBONO

ALGUNOS HIDROCARBUROS

PESADOS .

TRAZAS

I . P . N . E . S . I . Q . I . E .

J T E S I S P R O F E S I O N A L .

| T A B L A N o . 3 .

i FERNANDO GARCIA OVANDO.

1 7

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL BIOGAS (METANO).

El metano es un gas -

In c o lo r o .

Inodoro -

Insaboro .

El o lo r de l b iogás se debe a que con tiene o tros --

gases aparte de l metano, que l e dan un o lo r como a huevos po

dr idos o a a jo .

Los datos de la tab la No. 4 están determinados a -

cond ic iones normales de p res ión y temperatura.

Cuando e l metano es quemado completamente, despren

de una flama azul y l ib e r a una gran cantidad de energ ía c a lo

r í f i c a .

FORMULA MOLECULAR DEL METANO;

H

H-C-HiH

CO2 (g )

1 metro cúbico de metano(g) 8562 a 9500 kca l.25°C

1 8

P R O P I E D A D E S D E L M E T A N O .

P R O P I E D A D V A L O R

PESO MOLECULAR 16.04

TEMPERATURA DE CONGELAMIENTO _1*2.5*C

TEMPERATURA DE EBULLICION - 1S1. 5®C

TEMPERATURA CRITICA - 82.5*C

PRESION CRITICA 45.6 Kq/cn?

DENSIDAD RELATIVA 0.554

PUNTO DE IGNICION 5 95 °C

LIMITES DE EXPLOSiVIQAD 5 3 - 14.0 */o

SOLUBILIDAD EN AGUA >o0

I . P . N . E . S . l . Q . L E .


T A B L A N o . 4 .

FERNANDO GARCIA OVANDO_______

1 9

1 m e tr o c ú b i c o de b i o g á s --------------- ► S500 a 6500 k c a l .25°C

USOS DEL BIOGAS,

Es un e x c e l e n t e g a s c o m b u s t i b l e p a r a c o c i n a r e - -

i l u m i n a r (1 m et ro c ú b i c o de b i o g á s a c n p t , pu ed e dar l u z du -

r a n t e 6 6 7 h o r a s , con l a i n t e n s i d a d e q u i v a l e n t e a un f o c o de

60 w a t t s ) ,

USOS DEL METANO.

En l a i n d u s t r i a s e usa en l a s í n t e s i s de:

C l o r o m e t a n o .

D i c l o r o m e t a n o .

T r i c l o r o m e t a n o .

T e t r a c l o r u r o de c a r b o n o .

M e t a n o l .

F o r m a l d e h í d o .

e t c .

PRINCIPIOS Y CONDICIONES PARA PRODUCIR BIOGAS.

A l g u n o s m a t e r i a l e s o r g á n i c o s a c o n d i c i o n e s c o n s t a n

t e s de t e m p e r a t u r a , p r e s i ó n y humedad, pu ed en p r o d u c i r b i £ -

g á s , po r med io de l a a c c i 6 n t e r m e n t a d o r a de una b a c t e r i a - -

a n a e r ó b i c a l l a m a d a "METANOGENICA".

2 0

p a s :

E s ta f e rm e n t a c ió n se r e a l i z a a t r a v é s de dos e ta

PRIMERA ETAPA.

Las bac te r ia s transforman los complejos orgánicos

en ác idos grasos y también en algunos compuestos inorgán icos .

CARBOHIDRATOSPROTEINAS ----------- ft- ' ■ ü . *- ACIDOS GRASOS.GRASAS BACTERIANA

Compuestos inorgán icos :

BIOXIDO DE CARBONO.

NITROGENO.

ACIDO SULFHIDRICO.

Las b ac te r ia s a c t iv a s en esta etapa se llaman:

BACTERIAS TRANSFORMADORAS DE CELULOSA.

BACTERIAS TRANSFORMADORAS DE LIPIDOS.

BACTERIAS TRANSFORMADORAS DE PROTEINAS.

BACTERIAS TRANSFORMADORAS DE CARBOHIDRATOS.

ETC.. .

SEGUNDA ETAPA.

La b a c te r ia oxida o reduce a la m ater ia orgánica

2 1

y a l agua de la primera etapa, y las transforma en metano y -

b ióxido de carbono, las bacterias activas en este proceso r e

ciben e l nombre de:

ya que s i la ve loc idad de la primera excede a la velocidad de

la segunda, se tendría una acumulación de ácidos orgánicos --

que puede tener como consecuencia que en la segunda etapa d i£

minuya la producción del metano, o bien sea suprimida total_ -

mente.

El proceso de formación del metano no es propia_ -

mente una fermentación, aunque es siempre un proceso anaero

bio e s t r i c to y que se denomina en términos genéricos , como -

METANAE BACILLI.

METANAE COCCI.

FORMULA GENERAL:

( CfiH,«On)6 10 5; n (s ) 3n + 3nC02(-gj + ca-*-o r -

Descomposición de ácidos a metano:

2 CjHjCOOüPr + 2H20|^j

CHjCOOH1

Reducción de bióxido de carbono:

CH4 Cg) + 2H-.0O f "N2 Cg)

Las dos etapas anteriores deben ser balanceadas,

2 2

F O R M A C I O N D E L M E T A N O .

SUSTRATO ORGANICO

AZUCARES ASIMU.íSSS

FERMENTACION

ETANOL PROPIONATO ACETATO FORMATO BUTIRATO

I . P . N . E . S . I . Q . I . E


F I G U R A N o . 3FERNANDO &ABCIA OVANDO

2 3

r e s p i r a c ió n a n a e r ó b ic a .

metano se h a l la precedida de ferm entación la cual puede ser -

de d iv e rso s t ip o s Cfigura N o .3) a saber; A lc o h ó l ic a , a c é t ica ,

h u t í r i c a , p rop ión ica , fórm ica , e tc .

