propuesta para el diseño de un biodigestor anaerobio como
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
2019
Propuesta para el diseño de un biodigestor anaerobio como Propuesta para el diseño de un biodigestor anaerobio como
sistema de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos, sistema de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos,
generados en las viviendas del proyecto “La Villa Solar” ubicado generados en las viviendas del proyecto “La Villa Solar” ubicado
en la ciudad de Buenaventura - Colombia en la ciudad de Buenaventura - Colombia
Brandon Danilo Arenas Guayazan Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Arenas Guayazan, B. D. (2019). Propuesta para el diseño de un biodigestor anaerobio como sistema de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos, generados en las viviendas del proyecto “La Villa Solar” ubicado en la ciudad de Buenaventura - Colombia. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1128
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PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE UN BIODIGESTOR ANAEROBIO COMO
SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS,
GENERADOS EN LAS VIVIENDAS DEL PROYECTO “LA VILLA SOLAR” UBICADO
EN LA CIUDAD DE BUENAVENTURA- COLOMBIA
BRANDON DANILO ARENAS GUAYAZAN
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA
JUNIO DE 2019
2
PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE UN BIODIGESTOR ANAEROBIO COMO
SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS,
GENERADOS EN LAS VIVIENDAS DEL PROYECTO “LA VILLA SOLAR” UBICADO
EN LA CIUDAD DE BUENAVENTURA- COLOMBIA
BRANDON DANILO ARENAS GUAYAZAN
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA
OPTAR AL TITULO DE: INGENIERO AMBIENTAL Y SANITARIO
DIRECTOR:
JAVIER MAURICIO GONZÁLEZ DÍAZ
INGENIERO AMBIENTAL Y SANITARIO
ESP. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL DE PROYECTOS
M.SC. GEOGRAFÍA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA
JUNIO DE 2019
3
DEDICATORIA
A mi familia que son las personas más importantes durante
mi crecimiento como persona y como futuro profesional.
A mi madre por todo su apoyo incondicional, y su amor infinito,
el cual fue fundamental para culminar mis estudios.
A mi padre por su constancia y ganas de salir adelante que me
impulsaron día a día por conseguir los objetivos propuestos.
A mi hermano por su apoyo y animo constante, que me dio
fuerzas para seguir adelante, y así ser su ejemplo a seguir.
A mi hermanita hermosa que con su forma de ser me enseño
a comprender a las demás personas sin importar sus diferencias
y/o limitaciones.
Finalmente, este proyecto va dedicado a mi tío Omar Guayazan,
quien siempre estuvo orgulloso de mi e hizo un aporte muy importante
en mi crecimiento como persona, y en este momento se encuentra
en el cielo observando con gran orgullo y felicidad a su sobrino, como
todo un Ingeniero Ambiental y Sanitario.
4
AGRADECIMIENTOS
Principalmente agradezco a Dios, ya que con su ayuda todo lo que nos proponemos a diario
puede ser posible, y así mismo le doy las gracias por permitir a mis padres poderme brindar el
acceso a la educación de calidad.
A mis padres y hermanos que siempre me dieron su voto de fe, brindándome todo su apoyo
amor y dedicación frente a cualquier situación.
A mis profesores por el aporte de conocimientos y experiencia que sembraron en mí, a lo
largo mi trayectoria por la institución.
A mi profesor y director de trabajo de grado por creer en mi frente a las adversidades
presentadas.
5
Contenido
Resumen .............................................................................................................................. 11
1. Introducción .............................................................................................................. 12
2. Justificación ............................................................................................................... 13
3. Marco teórico ............................................................................................................ 14
3.1. Solar Decathlon ..................................................................................................... 15
3.2. Área de estudio ...................................................................................................... 17
3.3. Energías renovables ............................................................................................... 18
3.4. Digestión Anaerobia .............................................................................................. 19
3.4.1. Hidrólisis ........................................................................................................ 21
3.4.2. Acidogénesis .................................................................................................. 22
3.4.3. Acetogénesis................................................................................................... 22
3.4.4. Metanogénesis ................................................................................................ 23
3.5. Biogás .................................................................................................................... 23
3.6. Parámetros dentro de la digestión anaerobia ......................................................... 25
3.6.1. pH ................................................................................................................... 25
3.6.2. Ácidos Volátiles ............................................................................................. 25
3.6.3. Temperatura y tiempo de retención ................................................................ 25
3.6.4. Relación Carbono Nitrógeno .......................................................................... 26
3.7. Tipos de biodigestores ........................................................................................... 27
3.7.1. Pozo Séptico ................................................................................................... 27
3.7.2. Biodigestor de domo flotante (India) ............................................................. 28
3.7.3. Biodigestor de domo fijo (China)................................................................... 29
3.7.4. Biodigestor de estructura flexible .................................................................. 29
3.7.5. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno
30
3.8. Régimen de alimentación ...................................................................................... 31
3.8.1. Lote o discontinuo (Batch) ............................................................................. 31
6
3.8.2. Semicontinuo (Fed-Batch) ............................................................................. 31
3.8.3. Continuo ......................................................................................................... 31
3.9. Materias primas del proyecto ................................................................................ 31
3.9.1. Plátano ............................................................................................................ 32
3.9.2. Yuca ............................................................................................................... 32
3.9.3. Papa ................................................................................................................ 33
3.9.4. Estiércol de porcino (Porcinaza) .................................................................... 34
4. Pregunta de Investigación ......................................................................................... 36
5. Objetivos ................................................................................................................... 36
5.1. Objetivo General .................................................................................................... 36
5.2. Objetivos Específicos ............................................................................................ 36
6. Metodología .............................................................................................................. 37
Fase I: Diagnóstico Zona de Estudio ............................................................................... 37
Fase II: Planeación .......................................................................................................... 37
Fase III: Ejecución ........................................................................................................... 37
Fase IV: Seguimiento y control ....................................................................................... 43
Fase V: Diseño ................................................................................................................ 46
7. Resultados y Análisis de Resultados ......................................................................... 47
7.1. Diagnóstico Zona de Estudio ................................................................................. 47
7.2. Pruebas Experimentales ......................................................................................... 54
7.2.1. Prueba 1 .......................................................................................................... 56
1.1.1. Prueba 2 .......................................................................................................... 60
1.1.2. Prueba 3 .......................................................................................................... 64
1.1.3. Humedad ........................................................................................................ 68
1.2. Análisis Estadístico................................................................................................ 69
1.3. Análisis microbiológico ......................................................................................... 74
1.4. Análisis relación C/N............................................................................................. 76
7
1.5. Diseño de biodigestor anaerobio ........................................................................... 78
1.5.1. Selección de tipo de biodigestor..................................................................... 78
1.5.2. Diseño............................................................................................................. 79
8. Conclusiones ............................................................................................................. 94
9. Recomendaciones ...................................................................................................... 97
10. Bibliografía................................................................................................................ 99
11. Anexos ..................................................................................................................... 104
Tablas
Tabla 1. Composición de biogás en función del sustrato empleado ................................... 24
Tabla 2. Consumo de biogás en diversas actividades ......................................................... 24
Tabla 3. Relación temperatura vs tiempo de retención ....................................................... 26
Tabla 4. Características fisicoquímicas cáscara de plátano ................................................ 32
Tabla 5. Características fisicoquímicas cáscara de yuca ..................................................... 33
Tabla 6. Características fisicoquímicas cáscara de papa ..................................................... 34
Tabla 7. Características fisicoquímicas de la porcinaza ...................................................... 35
Tabla 8. Proporciones de iniciador ...................................................................................... 38
Tabla 9. Distribución insumos de pruebas .......................................................................... 39
Tabla 10. Producción Agrícola en Buenaventura................................................................ 48
Tabla 11. Porcentaje de Participación en Cuanto a Producción y Cosecha Valle del Cauca
.................................................................................................................................................. 49
Tabla 12. Producción Per Cápita Habitantes de Buenaventura-Colombia.......................... 50
Tabla 13. Proyección de PPC hasta el año 2019 ................................................................. 51
Tabla 14. Resultados Promedio Prueba 1 ........................................................................... 56
Tabla 15. Eficiencia del montaje experimental de biodigestor anaerobio .......................... 59
Tabla 16. Resultados Promedio Prueba 2 ........................................................................... 61
Tabla 17. Eficiencia del montaje experimental prueba 2 .................................................... 63
Tabla 18. Resultados Promedio Prueba 3 ........................................................................... 65
Tabla 19. Eficiencia del montaje experimental prueba 3 .................................................... 67
Tabla 20. Porcentajes de humedad ...................................................................................... 68
8
Tabla 21. Relación C/N ....................................................................................................... 76
Tabla 22. Criterios de selección tipo de biodigestor ........................................................... 78
Tabla 23. Producción de biogás pruebas experimentales .................................................... 80
Tabla 24. Cuantificación de insumos de las pruebas realizadas ......................................... 81
Tabla 25. Viabilidad de cantidades de insumos .................................................................. 82
Tabla 26. Criterios de selección prueba experimental ........................................................ 83
Tabla 27. Comparación de la producción de biogás ........................................................... 84
Tabla 28. Número de personas beneficiadas ....................................................................... 85
Tabla 29. Producción de insumos ....................................................................................... 87
Tabla 30. Hoja de cálculo biodigestor anaerobio .............................................................. 104
Figuras
Figura 1. Logo U.S DEPARTMENT, SOLAR DECATHLON ......................................... 15
Figura 2. Delimitación de área de estudio ........................................................................... 17
Figura 3. Comparación de consumo de energía a nivel mundial ........................................ 19
Figura 4. Fases de la digestión anaerobia ............................................................................ 20
Figura 5. Separación de fases del sistema de digestión anaerobia ...................................... 22
Figura 6. Pozo Séptico ........................................................................................................ 28
Figura 7. Biodigestor de domo flotante (India) ................................................................... 28
Figura 8. Biodigestor de domo fijo ..................................................................................... 29
Figura 9. Biodigestor de polietileno .................................................................................... 30
Figura 10. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno
.................................................................................................................................................. 30
Figura 11. Montaje de prueba experimental ....................................................................... 39
Figura 12. Agitación en Shaker ........................................................................................... 41
Figura 13. Preparación de diluciones .................................................................................. 41
Figura 14. Incubación de cajas Petri ................................................................................... 42
Figura 15. Colonias bacterianas .......................................................................................... 42
Figura 16. Tinción de Gram ................................................................................................ 43
Figura 17. Medición de Temperatura y pH con ayuda de potenciómetro ........................... 44
Figura 18. Esquema de cuantificación de biogás ................................................................ 45
Figura 19. Distribución de residuos sólidos generados en el municipio de Buenaventura . 52
Figura 20. Distribución de viviendas del proyecto la "Villa Solar" .................................... 53
9
Figura 21. Vivienda "Villa Solar" ....................................................................................... 54
Figura 22. Montaje General Producción de Biogás ............................................................ 55
Figura 23.Apariencia física de cada prueba antes de condición anaerobia ......................... 56
Figura 24. Superficie interior de prueba 1 después de condición anaerobia ....................... 60
Figura 25. Apariencia física de prueba 2 después de condición anaerobia ......................... 64
Figura 26. Superficie interior de prueba 3 después de condición anaerobia ....................... 68
Figura 27. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de yuca .......................... 74
Figura 28. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de plátano ..................... 75
Figura 29. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de papa .......................... 75
Figura 30. Entradas y salidas del sistema ............................................................................ 79
Figura 31. Anexo 2 ............................................................................................................ 109
Figura 32. Anexo 3 ............................................................................................................ 110
Figura 33. Anexo 4 ............................................................................................................ 111
Figura 34. Anexo 5 ............................................................................................................ 112
Figura 35. Anexo 6 ............................................................................................................ 113
Gráficas
Gráfica 1. Producción de biogás prueba 1 .......................................................................... 58
Gráfica 2. Producción de biogás prueba 2 .......................................................................... 62
Gráfica 3. Producción de biogás prueba 3 .......................................................................... 66
Gráfica 4. Variación de temperatura en las 3 pruebas......................................................... 70
Gráfica 5. Variación de pH en las 3 pruebas ....................................................................... 71
Gráfica 6. Variación de producción de biogás en las 3 pruebas ......................................... 73
Ecuaciones
Ecuación 1. Cálculo relación Carbono Nitrógeno ............................................................... 27
Ecuación 2. Proyección de la producción per cápita ........................................................... 51
Ecuación 3. Eficiencia de producción de biogás ................................................................. 58
Ecuación 4. Número de personas beneficiadas ................................................................... 85
Ecuación 5. Cáscaras de plátano por día ............................................................................. 86
Ecuación 6. Peso de cáscaras de plátano por día................................................................. 86
Ecuación 7. Peso de cáscara en tiempo de retención total del sistema ............................... 86
10
Ecuación 8. Volumen cáscara de plátano por día ............................................................... 87
Ecuación 9. Volumen cáscara de plátano total .................................................................... 87
Ecuación 10. Volumen total generado de residuos ............................................................. 88
Ecuación 11. Cáscara de plátano empleada ........................................................................ 88
Ecuación 12. Volumen de insumos empleado .................................................................... 88
Ecuación 13. Volumen de agua empleada .......................................................................... 89
Ecuación 14. Volumen de la unidad ................................................................................... 89
Ecuación 15. Volumen real de residuos dentro de la unidad .............................................. 90
Ecuación 16. Volumen real de agua dentro de la unidad .................................................... 90
Ecuación 17. Volumen Cilindro .......................................................................................... 90
Ecuación 18. Volumen Esfera ............................................................................................. 90
Ecuación 19. Volumen Total ............................................................................................... 91
11
Resumen
El tratamiento de los residuos sólidos orgánicos procedentes de las actividades de cocción
en zonas residenciales, se presenta como una excelente alternativa para la obtención de
productos que beneficien a la comunidad, ello implica un valor agregado a los mismos que los
incluye de nuevo en el ciclo productivo, lo que fomenta una economía circular dentro de la
zona en donde se lleva a cabo dicha actividad. Así mismo, el aprovechamiento de los residuos
brinda un apoyo frente a la conservación del medio ambiente en el que habitamos, acción que
disminuye el área ocupada por los rellenos sanitarios, evita la contaminación de los acuíferos,
reduce la deforestación, genera energía limpia y produce abono orgánico a partir de los mismos.
La presente propuesta de investigación busca ser un complemento del proyecto de viviendas
sostenibles en el área ambiental, este será presentado en el concurso internacional del “Solar
Decathlon”, evento en el que participa La Universidad de La Salle. El concurso fomenta el
desarrollo de las energías limpias con base en la auto sostenibilidad de las futuras viviendas
que serán adecuadas en la zona urbana del municipio de Buenaventura – Colombia. La
propuesta ambiental se enfoca en el aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos de alta
generación en el municipio, específicamente de los estratos 1 y 2, que constituyen la población
con las características socioeconómicas importantes para esta investigación.
