El biogás es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el bióxido de carbono, el cual se produce cono resultado de la fermentación de la materia orgánica en ausencia del aire, por la acción de un grupo de microorganismos.
En la naturaleza se encuentra una gran variedad de residuos orgánicos a partir de los cuales puede obtenerse biogás, entre ellos se encuentran: los desechos provenientes de animales domésticos como vacas, cerdos y aves, residuos vegetales como pajas, pastos, hojas secas y basuras domésticas.
Composición del Biogas
Con el termino biogás se designa a la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias.La composición de biogás depende del tipo de desecho utilizado y las condiciones en que se procesa.Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varia de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación (Werner 1989):
- Metano, CH4 54 – 70% volumen
- Bióxido de carbono, CO2 27 – 45%
- Hidrógeno, H2 1 – 10%
- Nitrógeno, N2 0.5 – 3%
- Acido Sulfídrico, H2S 0.1%
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración de metano alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38MJ/m3 para el gas natural.
El metano es un gas combustible, incoloro, inodoro, cuya combustión produce una llama azul y productos no contaminantes. Veintiuna veces más activo que el gas carbónico, el biogás contribuye también muy activamente al “efecto invernadero”. Para evitar estos inconvenientes, su eliminación se ha hecho obligatoria para las mayores instalaciones. Generalmente quemado en chimeneas, puede servir también para producir electricidad: un m3 de biogás equivale a medio metro cúbico de gas natural, es decir, 5 kw/h.
Hasta ahora, su explotación estaba limitada por los compuestos corrosivos del biogás y por su composición fluctuante. Efectivamente, ésta varía en función de las condiciones climáticas: según la humedad, la temperatura, la presión atmosférica y el modo de captación, su tenor en metano, que confiere al biogás su poder calorífico, oscila entre un 30 y un 60 %, con el resultado de que los motores, afectados por una corrosión y un atascamiento importantes, deben someterse a un ajuste delicado. Por consiguiente, el biogás se mezcla generalmente con gas natural antes de ser utilizado en las centrales eléctricas.
Desechos Agrícolas Y Animales Con Potencial Para Producir Metano
– Desechos Animales: Estiércoles, cama, desechos alimenticios, orina, etc.
– Residuos Agrícolas: Semillas, pajas, bagazo de caña, etc.
– Desechos de Rastros: Sangre, carne, desechos de pescado, etc.
– Residuos Agroindustriales: Aserrín, desechos de tabaco, cascarilla de arroz, desechos de frutas y vegetales, etc.
– Residuos Forestales: Ramas, hojas, cortezas, etc.
¿Cómo se produce el Biogas?
Como se señaló anteriormente, el biogás se produce mediante el proceso de fermentación de la materia orgánica en ausencia de aire o sea en condiciones anaeróbicas, quedando como residuo el proceso de lodo estabilizado que es un excelente mejorador de suelos con un alto valor fertilizante. Debido a esto último, es factible procesar los desechos animales y residuos agrícolas que se encuentran presentes en el medio rural para producir gas combustible, sin afectar el uso actual que se le da a estos materiales, los que generalmente se reincorporan a los terrenos de cultivo.
En la practica, los desechos mezclados con agua se introducen a un recipiente cerrado llamado digestor, que es donde se realiza el proceso de generación de biogás. Cuando el digestor es de carga diaria, como se verá más adelante, todos los días se carga con una cantidad dada de desechos mezclados con agua y del digestor sale un volumen de lodos fertilizantes igual al de la mezcla alimentada; el biogás se genera en forma continua durante todo el día. Cuando se trata de un digestor que trabaja a régimen de “lote”, se carga todo de una sola vez, no descargándose hasta después de dos o tres meses, cuando se vacía el residuo y se aplica al campo; en este caso la cantidad de biogás producida es mayor en las primeras semanas y va bajando a medida que transcurre el tiempo, por lo que casi siempre se instalan varios digestores en “batería”, los que se cargan en forma alternada, con objeto de disponer siempre de la cantidad requerida de biogás.