En lo s sistemas de producción de gas metano, a par_

t i r de d iversos desechos o rgán icos , se pueden presen tar las -

fermentaciones a n te r io r e s , puesto que la d iv e rs id ad m ic rob ia

na a s í lo perm ite , es d e c i r , se ha observado que la mejor pr£

ducción de metano o biogás es más f a c t i b l e con los b i o c a t a l i -

zadores de asoc iac iones microbianas complejas, en la que p a r

t i c ip a n los géneros, prop ion ibacter ium , e n te r o b a c te r ia s , c lo^

tr id ium butirobacter íum , e t c . , en r e la c ió n estrecha con la s --

b a c te r ia s formadoras de metano (m etanogén icas ).

CONDICIONES BASICAS PARA LA FERMENTACION.

Para lo g ra r una fermentación e f i c i e n t e es necesa -

r i o p roveer las condiciones óptimas para que la b a c t e r ia se -

d e s a r r o l l e normalmente y pueda tenerse una buena producción -

de b iogás . Las va r ia b le s p r in c ip a le s a c o n t ro la r se mencio -

lan a continuación:

1. Ausencia t o t a l d e l a i r e . Todas la s a c t i v id a -

2 4

Como se m e n c io n a a n t e r io r m e n t e , l a f o rm a c ió n d e l -

des de las bac te r ia s anaerfib icas, como su nombre lo in d ica , -

no n eces itan a i r e Cox lgeno }; de l o c o n t ra r io , la fermentación

de la materia orgánica en presenc ia de ox igeno, producirá - -

b ióx ido de carbono.

2. Temperatura apropiada. La temperatura de f e r

mentación a fe c ta la producción d e l gas considerablemente. A

la temperatura c o r r e c ta , l a v i t a l i d a d de la b a c te r ia será - -

fu e r te y producirá mucho gas rápidamente.

La gama de temperaturas es muy amplia y se puede -

c l a s i f i c a r de la s igu ien te manera;

Fermentación a A l ta Temperatura 50 - 55°C

Fermentación a Media Temperatura 30 - 35°C

Fermentación a Temperatura Ambiente 10 - 30°C

Una v a r ia c ió n de más de t r e s grados cen t ígrados de

temperatura, puede p roducir d is tu rb io s en la producción d e l -

gas. Esto hace necesar io que la temperatura se conserve e s t£

b l e .

3. Nutr ien tes s u f i c i e n t e s . El c rec im ien to normal

de la b a c te r ia requ ie re la absorción de s u f ic ie n te s nu tr ien -

t e s , en tre lo s que se encuentran p r inc ipa lm en te : carbón, n i

t rógeno , y sa les orgánicos de los m ate r ia le s de fermentación.

2 5

4. Contenido de agua. La b a c te r ia n eces i ta una

cantidad apropiada de agua para que pueda absorber lo s nu -

t r i e n t e s , ex c re ta r desechos, y poder s o b r e l le v a r su proceso -

de v ida .

Comúnmente e l contenido de agua en lo s ingred ien -

tes de la fermentación es aproximadamente de l 90% Peso.

Demasiada d i lu c ió n o concentración pueden a fe c ta r

la producción del gas; s i lo s m ater ia les contienen demasiada

agua, entonces la producción de gas por unidad de volumen dis

minuye, y s i los m a te r ia le s contienen poca agua, se acumula -

una gran cantidad de ácidos o rgán icos , y la fermentación se -

r e ta r d a .

5. Ambiente ác ido o a lc a l in o apropiado. La bacte

r í a puede v i v i r en un ambiente neutro o l igeram ente a l c a l in o ,

exces iva ac idez o a l c a l in id a d , será dañina para la producción

del gas. Generalmente, un l iq u id o mantenido con un pH entre

7 y 8 .5 , fermentará sucesivamente y producirá b iogás de forma

normal.

CINETICA DEL PROCESO DIGESTIVO,

La s i tu a c ión de la d ig e s t ión anaeróbica es bastan

t e compleja en comparación con la mayoría de la s f e rm en ta d o

nes aerób icas e s t é r i l e s . Esto se debe a la p a r t ic ip a c ió n de

2 6

varias poblaciones de organismos d i fe ren tes , a la naturaleza

heterogénea de los sustratos t íp ic o s y a la f a l t a de lineari^

dad resultante de var ios t ipos de inh ib ic ión . Desde luego,

ex is te la pos ib i l idad de que las poblaciones se desincronicen

Lo que ocurre con mayor frecuencia es la formación excesiva -

de ácido, y que es debida a una adición demasiado rápida de

sustrato. En esas condiciones, las bacterias productoras de

metano no pueden u t i l i z a r e l ácido con la misma rapidez con

que se genera. El ácido producido puede entonces inh ib ir a

las bacterias productoras de metano y disminuir o frenar por

completo la producción de gas. En este punto, la situación -

conocida como "a c id i f i c a c ió n " es grave y bastante d i f í c i l de

co rreg ir . En muchas ocasiones las bacter ias metanogénicas --

"se acostumbran" a los a lto s n iv e les de ácido y generan meta

no después de haber sobrepasado lo que se puede considerar C£

mo una fase de retardo en e l crecim iento. Para e v i ta r este -

problema, frecuentemente se u t i l i z a una práct ica de d iges t ión

que consiste en añadir e l sustrato tan lentamente como sea -

necesario para que la tasa de producción de ácido y de otros

productos intermedios se mantenga baja a l l im ita r e l sustrato

Los esquemas hasta ahora propuestos son vagos, - -

pues ex is te incertidumbre acerca de los compuestos intermedia

r io s que partic ipan en la formación del metano.

Entonces, dada esta compleja s ituac ión , se tra ta

2 7

de saber si un modelo s e n c i l l o podría ser ú t i l en la p rá c t ica .

M.P.Bryant (3 4 ) , propone e l s ig u ie n te modelo:

Y = , . -ktYraax

en donde:

Y = rendimiento a l tiempo t .

Y max. = rendimiento máximo.

k = constante e s p e c í f i c a de r e a c c i6n.