El diseño de la unidad de aprovechamiento se realiza a partir del análisis de los diferentes
parámetros fisicoquímicos monitoreados durante la ejecución de las 3 pruebas experimentales
que fueron realizadas por triplicado. En consecuencia, la mejor prueba se compone de: 50%
cáscara de plátano, 25% cáscara de yuca y 25% cáscara de papa, para un volumen total de
residuos aprovechados de 75 litros en un tiempo de 7 días, también se considera una relación
de agua - residuos de 4:1 para un volumen de mezcla total de 375 litros dentro de la unidad y
una eficiencia de 34,2%. Estas pruebas experimentales fueron realizadas en los laboratorios de
la Universidad de La Salle en la ciudad de Bogotá.
Palabras clave: Biogás, biodigestor, residuos sólidos, aprovechamiento, degradación.
12
1. Introducción
En la actualidad la generación de residuos sólidos se ha convertido en una gran problemática
a nivel mundial, dado que se han generado diferentes afectaciones en los diversos ecosistemas
presentes, lo que afecta directamente a las especies de fauna y flora. Así mismo las soluciones
que se han establecido en cuanto a la disposición final de los mismos han afectado a
poblaciones enteras de personas que viven en los alrededores de dichos lugares denominados
rellenos sanitarios, o en el peor de los casos botaderos a cielo abierto.
Los rellenos sanitarios tienen una vida útil determinada, por lo tanto, se entiende que los
mismos no reciben residuos por tiempo ilimitado, lo que se ha convertido en un serio
inconveniente dado que al momento en que estos lugares alcanzan su capacidad máxima, se
debe realizar una viabilidad de terrenos y de esta forma establecer su nueva ubicación, con lo
que se espera solucionar un problema, pero posiblemente genere otros. En efecto, han surgido
nuevas alternativas en las que no se tiene presente la construcción de más rellenos sanitarios,
en cambio se busca incentivar proyectos que fomenten la reutilización de elementos que para
un sector de individuos ya presentan características de residuo, con esto incentivar la economía
circular y darles un valor agregado (Calderón, 2016).
Dentro del presente proyecto se busca aprovechar una parte de los residuos sólidos que serán
generados en el proyecto de la “Villa Solar”, que se llevará a cabo en el municipio de
Buenaventura-Colombia. Allí se propone el establecimiento de una unidad de aprovechamiento
de residuos sólidos orgánicos denominado biodigestor anaerobio, con el fin de aprovechar los
residuos y producir una forma de energía que corresponde al biogás. Así pues, el objetivo
principal es que la unidad sea empleada dentro de las actividades de cocción en zonas comunes,
y que la población establecida en las viviendas pertenecientes al proyecto tenga en cuenta el
objetivo, y el aporte que se realiza en beneficio del planeta y los seres vivos que lo habitan.
13
2. Justificación
La presente alternativa de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos busca ser un
complemento de la propuesta del diseño de viviendas sostenibles que la Universidad de La
Salle presentará en el concurso de Solar Decathlon, será materializada recibiendo el nombre de
“Villa Solar”.
Esta propuesta consta de diferentes componentes en donde se complementa la idea de
sostenibilidad y uso eficiente de los recursos presentes dentro de cada una de las viviendas, así
mismo de la aplicación del concepto de economía circular con el fin de que los residuos sólidos
orgánicos que se generen dentro de la vivienda sean incluidos dentro de un nuevo proceso, el
cual genere un producto y este sea usado por los habitantes de la zona. En este caso la
alternativa consta en la producción de biogás a partir de residuos orgánicos, entre los cuales se
encuentra: cáscara de plátano, la cáscara de yuca, y papa. En efecto se entienden como la
materia prima del sistema de aprovechamiento; además de esto se tiene en cuenta que dentro
de este se requiere de la implementación de insumos, que realizarán la función de balancear las
cargas de nutrientes y relaciones tan importantes como la de carbono/nitrógeno que se debe
encontrar en un rango que oscile entre 20:1 y 30:1, con el fin de obtener las eficiencias
esperadas en cuanto a la producción de biogás.
Cabe resaltar que el diseño del biodigestor anaerobio se realizará teniendo en cuenta la
construcción únicamente de una unidad dentro de la “Villa Solar “, de forma que se ubique en
un lugar estratégico dentro del proyecto, para que la comunidad que habite en cada una de las
viviendas tenga facilidad de transportar los residuos orgánicos determinados hasta el punto
establecido.
14
3. Marco teórico
La problemática ambiental a la que se ve enfrentada la sociedad en la actualidad es el
resultado de diferentes acciones insostenibles que ha presentado la raza humana a lo largo de
su historia, en donde se ven inmersos diferentes factores entre los que se encuentra el
crecimiento exponencial de la población, el desarrollo económico en donde se hace uso de los
recursos naturales sin un debido control hasta el punto en que los mismos puedan verse
agotados, afectando a las generaciones futuras por su baja disponibilidad.
El desarrollo de la economía como ciencia empezó en el siglo XVlll, en el cual se llevó a
cabo un aprovechamiento desmedido de los recursos naturales, alejándose totalmente del
concepto natural para su evolución netamente teórica; hasta la segunda mitad del siglo XX el
desarrollo económico y el componente ambiental se entendían de forma separada, por lo que
no se realizaban análisis ni estudios del estado del componente que servía como insumo al
desarrollo de la humanidad. Este pensamiento presentó un cambio drástico en la sociedad
cuando el sector industrial se empezó a ver limitado en cuanto a la oferta natural. En 1972 en
Estocolmo – Suecia se identificó la relación entre medio ambiente y desarrollo teniendo en
cuenta los diferentes conflictos entre ambos, encontrando como resultado que la problemática
era de carácter técnico y que la solución se basaba en plantear alternativas tecnológicas
(PÉREZ, 2002); luego en 1992 en “La cumbre de la Tierra” en Rio de Janeiro Brasil se
reconoció que la problemática entre el medio ambiente afectaba no solo el componente técnico
si no que esta interviene directamente la parte social, política y claro está la parte económica,
además de efectos adversos a nivel mundial tales como el calentamiento global, el inminente
daño a la capa de ozono, la disminución forzada de la diversidad biológica entre otros factores
de suma importancia (PÉREZ, 2002).
En la Cumbre de la Tierra se constituyó el concepto de sustentabilidad el cual se entiende
como “Aquel que satisface las necesidades de las generaciones presentes en forma igualitaria,
sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias
necesidades” (López, 2004).
En la actualidad los diferentes países del mundo han empezado a tomar consciencia en
cuanto al daño que se genera sobre el medio ambiente mediante la realización de diferentes
actividades que se llevan a cabo a diario en los sectores de la económica, como en la parte
industrial e institucional entre otros, y también en el sector doméstico, esta afectación es
15
producto de los aspectos ambientales los cuales generan impactos ambientales que afectan los
recursos de la tierra en general.
En Colombia el aumento de la generación de residuos sólidos está asociado al crecimiento
exponencial de la población, así mismo con la sociedad consumista en general, lo que ha
llevado a que se desarrollen diferentes tecnologías las cuales sirvan como herramienta para dar
una adecuada disposición final de los residuos sólidos domésticos, de forma que no presente
un alto impacto sobre el medio ambiente y tampoco sobre la integridad de los seres vivos que
se encuentren presentes alrededor del lugar en el cual se lleva a cabo este tipo de tecnologías
(Jaramillo Henao, 2008). En Colombia se han generado diversas alternativas que buscan
realizar un tratamiento a los residuos sólidos orgánicos generando biogás, lo cual sirve como
una solución sostenible lo que mitiga el problema de realizar la disposición de los mismos
dentro de un relleno sanitario, y genera un tipo de energía que sirve en una gran variedad de
actividades ya sea para llevar a cabo la cocción de alimentos, servir como medio de
transferencia de calor y/o generar otros tipos de energía.
3.1. Solar Decathlon
El solar Decathlon es una iniciativa del departamento de energía de los Estados Unidos, en
donde se busca que universidades de diferentes partes del mundo compitan en el diseño y la
construcción de viviendas que trabajen con energías renovables, las cuales funcionarán con el
100% de energía solar y claro está, presenten características sostenibles.
Figura 1. Logo U.S DEPARTMENT, SOLAR DECATHLON
Recuperado de “Solar Decathlon Latin America and Caribbean” de Energy U.D. 2018.
El Solar Decathlon se llevará a cabo en la ciudad de Cali en el mes de septiembre del año
2019; en este concurso cada uno de los equipos participantes será evaluado en 10 criterios, los
cuales tendrán un puntaje en específico que al final al ser sumados darán el puntaje final y de
esta manera se definirá el ganador, los criterios son; arquitectura, ingeniería y construcción,
eficiencia energética, consumo energético, confort, sostenibilidad, posicionamiento,
16
comunicaciones, diseño urbano y factibilidad e innovación. Cada uno de los equipos de trabajo
deberá contener integrantes que aporten al diseño y construcción de la vivienda de tal forma
que cumpla con cada uno de los requerimientos, cada individuo que componga el equipo llevará
el nombre de “Decatleta “. Además de los requerimientos elementales del concurso, en esta
ocasión se busca que los equipos participantes presenten soluciones asequibles de vivienda
principalmente para la región de América Latina y el Caribe, que sean adecuadas para las zonas
urbanas densas, y se lleve a cabo dentro de estas un eficiente uso de los recursos naturales, lo
más importante que sea una propuesta integral (Energy, 2018).
El objetivo de la organización del Solar Decathlon Latin America & Caribbean 2019
(SDLAC), es contribuir al conocimiento y la difusión de la energía solar y sostenible (Energy,
2018). Allí se presentan una serie de objetivos de suma importancia para la realización del
mismo, a continuación, se evidenciarán los que presentan una mayor relación con el proyecto
en curso:
Aumentar la conciencia de los estudiantes sobre los beneficios y oportunidades que
ofrece el uso de renovables energías y la construcción sostenible, desafiándolos a pensar
creativamente y desarrollar innovadores soluciones que contribuyen al ahorro de
energía.
Educar al público en general sobre el uso responsable de la energía, la energía
renovable, la eficiencia energética y las tecnologías asociadas disponibles para
ayudarlos a reducir su consumo de energía.
Relevancia Regional
De acuerdo con la selección del lugar en el cual se llevará a cabo la ejecución del concurso
se tuvo en cuenta diversos aspectos de selección, entre los cuales se identificó las condiciones
en las que vive la población. La gran mayoría de la población latinoamericana vive en los
trópicos, disfrutando de altas radiaciones solares durante todo el año y la disponibilidad
excepcional de fuentes de agua; esto incentiva a que dentro del concurso se desarrollen
diferentes estrategias de diseño que respalden equilibrio ambiental que garanticen la
disponibilidad permanente de los recursos naturales presentes (Energy, 2018).
17
El SDLAC 2019 abarca el objetivo de desarrollar y promover ideas, capacidades y
tecnologías que pueden ser implementado para el beneficio de los habitantes de la región. El
diseño del proyecto a gran escala debe demostrar que puede responder a las necesidades de las
personas del área de interés, incluidos los componentes de vivienda social, densidad
poblacional, y uso racional de los recursos ambientales (Energy, 2018).
3.2. Área de estudio
El área de estudio del proyecto se realizará en el municipio de Buenaventura, perteneciente
al departamento de Valle del Cauca – Colombia. El municipio se encuentra ubicado en la costa
del Pacífico colombiano, presenta una humedad relativa promedio de 89%, con una
temperatura promedio de 28°C, y una precipitación media anual de 7789 mm, teniendo en
cuenta que limita con el departamento de Chocó el cual se caracteriza por ser la zona de
Colombia con mayor cantidad de precipitación anual. Su principal actividad económica se
encuentra situada en la zona portuaria, dado que en esta el país exporta aproximadamente el
80% de la totalidad de café, y el 60% de la totalidad del comercio internacional marítimo de
Colombia (Espinosa, 2017).
El turismo es otra de las principales actividades económicas de la región considerando la
amplia cantidad de visitantes que tiene el municipio por su ubicación estratégica, además de
esto, gracias a las condiciones climáticas de la zona, y a los diferentes resultados obtenidos por
los habitantes del municipio, la agricultura no es muy recomendable ya que los cultivos no se
dan de la forma esperada. La pesca es una alternativa de ingresos económicos para la población
al igual que para su manutención alimenticia a diario.
Figura 2. Delimitación de área de estudio
Recuperado de “Modelo de vivienda sostenible para climas cálido-húmedos de Colombia”
de Aguirre K., Cristancho J., Garzón A., & Uscátegui L. 2019.
18
3.3. Energías renovables
Las energías renovables provienen del sol, el viento, el agua y de los residuos que se generan
a diario. Las energías renovables son un complemento de las formas de energía que se presentan
en la actualidad como lo son los combustibles fósiles, lo que está provocando el agotamiento
de los recursos naturales y la afectación del medio en el que se encuentran presentes (Buhigas,
2010).
Las energías renovables presentan diferentes ventajas frente a las energías convencionales,
en donde se puede resaltar que las mismas no producen gases contaminantes en la atmosfera
tales como CO2 entre otros, por otro lado, estas energías no generan residuos en donde se deba
emplear una unidad adicional de tratamiento; las energías renovables se caracterizan por ser
limpias, inagotables en comparación con las convencionales, autóctonas y son de suma
importancia en el tema de equilibrar desajustes principalmente en el suelo y/o en el aspecto
territorial (Buhigas, 2010). Estas energías tienen como característica principal que se produce
energía constantemente de forma que la energía consumida se va renovando haciendo de esta
un ciclo productivo ilimitado.
Existen diferentes medios por los cuales puede generarse energías renovables, entre los
cuales se encuentran la energía solar, energía eólica, energía hidráulica, energía mareomotriz,
energía térmica, energía producto de biomasa vegetal entre otros; la biomasa se caracteriza por
ser una energía renovable que no presenta características ilimitadas. En la actualidad la biomasa
ha sido considerada como base para la producción de biocombustibles con lo que se ha
generado un alza en los precios de su producción y generación (Sardón, 2008).
Las diferentes tecnologías para obtención de biogás se han usado en una gran magnitud en
los países de Europa, principalmente en las zonas rurales en donde la legislación apoya y
promueve los proyectos de producción de esta energía renovable. En estos países con un alto
nivel de desarrollo se ha buscado que se comprenda la importancia la problemática ambiental
haciendo que la sociedad misma busque un desarrollo sostenible, cambiando las formas de
producción, consumismo y las formas de organización a nivel personal, de empresa y de la
administración (Sardón, 2008).
