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Práctica 7

Biodegradación anaerobia de residuos agropecuarios:

Metanogénesis

1. IntroducciónCon el término biogas se designa la mezcla de gases resultantes de la descomposición de

la materia orgánica, por acción bacteriana en condiciones anaerobias. El biogas es producido en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor, el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo, cemento, metal o plástico. El biodigestor de forma cilíndrica posee un ducto de entrada, a través del cual se suministra materia orgánica (estiércol animal o de humano, aguas sucias de las ciudades, residuos del matadero), en forma conjunta con agua (afluente) y un ducto de salida para que el material ya digerido por acción bacteriana abandone el biodigestor (efluente).

El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera energía química contenida en la materia orgánica, la cual es convertida en biogas, cuyos componentes son metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), además de pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno, hidrógeno y nitrógeno. El metano es el principal componente del biogas y le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogas, por lo tanto estará determinado por la concentración de metano, alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38 MJ/m3 del gas natural. A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado para cocinar en combustión directa en estufas simples; sin embargo, también puede ser utilizado para la iluminación, calefacción y como reemplazo de la gasolina o el combustible Diesel en motores de combustión interna.

Adicionalmente al beneficio energético, en la producción del biogas, se logra la transformación de los vertimientos y biodegradables que constituyen hoy en día en su conjunto, una de las principales fuentes de contaminación del ambiente, originando un biofertilizante rico en potasio y activo como mejorador de suelos que también puede ser aprovechado como alimento de peces y aves de corral.

1.1 Parámetros de operación en la producción de biogásLos parámetros de operación son aquellos que se fijan antes del inicio del proceso y

señalan las condiciones en las cuales va a trabajar el sistema. Temperatura

La producción de biogas puede ser mesofílica (28 – 38º C) o puede ser termofílica (40 – 60º C).

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SustratoEl contenido de materia orgánica del sustrato para la producción de biogas

deberá tener una relación C : N entre 25 a 30. Dilución o contenido de sólidos totales

Los sólidos totales están constituidos por el porcentaje de material seco que queda después del secado de la muestra a 104 ºC y están formados por los sólidos digeribles y los sólidos no digeribles. En un sistema discontinuo el porcentaje de sólidos totales será de 25 – 35 % y en un sistema continuo o semicontinuo será de 6 – 10 % .

pHEl pH óptimo está entre 6,6 – 7,6.

Tiempo de retenciónDepende de la temperatura en la que se lleve a cabo la producción de biogas. Si

es termofílica serán 6 a 10 días y si es mesofílica serán 15 a 60 días.

1.2 Parámetros de control Permiten evaluar el desarrollo del proceso, previenen y explican fenómenos que

afectan el normal desenvolvimiento del digestor, así como permiten calcular la eficiencia. Contenido de ácidos volátiles (sólidos volátiles)

Representan en gran parte a los sólidos biológicamente digeribles. Son los ácidos orgánicos de cadena corta que presentan alta presión de vapor a 104 ºC. Incluyen los ácidos acético, propiónico, butírico, fórmico, valérico y caproico producidos durante la acidogénesis y constituyen un factor limitante cuando una alta concentración de ellos origina un descenso del pH afectando la actividad de las bacterias metanogénicas. El límite máximo es 2000 ppm, aunque este valor depende mucho de la capacidad de amortiguamiento del sistema.

AlcalinidadEs la capacidad de amortiguamiento que presenta el sistema generada por

aniones de ácidos débiles y bases fuertes como bicarbonatos, carbonatos e iones hidroxilo formados durante la digestión aanerobia. Los valores pueden fluctuar entre 1500 – 5000 ppm como ácido acético.

pHEs la función de la relación entre el contenido de ácidos volátiles y la acalinidad.

Cuando no existe equilibrio entre estos dos parámetros se manifiestan cambios en el valor del pH. El rango de operación está entre 6.6 – 7.6.

Producción y composición del biogasEs un parámetro que permite evaluar el comportamiento del proceso y a la vez

calcular su eficiencia. Es conveniente expresar la producción del biogas en términos de sólidos volátiles introducidos porque expresan la forma directa cómo la población bacteriana los está utilizando. Normalmente en un proceso de digestión se dan fluctuaciones en la producción y composición del gas; sin embargo, si los descensos en la

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producción del gas persisten por 4 o 5 días se debe pensar que existe algún problema. En cuanto al contenido de metano, cuando se trabaja con estiércol de vacuno y pajas, fluctúa entre 50 – 60 % con un 40 a 50 % de CO2. Durante los primeros días de iniciado el proceso el contenido de metano es muy bajo pero luego se va incrementando.