Pred icc iones para e l modelo propuesto :

D iges tor in te rm iten te :

Y = Ymax. (1 - e ' k t )

D iges to r continuo:

ktY = Ymax.1 + kt

Datos de d iversas fuentes mostraron que la r e ía

c ión y las p red icc ion es de l modelo propuesto son insosteni^

b le s . Debido a que e l modelo propuesto da por hecho que la -

manera en que se completa e l proceso de producción de gas o -

de convers ión es exponencia l. La f igu ra No. 4, muestra l o --

que sucede en la r e a l id a d , se usó e l método de mínimo cuadra

dos y e l a ju s te no fue p e r fe c to .

Resumiendo, los datos hasta ahora obten idos son --

un poco in c i e r t o s para in te g ra r lo s y poder d i lu c id a r la v ía

por la cual se ob tiene e l metano.

G R A F I C A S D E U N A C O M P I L A C I O N D E

D A T O S D E L A D I G E S T I O N A N A E R O B I C A

D E E S T I E R C O L D E G A N A D O V A C U N O .

I . P . N . E . S . I . Q .I.E.


F I G U R A N o . 4 .

F E R N A N D O GARCIA OVANDO.

2 9

PURIFICACION DEL BIOGAS.

Resulta comprensible que a medida que la humedad

es menor, la f a c i l i d a d de combustión es mayor. El agua puede

ser eliminada s i pasamos e l gas a través de ca l v iv a , aunque

con e l l o se a fe c ta e l p o rcen ta je de b ióx ido de carbono; por -

o t ro lad o , siendo la c a l un s ó l id o e x i s t i r á la absorc ión .

La presencia de b ióx ido de carbono en e l gas p r e

senta e l aspecto más grave : reduce e l poder c a l o r í f i c o de l com

b u s t ib le , aumenta e l volumen a almacenar e incrementa la p r e

sión en lo s tanques r e cep to res . Esto también es causa de baja

e fe c t i v id a d en e l momento de la combustión de l gas, pues requ i£

re a lgo d e l c a lo r producido para e le va r su temperatura hasta

la de ig n ic ió n . A pesar de é s to , l a operación de absorc ión re_

su lta s e n c i l l a mediante e l paso d e l gas a través de la solu -

c ión de agua con c a l . El uso de es te absorbente de ja de ser -

p rá c t ic o y cos teab le cuando se t rab a ja a gran esca la , en es te

caso se emplean sustancias como la d i e t i l amina, t n e t . i l ami

na, h idróx ido de c a l c i o , carbonato de p o tas io e h id róx ido de

p o ta s io .

El hidrógeno aumenta e l poder c a l o r í f i c o d e l gas,

por lo que no es n ecesar io e l im in a r lo .

Por o tro lado , e l Scido s u l fh íd r ic o se presenta -

3 0

en pequeñas cantidades, c a s i im p e rcep t ib le s , cuando e l c i c l o

de d ig e s t ió n se a la rga más de t r e in ta d ías . Este componente

a fe c ta cuando e l gas se u t i l i z a en la operación de maquinaria

pues contribuye a l d e t e r io r o d e l meta l; s i e l uso que se da -

a l gas es só lo para combustión, la e l im inac ión del ác ido sul

fh íd r i c o no es de importancia.

3 1

C A P I T U L O III

SELECCION Y DESCRIPCION DEL PROCESO.

Los m a te r ia le s orgánicos pueden descomponerse de -

dos formas, aeróbicamente (con ox ígeno) y anaeróbicamente - -

(s in ox ígen o ). La d i f e r e n c ia se debe a la a c t iv id a d de d i f e

rentes t ip os de b a c te r ia s que son los agentes p r in c ip a le s de

descomposición, algunos de los cuales se nutren de oxígeno y

otros no. Por norma gen era l , con la palabra composteo, se -

denomina a la degradación microbiana de só l id o s orgánicos por

medio de una r e sp ira c ió n aerób ica que pasa por una fa se termo

f í l i c a . Este proceso para e l tra tam iento de desechos só l id os

orgánicos t ien e las s igu ien tes funciones:

- Reducción de masa y volumen por medio de la vo la

t i l i z a c i ó n de parte de carbono orgánico como - -

b ióx ido de carbono.

- E lim inación de lugares en donde se reproducen in

s e c tos , p lagas y patógenos, con e l f i n de preser

var una buena h ig iene púb lica .

- R e u t i l i z a c ió n de recursos desperd ic iados ; e l - -

p r in c ip a l uso de l m ater ia l producido es en la -

a g r i c u l tu r a y de esta manera se re in teg ran a l -

3 2

suelo los n u tr ien tes m inera les que de o t ra f o r

ma se perder ían . También se ha probado u t i l i z a r

composta urbana como a limento de ganado con r e

su ltados pre l im inares muy fa v o ra b le s , a s í como

o tro s usos no re lac ionados con la a g r ic u l tu ra .

La descomposición aerób ica se produce naturalmente

en la pu tre fa cc ión de p lantas y cuerpos de animales muertos,

e s t i é r c o l de animales depositados en la t i e r r a , hojas y ramas

secas. El producto de esta descomposición es e l humus, un ma

t e r i a l negruzco o de co lo r oscuro, cuyos con s t i tu yen tes p r in

c ip a le s de v a lo r f e r t i l i z a n t e son compuestos de n i t rógen o , -

f ó s fo r o y p o ta s io , junto con gases, amoníaco y b ió x id o de car

bono, que son a rro jados a la atmósfera.

La descomposición anaeróbica ( ferm entac ión o d iges

t ió n an aerób ica ) , se produce en la natura leza tanto en la fo r

ma de d ig e s t ió n en la s v is c e ra s de los animales, como debajo

de l agua en estanques o charcos en donde la m ater ia orgánica

-p lantas acuáticas muertas o materias semejantes- se pudre -

s in ox ígeno. Los productos só l id o s son e s t i é r c o l y turba res

pectivamente y en ambos casos, lo s productos gaseosos consis

ten en una mezcla que con tiene pr inc ipa lm ente metano y b ió x i

do de carbono junto con pequeñas cantidades de ác ido s u l f h í

d r ico que es la causa del o lo r c a r a c t e r í s t i c o a podr ido .