19
Figura 3. Comparación de consumo de energía a nivel mundial
Recuperado de “BP statistical Review of World Energy” de 2017.
El presente busca implementar una de las tantas formas de energías renovables asociado a
la generación de biogás a partir de residuos sólidos orgánicos que se generan a diario en una
población de interés que se encuentra ubicada en Buenaventura – Colombia, incentivando la
misma para que lo que se consideran residuos se observen desde otra perspectiva,
aprovechándolos, incluyéndolos de nuevo en el ciclo productivo de la población.
3.4. Digestión Anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso de fermentación anaerobia en ausencia de oxigeno del
cual se obtiene un producto que es una mezcla de gases principalmente dióxido de carbono y
metano el cual es conocido como “biogás”, y además de esto genera lodo en el cual se
encuentran presentes los diferentes microorganismos, los cuales son los responsables de llevar
a cabo la degradación de la materia orgánica. La materia prima e insumos que se aprovechen y
sean empleados dentro del sistema, preferiblemente debe presentar un contenido alto de
humedad tales como restos de comida, restos de poda de césped, además de lodos generados a
partir de aguas residuales domésticas, teniendo en cuenta la cantidad de nutrientes presentado
20
la mezcla para que el proceso se lleve a cabo de la mejor manera (Acosta & Abreu, La Digestión
Anaerobia. Aspectos Teoricos, 2005).
El biogás que se genera en el proceso se compone de metano en un rango de 50 – 70 % y
dióxido de carbono de 30 – 50 %, en donde se encuentran inmersos el nitrógeno, oxigeno,
hidrogeno y sulfuro de hidrogeno, pero cada uno de estos en menor magnitud respecto a los
nombrados anteriormente (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos,
2005). La digestión anaerobia se caracteriza por la existencia de tres fases diferenciadas en el
proceso de degradación de la materia orgánica, en las cuales se encuentran presentes bacterias
características de cada una de las fases, estas se encuentran a continuación:
Figura 4. Fases de la digestión anaerobia
Recuperado de “Producción de biogás a partir del estiercol de ganado vacuno y gallinaza
durante el proceso de digestión anaerobia a escala de laboratorio” de Lijarza, Y. 2017.
En este proceso se identifican diferentes clases de oblaciones bacterianas las cuales actúan
en las diferentes fases de la digestión anaerobia, entre las que se encuentran las bacterias
hidrolíticas-acidogénicas, acetogénicas, homoacetogénicas, metanogénicas hidrogenófilas y
por último metanogénicas acetoclastica (Lijarza Galvez, 2017). Cada una de las etapas se
describen a continuación:
21
3.4.1. Hidrólisis
En esta fase se presenta la despolimerización de compuestos orgánicos complejos tales
como los lípidos, proteínas e hidratos de carbono, esto se lleva a cabo por acción de las enzimas
hidrolíticas, en moléculas solubles y de fácil degradación como azúcares, ácidos grasos,
aminoácidos y alcoholes, entre otros (Lijarza Galvez, 2017).
Esta es la primera etapa en los procesos de digestión anaerobia, e involucra las enzimas,
mediadoras de la transformación de materiales orgánicos solubles y componentes más grandes
de masa molecular como lípidos, polisacáridos, proteínas, grasas y ácidos nucleicos, entre otros
como se nombró anteriormente, en esta etapa es generalmente el paso limitante de la digestión
anaeróbica cuando la materia orgánica sólida es utilizada como sustrato (Adekunle & Okolie,
2015).
Este paso es llevado a cabo por anaerobios estrictos como bacteroides, clostridium y
bacterias facultativas como estreptococci. Esta primera etapa es muy importante debido a que
grandes moléculas orgánicas son demasiado grandes para ser absorbidas y utilizadas
directamente por los microorganismos como sustrato/fuente de alimento. La velocidad de
descomposición durante la etapa del hidrólisis depende de la naturaleza del sustrato. La
transformación de celulosa y hemicelulosa generalmente es más lenta que la descomposición
de proteínas (Huertas, 2015).
Para llevar a cabo la biodegradación, ciertos microorganismos secretan diferentes tipos de
enzimas, llamadas enzimas extracelulares que "cortan" moléculas grandes en pedazos más
pequeños para que los microorganismos pueden tomar dentro de la célula y utilizarla como una
fuente de energía y nutrición. Los microorganismos que rompen diferentes azúcares son
llamados sacarolíticos, mientras que los que rompen proteínas son llamados proteolíticos
(Adekunle & Okolie, 2015).
22
Figura 5. Separación de fases del sistema de digestión anaerobia
Recuperado de “A Review of Biochemical Process of Anaerobic Digestion” de Adekunle,
K. & Okolie, J. 2015.
3.4.2. Acidogénesis
Los monómeros producidos en la fase hidrolítica son absorbidos por diferentes bacterias
facultativas y obligatorias, se degradan en ácidos orgánicos de cadena corta como ácido
butírico, propiónico, acético, hidrógeno y dióxido de carbono. La concentración de hidrógeno
formado como producto intermedio en esta etapa influye en el tipo de producto final formado
durante el proceso de fermentación. Por ejemplo, si la presión parcial de hidrógeno fuera
demasiada alta, esta podría disminuir la cantidad de componentes reducidos. En general,
durante esta fase, azúcares simples, ácidos grasos y aminoácidos son convertidos en ácidos
orgánicos y alcoholes (Adekunle & Okolie, 2015).
Estas dos primeras fases son llevadas a cabo por un grupo de bacterias, las cuales son las
hidrolíticas-acidogénicas y las acetogénicas que hidrolizan y fermentan las cadenas complejas
de la materia orgánica en ácidos grasos simples (Lijarza Galvez, 2017).
3.4.3. Acetogénesis
Los productos obtenidos en la fase acidogénica se consumen como sustratos para los demás
microorganismos. Los productos que no pueden ser directamente convertidos a metano por las
bacterias metanogénicas son convertidos en sustratos metanogénicos, ácidos grasos volátiles y
alcoholes los cuales son oxidados en sustratos metanogénicos como acetato, hidrógeno y
dióxido de carbono, con cadenas de carbono largas son oxidadas en acetato e hidrógeno
(Adekunle & Okolie, 2015).
23
Esta reacción demanda energía para su realización, gracias a la estrecha relación simbiótica
con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la
concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas. Estas bacterias tienen
un tiempo de duplicación relativamente lento aproximado de 1,5 a 4 días (Lijarza Galvez,
2017).
Es importante que los microorganismos los cuales llevan a cabo las reacciones de oxidación
anaeróbica colaboren con el siguiente grupo, microorganismos formadores de metano. Esta
colaboración depende de la presión parcial de hidrógeno presente en el sistema (Adekunle &
Okolie, 2015).
3.4.4. Metanogénesis
Se presenta como la etapa final del proceso de la digestión anaerobia, en donde los
compuestos como el ácido acético, hidrogeno y dióxido de carbono son transformados en
metano y dióxido de carbono (Lijarza Galvez, 2017).
Dentro de este último proceso se identifican dos tipos de microorganismos, los que se
encargan de degradar el ácido acético que son las bacterias metanogénicas acetoclásicas y los
que consumen hidrogeno que son las bacterias metanogénicas hidrogenófilas.
3.5. Biogás
Es una mezcla gaseosa formada principalmente por metano y dióxido de carbono y pequeñas
proporciones de otros gases, como H2S, H2, NH3. También se citan pequeños por cientos de
N2, H2 y O2. La composición o riqueza del biogás depende del material digerido y del
funcionamiento del proceso. En la tabla 1 se muestran valores medios de composición del
biogás en función del substrato utilizado. El potencial calórico inferior del biogás es
aproximadamente de 5250 kcal/m3, para una riqueza en metano de 60 %. El aprovechamiento
del biogás producido en los digestores sólo presenta interés económico cuando se trata de
grandes plantas, o cuando se habla de pequeñas poblaciones en las cuales se ve interesante el
aprovechamiento del biogás en los procesos de cocción de sus ejecutores (Acosta & Abreu, La
Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos, 2005).
24
Tabla 1. Composición de biogás en función del sustrato empleado
Recuperado de “Procesos biológicos: La digestión anaerobia y el compostaje “de Campos,
E. & Xavier. Enero de 2004.
El biogás que se produce dentro de un sistema como un digestor anaerobio puede ser
empleado en diferentes actividades que se realizan a diario, esto depende de los insumos que
se encuentran dentro del sistema, a continuación, se observara el gasto de biogás por cada una
de las actividades propuestas:
Tabla 2. Consumo de biogás en diversas actividades
Recuperado de “La digestión anaerobia. Aspectos teóricos” de Acosta, Y., & Abreu, M.
2005.
25
3.6. Parámetros dentro de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia al ser un proceso bioquímico tan complejo, requiere de un
seguimiento y control eficaz en cada uno de los aspectos que influyen dentro del mismo, con
la intención de mantener condiciones óptimas que permitan a realización de cada una de las
reacciones químicas dentro de la matriz líquida del reactor. A continuación, se evidencian y se
observa a fondo cada uno de los parámetros de suma importancia dentro del sistema:
3.6.1. pH
El valor de pH dentro del sistema juega un papel importante ya que se encuentra asociado a
los fenómenos de acidificación que afectan negativamente el proceso (Orobio, 2014), el valor
optimo oscila entre 6,6 y 7,6, que se presenta como un rango correcto para que el proceso se
efectué de forma adecuada. Cuando se presentan valores por debajo de 5 y por encima de 8 se
corre el riesgo de inhibir el proceso de fermentación y hasta detenerlo.
Los valores de pH pueden ser corregidos dentro del proceso para mantenerlo en el rango
adecuado de fermentación, esto se realiza mediante controles, si el pH es alto se puede retirar
una cantidad de efluente y agregar residuos orgánicos frescos que contienen una cantidad
considerable de ácidos que reducen el mismo estabilizándolo, y cuando ocurre lo contrario en
relación al pH bajo, se debe agregar fertilizante, cenizas, agua amoniacal diluida con el fin de
elevar el mismo (Buhigas, 2010).
3.6.2. Ácidos Volátiles
La concentración de ácidos volátiles producto del proceso de fermentación presenta suma
importancia dentro de la digestión en el sistema dado que, si el valor es muy alto, el fango
presente dentro de la unidad puede acidificarse provocando que el proceso no genere los
resultados esperados. Por lo tanto, debe haber un control sobre los mismos evitando posibles
riesgos de fallas en el sistema (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos,
2005).
3.6.3. Temperatura y tiempo de retención
La temperatura y el tiempo de retención van ligadas a las condiciones a las que se encuentre
el sistema, como su propia temperatura, el tiempo en que la materia prima y los insumos
variara. La degradación de los residuos orgánicos incrementa conforme aumente el valor de la
temperatura, incrementando la producción de biogás. Teniendo en cuenta que la digestión
anaerobia es un proceso relativamente lento, en muchos casos se suele aplicar calor al sistema
26
con el objetivo de que se aceleren las reacciones fisicoquímicas dentro del proceso (Buhigas,
2010).
La mayoría de los digestores funcionan en la gama mesofila de tal forma que se encuentra
en un rango de temperaturas de 12 y 35°C, lográndose una optimización del proceso en 29 y
33°C, estos también pueden funcionar en la gama termófila que se presenta en un rango de
temperaturas de 37 y 65°C, lo cual es una temperatura muy buena para el proceso pero debido
a la sensibilidad que presenta el sistemas frente a fluctuaciones o cambios en la temperatura,
requiere de un control y seguimiento del sistema muy estricto por lo tanto no es muy
aconsejable. A temperaturas bajas se sigue produciendo biogás, pero el objetivo es que se
mantenga un control adecuado y una producción de biogás que demuestre que el sistema es
viable y esto lo ofrece la gama mesofila.
A continuación, se presenta una tabla en la que se relaciona la temperatura en cada una de
las fases junto con el tiempo de retención:
Tabla 3. Relación temperatura vs tiempo de retención
Recuperado de “Fundamentos para el diseño de biodigestores”, de Olaya, Y. 2009.
3.6.4. Relación Carbono Nitrógeno
Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser sometida a
fermentación anaeróbica. La calidad y la cantidad del biogás producido dependerán de la
composición y la naturaleza del residuo utilizado. Los niveles de nutrientes deben de estar por
encima de la concentración óptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben
severamente por falta de nutrientes (Moreno, 2011).
Existe una gran diversidad de criterios en cuanto a cuál es la relación C/N adecuada que
debe existir en cuanto a la materia orgánica a degradar y los principales macronutrientes dentro
del proceso anaerobio. La relación C/N influye de gran manera en la producción de biogás por
lo que para llevar su control adecuado se establece un rango que se encuentra entre 20:1 y 30:1
con el fin de que se produzca una cantidad del producto esperado aceptable que apoye el diseño
27
e implementación del sistema (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos,
2005).
La descomposición de materiales con alto contenido de carbono, superior a 35:1, ocurre más
lentamente, porque la multiplicación y desarrollo de bacterias es bajo, por la falta de nitrógeno,
pero el período de producción de biogás es más prolongado. En cambio, con una relación C/N
menor de 8:1 se inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido
de amonio, el cual en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso (Moreno, 2011).
Ecuación 1. Cálculo relación Carbono Nitrógeno
𝐾 =𝐶1 ∗ 𝑄1 + 𝐶2 + 𝑄2+. … 𝐶𝑛 ∗ 𝑄𝑛
𝑁1 ∗ 𝑄1 + 𝑁2 ∗ 𝑄2+. … 𝑁𝑛 ∗ 𝑄𝑛
Recuperado de “Manual de Biogás” de Moreno, M. 2011.
- K = C/N de la mezcla de materias primas.
- C = % de carbono orgánico contenido en cada materia prima.
- N = % de nitrógeno orgánico contenido en cada materia prima.
- Q = Peso fresco de cada materia, expresado en kilos o toneladas.
3.7. Tipos de biodigestores
Existen diferentes diseños de biodigestores en donde resaltan unos más que otros, ya sea por
sus excelentes resultados, economía, o simplemente por su diseño simple que arroja resultados
aceptables, los más reconocidos son el dosel flotante que se conoce como un diseño
desarrollado en la India y el domo fijo que fue diseñado en China. A continuación, se
evidenciará cada uno de los diseños más reconocidos:
3.7.1. Pozo Séptico
Es el más antiguo biodigestor que se conoce, este se caracteriza por tener un diseño muy
simple y es empleado para la disposición de aguas residuales domésticas, de allí se deriva su
uso potencial en cuanto a la generación de gases, para ser empleados y/o aprovechados en
labores domésticas. Este diseño funciona adecuadamente siempre y cuando se separe el agua
mezclada con tensoactivos debido a que estos inhiben la actividad microbiana evitando la
degradación de la materia orgánica presente en el sistema (Buhigas, 2010).