Degradación de la materia orgánicaPermite evaluar la eficiencia de la actividad bacteriana en la transformación del

material orgánico al biogas. El contenido de materia orgánica se puede expresar como sólidos volátiles. Estos son aquellos que desaparecen cuando se somete la muestra seca a ignición a 550 ºC.

Rendimiento de biogas (m3/kg fresco)Estiércol vacuno 0,0372Estiércol equino 0,0573Estiércol porcino 0,0520Estiércol ovino 0,152Estiércol de aves 0,091Estiércol humano 0,042Desechos de maíz 0,190Desechos de arroz 0,190

2. OBJETIVOObtener biogas a partir de residuos agropecuarios

3. METODOLOGIA3.1 Producción de biogás en fundo Casa Blanca, Pachacámac, Lima

Finca de producción, investigación y capacitación en agricultura ecológica y agroturismo, situada en el lote 20, parcelación Casa Blanca en el distrito de Pachacámac (Figura 1), valle Lurín de Lima, conducida por los Ingenieros agrónomos Ulises moreno y Carmen Felipe, ambos docentes cesantes de la Universidad Nacional Agraria La Molina.

Las prácticas agroecológicas que se aplican en la finca son: Crianza ecológica de Cavia porcellus “cuy”(Figura 2), producción y uso de abonos orgánicos, funcionamiento de un biodigestor modelo Chino que produce biogás, rotación de cultivos y asociaciones, riego tecnificado por sifón, microaspersión y goteo, uso de plantas hospederas de organismos benéficos controladores de plagas y de preparados a base de plantas repelentes de insectos dañinos, conservación de la agrobiodiversidad.

El biodigestor tipo Chino tiene 10 m3 de capacidad. Una vez al año se prepara pre-compost con 625 kg de estiércol y 483 kg de rastrojo de maíz picado. El rastrojo del maíz se deposita sobre una manta de polietileno para humedecerlo con agua de caño antes de armar la cama compostera, con una capa de 25 cm de rastrojo y una capa de 5 cm de guano y así sucesivamente hasta terminar con una capa de rastrojo. Luego se coloca un

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bambú en el centro de la cama, para favorecer la aireación y se deja a temperatura ambiental, removiendo semanalmente, durante 1 mes (Figuras 3 a 7).

El digestor se carga con 1 tonelada de pre-compost de 1 mes (Figuras 8, 9, 10), 400 kg de bazofia y 200 L de solución de agua de cal al 2%, de tal manera que se completa hasta 8 m3, dejando libre 2 m3 para el almacenamiento del biogás. Después de 1 mes, comienza la producción de biogás (Figura 11). Semanalmente se extraen 200L de Biol (Figura 12) y se introducen 200L de una mezcla de 50 kg de estiércol fresco de cuy, remojados en 150 L de agua durante 24 horas. En promedio, al día se obtienen 3 m 3 de biogás con 70% de metano. Una vez al año se saca el biofertilizante sólido Biosol del interior del biodigestor (Figuras 13, 14, 15).

3.2 Diseño y acondicionamiento de biorreactor anaerobio con sistema de purificaciónAcondicionar un biorreactor anaerobio, constituido por un depósito rectangular,

cerrado de latón de 1/16 pulgadas (utilizado para el transporte de aceite) con capacidad de 18 L y cuyas dimensiones son de 0,24m de largo y ancho por 0,36 m de altura. Sobre el extremo superior el biorreactor presentará una abertura de 10 cm de diámetro, cubierta con una tapa rosca plástica provista de un agujero (0.5 cm) en la parte central. La abertura servirá para realizar la carga y descarga del biorreactor y el agujero central permitirá la salida del biogas a través de una manguera plástica de 0,5 cm de diámetro y 60 cm de longitud (Figura 16).