Con base en lo ya expuesto, la producción de b io -

3 3

D E S C O M P O S I C I O N O R G A N I C A

TURBA E 5TIERC0L EFUU6N T EI . P . N . E . S . I . Q . I . E


F I G U R A N o . 5 .


gás a p a r t i r de e s t i é r c o l por ser un proceso anaeróbico y bio

químico además de ser e l tínico hasta ahora conocido y a p l i c a

do es tá por demás r e a l i z a r e l es tud io para la s e le c c ió n de l -

proceso que más conviene.

Debe quedar c la ro que para los mismos procesos, es

p o s ib le u t i l i z a r d i f e r e n te s d iseños , cada uno de los cuales -

en c ie r ra sus ven ta jas y desven ta jas .

Lo a n te r io r es para no confundir e l hecho de que -

s i e l sistema es d i f e r e n t e , e l proceso también lo es.

DESCRIPCION DEL PROCESO.

A) MOLIENDA. Es recomendable moler e l e s t i é r c o l -

f r e s c o que se va a u t i l i z a r para la d ig e s t ió n ,

ya que a l d isminuir e l tamaño de los s ó l id os se

está aumentando e l área de contacto con los mi

croorganismos encargados de in i c i a r e l proceso.

En caso de que no se cuente con un equipo para

la molienda, es ta etapa puede pasar por inadver

t id a . Tomando en cuenta la a n te r io r cons idera

c ión , e l s igu ien te paso es v a c ia r e l e s t i é r c o l

en un r e c ip ie n te adecuado para hacer e l acond i

cionamiento; se puede hacer d irectamente en e l

b io r r e a c to r ( d i g e s t o r ) .

3 5

P R O D U C T O S E N E L D I G E S T O R .

F A S E SR E C U R S O S

U T I L I Z A B L E S .

GASES

Lian do

SOLIDOS

I . P . N . E . S . I . Q . I . E


F I G U R A N o . 5.1FERNANDO GARCIA OVANDO

3 6

B) ACONDICIONAMIENTO, Esta etapa es la más impor

tan te d e l proceso para poder obtener una le ch a

da (agua, e s t i é r c o l ) que ga ran t ic e la produc

c ión de b iogás . A continuación se e x p l i c a la -

secuencia de lo s pasos necesar ios para l o g r a r -

e l acondicionamiento:

B . l ) Ad ic ionar l a cantidad necesar ia de agua --

para obtener una concentrac ión aproximada-

a i "8 1'** en peso de só l id os t o t a l e s . Con -

base en los experimentos hechos por D .L. -

Wise (12) en Estados Unidos, se concluyó -

que por cada k ilogramo de e s t i é r c o l f r e s c o

que se cargue a l b io r r e a c to r se agreguen -

1.2 l i t r o s de agua t i b i a (37°Q con lo - -

cual se obtendrá la concentración adecúa -

da .

B.2) Medir e l pH de la lechada obten ida .

B.3) A ju s ta r e l pH a un v a lo r aproximado de 7,

és to se lo g ra agregando ca l (CaCOj) a l a -

mezcla ( lechada ) igu a l que en e l paso an

t e r i o r . A t ra vés de la expe r ien c ia se ei

con tró que por cada l i t r o de lechada con

una concentrac ión de 8% en peso de só l id o s

t o t a l e s , se deben añadir aproximadamente

240 gramos de c a l (CaCO,).

3 8

C) CARGA DEL DIGESTOR. .En caso de que la etapa an

t e r i o r se haya e fectuado en un r e c ip ie n t e que -

no sea e l d ig e s t o r , la mezcla f lechada ) acond i

cionada se cargará a l b io r r e a c to r y una vez ca£

gado, se tapará herméticamente para e v i t a r e l -

paso de a i r e a l i n t e r i o r . Es aquí en donde da

i n i c i o e l proceso de d ig e s t ió n (mecanismo b io ló

g ico que d es in teg ra a la materia orgánica en - -

productos que pueden ser aprovechados para p ro

ducir e n e r g í a ) . A p a r t i r de esta etapa se esp£

ra la producción de gas. La v e r i f i c a c i ó n se --

e fe c tú a rea l izan d o en los s igu ien te s ocho d ías

purgas p e r ió d ic a s por la vá lvu la de s a l id a del

gas, con e l p ropós ito de e l im inar la más mínima

presenc ia de a i r e , a s í como también a lgo de v a

por de agua formado durante e l arranque. En e¿

tas cond ic iones la d ig e s t ió n ( ferm entac ión ) pe^

durará durante 2 5 días aproximadamente; después

de e s te p e r íodo , se puede cargar d iariamente e l

d ig e s t o r , manteniendo a s í la operación continua

del d ig e s to r .

D) PURIFICACION. Esta etapa es muy necesar ia para

aumentar e l poder c a l o r í f i c o del b iogás y se de_

be e fe c tu a r t a l y como se ind icó en e l c a p í tu lo

a n t e r i o r .

3 9

E) ALMACENAMIENTO. En una ins ta lac ión donde e l --

gas se usa regularmente éste se puede recoger

en un tambor de metal o en cualquier otro r e c i

p iente que no tenga fugas.