28
Figura 6. Pozo Séptico
Recuperado de “Aprovechamiento de los residuos orgánicos en Colombia” de Jaramillo,
D. 2008.
3.7.2. Biodigestor de domo flotante (India)
Es un biodigestor que de fácil construcción y operación diseñado para emplearse en las
zonas rurales y ser operado por campesinos de poca preparación, consta en un tambor de fibra
de vidrio reforzado para evitar complicaciones asociadas a la corrosión, el reactores construido
por una pared de ladrillo al igual que el fondo, haciendo que el gas quede atrapado bajo la tapa
flotante que tiene una guía justo en la mitad que ayuda en el proceso, esta sube o baja
dependiendo de la cantidad de biogás producida, funciona con una alimentación semicontinua
(Buhigas, 2010).
Figura 7. Biodigestor de domo flotante (India)
Recuperado de “Sistema biodigestor para el tratamiento de desechos orgánicos” de Buhigas,
A. 2010.Buhigas, A. B. (2010). Sistema biodigestor para el tratamiento de desechos
orgánicos. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITECNICA
SUPERIOR, 14.
29
3.7.3. Biodigestor de domo fijo (China)
Presenta como características principales una cámara de volumen de gas constante, este es
construido a base de ladrillos y hormigón, se guarda el gas producido durante la digestión bajo
el domo que al no ser flexible varia los volúmenes del digestor en la cámara de salida del
producto resultante de la degradación de la materia orgánica. Tiene como ventaja su amplia
vida útil ya que tiene un promedio de duración de aproximadamente 20 años (Zuñiga, 2007).
Figura 8. Biodigestor de domo fijo
Recuperado de “Biodigestores” de Zúñiga, I. 2007.
3.7.4. Biodigestor de estructura flexible
Este diseño surge luego de que los biodigestores nombrados anteriormente resultaran
bastante costosos, por lo que se realizó una variación drástica de los materiales y estructura
para llevar a cabo un nuevo diseño, se empleó polietileno para el diseño del mismo. En este
biodigestor el biogás es acumulado en la parte superior de la bolsa en la que se encuentra la
biomasa en fermentación, aumentando así el tamaño de la misma a medida que se produce un
volumen de gas cada vez mayor hasta que llega a un punto en que se debe regular el paso del
gas a la misma, ya que presenta un volumen determinado (Buhigas, 2010).
30
Figura 9. Biodigestor de polietileno
Recuperado de “Biodigestores” de Zúñiga, I. 2007.
3.7.5. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno
Este sistema presenta economía frente a los sistemas tradicionales, caracterizado por ser una
estructura semiesférica de polietileno de película delgada en cambio de la campana móvil o
cúpula fija que presentan los diseños convencionales, y en la parte inferior un tanque de
almacenamiento de piedra y ladrillo en donde ocurren las reacciones de degradación de la
materia orgánica. Es un diseño que de acuerdo al material con que se diseñó que en este caso
es el polietileno, presenta una vida útil de 10 años (Buhigas, 2010).
Figura 10. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno
Recuperado de “Sistema biodigestor para el tratamiento de desechos orgánicos” de Buhigas,
A. 2010.Buhigas, A. B. (2010). Sistema biodigestor para el tratamiento de desechos
orgánicos. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITECNICA
SUPERIOR, 14.
31
3.8. Régimen de alimentación
Estos se determinan de acuerdo a la operación que el biodigestor efectué, teniendo en cuenta
la cantidad de residuos orgánicos que se aprovechen dentro del mismo. Existen 3 tipos de
régimen los cuales se explican a continuación:
3.8.1. Lote o discontinuo (Batch)
Se carga una única vez en su totalidad, hasta que se produzca la totalidad de biogás, y la
materia se encuentre completamente degradada, este se compone de tanques herméticos los
cuales están conectados a un gasómetro en el cual se almacena el gas, es apropiado en procesos
en que la materia orgánica se produzca de forma intermitente (Zuñiga, 2007).
3.8.2. Semicontinuo (Fed-Batch)
Estos biodigestores son alimentados con cargas pequeñas a diario en comparación con la
carga total, se debe retirar el mismo volumen de residuos orgánicos que se ingresan al sistema,
teniendo en cuenta la relación de agua con los residuos que ingresa, que es de 4:1 para que el
sistema funcione de forma eficiente (Zuñiga, 2007).
3.8.3. Continuo
Principalmente es empleado para el tratamiento de aguas residuales, en donde se tienen
sistemas de gran magnitud que realice el óptimo aprovechamiento de estas, este régimen de
alimentación requiere de una serie de equipos que regule y controle los diferentes factores
inmersos dentro del proceso, se genera una gran cantidad de biogás que en la mayoría de los
casos es empleado en actividades industriales o de la misma planta de tratamiento (Zuñiga,
2007).
3.9. Materias primas del proyecto
La materia prima a emplear dentro del proyecto corresponde a alimentos que se consumen
con una frecuencia considerable, teniendo en cuenta las características del Pacífico
colombiano, en donde se encuentra ubicada la ciudad de Buenaventura es muy común
encontrar en los platos típicos el plátano, la yuca y la papa siendo esta última menos frecuente
que las otras materias primas. Cada una de estas presenta características que se resaltaran a
continuación:
32
3.9.1. Plátano
En Colombia el cultivo de plátano es de suma importancia en la economía del país desde la
seguridad alimentaria y desde la generación de empleo en el territorio nacional; se estima que
el mercado de este alimento produce aproximadamente 12 mil toneladas/año y es destinado
para consumo humano y consumo animal. El porcentaje de peso de su cáscara es
aproximadamente del 30 a 40% de su peso total, esta se compone de celulosa en un 10,5%,
hemicelulosa en un 14% y lignina en un 17%, el peso promedio de un plátano maduro vendría
siendo de 180 gr aproximadamente (Manjarres, Castro, & Sandoval, 2010).
Tabla 4. Características fisicoquímicas cáscara de plátano
CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS DE LA CÁSCARA DE PLÁTANO
Relación C/N 50:1
%Carbono 57
%Nitrógeno 1,13
Humedad 9,3%
pH 5,8
Densidad 0,47 kg/L
Adaptado de “Estudios integrales para el manejo y producción “in situ” de alternativas de
fertilización en el cultivo del plátano” de Gonzales, J., Martínez, L., Espinosa, R., Ortega, O.,
Sánchez, D. & Pedraza, T. 2004. “Aprovechamiento de pulpa y cáscara de plátano para la
obtención de maltodextrina” de Melo, D., Torres, Y., Serna, J., & Torres, L. 2015.
“Caracterización fisicoquímica y funcional de los subproductos obtenidos durante la
extracción del almidon de musáceas, raíces y tubérculos” de Román, Y., Techeira, N.,
Yamarte, J., Ibarra, Y., & Fasendo, M. 2015.
3.9.2. Yuca
La yuca es un alimento que se produce masivamente en el mundo entero, su cáscara
corresponde aproximadamente al 5% de su peso total, y el peso del tubérculo como tal es de
190 gramos, estos residuos que se generan a partir de la misma son empleados para alimentar
33
animales y fabricar biofertilizantes; se estima que anualmente se producen 11 millones de
toneladas de cáscara de Yuca a nivel mundial lo cual es una cifra gigantesca. Esta es empleada
como biomasa vegetal en diferentes lugares buscando su aprovechamiento y la disminución de
residuos sólidos generados a partir de la producción de este alimento (Albis, Martínez,
Severiche, & Garcia, 2016).
Tabla 5. Características fisicoquímicas cáscara de yuca
CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS DE LA CÁSCARA DE YUCA
Relación C/N 20:1
% Carbono 30
%Nitrógeno 1,5
Humedad 13%
pH 6
Densidad 0,53 kg/L
Adaptado de “Caracterización fisicoquímica y funcional de los subproductos obtenidos
durante la extracción del almidon de musáceas, raíces y tubérculos” de Román, Y., Techeira,
N., Yamarte, J., Ibarra, Y., & Fasendo, M. 2015. “Manual de biogás” de Moreno, M. 2011.”
Producción de polihidroxialcanoatos (PHAs) a partir de Ralstonia eutropha en un medio con
harina de yuca como fuente de carbono” de Fernández, E., & Sánchez, S. 2016.
3.9.3. Papa
La papa es el cuarto cultivo alimenticio en cuanto a importancia en el mundo, su producción
anual supera la producción de todas las clases de tubérculos y raíces. En la actualidad el 70%
de la producción de este alimento es de consumo humano, lo demás se distribuye de forma que
se genere alimento para animales, la producción de semillas entre otras cosas más. La cáscara
de la papa corresponde aproximadamente al 2% de su masa total, en donde una papa promedio
tiene un peso aproximado de 150 gramos pero la importancia de esta es su consumo masivo y
de acuerdo a esto los residuos son de gran magnitud, por lo que se busca aprovechar los mismos
34
sin tener que desecharlos, en vez de eso incluirlos de nuevo dentro del ciclo productivo (Ospina,
2012).
Tabla 6. Características fisicoquímicas cáscara de papa
CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS DE LA CÁSCARA DE PAPA
Relación C/N 25:1
%Carbono 39
%Nitrógeno 1,57
Humedad 70%-75%
pH 6,3
Densidad 0,51 kg/L
Adaptado de “Caracterización fisicoquímica y funcional de los subproductos obtenidos
durante la extracción del almidon de musáceas, raíces y tubérculos” de Román, Y., Techeira,
N., Yamarte, J., Ibarra, Y., & Fasendo, M. 2015. “Manual de compostaje del agricultor” de
Román, P., Martínez, M., & Pantoja, A. 2013. “Uso de las cáscaras de papa como coagulante
natural en el tratamiento de aguas potables de la planta La Diana” de Natalia, A. 9 de
septiembre de 2011. “Estudio de algunas propiedades físico- mecánicas y químicas de
residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba” de Hernández, C.,
Oechsner, H., BruleI, M., & Maison, E. 2014.
3.9.4. Estiércol de porcino (Porcinaza)
La porcinaza es un biofertilizante el cual contiene grandes propiedades como fuente de
nutrientes, lo cual lo vuelve muy útil en actividades agronómicas y ambientales. La porcinaza
está formada por heces fecales y orina, su producción puede estar afectada por factores tales
como la alimentación del animal, volumen de agua que consume el mismo y las condiciones
ambientales del lugar en el que se encuentre el individuo (Grisales, Vega, & Yarce, 2016).
El porcentaje de humedad oscila entre los 88% y 90%, y el contenido de materia seca oscila
entre 10 y 12%. El porcentaje de sólidos presentes en la materia seca corresponde a 90% de las
heces y 10% de la orina. El pH varía dependiendo de qué tan frescas sean las heces dado que
35
entre más fresco este más neutro se presentará este. La porcinaza es de suma importancia para
el suelo ya que puede generar un aporte de suma importancia en la fertilidad química de las
áreas del suelo ya que aporta buenas cantidades de nitrógeno, fósforo, potasio y otros nutrientes
importantes, además de esto mejora las condiciones físicas y biológicas, aumentando la
capacidad de crecimiento y desarrollo de las plantaciones agrícolas (Grisales, Vega, & Yarce,
2016).
Tabla 7. Características fisicoquímicas de la porcinaza
CARACTERISTICAS FISICOQUÍMICAS DE LA PORCINAZA
Relación C/N 16:1
% Carbono 25
%Nitrógeno 1,5
Humedad 88-90%
pH 6-8
Densidad 1,1 kg/L
Adaptado de “Manual de biogás” de Moreno, M. 2011. “Estudios integrales para el
manejo y producción In Situ de alternativas de fertilización en el cultivo de plátano” de
González, J., Martínez, L., Espinoza, R, Ortega, O., Sánchez, D., & Pedraza, T. 2004.
36
4. Pregunta de Investigación
¿Cuáles son las características que debe tener una mezcla de residuos sólidos orgánicos
dentro de un biodigestor para generar biogás con el propósito de ser utilizado en actividades de
cocción en zonas comunes?
5. Objetivos
5.1. Objetivo General
Proponer el diseño de un biodigestor anaerobio como sistema de aprovechamiento de
residuos sólidos orgánicos, generados en las viviendas del proyecto “La Villa Solar” ubicado
en la ciudad de Buenaventura- Colombia.
5.2. Objetivos Específicos
- Establecer un diagnóstico cultural de la población que se beneficiara del proyecto, con
el fin de identificar los residuos que se generan con una mayor frecuencia en la zona.
- Evaluar por medio de pruebas experimentales que cantidad de biogás se genera en cada
una de las mezclas establecidas, teniendo en cuenta las variaciones en las cantidades de
materia prima e insumos presentes dentro del sistema.
- Establecer el diseño de un biodigestor anaerobio.
37
6. Metodología
Fase I: Diagnóstico Zona de Estudio
El proyecto de la Villa Solar se compone de diferentes factores que son de suma importancia
dentro del presente proyecto dado que influyen directamente en su desarrollo, tales como las
características propias de la zona que se tendrán en cuenta en las pruebas de laboratorio.
En la presente fase se realiza un análisis detallado de cada uno de estos factores identificando
documentos de importancia que expongan las características requeridas en el estudio en curso,
como lo es el plan de gestión de residuos sólidos de la región, ya que en este se encuentra la
caracterización de los residuos sólidos presentados en la región por estratos socioeconómicos.
Así mismo se hace una revisión de los factores que componen el clima del lugar, ya que dentro
del sistema se debe asegurar condiciones que lo hagan eficiente, por último, se lleva a cabo una
revisión de la distribución de viviendas dentro del proyecto, y así mismo la cuantificación de
las mismas junto a sus características correspondientes que den cuenta de la población
beneficiada.
Fase II: Planeación
En la presente fase se establecen los lineamientos del proyecto de forma clara y precisa,
mediante los cuales se alcanzará la meta final planteada, en donde se realiza la formulación de
los objetivos que componen el mismo, el establecimiento del alcance que se tendrá con la
propuesta y el nivel hasta el que será beneficiada la población próxima a habitar las viviendas
de la “Villa Solar”.
Fase III: Ejecución
Teniendo en cuenta las características presentadas por la población que será beneficiaria del
proyecto de la “Villa Solar”, se planteó el diseño metodológico con el fin de aprovechar los
residuos sólidos orgánicos que se generan con una mayor frecuencia. El diseño está compuesto
por una serie de 3 pruebas las cuales son realizadas por triplicado, en donde se varia la
composición de cada uno de los residuos presentes dentro del biodigestor, acompañados por
una cantidad constante del insumo iniciador del proceso.