La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogás ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:
- Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos en que el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor de un 50% del nitrógeno (Hohlfeld y Sasse 1986).
- El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.
- Control de patógenos. Aunque el nivel de destrucción de patógenos variará de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención, se ha demostrado experimentalmente que alrededor del 85% de los patógenos no sobreviven el proceso de biodigestión (Hohlfeld y Sasse 1986). En condiciones de laboratorio, con temperaturas de 35 <C los fecales fueron reducidos en 50 – 70% y los hongos en 95% en 24 horas (Marchaim 1992).
A continuación se da una breve explicación de los parámetros que controlan el proceso. Es conveniente aclarar que a pesar de que es recomendable operar los sistemas lo más cerca posible de las condiciones óptimas para lograr una buena eficiencia de generación de biogás, esto no siempre en factible en el medio rural. Por lo tanto, se deberán buscar las mejores condiciones dentro de las posibilidades existentes en el sitio, manteniendo la operación sencilla y sin complicaciones para el usuario.
La fermentación anaeróbica de la materia orgánica se lleva a cabo por la acción de diversas familias de bacterias. Usualmente se consideran dos etapas de dicho proceso:
1ra. Etapa: formación de ácidos
2da. Etapa: formación de gases
En la primera etapa la materia prima es atacada por las bacterias formadoras de ácidos, mismas que convierten los desechos en compuestos más simples como los ácidos acético, butírico y propiónico. En la segunda etapa los ácidos formados en la primera son convertidos a metano y bióxido de carbono por acción de otro grupo de bacterias.
Todos estos procesos se llevan a cabo simultáneamente dentro del digestor, al cual sólo se alimenta la materia prima en las condiciones adecuadas.
Tomando en cuenta que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, es necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. A continuación analizaremos detalladamente los parámetros que influyen directamente en la formación del metano.
Temperatura
El proceso se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde 15 hasta 60 grados centígrados. Sin embargo, para que las bacterias formadoras de metano trabajen en forma óptima, se requiere mantenerlas a temperaturas que oscilan entre 30 y 60 grados centígrados, dependiendo del tipo de bacterias que se adapten y desarrollen.
En la práctica, sobre todo en pequeños sistemas instalados en el medio rural, no se controla la temperatura del proceso, y se trabaja a temperatura ambiente sin proporcionar calor al digestor. Una forma simple de aumentar la temperatura de operación y con ello la cantidad de biogás producido, es calentar el agua con la que se va a efectuar la mezcla, por ejemplo en calentadores solares. En la gran mayoría de los casos, los digestores se construyen para evitar que se pierda mucho calor.
Rangos
Para el desarrollo óptimo del proceso, se distinguen dos rangos de temperatura, el mesofílico de 30 a 40 grados centígrados y el termofílico de 55 a 60 grados centígrados.
Rango Mesofílico (30-40 ° C): Las bacterias que se desarrollan en este rango de temperatura se reproducen fácilmente y pueden permanecer activas si no ocurren cambios súbitos de temperatura. La temperatura óptima es de 35 °C y la mayoría de los desechos orgánicos se pueden digerir a esta temperatura produciendo biogás.
Rango Termofílico (55-60 ° C): Este rango de temperatura, en el que produce mayor cantidad de biogás que en el anterior y en tiempos más cortos, en general sólo es usado en las grandes instalaciones a nivel industrial, ya que se requiere de un control muy preciso. Las bacterias termofílicas son muy sensibles a los cambios de temperatura y en pequeños sistemas resulta antieconómico mantener esta temperatura controlada, especialmente en climas fríos.
Tipos de Digestores
- De lote (régimen estacionario)
- De régimen semi-continuo
- Horizontales de Desplazamiento
- De régimen continuo
BIOGAS 