F) DESCARGA. El e fluente se debe descargar de la

manera adecuada para e v i ta r que entre a ire al

d ig e s to r ; este e f luente puede ser aplicado di -

rectamente sobre las t ie r ra s de c u l t iv o o puede

ser separado, e l componente l íqu ido se puede --

u t i l i z a r para e l acondicionamiento de la lecha

da por cargar, y e l e f luente só l ido puede ser -

tratado para separar las proteínas que contiene

(aproximadamente e l 141 de los só lidos no d ig e

r id o s ) , las cuales pueden ser u t i l i z a d a s como -

un complemento a l im entic io para e l ganado, y --

los só lidos restantes para e l acondicionamiento

del suelo de cu lt iv o ,

G) SEGURIDAD. El biogás puede causar explosiones

provocadas por e l metano, cuyos l ím ite s de ex-

p los iv idad se sitúan entre 5.3% y 14%. Toman

do en cuenta que en la composición del b iogás,

e l metano representa entre e l 60 y e l 7 0%, los

l ím ite s de explosividad se corren a 9% y 23%.

En e s t a s c o n d ic io n e s e l b i o g á s n e c e s i t a u n a --

4 0

temperatura de 650 a 750°C para d e f la g ra r , es

ta temperatura puede ser alcanzada a l encender

un c e r i l l o o al producir chispas por choques -

metálicos. La densidad y la composición del -

biogás son factores importantes en la segur^ -

dad, pues tomando en cuenta que la densidad --

del a ire es de 1.293 g/1 y la del bióxido de -

carbono 1.98 g/1 y considerando una composi^

ción entre 30 y 401 de CC la densidad del bio

gás l le g a a 1.09 g/1, lo que lo hace más l i g e

ro que e l a ire y puede d i lu i r s e fácilmente per

diendo pe lig ros idad . S i la proporción de CO

rebasa 45.7%, e l biogás se vuelve más denso --

que e l a ire subiendo su l ím i te de pe ligros idad

por var ios fac tores :

a) El biogás puede ser a s f ix ia n te cuando hace -

que e l oxigeno del a ire baje a 17.3% y s i --

l le g a a 13% es altamente sofocante.

b) Si en la composición del biogás se t iene mo-

nóxido de carbono CCO) en proporción de -

0.1% es fa ta l en 4 horas y s i la proporción

de H;3 es de 0.6% es fa t a l en menos de media

hora. Por todas estas razones hay que te_ -

ner precauciones s im ilares a las que se t í e

nen con e l gas doméstico.

4 1

C A P I T U L O IV

SELECCION DEL EQUIPO.

Los sistemas de d ig e s t ió n anaeróbica, generalmente

se construyen tomando como base la te cn o lo g ía ya e x is t e n te p<i

ra e l tra tam iento de aguas negras.

Lo más importante en es te t ip o de procesos es mini

mizar la entrada de energ ía y maximizar la s a l id a .

SISTEMA ESTATICO SIN AGITACION MECANICA,

Este sistema puede contener f ra cc ion es muy a l ta s

de só l id o s sin que se tenga que a g i t a r ; basta con so lo añadir

la cantidad de agua necesar ia para lo g ra r una a c t iv id a d termo

dinámica de uno, lo a n te r io r es s u f i c i e n t e para mantener v iv o s

a los microorganismos, debido a que se l e s proporc iona una fa_

se adecuada para obtener las rutas d i fu s io n a le s n ecesar ias ,

Para constru ir es te sistema de d ig e s t ió n se debe cons iderar

una s itu ac ión bastante conocida: la producción de ácido debi^

da a la tasa tan ráp ida de crec im ien to de las b a c te r ia s p r o

ductoras de é s te . En caso de que e l sistema se a c id i f i q u e o

4 2

"a v in a g r e " , KUGELMAN y CHIN (34) demostraron que la mhib_i -

c ión ácida se reduce enormemente u t i l i z a n d o lo s amortiguado

res adecuados y que se pueden añadir con f a c i l i d a d a l sistema

junto con e l sus tra to . Pero también demostraron que la meta-

* nogénesis t ie n e lugar a los n iv e le s de ac idez m3s a l t o s que -

se hayan observado en estos sistemas. El amortiguador e l e g i

do por e l l o s , desde e l punto de v i s t a de so lu b i l id a d y t o x i

cidad c a t ió n ic a es e l carbonato de c a l c io en po lvo .

Se ha demostrado que e l comportamiento de estos --

sistemas es s a t i s f a c t o r i o , ya que se obtiene mucho más gas a

p a r t i r de lo s sistemas e s tá t i c o s , que de los sistemas conti_ -

nuamente ag itados ( f i g u ra No. 6 ) , aunque para obtener rendj^ -

mientos más a l t o s en lo s sistemas e s tá t ic o s se n e c e s i ta p ro

longar e l tiempo de r e ten c ión , és to s e r la económicamente pos£

b le u t i l i z a n d o r ea c to res de bajo costo vo lu m étr ico , como p£ -

drlan ser hoyos en e l sue lo , excavaciones o r e l l e n o s sanita_ -

n o s .

DIGESTORES DE LECHO EMPACADO.

Los sistemas con a l t o contenido de só l id o s p resen

tan e l problema de t ran s fe ren c ia de c a lo r a l m a te r ia l en d i

g e s t ión , Una opción aceptab le co n s is te en hacer c i r c u la r lí^

quido a t ra vés de un lecho compacto de s ó l id o s ( f i g u r a No.7 ) .

De esta manera se log ra la t ra n s fe ren c ia de c a lo r necesa r ia ,

4 3

PRODUCCION

DE

METANO

P R O D U C C I O N A C U M U L A D A D E M E T A N O E N U N D I

G E S T O R C O N A L T O C O N T E N I D O D E S O L I D O S .

1 2 3 4 5 6 7 8 22

TIEMPO DE DIGESTION EN MESES

I . P . N . E . S . l . Q . I . E .


F I G U R A N o . 6 .


4 4

SALIDA

ALIMENTACION

D I G E S T O R D E L E C H O E M P A C A D O .

I . P . N . E . S . I . Q . I . E .