38
El insumo iniciador se preparó 45 días antes de iniciar las pruebas con el fin de que los
microorganismos se estabilizaran, para tal fin se empleó porcinaza, este se preparó en botellas
plásticas de 3 litros en donde la porcinaza correspondía al 50% del volumen total y el 50%
restante correspondía al insumo determinado en relación con agua de 4:1 (Zuñiga, 2007). Por
lo tanto, se prepararon 3 botellas, una con cáscara de papa, otra con cáscara de yuca y por
último una con cáscara de plátano. Se busca que la porcinaza tenga una buena relación con los
demás insumos, para que la misma aporte una buena cantidad de microorganismos dentro del
sistema. De acuerdo con Yeison Olaya Arboleda (2009), la relación adecuada del iniciador con
el agua es de 1:1, por lo que se buscó adoptar esta relación junto con el insumo y obtener un
excelente material ya estabilizado dentro del sistema. La distribución del iniciador se muestra
en la siguiente tabla:
Tabla 8. Proporciones de iniciador
Insumo Porcentaje Volumen
Porcinaza 50% 1,5
Cáscara de
plátano
10% 0,3
Agua 40% 1,2
Volumen
Recipiente
(Litros)
3
Creación propia
La distribución de cada una de las pruebas experimentales se realizó teniendo en cuenta un
30% de insumo iniciador, responsable de aportar la cantidad de microorganismos que tendrán
la función de producir biogás entre el tiempo en que inicia el sistema (Yeison Olaya Arboleda,
2009), el 70% restante se empleó para la distribución de los insumos que corresponden a los
desechos orgánicos que serán aprovechados, a continuación se observa los porcentajes de cada
uno de los insumos dentro de cada una de las mezclas:
39
Tabla 9. Distribución insumos de pruebas
Creación propia
Las pruebas se llevaron a cabo en recipientes ámbar de 1 litro, en donde el porcentaje de
llenado fue del 50% con el fin de que la mezcla, la temperatura y la humedad dentro del
recipiente fuera la adecuada, y se mantuviera con éxito las condiciones, asimilando el clima de
la zona de Buenaventura en el que se propondrá el diseño de la unidad. El montaje de cada una
de las pruebas se observará a continuación:
Figura 11. Montaje de prueba experimental
Creación propia
El montaje de cada una de las pruebas se llevó a cabo en una botella ámbar, herméticamente
cerrada, en donde se agregan los diferentes insumos con sus respectivos porcentajes, respecto
a la cáscara de plátano, yuca y papa, son trituradas empleando una licuadora con el fin de que
la superficie de contacto de las partículas se encuentre en condiciones favorables para ser
degradadas eficientemente por los microorganismos aportados por el insumo iniciador.
% Distribución%
unitario
Volumen
(ml)% Distribución
%
unitario
Volumen
(ml)% Distribución
%
unitario
Volumen
(ml)
Insumo 7% 35 Insumo 5,25% 26,25 Insumo 3,5% 17,5
Agua 28% 140 Agua 21% 105 Agua 14% 70
Iniciador 3% 15 Iniciador 2,25% 11,25 Iniciador 1,5% 7,5
Agua 12% 60 Agua 9% 45 Agua 6% 30
Insumo 3,5% 17,5 Insumo 5,25% 26,25 Insumo 7% 35
Agua 14% 70 Agua 21% 105 Agua 28% 140
Iniciador 1,5% 7,5 Iniciador 2,25% 11,25 Iniciador 3% 15
Agua 6% 30 Agua 9% 45 Agua 12% 60
Insumo 3,5% 17,5 Insumo 3,5% 17,5 Insumo 3,5% 17,5
Agua 14% 70 Agua 14% 70 Agua 14% 70
Iniciador 1,5% 7,5 Iniciador 1,5% 7,5 Iniciador 1,5% 7,5
Agua 6% 30 Agua 6% 30 Agua 6% 30
100% 500 100% 500 100% 500
Cascara de
platano
Cascara de
yuca
Cascara de
papa
Prueba 1 Prueba 2
37,5%
37,5%
25%
50%
25%
25%
TOTAL TOTAL
Prueba 3
25%
50%
25%
TOTAL
40
Como se puede observar en la tabla 9, en las 3 pruebas realizadas hubo variación
principalmente de la cáscara de plátano y de yuca, dado que son los dos desechos orgánicos
que se generan con una mayor frecuencia en el municipio, por lo tanto, la cáscara de papa se
presenta en todas las pruebas con una cantidad constante dentro de las mismas, el cual
corresponde a un 25%. La relación agua-insumos se contempló de forma que dentro del diseño
experimental la producción de biogás fuera lo más alta posible y el sistema fuera eficiente, por
lo tanto de acuerdo con (Buhigas, 2010), la relación adecuada es de 4:1, lo cual se aplicó dentro
de la presente propuesta y puede ser observado en la tabla 9.
El montaje se realizó con el fin de que se presentaran condiciones anaerobias en su interior
y los microorganismos trabajaran de forma eficiente, por lo que se empleó un corcho en la boca
del recipiente con un cono de plástico y una manguera conectada al mismo con el objetivo de
que fuese la salida del biogás hacia el siguiente recipiente que corresponde a una probeta, que
se encuentra llena de agua y está situada en un balde completamente lleno del fluido para que
el biogás generado sea retenido, y finalmente pueda ser cuantificado día a día, a lo largo de la
duración de cada una de las pruebas.
La condición física correspondiente a la temperatura del montaje experimental lo genera la
plancha de calentamiento que se encuentra bajo el recipiente, esta contiene un sistema de
agitación que ayuda a homogenizar el medio presente dentro del mismo. Este instrumento
mantiene el montaje en un rango de temperatura de 27ºC a 31ºC, ya que de acuerdo con
Buhigas(2010) la temperatura óptima que debe tener un sistema de biodigestor debe estar entre
29ºC y 33ºC , para que dentro del mismo trabajen los microorganismos mesofilos, lo cual es
un poco más alto del que se presenta en las pruebas, esto se debe a las condiciones
climatológicas correspondientes de Buenaventura, dado que en el municipio la temperatura
promedio en el año es de 28ºC (Espinosa, 2017).
Teniendo en cuenta que dentro de la digestión anaerobia se debe contemplar los
microorganismos que existen para que el sistema funcione, se llevó a cabo la identificación de
los mismos por medio de siembras realizadas con el insumo iniciador de cada uno de los
residuos orgánicos. Para observar la presencia de los microorganismos se realizó una siembra
de estos y posteriormente del conteo de las colonias bacterianas que se presentaron, se realizó
la tinción de Gram correspondiente para identificar los microorganismos presentes. El proceso
de identificación se enumera a continuación:
41
1. Preparación de agua peptonada al 2%
2. Agitación de muestra con agua peptonada en un recipiente de 100 ml, en donde agrega
10 ml de muestra y 90 ml de agua peptonada, esto se realiza en un equipo de agitación
conocido como Shaker, esta actividad se lleva a cabo por 3 días a una temperatura de
37ºC y 180 revoluciones por minuto.
Figura 12. Agitación en Shaker
Creación propia
3. Preparación de diluciones correspondientes a la muestra, en donde se realiza una
cantidad de diluciones de 10-14, para las 3 muestras.
Figura 13. Preparación de diluciones
Creación propia
4. Siembra de muestras en agar SPC para conteo de colonias bacterianas, por el método
de siembra masivo, esta actividad se realiza por triplicado y se siembra desde la dilución
de 10-7 hasta la dilución de 10-14.
5. Incubación de cajas Petri durante 24 horas a una temperatura de 37ºC.
42
Figura 14. Incubación de cajas Petri
Creación propia
6. Conteo de colonias bacterianas.
Figura 15. Colonias bacterianas
Creación propia
7. Realización de prueba de Tinción de Gram mediante la aplicación de sustancias
químicas, lavado y espera de tiempos como se muestra a continuación:
- Cristal Violeta 1 minuto
- Lugol 1 minuto
- Acetil Cetona 30 segundos
- Fucsina 15 segundos
43
Figura 16. Tinción de Gram
Creación propia
8. Observación de microorganismos por medio de microscopio.
Fase IV: Seguimiento y control
En el transcurso de la ejecución de las pruebas que apoyan el diseño experimental, es de
suma importancia llevar a cabo un seguimiento y control de cada uno de los montajes con la
intención de identificar los diferentes cambios que puedan presentarse durante el desarrollo de
los mismos.
Dentro de las pruebas se realiza el seguimiento continuo principalmente sobre los diferentes
parámetros que dan cuenta del estado de las mismas, este se lleva a cabo diariamente a una
hora determinada durante la totalidad de la etapa de ejecución del proyecto. Las principales
variables que se tienen en cuenta dentro de la realización de cada una de las pruebas y la forma
en que son medidas y/o cuantificadas se muestra a continuación:
- Control de Temperatura
Se presenta como uno de los parámetros más importantes a tener en cuenta dentro de las
pruebas experimentales, dado que influye directamente dentro de la producción de biogás y se
considera como parámetro esencial dentro de la digestión anaerobia, ya que dependiendo de la
temperatura en que se encuentre el sistema se puede realizar una aproximación del tiempo de
retención, y así mismo de la fase de la digestión anaerobia en la que se encuentra el sistema, y
claro está el tipo de microorganismos que se encuentran inmersos en él (Buhigas, 2010).
44
- Control de pH
El pH se presenta como un parámetro esencial en la identificación del correcto
funcionamiento del sistema, dado que si se encuentra fuera de los rangos establecidos puede
ocurrir una inhibición del proceso, estos rangos se encuentran entre 6,6 y 7,6 (Orobio, 2014).
Este parámetro fue medido a diario en cada una de las pruebas realizadas.
El seguimiento y control de temperatura y pH se llevó a cabo mediante la implementación
de un potenciómetro y un corcho, en donde se esperaba mantener las condiciones anaerobias
dentro del sistema, la medición que se realizó a diario se observa en la siguiente figura:
Figura 17. Medición de Temperatura y pH con ayuda de potenciómetro
Creación propia
- Producción de biogás
Es la variable de mayor importancia dentro del alcance del presente proyecto, dado que se
busca establecer un sistema eficiente el cual genere una cantidad considerable de biogás, lo que
hace que los demás parámetros que se tienen en cuenta dentro del sistema presenten una base
estable para la obtención de este producto. La medición de este parámetro se realizó a diario
de forma que se llevó a cabo un control y seguimiento adecuado, y por medio de esta actividad
busco establecer la prueba indicada para realizar el diseño experimental definitivo que se
presenta dentro de la propuesta.
Esta producción es medida a diario con la implementación del montaje, donde el biogás
producido es conducido a través de una manguera que sale de la botella, en la que se lleva a
cabo el proceso de la digestión anaerobia, luego de esto llega a la probeta en donde se acumula
45
dentro de la misma que se encuentra completamente llena de agua en posición invertida dentro
de una cubeta con agua, funcionando como una trampa para el fluido gaseoso que se buscó
cuantificar. Este montaje se puede observar a continuación:
Figura 18. Esquema de cuantificación de biogás
Creación propia
- Materia prima e insumos dentro del sistema
Dentro del sistema se tiene establecido la inclusión de 3 tipos de residuos sólidos orgánicos
los cuales son la cáscara de papa, la cáscara de yuca y la cáscara de plátano, así mismo se tiene
establecido la inclusión del estiércol de cerdo el cual funcionara como el insumo iniciador
aportando los microorganismos que cumplirán la función de degradar la materia orgánica, estos
insumos son establecidos en el momento de realizar el montaje dado que cada uno de estos
presenta una mezcla diferente, por lo tanto dentro de cada uno habrá una variación de los
porcentajes que servirá para identificar la mezcla apropiada que se debe emplear dentro del
sistema.
- Humedad
La humedad es un parámetro que debe ser tenido en cuenta en el proceso de la digestión
anaerobia ya que con una buena regulación del mismo se puede obtener excelentes cantidades
de biogás, esto va ligado con la relación agua/residuos que existe en el biodigestor, en donde
una cantidad más alta de agua respecto a los residuos garantizara una buena eficiencia del
sistema.
46
Este parámetro es monitoreado al inicio y al final de las pruebas, en el cual se observará los
cambios al transcurso de 7 días el tiempo correspondiente de la ejecución de cada una de estas.
Fase V: Diseño
La unidad de aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos de interés, se diseñará
teniendo en cuenta diferentes parámetros asociados a la población de interés, con el fin de
determinar el volumen y ubicación del sistema, así mismo se tendrá en cuenta parámetros que
van ligados directamente con la unidad de aprovechamiento entre los cuales se debe tener en
cuenta el sistema a emplear, y también el régimen de alimentación del mismo. Así mismo se
debe tener en cuenta el lugar de almacenamiento de los residuos sólidos, y claro está la forma
en la que estos serán suministrados a la unidad de tratamiento. A continuación, se enuncian
los parámetros de mayor importancia a tener en cuenta dentro del diseño del biodigestor:
Asociados a la población de interés:
- Cantidad de residuos generados a diario
- Número de viviendas dentro del proyecto
- Densidad poblacional dentro de cada vivienda
- Limitación de terreno a emplear para el sistema
- Climatología de la zona
Ligados al sistema:
- Tiempo de retención
- Temperatura adecuada del sistema
- Mezclado de residuos dentro del sistema
- Unidades complementarias del sistema
- pH dentro del sistema
- Relación carbono nitrógeno de los insumos
- % de llenado del sistema
47
7. Resultados y Análisis de Resultados
7.1. Diagnóstico Zona de Estudio
Buenaventura es un municipio que cuenta con un área de 6297 km2 lo cual equivale al 28,6%
del área departamental, el municipio tiene una amplia variedad de climas dado que cuenta con
todos los pisos térmicos, gracias a su ubicación y a la meteorología que se presenta en la zona
es favorecido para llevar a cabo actividades portuarias. Dentro de este municipio no se
desarrollan actividades agropecuarias de competitividad debido a las altas temperaturas,
humedad y demás factores meteorológicos que no lo permiten; por otro lado, las altas
precipitaciones producen saturación en los suelos, por lo que la actividad turística se posiciona
como la mayor fuente de ingresos dentro de la región (Cauca, 2014).
- Estrato socioeconómico
Dentro del municipio de Buenaventura se presenta un alto índice de pobreza, ya que
aproximadamente la mitad de la población se encuentra clasificada en el estrato
socioeconómico 1, debido a las limitadas oportunidades que se presentan dentro del mismo
(Buenaventura, 2014).