Anexo al biorreactor se encontrará el sistema de purificación que estará constituido por un frasco lavador de CO2, de vidrio y de 500 mL de capacidad, conteniendo 200 mL de una solución de cal 2 %. Cerrar herméticamente el frasco lavador con una tapa rosca plástica que presentará un agujero en la parte central por donde ingresará el extremo final de la manguera de plástico (0,5 cm de diámetro y 60 cm de longitud) llevando el biogas desde el biorreactor y saldrá una manguera de plástico (1 cm de diámetro y 50 cm de longitud) sacando el biogas para su almacenamiento en un globo fuertemente sujeto a su extremo final (gasómetro).

3.3 Recolección de la materia prima para la producción de biogas En un centro de engorde de porcinos recolectar estiércol fresco y en campos agrícolas

recolectar residuos celulósicos (tallos, raíces, malezas, corontas) en las cantidades de 20 kg y 5 kg, respectivamente.

3.4 Preparación de la carga inicial para la producción de biogas (fermentación aerobia o pre-fermentación)Para lograr una relación de C:N de 25 a 30 : 1 mezclar 9 kg de estiércol de cerdo

previamente desmenuzados por trituración con 2 kg de residuos celulósicos, cortados en pedazos de más o menos 3 – 5 cm. Mezclar el material resultante con agua de cal al 2 %, en la proporción de 1 : 2, equivalente a 11 Kg de residuos y 22 L de agua de cal al 2 %. Colocar la mezcla sobre un plástico ubicado en el suelo, homogeneizarla y airearla durante

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15 minutos interdiariamente durante 16 días. También se pueden mezclar 6 kg de estiércol de cuy más 1 kg de residuos celulósicos, adicionar 14 L de agua de cal 2 % y dejar que se degrade por 10 días con aireación.

3.5 Fermentación anaerobia para la producción de biogasDeterminar el contenido de sólidos totales en el sustrato previamente sometido a una

fermentación aerobia .El valor será aproximadamente de 50 %. Debido a que para la producción de biogas en sistema discontinuo se requiere 25 – 35 % de sólidos totales, pesar el sustrato y diluirlo con agua de cal 2 %, en la proporción 1: 1 (9 kg de sustrato más 9 L de agua de cal al 2 %). Posteriormente, mezclar el sustrato pesado y humedecido con 200 mL de líquido ruminal y colocarlo inmediatamente en el biorreactor (4/5 del volumen) con llenado intermitente o tipo Batch, lo cual significa que será cerrado herméticamente y no se abrirá hasta que cese la producción del biogas. El tiempo de retención será aproximadamente de 30 días. También se pueden pesar 5 kg de la mezcla estiércol de cuy pre-fermentada y agregar 5 kg de agua de cal más 50 mL de líquido ruminal.

3.6 Parámetros de control de la producción de biogas Diariamente registrar la temperatura, pH y volumen del gas producido. Al inicio y al final de la producción de biogas determinar:

Sólidos totales (%)Sólidos volátiles (%)

Antes de la pre – fermentación y después de la digestión del sustrato determinar el porcentaje de nitrógeno, carbono y fósforo.

3.7 Purificación del biogas para la obtención del metanoEl biogas que sale del biorreactor y que es conducido a través de la manguera plástica

será llevado hacia un frasco lavador conteniendo 200 mL de agua de cal 2% para eliminar el CO2 y posteriormente será almacenado en el globo de polietileno (gasómetro). De ser posible acondicionar también un filtro para la captación del sulfuro de hidrógeno, que deberá ser instalado en la manguera de conducción del biogas desde el lavador de CO2

hacia el reservorio de biogas o gasómetro; constituido por un tubo de PVC relleno en las 2/3 partes con limadura de hierro y el tercio restante con esponjilla de hierro utilizada para la limpieza doméstica de utensilios domésticos. El biogas ingresará por un extremo del filtro y lo abandonará por el extremo opuesto. El sulfuro de hidrógeno será atrapado por el material ferroso formándose sulfuro de hierro.

3.8 Descarga total de lodosTerminado el proceso de producción de biogas con un determinado tipo de sustrato,

sacar totalmente el contenido del digestor (bioabono), limpiar y preparar el biorreactor para la siguiente etapa de producción.

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3.9 Ejemplo de valores obtenidos en la producción de biogas Biodigestor: cilindro de 55 galones de capacidad (diámetro = 0.56; altura = 0.87 m;

volumen total = 0.214 m3).