F I G U R A N o . 7 .


afín con una cantidad de só l id o s mayor que la de lo s sistemas

convencionales. Se n eces itan menos só l id o s que en e l ejemplo

a n te r io r para p e rm it i r a l l íq u id o c i r c u la r l ib rem ente . Un -

resu ltado notab le de es te t ip o de rea c to r es que e l p e r f i l -

de convers ión fue prácticamente id én t ic o a l de sistemas t o t a l

mente e s tá t ic o s con la misma temperatura y lo s mismos sustra

to s . Este descubrimiento sug ie re con c la r id a d que no e x is -

ten l im ita c io n es de t ra n s fe ren c ia de masa.

Puesto que la d ig e s t ió n de e s t i é r c o l r e v i s t e en -

es te momento e l máximo in t e r é s , es conveniente comparar los

sistemas e s tá t ic o s o mínimamente ag itados . Estos sistemas -

son a l parecer la mejor a l t e r n a t i v a en sistemas de ba jo cos

to y por ende, pueden ser rápida y extensamente ap l icados .

DIGESTORES DE FLUJO PISTON.

Las in v es t ig a c ion es de J. W. Jew e l l en la U n ive r

sidad de Corne ll han demostrado a través de mediciones d e ta

l la d a s que lo s d ig e s to re s de f l u j o p is tón (de desp lazam ien to ),

en tanto que no emplean a g i ta c ió n mecánica, r esu ltan bastan

te buenos comparándolos con lo s d ig e s to re s a g i tad os .

Es s i g n i f i c a t i v o e l hecho de que e l sistema de car

ga por lo t e s haya producido más gas que e l sistema continuo,

a las mismas temperaturas y carga promedio. Los resu ltados

4 6

1 5AU0A DE BIOGAS.

2 NIVEL PE AGUA .

3 TAPA

4 NIVEL DEL PISO.

5 CAMARA DE CARGA .

D I G E S T O R C H I N O D E F L U J O P I S T O N ,

í NIVEL DEL SUSTRATO

7 CAMARA OE LODOS.

» CA M A R A OE FERMENTACION.

• MATERIAL ORGANICOTESIS PROFESIONAL


co n d i g e s t o r e s de f l u j o p i s t ó n o b t e n i d o s por J e w e l l , no s e - -

pued en comparar d i r e c t a m e n t e , porque l a s u n i d a d e s s e opera

ro n a t e m p e r a t u r a s i n f e r i o r e s a l a s em p le a d a s en l o s s i s t £

mas que s e m e n c io n a r o n a l i n i c i o d e l p á r r a f o . Pero e s de e s

p e r a r s e que a l a misma t e m p e r a t u r a , f u n c i o n e n t a n b i e n como -

l o s s i s t e m a s po r l o t e s .

Wong Chong i n v e s t i g ó l a d i g e s t i ó n d e l e s t i é r c o l -

c o n una a l i m e n t a c i ó n de 201 de s ó l i d o s t o t a l e s , y l o g r ó una

r e d u c c i ó n de s ó l i d o s d e l 351 en una r e a c c i ó n por l o t e , co n un

t i em p o de r e s i d e n c i a de 140 d í a s a t e m p e r a t u r a s que f l u c t u a b a n

e n t r e 21 y 29°C, l o que i n d i c a que l a d i g e s t i ó n e s p e r f e c t a -

mente f a c t i b l e con un a l t o n i v e l de s ó l i d o s . Otro f a c t o r im

p o r t a n t e d e t e r m i n a d o por J e w e l l , e s que e l e s t i é r c o l de b o v i

no c o n t i e n e s u f i c i e n t e s b a c t e r i a s m e t a n o g é n i c a s como para ini_

c i a r l a d i g e s t i ó n en t a n po co t i em p o que no s e n e c e s i t a n s i s

t emas c o m p l i c a d o s de a g i t a c i ó n y r e c i r c u l a c i ó n par a sembrar -

i n o c u l o ( f i g . No. 8 ) .

DIGESTORES PARA ALIMENTACION POR LOTES.

En un d i g e s t o r por l o t e s , s e pone i n i c i a l m e n t e una

c a r g a c o m p l e t a de m a t e r i a s pr im as ( l e c h a d a ) , s e s e l l a y s e - -

d e j a que f e r m e n t e , en t a n t o s e p r od u zc a g a s . Cuando l a p r £ -

d u c c i ó n de g a s haya t e r m i n a d o , s e v a c í a e l d i g e s t o r y s e v u e l

ve a l l e n a r co n un nuevo l o t e de m a t e r i a s p r i m a s .

4 8

E s t e t i p o de d i g e s t o r e s so n v e n t a j o s o s en l o s l u

g a r e s donde l a d i s p o n i b i l i d a d de m a t e r i a s p r im a s e s e s p o r á d i

ca o s e l i m i t e a d e s e c h o s de p l a n t a s que c o n t i e n e n m a t e r i a l e s

no d i g e r i b l e s que s e puedan r e t i r a r de manera c o n v e n i e n t e - -

cuand o son r e c a r g a d o s , además t i e n e n l a v e n t a j a de que r e q u i e

r e n p o c a a t e n c i ó n d i a n a . S i n embargo, t i e n e n d e s v e n t a j a s :

Por una p a r t e n e c e s i t a n gr an c a n t i d a d de e n e r g í a para c a r g a r

l o s y d e s c a r g a r l o s , y po r l a o t r a , l a p r o d u c c i ó n de gas y s e

d i m e n t o s t i e n d e a s e r e s p o r á d i c a . E s t e pro b le ma se puede r e

s o l v e r c o n s t r u y e n d o v a r i o s d i g e s t o r e s , c o n e c t a d o s a l mismo de

p ó s i t o de a l m a c e n a m ie n to de g a s . De e s t e modo, l o s d i g e s t o -

r e s i n d i v i d u a l e s s e pueden l l e n a r en s e c u e n c i a e s c a l o n a d a , - -

pa ra a s e g u r a r un s u m i n i s t r o r e l a t i v a m e n t e c o n s t a n t e de g a s .

La m a yo r í a de l o s d i g e s t o r e s a n t i g u o s e r a n d e l t i p o por l o t e s .

DIGESTORES DE CARGA CONTINUA.