El 45,86% de la población se encuentra ubicada en el estrato 1, esto corresponde a 137,530
personas, la población presente en el estrato 2 es de 71,340 personas lo que equivale a un
23,78%, en el estrato 3 se encuentra una población de 62,681 personas equivalente al 26,61$ y
por último en el estrato socioeconómico 4 se encuentra una totalidad de 2,455 personas lo que
equivale finalmente a un porcentaje de 3,77% (Buenaventura, 2014).
Respecto a los estratos socioeconómicos 5 y 6 dentro del municipio, presentan unos valores
muy bajos por lo que no se tienen en cuenta dentro de los porcentajes de distribución.
- Producción agropecuaria
El municipio de Buenaventura presenta una vocación agrícola limitada cuando se tiene en
cuenta la producción ya que las zonas o terrenos dedicados a los cultivos son muy pequeños
respecto a la extensión total del territorio que lo compone. El desarrollo de los diferentes
cultivos no se da durante todo el año, gracias a la meteorología que presenta la zona, por lo que
los habitantes de este lugar deben recurrir a la economía rural en la que es fuerte el municipio,
48
sembrando chontaduro, bananito, coco, caña, plátano, entre otras siembras artesanales más
(Rueda, 2013).
Gracias a la cercanía del municipio al departamento del Chocó que esta categorizado como
la zona más húmeda del territorio colombiano, y con esto la dificultad de establecer cultivos
agrícolas permanentes, la población de Buenaventura se ve obligada a consumir alimentos
cosechados en zonas aledañas tales como las de los municipios pertenecientes en su mayoría
al Valle del Cauca, adoptando así costumbres que no son muy diferentes a las propias. Cabe
resaltar que el presente es el municipio que tiene una menor cantidad de hectáreas sembradas,
respecto a los demás municipios del departamento al que pertenece (Rueda, 2013).
Colombia es un país que se caracteriza por tener una producción agrícola en grandes
proporciones y en una gran variedad, esto porque cuenta no solamente con áreas muy extensas
y fértiles empleadas para la agricultura, si no que cuenta con todos los pisos térmicos en los
cuales se puede desarrollar de manera fácil y efectiva cosechas de toda clase. El Valle del Cauca
se caracteriza por ser el departamento con mayor potencial en cuanto a la producción de caña
de azúcar, la cual es aprovechada al máximo generando azúcar, panela, jarabes y comida para
el ganado entre otras cosas, por lo que el producto que llega al consumidor no presenta un
residuo orgánico el cual se pueda aprovechar (Ortiz, 2013).
Tabla 10. Producción Agrícola en Buenaventura
Producto Superficie Cosechada Producción
ha % Ton %
Chontaduro 3,476 57,3% 48664 64,9%
Borojó 811 13,4% 9732 13%
Bananito 466 7,7% 6058 8,1%
Coco 321 5,3% 3852 5,1%
Papa 320 5,3% 2560 3,4%
Caña Panelera 246 4,1% 861 1,1%
Plátano 142 2,3% 994 1,3%
Banano 127 2,1% 1651 2,2%
Maíz 90 1,5% 136 0,2%
Yuca 30 0,5% 210 0,3%
Recuperado de “Hacia un desarrollo integral de la ciudad de buenaventura y su área de
influencia” de Martínez A. de 2013.
Como se puede observar en la tabla 10, la mayor producción agrícola en el municipio de
Buenaventura corresponde al chontaduro y al borojó, dado que son frutos típicos de la región,
49
con la característica especial de que en su mayoría son empleados para su comercialización, y
genera una cantidad de desecho orgánico mínima; principalmente en el caso del borojó se
vende de forma tal que viene envuelto en material desechable y dicha envoltura no es
aprovechada.
Por otro lado, el residuo resultante de la cáscara de coco y de la caña de azúcar son
empleados como suplementos de compost en el momento en que son preparado para su
comercialización, cabe resaltar que la caña de azúcar no es comercializada, si no que se generan
productos a base de la misma y estos son entregados al consumidor, en cambio la cáscara de
coco si se comercializa junto con el fruto por lo que puede ser de gran apoyo en cuanto al
mejoramiento del suelo, siempre y cuando se aplique de forma adecuada en el menor tamaño
posible (Giménez, Figueirêdo, Zied, & González, 2012).
Así mismo se puede evidenciar una amplia variedad de frutos de especie similar como lo es
el banano, el plátano, y el bananito, los cuales presentan características fisicoquímicas similares
y estos son complemento de la canasta familiar, y/o alimentos que los habitantes de la región
de Buenaventura consume a diario, y claro está la cáscara de estos frutos se convierte en residuo
orgánico una vez es consumido se consume la fruta. La papa y la yuca son 2 de los productos
que se encuentran dentro de los cultivos más importantes del municipio, que son consumidos
por los habitantes de la región y tomando en consideración que son parte de su alimento diario,
se puede asumir que la generación de residuos de estos tubérculos sobresale sobre los demás
residuos orgánicos generados en las viviendas familiares del municipio (Rueda, 2013).
Tabla 11. Porcentaje de Participación en Cuanto a Producción y Cosecha Valle del Cauca
Producción Área
cosechada
Yuca 2,5% 2,4%
Papa 0,4% 0,6%
Plátano 5,4% 4,6%
Recuperado de “Censo Nacional Agropecuario” de Dane. 2014.
Como se observa en la tabla 11, el porcentaje de producción y área cosechada del
departamento del Valle del Cauca en cuanto a yuca y papa es mínimo a nivel de Colombia ya
que las características climatológicas son determinantes y no favorecen al departamento en
general, y por otro lado en cuanto al plátano presenta un porcentaje más alto de ambos
parámetros, por esta razón se generan más especies similares al plátano las cuales fueron
nombradas y son de suma importancia dentro del presente proyecto (DANE, 2014). Por lo
50
tanto, se reitera en que la mayoría de los alimentos de Buenaventura son llevados desde otros
municipios y/o regiones del país con el objetivo de complementar la totalidad de alimentos con
los generados dentro del municipio.
Es de suma importancia tener en cuenta los residuos orgánicos generados en la zona como
los nombrados anteriormente en especial la cáscara de chontaduro, dado que puede aportar
material orgánico al sistema y de esta manera incrementar la producción de biogás dentro del
mismo, beneficiando a la población que emplee el sistema y disminuyendo la cantidad de
desecho orgánico que partiría directamente hacia el relleno sanitario de la región.
- Generación de residuos por estrato socioeconómico
Dentro del municipio de Buenaventura se genera una cantidad considerable de residuos
sólidos teniendo en cuenta que la PPC (producción per cápita) de diferentes estratos
socioeconómicos varia, y esto se da gracias al poder de adquisición de productos que tienen los
habitantes en cada una de sus clasificaciones correspondientes, a continuación, se observara la
PPC de los habitantes del municipio de Buenaventura:
Tabla 12. Producción Per Cápita Habitantes de Buenaventura-Colombia
Estrato Socioeconómico PPC ( Producción Per
Cápita) (Kg/Habitante-Día)
1 0,37
2 0,34
3 0,44
4 0,57
Recuperado de “Plan de gestión integral de residuos sólidos para el casco urbano del
municipio de Buenaventura Valle” de alcaldía de Buenaventura. 26 de marzo de 2014.
Teniendo en cuenta que el PGIRS (Plan de Gestión Integral de Residuos Sólidos), más
actualizado que tiene el municipio es del año 2014 y con ello una PPC que no data del año
actual, debe realizarse la proyección de la misma teniendo en cuenta las características de la
población, ya sea del municipio como tal o de poblaciones con comportamientos culturales
muy similares.
51
Dado que no se presenta una tasa de crecimiento de la PPC dentro del PGIRS de
Buenaventura, se opta por tomar la tasa de crecimiento empleada dentro de la producción de
residuos sólidos para zonas residenciales del PGIRS de Santiago de Cali el cual es proyectado
para el periodo de 2015 – 2021, que corresponde a un crecimiento del 2,3% de la PPC (Velasco,
2015). A continuación, se evidencia el crecimiento de este indicador en cada uno de los estratos
socioeconómicos dentro del municipio de Buenaventura:
Ecuación 2. Proyección de la producción per cápita
𝑃𝑃𝐶 = (𝑃𝑃𝐶𝑎 ∗ %𝐶) + 𝑃𝑃𝐶𝑎
PPC=Producción Per Cápita
PPCa=Producción Per Cápita Año Anterior
%C=Tasa de Crecimiento
Tabla 13. Proyección de PPC hasta el año 2019
Estrato
Socioeconómico
PPC Año
2014
PPC Año
2015
PPC Año
2016
PPC Año
2017
PPC Año
2018
PPC Año
2019
1 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,41
2 0,34 0,35 0,36 0,36 0,37 0,38
3 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49
4 0,57 0,58 0,60 0,61 0,62 0,64
Creación propia
Como se puede observar en la tabla 13, la PPC se muestra directamente proporcional
respecto a los estratos bajos con los estratos altos, excepto en el estrato 1 y 2 los cuales tienen
características alimenticias muy similares. Así mismo, cabe resaltar que el consumo de
alimentos orgánicos por parte de los estratos 1 y 2 es mayor que el de los estratos 3 y 4, ya que
los niveles socioeconómicos más bajos consumen la mayor parte de sus alimentos diarios
mediante la cocción en casa y respecto a los dos niveles restantes, consumen una mayor parte
de alimentos que han recibido tratamiento alguno como lo son los enlatados, productos
refrigerados, entre otros, y esto se da por el simple hecho del poder adquisitivo y las
condiciones económicas que presentan los individuos de los diferentes estratos
socioeconómicos (Buenaventura, 2014).
La totalidad de los residuos sólidos que se producen a diario dentro del municipio y que
llegan al relleno Sanitario Córdoba es de aproximadamente 149 toneladas por día (Mora, y
otros, 2017). A este relleno sanitario llega en su mayoría residuos sólidos provenientes de
52
actividades de cocina y/o de actividades de alimentación, entre los cuales se encuentra los
residuos sólidos orgánicos, estos representan un porcentaje que supera un poco más de la mitad
de los residuos que llegan al lugar de disposición, a estos los siguen los residuos de papel entre
otros, a continuación, se observa la caracterización de residuos sólidos que son generados en
el municipio de Buenaventura dentro del sector de interés, el cual corresponde al sector
residencial:
Figura 19. Distribución de residuos sólidos generados en el municipio de Buenaventura
Recuperado de “Plan de gestión integral de residuos sólidos para el casco urbano del
municipio de Buenaventura Valle” de alcaldía de Buenaventura. 26 de marzo de 2014.
Teniendo en cuenta los lineamientos establecidos dentro del concurso “Solar Decathlon”, el
diseño del proyecto de las viviendas sostenibles estará enfocado para habitantes que se
encuentran ubicados en un estrato socioeconómico 1 y 2.
- Ubicación de viviendas
El proyecto de la “Villa solar” comprende la propuesta de viviendas sostenibles dentro del
área urbana en el municipio de Buenaventura ubicado en el departamento del Valle del Cauca,
dentro de los lineamientos que presenta el proyecto “Solar Decathlon”, se establece que la
propuesta debe estar enfocada en la construcción de estas viviendas en un área de 1 hectárea.
El planteamiento de la primera hectárea se basa en una propuesta de desarrollo,
implementando la primera parte de esta, para conformar el nuevo avance de la población.
Dentro de esta propuesta, se implementan los procesos conforme al modelo de ciudad junto
58%
5%
15%
3% 8%
1%0%
1%
6%
2% 1%
Organico Vidrio Papel Plastico (A.D) Plastico (B.D) Madera
Icopor Metal Textil Caucho Otros
53
con las determinantes en la integración, para así, lograr el mejoramiento del territorio,
permitiendo dar un punto de partida que funcione como ejemplo para dar lineamientos a los
futuros desarrollos de la ciudad, integrando las diferentes propuestas en las múltiples escalas
(Aguirre, Cristancho, Garzón, & Uscátegui, 2019). A continuación, se observa la distribución
de viviendas dentro de la hectárea establecida para tal fin:
Figura 20. Distribución de viviendas del proyecto la "Villa Solar"
Recuperado de “Modelo de vivienda sostenible para climas cálido-húmedos de Colombia”
de Aguirre K., Cristancho J., Garzón A., & Uscátegui L. 2019.
En la figura 20 se observa la hectárea en vista planta, y allí se puede distinguir la distribución
de las viviendas dentro del proyecto, en donde se presenta una densidad de 150 viviendas en la
hectárea. Las viviendas se presentan acomodadas de tal forma que puedan distribuirse por pisos
y la caracterización de las mismas es que cada torre no debe tener menos de 3 pisos y tampoco
debe presentar una altura máxima de 6 pisos (Aguirre, Cristancho, Garzón, & Uscátegui, 2019).
A continuación, en la figura 21 podrá observarse las viviendas en vista frontal:
54
Figura 21. Vivienda "Villa Solar"
Recuperado de “Modelo de vivienda sostenible para climas cálido-húmedos de Colombia”
de Aguirre K., Cristancho J., Garzón A., & Uscátegui L. 2019.
Por último, cabe resaltar que la densidad poblacional máxima en cada una de las viviendas
es de 5 personas, con lo cual se establecerá el diseño de la unidad a implementar con el fin de
llevar a cabo el aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos de interés.
7.2. Pruebas Experimentales
Teniendo en cuenta los residuos seleccionados los cuales fueron la cáscara de papa, la
cáscara de yuca y la cáscara de plátano, y considerando la dieta alimenticia de la población en
la región de Buenaventura-Colombia, se llevó a cabo una totalidad de 3 pruebas cada una por
triplicado para obtener resultados más confiables, lo cual fue llevado a cabo en los laboratorios
pertenecientes al programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad de La Salle
ubicada en la ciudad de Bogotá.
Dado que el presente corresponde a una propuesta de aprovechamiento de residuos sólidos
orgánicos que compone el proyecto de la “Villa Solar”, el cual consta de un concurso
denominado Solar Decatlón, que es una iniciativa del departamento de energía de los Estados
Unidos, el cual busca que universidades de diversas partes del mundo compitan en el diseño y
la construcción de casas sostenibles, las cuales funcionen con energías renovables (Energy,
2018). Con esto se busca que se dé a entender que el proyecto no se encuentra construido
actualmente, por lo que las características de la población y los residuos que se tienen en cuenta
para las pruebas experimentales y el correspondiente diseño del biodigestor, son tomadas en
cuenta de la literatura del municipio, con el fin de ser lo más preciso posible en cuanto a los
resultados y a la propuesta a plantear en dicho concurso.
55
Para la realización de las pruebas se emplean residuos orgánicos de la ciudad de Bogotá,
adecuando las condiciones del sistema con la intención de que el sistema presente una alta
similitud a las condiciones que se presentan a diario en el municipio de Buenaventura.