Mayo – Junio con una Tº promedio de 28.7º C Volumen de sustrato : 4/5 del biodigestor = 0.172 m3

Sutrato : 70 kg de estiércol (conejos, cuyes, gallinas, vacuno) más restos vegetales más 70 kg de agua (dilución 1:1)

Fecha de carga : 20_04S.T. (%) Inicial : 47.5S.V. (%) Inicial : 85.45pH inicial : 6.9

Fecha de término : 09_06S.T. : 64.27S.V. : 54.22pH final : 7.2

Buffer : 2% (1.4 kg de CaO) Fecha de inicio de la producción del biogas : 30/04 Día de máxima producción diaria : 26avo

Tiempo de retención : 40 días

CaracterísticasAntes de la pre –

fermentaciónDespués de la Pre

– fermentaciónDespués de la

digestión

Sólidos totales (%)Sólidos volátiles (%)pHAlcalinidad (%)Nitrógeno (%)Carbono (%)Fósforo (%)Tiempo de retención (días)Producción de biogas / m3

90,7779,586,70,210,6820,370,68

47,585,456,90,86

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64,2754,227,21,91,790,1731,7940

0,7407 m3

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Figura 1. Fundo Casa Blanca, Pachacámac en Lima.

Figura 2. Crianza de Cavia porcellus “cuy”.

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Figura 3. Residuos celulósicos: rastrojo de Zea mays L.

Figura 4. Prefermentación: mezcla de estiércol de Cavia porcellus y rastrojo de Zea mays L.

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Figura 5. Prefermentación: Cama compostera.

Figura 6. Pre-fermentación para la obtención de pre-compost.

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Figura 7. Volteo del pre-compost.

Figura 8. Pre-compost para alimentar el biodigestor.

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Figura 9. Biodigestor tipo Chino.

Figura 10. Biodigestor tipo Chino enterrado en el fundo Casa Blanca, Lurín.

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Figura 11. Orificio para la salida del biogás a través una cañería.

Figura 12. Extracción de abono líquido Biol.

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Figura 13. Área para limpieza del digestor y extracción del biofertilizante sólido.

Figura 14. Extracción del biofertilizante Biosol.

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Figura 15. Productos de la digestión anaerobia: metano, biol y biosol.

Figura 16. Biorreactor anaerobio con sistema de purificación.

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4 ANEXO4.1 Método gravimétrico para determinar los sólidos totales

a) Pesar una muestra de sustrato.b) Colocar la muestra en un crisol y llevarla a la estufa a una temperatura de 105 ºC

durante 24 horas.c) Sacar la muestra de la estufa y llevarla a un desecador durante 15 minutos.d) Pesar la muestra seca.e) Calcular el porcentaje de sólidos totales.

S.T.(%) = PS_ X 100 PT

Donde:ST = Sólidos totales (%)PS = Peso de la muestra secaPT = Peso total inicial de la muestra

4.2 Método gravimétrico para determinar los sólidos volátilesa) Calcular el peso de los sólidos totales.b) Llevar la muestra seca a un horno de incineración o mufla a una temperatura de

550 ºC durante 3 horas.c) Sacar la muestra del horno de incineración y llevarla a un desecador durante 15

minutos.d) Pesar la muestra (cenizas) y calcular el porcentaje de sólidos volátiles.

S.V.(%) = (P.S.T - PC)_ X 100 P.S.T

Donde:S.V = Sólidos volátiles (%)P.S.T = Peso de sólidos totalesP.C = Peso de las cenizas

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5 Referencias bibliográficas

Acuña, A. & Villalta, P. (1998) Evaluación de parámetros en la obtención de biogás en una planta piloto. (Tesis de Ingeniería). Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, Perú.

Barreto, G. & Córdova, J. (2011). Bacterias aisladas del Dren 4000 para la obtención de proteína a partir de metano producido con excretas de Cavia porcellus “cuy” y residuos lignocelulósicos en Lambayeque, 2011. (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, Perú.

Benavides, A. & Plasencia, C. (2012). Caracterización físico-química y biológica del abono líquido Biol obtenido por digestión anaerobia de tres sustratos orgánicos en Jayanca, Lambayeque. (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, Perú.

Rojas, S. (1992) Diseño y construcción de una planta de biogas para dotar de energía a un laboratorio. (Tesis de Ingeniería). Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, Perú.