En e l c a s o de e s t o s d i g e s t o r e s , s e a d i c i o n a a l d i

g e s t o r una c a n t i d a d pequeña de m a t e r i a s pr im as cada d í a ; de

e s t e modo e l í n d i c e de p r o d u c c i ó n , t a n t o de g a s como de s e d i

me ntos e s c o n t i n u o y d i g n o de c o n f i a n z a . E s t e t i p o de d i g e s

t o r e s so n e s p e c i a l m e n t e e f i c i e n t e s cuando l a s m a t e r i a s p r i -

mas c o n s i s t e n en un s u m i n i s t r o r e g u l a r de d e s e c h o s f á c i l m e n

t e d i g e r i b l e s , p r o c e d e n t e s de f u e n t e s t a l e s como, e s t i é r c o l

de a n i m a l e s , p l a n t a s m a r i n a s , v e g e t a c i ó n f l u v i a l o a l g a s de

e s t a n q u e s . El pr im er d i g e s t o r de c a r g a c o n t i n u a fue cons -

4 9

t r u i d o en e l a ñ o de 1 9 5 0 , en l a I n d i a ,

Los digestores de carga continua pueden ser de dos

tipos; de mezcla vert ica l o de desplazamiento Cfig. No. 9).

Los digestores de mezcla ve r t ica l consisten en cá

maras vertica les a las que se agrega la lechada, ésta se e le

va en el digestor y se desborda por la parte superior. En --

los de cámara simple, los sedimentos digeridos o "apagados" -

pueden sacarse directamente por tubería de descarga. En los

diseños de doble cámara, el efluente digerido, pasa a una se

gunda cámara en donde sigue la digestifin en una forma mucho -

más completa.

Los digestores de desplazamiento, consisten en un

cilindro largo acostado paralelamente al suelo Ctubos in ter

nos, tambores soldados extremo con extremo, cisternas de ca

miones, e t c . ) . Conforme se d ig iere e l sustrato éste se va -

desplazando gradualmente al extremo contrario al de la alimen

tación, pasando en su camino por un punto de máxima fermenta

ción.

Comparando este tipo de digestores con los de mez

cla v e r t ic a l , aparecen las siguientes ventajas;

1) En los digestores de mezcla v e r t ic a l , las mate

rias primas se ven sometidas a un movimiento de

bombeo y a menudo escapan a la accién localiza

5 0

D I G E S T O R E S D E A U M E N T A C I O N

C O N T I N U A

CAMARA SIMPLE

\CAMARA DOBLE

H O R I Z O N T A L OE FLUJO PISTON

/

I . P . N . E . S . I . Q I E

TESIS PROFESIONAL


da de las b a c te r ia s ; e l sustra to in trod u c id o , -

se puede r e t i r a r con f a c i l i d a d en la forma de

m a te r ia l parcia lmente d ig e r id o . Los d ig e s to re s

de desplazamiento, e l sustrato debe pasar por -

una zona de máxima a c t iv id a d de fe rm entac ión ,

de manera que todas las materias primas se d i

g ie ran e f ic ien tem en te fcomo en la s v is c e ra s de

un an im a l ) .

2) Desde e l punto de v i s t a p r á c t ic o , lo s d i g e s t o

res de desplazamiento son más f á c i l e s de mane -

j a r . S i e l contenido del d ig e s to r comienza a

a c i d i f i c a r s e por alguna razón, se puede r e c i r

cu la r e f ic ien tem en te e l m a te r ia l , d e l extremo -

más a le ja d o in v i r t i e n d o simplemente e l f l u j o del

m a te r ia l a lo la rg o de la l ín ea d e l c i l in d r o .

Además, e l sustra to puede d ig e r i r s e en e l grado

que se desea, s in necesidad de con s tru ir d i g e s

to re s o cámaras ad ic ion a le s .

3) El problema de la acumulación de espuma se redu

ce en lo s d ig e s to r e s de desplazamiento. Puesto

que la espuma se forma uniformemente sobre la -

s u p e r f i c ie d e l sustra to en d ig e s t ió n , cuando - -

más amplia sea la s u p e r f i c i e , tanto más tiempo

será necesar io para que se acumule la espuma --

hasta e l punto en que inhiba la d ig e s t ió n .

5 2

C R IT E R IO S RARA LA SELECCION DE UN DIGESTOR

DIGESTOR

BOMBEO

AGITACION a.

9<uTIEMPODE

RETENCIONMANTENIMIENTO

FORMACIONDE

ESPUMA

PRODUCCIONDEgas

COSTO

DE FLUJOPISTON NO NO NO ALTO BAJO BAJO BUENA BAJO

D E LECHOEMPACADO 51 NO NO REGULAR ALTO BAJO BUENA REGULAR

TIPO TANQUE CON AGITACION NO SI NO REGULAR ALTO ALTO REGULAR ELEVADO

TIPO tanque sin AGITACION NO NO NO ALTO RECULAR ALTO REGULAR REGULAR

I .P .N . E . S . I . Q . I . E . TES IS PROFESIONAL

TABLA N o . 5 .FERNANDO GARCIA OVANDO

4] Cualquier digestor de carga continua acumulará eventualmente la suficiente espuma y partícu - las sólidas no digeridas, hasta un punto en el cual será preciso limpiarlo. El lavado perió- dico de los digestores de desplazamiento resul ta considerablemente más fácil que el de diges tores de mezcla vertical.

Con lo expuesto anteriormente, es evidente que el tipo de digestor que se ajusta a las necesidades del medio ru ral mexicano es el de tipo estático, de carga continua y de -flujo pistón (de desplazamiento). (Ver Tabla No. 5).

Los recipientes que se pueden utilizar para este - tipo de digestores son: Tubos internos, tambores soldados --extremo con extremo, cisternas de camiones (pipas), etc.

OPERACION.

La operación del biorreactor es tan sencilla quefunciona por si mismo una vez efectuado su arranque.