Cada una de las pruebas se llevó a cabo por triplicado con el objetivo de disminuir tiempos,
tal que la duración de tres pruebas en paralelo fuese de 7 días, cabe resaltar que el seguimiento
y monitoreo se realizó a diario, a continuación, se podrá evidenciar el montaje en general de
las pruebas experimentales:
Figura 22. Montaje General Producción de Biogás
Creación propia
Al llevar a cabo la mezcla correspondiente de insumos en cada una de las pruebas, es
importante identificar la apariencia física de cada una de estas, dado que al inicio la mezcla se
muestra totalmente líquida tomando en consideración que dentro de esta se maneja una relación
4:1 entre agua y residuos sólidos respectivamente (Zuñiga, 2007). A continuación, se observará
la apariencia física de cada una de las pruebas en su superficie antes del inicio del proceso:
56
Figura 23.Apariencia física de cada prueba antes de condición anaerobia
Creación propia
7.2.1. Prueba 1
La primera prueba fue realizada teniendo en cuenta una combinación en la mezcla de 50%
cáscara de plátano, 25% cáscara de yuca, y 25 % cáscara de papa, en esta se encuentra inmerso
el estiércol de porcino que actúa como insumo iniciador, de tal manera que encuentra dentro
de la mezcla en un porcentaje de 30%, cabe resaltar que dentro del montaje se presenta una
relación 4:1 de agua y residuos sólidos orgánicos respectivamente. La mezcla presenta un
volumen total de 500 ml, encontrándose dentro de un recipiente ámbar con una capacidad de
1000 ml, este montaje se selló herméticamente con un corcho de caucho el cual asegura la
condición anaerobia dentro del sistema.
El montaje es ajustado a una temperatura inicial de 28ºC aproximadamente, que corresponde
a la temperatura medía del municipio de Buenaventura. Los resultados correspondientes a la
primera prueba se evidencian a continuación:
Tabla 14. Resultados Promedio Prueba 1
RESULTADOS PRUEBA 1
Día Temperatura (ºC) pH Biogás (ml)
1 27 7,36 58
57
2 26,6 6,67 155
3 31 7,24 210
4 30 7,2 170
5 29 7,23 105
6 30 7,32 250
7 29,4 7,43 250
Creación propia
Como se puede observar la temperatura dentro del sistema oscila entre los 26,6ºC hasta los
31ºC, esto se debe a las condiciones climáticas que se presentan en la ciudad de Bogotá, dado
que el lugar en que se realizaron las pruebas experimentales está expuesto a estas, puesto que
la plancha de calentamiento que se observa en la figura 22 correspondiente al montaje, se
mantiene en una temperatura de 28ºC correspondiente a la temperatura medía del municipio.
La temperatura adecuada para el buen funcionamiento de un biodigestor anaerobio debe
encontrarse entre los 29ºC y los 33ºC (Yeison Olaya Arboleda, 2009), lo cual se cumple en 5
de los 7 días de experimentación de la prueba, esto con el fin de que los microorganismos
mesofilos trabajen en la degradación de la materia orgánica que se encuentra dentro del sistema,
y exista una mayor producción de biogás.
En relación a los resultados arrojados de pH obtenidos en la prueba, cabe resaltar que el
mismo era estabilizado a diario con NaOH (Hidróxido de Sodio), dado que este parámetro
bajaba aproximadamente 1 unidad al día y lo que se buscó en el transcurso de la realización de
la prueba fue mantenerlo en un pH de 7 ya que de acuerdo con Orobio (2014), el rango de pH
para un óptimo proceso de digestión anaerobia debe presentarse entre 6,6 y 7,6 lo cual se
cumplió en el transcurso de los 7 días, logrando una estabilidad en el sistema con el control del
presente parámetro.
La producción de biogás dentro del sistema se podrá evidenciar de forma práctica en la
siguiente gráfica:
58
Gráfica 1. Producción de biogás prueba 1
Creación propia
En la anterior Gráfica puede evidenciarse como la producción de biogás va incrementando
en el inicio de la experimentación hasta el día 3, y luego empieza a disminuir la producción
hasta el día 5 para luego empezar con su producción máxima y presentarse constante durante
los días 6 y 7 con una producción de 250 ml en cada uno de estos, esto se debe a que el sistema
se encuentra en periodo de estabilización, puesto que los microorganismos que aporta el
insumo iniciador se van acoplando al medio a medida que avanzan los días de degradación de
material orgánico.
En el cálculo de la productividad de biogás se empleó la siguiente ecuación:
Ecuación 3. Eficiencia de producción de biogás
%𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝐷𝑖𝑎𝑠 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠∗ 100
Fuente. (Rivas, y otros, 2010)
A continuación, se observan los valores necesarios para la realización del cálculo de
productividad de biogás:
y = 23.607x + 76.714R² = 0.4972
0
50
100
150
200
250
300
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
ml /
día
Días
Producción de biogas (ml/dia)
Producción de biogas (ml/dia) Lineal (Producción de biogas (ml/dia))
59
Tabla 15. Eficiencia del montaje experimental de biodigestor anaerobio
Día Producción de
Biogás (ml)
Volumen de
mezcla en el
biodigestor (ml)
1 58 500
2 155 500
3 210 500
4 170 500
5 105 500
6 250 500
7 250 500
Productividad de biogás 34,2%
Creación propia
Se puede observar que el montaje experimental presenta una eficiencia aproximada del
34,2%, teniendo en cuenta que dentro del cálculo se incluyeron únicamente los 7 días de prueba
y no se tuvo en consideración los siguientes días de posible producción de biogás, esta
efectividad fue calculada de acuerdo con lo descrito por (Rivas, y otros, 2010).
En la finalización de la prueba se puede observar que una gran parte de la mezcla, pierde
parte de su humedad y cambia su aspecto físico, lo cual es un proceso muy normal debido a
que se está manteniendo a una temperatura relativamente alta y con la acción de los
microorganismos se va disminuyendo el volumen de la muestra. A continuación, se observa la
apariencia que presenta la prueba en la finalización del proceso transcurridos 7 días:
60
Figura 24. Superficie interior de prueba 1 después de condición anaerobia
Creación propia
1.1.1. Prueba 2
La segunda prueba se realiza teniendo en cuenta una combinación en la mezcla de 37,5%
cáscara de plátano, 37,5% cáscara de yuca y 25% cáscara de papa, de igual manera que en la
prueba 1 el insumo iniciador se encuentra inmerso dentro de los porcentajes de mezcla, en un
porcentaje total de 30%, esto puede identificarse en la tabla 9. La relación agua residuos que
se presenta en la mezcla es de 4:1, de tal forma que contiene un volumen total de 500 ml, se
encuentra contenida en un recipiente ámbar de 1000 ml, el cual presenta condiciones
anaerobias por medio de un corcho y este presenta una abertura en donde se evidencia una
manguera que conduce el biogás producido a la siguiente unidad de almacenamiento como se
expone en la metodología del presente proyecto.
Al igual que la prueba 1 el montaje es ajustado a una temperatura de 28ºC que corresponde
a la temperatura medía del municipio, los resultados correspondientes a la prueba 2 se pueden
evidenciar en la tabla 16, que se encuentra a continuación:
61
Tabla 16. Resultados Promedio Prueba 2
RESULTADOS PRUEBA 2
Día Temperatura (ºC) pH Biogás (ml)
1 27 7,7 102
2 29 6,6 195
3 30 6,7 90
4 29 6,6 100
5 29,5 6,6 130
6 30 6,83 350
7 29,3 7,11 325
Creación propia
En la presente prueba se puede observar que la temperatura oscila desde los 27ºC hasta los
30ºC, lo cual se observa que se presenta de forma ascendente desde el primer día de prueba en
donde se encuentra la temperatura más baja correspondiente a los 27ºC, esto debido a que el
montaje se encontraba estabilizando la temperatura de la mezcla. La prueba se lleva a cabo en
Bogotá, ciudad que presenta una gran oscilación de temperatura, por lo que se adecuo la
plancha de calentamiento para que la misma mantuviera una temperatura de 28ºC
correspondiente a la temperatura medía de municipio de Buenaventura (Espinosa, 2017). El
montaje se encuentra dentro del rango de temperatura que es apto para un sistema de
biodigestor que es de 29ºC a 33ºC como lo establece (Yeison Olaya Arboleda, 2009), en donde
se observa que únicamente no cumple la temperatura del primer día de control y monitoreo, lo
cual es normal porque el sistema se encuentra en estado de estabilización, y adecuación de
condiciones para que los microorganismos que se encuentren en su interior hagan o efectúen
sus funciones de la mejor forma posible.
Al igual que la prueba 1 el pH de la mezcla tendía a disminuir todos los días, con lo cual se
debía estabilizar el mismo con NaOH (Hidróxido de Sodio), puesto que este parámetro
disminuía 1 unidad y de acuerdo con lo que se encuentra establecido en diferentes estudios, el
valor de este parámetro se debe encontrar entre 6,6 y 7,7 con el fin de que no ocurra inhibición
62
del proceso de digestión por parte de los microorganismos dentro del sistema y claro está, exista
una mayor producción de biogás dentro del mismo (Orobio, 2014).
Dentro del presente montaje se generó una muy buena producción de biogás, esta se podrá
evidenciar a continuación:
Gráfica 2. Producción de biogás prueba 2
Creación propia
En la gráfica 2 se puede identificar como la producción de biogás empieza con un
incremento leve desde el día 1 hasta el día 2, luego presenta una disminución en su producción
hasta el día 3, para luego presentar una posible estabilización produciendo una cantidad de
biogás constante hasta el día 5 y luego generar su máxima cantidad de biogás el día 6 de 350
ml y, finalizando con una leve disminución el día final correspondiente al día 7. Esta variación
en la producción de biogás se da gracias a la estabilización del sistema, ya que los
microorganismos que aporta el insumo iniciador se acoplan durante varios días hasta que se
estabiliza el sistema y se genera una cantidad de biogás constante.
De acuerdo con la ecuación 2 correspondiente a la productividad de biogás, podemos
observar en la tabla 17 la productividad de biogás junto con los valores empleados para el
cálculo de la misma:
y = 36.393x + 39R² = 0.5074
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
ml /
día
Días
Producción de biogas (ml/dia)
Producción de biogas (ml/dia) Lineal (Producción de biogas (ml/dia))
63
Tabla 17. Eficiencia del montaje experimental prueba 2
Día Producción de
Biogás (ml)
Volumen de
mezcla en el
biodigestor (ml)
1 102 500
2 195 500
3 90 500
4 100 500
5 130 500
6 350 500
7 325 500
Productividad de biogás 37%
Creación propia
Se observa que el montaje experimental presenta una eficiencia aproximada del 37%, cabe
resaltar que se realiza únicamente para los días de prueba sin tener en cuenta la posible
producción de biogás de los días siguientes, esto se lleva a cabo teniendo en cuenta lo descrito
por (Rivas, y otros, 2010).
Al finalizar la prueba gran parte de la mezcla cambia la totalidad de su apariencia, ya que
pierde gran parte de su humedad por lo tanto su aspecto físico cambia, lo cual es el resultado
esperado de la digestión anaerobia puesto que los microorganismos presentes dentro del
proceso consumen una gran parte de la materia orgánica y por lo tanto el volumen de la muestra
disminuye, a continuación se puede observar la apariencia física de la prueba tanto en su
interior como en el exterior de la misma:
64
Figura 25. Apariencia física de prueba 2 después de condición anaerobia
Creación propia
1.1.2. Prueba 3
La tercera prueba se realiza teniendo en cuenta una mezcla con porcentajes de 25% cáscara
de plátano, 50% cáscara de yuca y 25% cáscara de papa, en la presente prueba se tiene en
cuenta un insumo iniciador con un porcentaje de 30% estiércol de cerdo al igual que en las
demás pruebas, la relación agua residuos que se encuentra en la mezcla es de 4:1, en donde la
mezcla presenta un volumen de 500 ml contenida dentro de un recipiente ámbar de 1000 ml,
este montaje presenta condiciones anaerobias, con la intención que dentro del mismo se
desarrollen microorganismos anaerobios, de tal forma que los mismos degraden la materia
orgánica de la forma esperada, y así se produzca una considerable cantidad de biogás que haga
que el sistema sea eficiente.
Se busca que el montaje de la prueba 3 se encuentre en igualdad de condiciones respecto a
las características que presenta el municipio, y así mismo que cumpla con las especificaciones
que debe presentar una unidad de degradación de materia orgánica, por lo tanto, se adecua el
mismo para que se maneje la temperatura medía de Buenaventura, que es de 28ºC, entre otros
parámetros que se demostraran más adelante. A continuación, se observarán los resultados
obtenidos a lo largo de 7 días de la realización de las pruebas:
65
Tabla 18. Resultados Promedio Prueba 3
RESULTADOS PRUEBA 3
Día Temperatura (ºC) pH Biogás (ml)
1 27 7,2 66,7
2 30 6,5 185
3 29 6,9 125
4 29,5 7,3 120
5 30 7,1 80
6 30,5 7 115
7 29,3 6,8 135
Creación propia
Dentro de la presente prueba, la temperatura presenta una oscilación desde una temperatura
mínima de 27ºC hasta una temperatura máxima de 30,5ºC, lo cual es lo que se espera que
suceda dentro del montaje, dado que se buscó estabilizar la temperatura de la mezcla y con lo
que se observa en la tabla 18 se infiere que el proceso se llevó a cabo con toda la normalidad,
presentando la mayor variación de temperatura únicamente en el primer día. La prueba se llevó
a cabo en la ciudad de Bogotá, la cual presenta unas condiciones climatológicas muy diferentes
al municipio de interés, por lo que se adecuaron dentro del sistema instrumentos como la
plancha de calentamiento, para obtener un comportamiento y reacción similar de la prueba.
Este instrumento se calibro a una temperatura de 28ºC que corresponde a la temperatura medía
del municipio de Buenaventura (Espinosa, 2017), lo cual mantuvo el montaje a una temperatura
apropiada respecto al rango de temperatura apropiada para el buen desarrollo de un biodigestor
la cual debe ser de 29ºC a 33ºC, lo cual incrementa la producción de biogás de la unidad en un
menor tiempo, dicho en otras palabras disminuye el tiempo de retención
(Yeison Olaya Arboleda, 2009). Como puede observarse en la tabla 18, el único valor de
temperatura con el cual no cumple la unidad de biodigestor es el correspondiente al primer día
que es de 27ºC, pero los demás valores se encuentran dentro del rango, cumpliendo con las
condiciones adecuadas para una excelente digestión.