El orden de las acciones necesarias para operar un biorreactor aparece en la relación que a continuación se proporciona:

1.- Verificar que las v31vula,s estén cerradas.2.- Abrir la válvula de descarga del biogás.

5 4

Abrir la válvula de alimentación de lechada. Alimentar la lechada C171.6 1) al digestor. Cerrar la válvula de descarga del biogás y la de alimentación, después de haber cargado el - total de la lechada.Purgar diariamente el gas producido, por la -- válvula de descarga del biogfis, con el propósi to de eliminar la más mínima presencia de aire, así como algo de vapor de agua y bióxido - de carbono que se hayan formado.Verificar con un cerillo encendido, cada vez - que se purgue, si ya empezó la producción de - gas metano. Cuando la prueba resulta positiva deberá tenerse presente que a partir de ese m£ mentó, la fermentación tendrá una duración de 25 días.Cargar diariamente a partir del inicio de la - producción de biogás, 4 litros de lechada y -- por otra parte, retirar por la válvula de descarga el mismo volumen de solución digerida, - de esta manera se mantendrá una operación continua con una producción continua de biogás.

DIAGRAMA DE UN DIGESTOR DE FLUJO PISTON-

I.P .N . E . S I . Q I . E . TES IS PROFESIONAL.

FIGURA No 10.FERNANDO GARCIA OVANDO

C A P I T U L O V

La posibilidad de utilizar la fermentación metáni- ca a una escala moderada, ha sido probada por las realizaciones que se han hecho en China, India, y en otros países de -- Asia y Europa.

Este proceso ha sido estudiado por n)ás de 10 años en Estados Unidos y es probable que en breve plazo tendrá unimportante desarrollo.

PRODUCCION DE BIOGAS.

Se considera que el estiércol de bovino produce - 300 1. de biogás por un kg. de estiércol seco cada 25 días - en un biorreactor que contenga lechada con una concentración de 84 de sólidos a temperatura ambiente (10 - 3Q°C) (34).A partir de esta información se plantea el siguiente análi^ - sis económico:

1) Cálculo de estiércol más agua (lechada):Se conoce que:1 kg. de estiércol seco------► 300 1. de biogás

ANALISIS ECONOMICO,

5 7

que j¡

Se necesita la lechada con 81 de sólidos.Así se tiene que:1 kg. de estiércol seco------- 84 de sólidos.

X kg. de lechada ------ 100%X kg. de lechada = ■ — -Q-%- C1 = 12.5

84

Lechada = Agua + Estiércol seco.12.5 kg = kg. de Agua + 1 kg. de Estiércol seco. Kg. de Agua = 11.5

Para efectos de cálculo y práctica se considera --

y ^ y?v‘ agua lechada

Y entonces se tiene que:12.5 1. de lechada con una concentración de 8% de

sólidos, producirán 300 1. de biogás en 25 días.Lo que da una producción diaria de 12 1. de biogás.

2) Cálculo de la energía disponible por bovino.Se sabe que un animal produce diariamente 26 kg.de

estiércol húmedo con un contenido de 17.64 peso de sólidos -- totales.

= 26 kg. (agua + estiércol seco) ' 17.64 p.est.seco= 4.576 kg. de estiércol seco.por lo tanto si:1 kg de est.seco ____^ 3QQ 1. biogás

25 días5 8

4. 576 kg. de est.seco ► X 1. biogás/25 d.X 1. biogás/25 días = f.4 ' -k¿-e-s,• H 3 0 Q |Sd¿

1 kg. e.s.= 1372.8 1. biogás/25 días,

asi tenemos que 26 kg. de estiércol húmedo producirán 1372.8 1 de biogás/25 días. (54,912 1. biogás/dla)

También se sabe que:1 m3 de biogás -----► 5500 kcal. = 23 Q27.4 kj. (34)0.054912 m3 de biogás X kj.x kj (.25027.4 kj) (. 054912 m5 biogis)

1

= 1264.5 kj.1 m3 biogás

3) Si se toma como unidad de produccifin un tambor de 200 1. Cbiorreactor) y el estiércol produci. do por 3 vacas en un día (78 kg. de estiércol húmedo.)

1 vaca ------ 1264. 5 kj .3 vacas ------ X kj.

X kj = C3 vacas) (12 64 . 5 kj), = 37g3_5 kj

Tomando en cuenta que un agricultor avanzado consume diariamente la cantidad de 43 750 kj.

Con una unidad de producción de biogás, se obtiene aproximadamente el 8.5% de la energía que requiere un - - agricultor, esta energía puede ser utilizada para preparar - alimentos, calentar agua, agregar valor a uno de los princi-

5 9

pales productos del campo que es el maíz para acondicionarlo como nixtamal (masa), etc.

6 0

C O N C L U S I O N E S

El anterior análisis de la teoría, práctica y economía de la digestión anaeróbica nos conduce a las siguientes:

- La unidad de producción propuesta, pone al alean ce del agricultor avanzado aproximadamente el -- 8.5% de la energía que requiere individual y día riamente, ésto hace posible la reutilización de los desechos orgánicos, para el acondicionamiento de la tierra y la obtención de energía que -- puede ser utilizada para preparar y calentar sus alimentos o satisfacer cualquier otra necesidad de energía calorífica.

- El digestor o biorreactor que más se adapta al - medio rural mexicano es el de flujo pistón, que bien puede ser un tambor de lámina galvanizada - con un volumen de 200 1. debido a que es de bajo costo y fácil de conseguir.

- Debido al limitado alcance de este trabajo, se hace necesario profundizar en estudios comple-

6 1

mentarlos sobre cierto número de asuntos p e r t i

nentes como son:Modelo cinético de la digestión, entubamiento de

gas, método alternativos para el almacenamiento del gas, diferentes usos del mismo, funcionaU - dad de la purificación y la compresión del gas

en operaciones de digestión a gran escala para - su posible introducción en tuberías, y procesos alternativos para la digestión del estiércol.

B I B L I O G R A F I A

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