66
En la tabla 18 se puede observar un rango de pH que oscila de 6,5 a 7,3, esto se debe a que
el presente parámetro disminuía a diario 1 unidad aproximadamente, el cual debía estabilizarse
con NaOH (Hidróxido de Sodio), esto sucede por la acción de las diferentes etapas de
degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos presentes dentro del
sistema, lo cual se explicara más adelante. El pH de la presente prueba se encuentra dentro del
rango establecido para el buen funcionamiento de pH establecido por (Orobio, 2014), el cual
debe estar entre 6,6 y 7,7, exceptuando el valor del día 2 que es de 6,5, el cual no se presenta
muy lejos del rango y el mismo fue estabilizado en su momento. La producción de biogás de
la presente prueba se podrá evidenciar en la gráfica 3 que se encuentra a continuación:
Gráfica 3. Producción de biogás prueba 3
Creación propia
Como se puede identificar en la gráfica 3, no existe una muy buena producción de biogás
dentro del sistema, esto puede verse reflejado en la línea de tendencia ya que no asciende en
gran magnitud como se puede evidenciar en las gráficas 1 y 2. EL montaje presenta un aumento
considerable del día 1 al día 2, el cual se evidencia como la mayor producción por día del
sistema que corresponde a 180 ml de biogás, luego presenta un descenso en su producción en
el siguiente día, y finalmente en el día 5 busca tener otro ascenso pero el volumen máximo de
producción por día que este logra obtener es tan solo de 135 ml de biogás. Esta variación
respecto a la producción de biogás puede deberse a razones tales como la estabilización del
y = 0.7107x + 115.26R² = 0.0016
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
ml/
día
Días
Producción de biogás (ml/dia)
Producción de biogás (ml/dia) Lineal (Producción de biogás (ml/dia))
67
sistema y así mismo por los porcentajes establecidos de cada uno de los insumos que se
encuentran dentro del sistema, lo cual se abordara más adelante.
De acuerdo con la ecuación 2 correspondiente a la productividad de biogás, se podrá ver en
la tabla 19 la eficiencia del sistema y así mismo el conjunto de datos empleado para el cálculo
respectivo:
Tabla 19. Eficiencia del montaje experimental prueba 3
Día Producción de
Biogás (ml)
Volumen de
mezcla en el
biodigestor (ml)
1 66,7 500
2 185 500
3 125 500
4 120 500
5 80 500
6 115 500
7 135 500
Productividad de biogás 23,62%
Creación propia
En la prueba 3 se evidencia que existe un porcentaje de eficiencia aproximado de 23,62%,
el cual se entiende como el más bajo de las 3 pruebas realizadas, este se calcula teniendo en
cuenta únicamente el número de días en el cual se llevó a cabo la prueba, sin tomar en
consideración que en los siguientes días se pudo haber presentado una producción de biogás
que incrementara la eficiencia del sistema, esto se llevó a cabo tomando en consideración lo
descrito por (Rivas, y otros, 2010).
Al finalizar la prueba se observa la apariencia física del montaje y se observa que ha
cambiado dado que se observa una menor cantidad de volumen dentro de esta, esto gracias a
la acción de la temperatura y los microorganismos presentes, así mismo la humedad tiende a
68
ser menor. En la figura 26, se puede observar la apariencia física de la prueba 3 dentro y fuera
del recipiente, lo cual es importante comparar con las figuras 24 y 25, correspondiente a las
pruebas 1 y 2, con lo que se puede determinar que la presente prueba presenta una mayor
cantidad de humedad y una mezcla más húmeda que las dos anteriores, esto también ligado a
la baja producción de biogás que se observó en la última prueba realizada.
Figura 26. Superficie interior de prueba 3 después de condición anaerobia
Creación propia
1.1.3. Humedad
A lo largo de la realización de las pruebas 1, 2 y 3 se tuvo en cuenta cada uno de los
parámetros de suma importancia entre los cuales se encuentra la temperatura, la variación de
pH, y la producción de biogás, las cuales son variables que se midieron a diario, por otro lado,
se realizó la medición de la humedad relativa dentro de cada uno de los sistemas, a
continuación, se observarán los resultados obtenidos de la humedad antes y después de la
ejecución de cada una de las pruebas.
Tabla 20. Porcentajes de humedad
% Humedad
Inicio de prueba
% Humedad
Final de prueba
Prueba 1 82% 75%
Prueba 2 83% 72%
69
Prueba 3 81% 77%
Creación propia
Cabe resaltar que cada uno de los insumos que se agregaron dentro del sistema fueron
licuados de tal forma que el área de contacto de cada una de las partículas fuese mayor, y de
tal forma su degradación ocurra en un tiempo menor.
Como puede observarse la humedad disminuye dentro del sistema teniendo en cuenta el
valor que se presenta en el inicio del proceso y en la finalización del mismo, esto se da por la
acción de la temperatura dentro del recipiente principalmente, y claro está por la degradación
de la materia orgánica a cargo de los microorganismos dentro del mismo, como se observa en
las figuras 24, 25 y 26, puede verse como se genera una capa de aproximadamente el 10% de
la mezcla total que muestra una apariencia sólida. Esta humedad se determina tomando en
consideración que la prueba presenta un tiempo de retención de 7 días, el cual tiene una mínima
disminución de dicho parámetro principalmente en la prueba 2 la cual disminuye a una
humedad del 72%, y que empezó desde 83%, que junto con los demás resultados es aquella
que se perfila a ser la prueba más eficiente dentro de las 3 que se realizaron.
1.2. Análisis Estadístico
Cada uno de los montajes dentro de las diferentes pruebas se establecieron a unas
condiciones iniciales iguales, que fueron comportándose diferente a lo largo del proceso,
debido a las diversas variables que se encontraban presentes en cada uno de los sistemas,
principalmente por la distribución de cada uno de los insumos que se tuvieron en cuenta para
la conformación de la mezcla total.
La temperatura es uno de los parámetros con mayor importancia dentro del sistema de
biodigestor anaerobio, dado que mediante la misma puede establecerse el tiempo de retención
que se tendrá y así mismo los microorganismos que se encuentran trabajando dentro del
sistema. Como fue mencionado anteriormente se buscó que cada una de las pruebas se
mantuviera a 28ºC, dado que corresponde a la temperatura media del municipio (Espinosa,
2017), pero gracias a la variación tan notoria de este parámetro en Bogotá, ciudad en la cual se
llevan a cabo cada una de las pruebas, se presentaron valores en su mayoría mayores, puesto
que los cambios tan bruscos del clima a diario, desequilibraron el montaje tal y como se
observa en la gráfica 4.
70
Gráfica 4. Variación de temperatura en las 3 pruebas
Creación propia
Además de la temperatura que se tiene en cuenta por el hecho de ser el valor medio del
municipio también se debe tomar en consideración la temperatura apta para el buen
funcionamiento de un sistema de degradación de materia orgánica; diferentes autores plantean
valores no muy diferentes los cuales varían de 1ºC a 2ºC. De acuerdo con
(Yeison Olaya Arboleda, 2009), el rango optimo que debe presentar un biodigestor para llevar
a cabo el proceso de digestión anaerobia es de 29ºC a 33ºC, el cual se encuentra comprendida
en un ambiente mesofilo que presenta un rango de 12ºC a 35ºC. De acuerdo con los valores
óptimos se puede decir que el sistema de cada una de las pruebas realizadas se encuentra dentro
de los límites de este, y que el funcionamiento por medio de este parámetro funciona con total
normalidad, dado que las temperaturas por debajo de los 29ºC solo se presentan en los días 1 y
2, por otro lado el tiempo de retención que nombra este autor se presenta para un ambiente
mesofilo entre los 10 y 40 días, y sobre los 35ºC que ya se entiende como un ambiente termófilo
el tiempo de retención es menor a los 10 días.
De acuerdo con Martínez (2003), el rango de temperatura que ubica el sistema en un
ambiente mesofilo está comprendido entre 15ºC y 35ºC, a diferencia de este, el tiempo de
retención para dicho ambiente es menor a los 60 días, y para valores mayores de los 35ºC el
tiempo de retención es de 35 días. Por último de acuerdo con (Acosta & Abreu, La Digestión
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
Tem
per
atu
ra º
C
Número de Días
VARIACIÓN DE TEMPERATURA
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
71
Anaerobia. Aspectos Teoricos, 2005), la temperatura óptima a la cual se debe encontrar un
sistema de digestión anaerobia debe estar alrededor de los 35ºC con el fin de que se encuentre
en una transición de ambiente mesofilo y termófilo de tal forma de que el tiempo de retención
no sea tan alto.
Las condiciones que exponen cada uno de los autores fueron tomadas en consideración en
el montaje de cada uno de los sistemas por lo que este parámetro se encuentra en un rango
aproximado entre los 29ºC y 31ºC, con esto se cumple a cabalidad con lo expuesto
anteriormente haciendo que el sistema funcione de la mejor manera, con una buena producción
de biogás. La variación de temperatura en las pruebas es relativamente estable a diferencia de
la prueba 1 que presenta una gran variación en los 3 primeros días, y luego se comporta de la
misma forma que las otras 2 pruebas.
El pH es uno de los parámetros de suma importancia dentro del sistema, gracias a que este
se encuentra inmerso dentro del comportamiento de los microrganismos responsables de la
degradación de la materia orgánica, el pH suele ser un parámetro que presenta un
comportamiento variable a lo largo de las diferentes fases de la digestión anaerobia, dichas
fases son la hidrólisis, la acidogénesis, la acetogénesis y finalmente la metanogénesis (Lijarza
Galvez, 2017). A continuación, en la gráfica 5 se identificará el comportamiento del pH dentro
de los sistemas de las diferentes pruebas que se realizaron:
Gráfica 5. Variación de pH en las 3 pruebas
Creación propia
5.5
6
6.5
7
7.5
8
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
pH
Número de Días
VARIACIÓN DE pH
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
72
De acuerdo con los que se observa el pH presenta un decaimiento en el segundo día en las
3 pruebas, y en los siguientes días presenta una nivelación y un comportamiento constante,
aunque cabe resaltar que la prueba 2 a lo largo de todo el proceso del sistema presenta un valor
de pH menor a las otras dos pruebas. El sistema de digestión anaerobia debe presentar dentro
de sí un pH que se encuentre entre 6,6 y 7,6, de lo contrario si el pH se encuentra por fuera de
este rango puede correr el riesgo de que se inhiba el proceso haciendo que los microorganismos
detengan el proceso de fermentación y la producción de biogás se detenga. Por otro lado de
acuerdo con (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos, 2005) el valor
óptimo para el buen desarrollo de un sistema de digestión anaerobia, debe encontrarse en 7, de
esta forma la eficiencia del sistema en cuanto a la producción de biogás será excelente, así
mismo se establecen diferentes métodos por los cuales se puede hacer una regulación de pH en
caso de que presente variaciones, ya sea que presente comportamiento acido o alcalino; en caso
de que esto ocurra se puede adicionar cal, agregar hidróxido de sodio (NaOH), para subir el
pH, y también se puede adicionar ácidos orgánicos o inorgánicos, para la disminución del
mismo, y finalmente para tener un mejor control del sistema adicionar una menor cantidad de
carga orgánica dentro del proceso.
A lo largo de la realización del proceso se buscó que el pH se mantuviera en pH de 7 con el
fin de que el sistema fuese lo más eficiente posible, aunque durante las pruebas el mismo
presentaba una tendencia a disminuir durante los 3 primeros días, esto debido a que las fases
de hidrólisis y acidogénesis se encontraban en desarrollo, allí los compuestos orgánicos
complejos son convertidos en moléculas solubles y de fácil degradación como azúcares, ácidos
grasos entre otros, gracias a las enzimas hidrolíticas, para luego ser degradados en ácidos
orgánicos y alcoholes por diferentes bacterias facultativas (Adekunle & Okolie, 2015). Debido
a este comportamiento del pH dentro del sistema fue necesario emplear hidróxido de sodio
(NaOH) y de esta manera estabilizar el pH presentando valores mínimos de 6,5 y máximos de
7,7. Dentro del sistema la prueba que mejor se perfila es la prueba 1 ya que el pH de la misma
se encuentra muy cercano a 7 durante la totalidad del proceso, a diferencia de las otras 2 pruebas
que tienen una mayor variación en lo que respecta a la medición de este parámetro.
El descenso del pH dentro del sistema en cada una de las pruebas es correspondiente a la
variación en la que se encuentra el mismo independientemente de la que se realizó con el
iniciador, este parámetro tiende a estabilizarse en un tiempo mayor a 20 días, esto teniendo en
cuenta proyectos que presentan una gran similitud con el proyecto en curso. Se puede inferir
que la disminución del pH se debe a la producción de ácidos grasos volátiles, esto por la
73
actividad acidogénica que tienen algunas bacterias presentes en la materia orgánica de los
insumos empleados, por último, es de resaltar que el estiércol de cerdo contiene una fracción
amoniacal, la cual corresponde en un 60% al nitrógeno total producido, mientras que el 40%
restante equivale a materia orgánica, por esta razón las pruebas experimentales presentaban
rangos de pH más bajos de lo establecido, en el proceso de producción de biogás (Ramírez,
Parra, Chaves, & Bernal, 2010).
La ardua revisión y control de los diferentes parámetros de cada una de las pruebas, así
mismo la preparación de cada uno de los insumos y del iniciador que componen los sistemas,
van encaminados a la producción de biogás, este es el parámetro de evaluación de la eficiencia
del mismo, a continuación, en la gráfica 6 se observa la producción de biogás y las diversas
variaciones en cada una de las pruebas:
Gráfica 6. Variación de producción de biogás en las 3 pruebas
Creación propia
Como puede observarse en la gráfica 6, las 3 pruebas tienen un comportamiento muy similar
hasta el día 2, desde allí cada una presenta una tendencia semejante a los 2 parámetros
anteriores los cuales son pH y temperatura, dado que la prueba 1 se mantiene constante a lo
largo de todo el proceso, esto mismo ocurre en la gráfica 5, demostrando lo que se nombró
anteriormente acerca de la conducta de los microorganismos en cuanto a la degradación de
materia orgánica y la producción de biogás, tomando en consideración el pH dentro del sistema;
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
Bio
gas
(ml)
Número de Días
VARIACIÓN DE BIOGÁS
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
74
la prueba 3 muestra una producción de biogás demasiado baja a lo largo del proceso, esto puede
darse debido a la mezcla de insumos, y/o también porque los microorganismos presentes en el
sistema no lograron tener la adaptación esperada. La prueba 2 resalta por la curva ascendente
que empieza desde el día 3, lo cual es simultaneo con la curva de pH que finaliza en un valor
muy cercano a 7 y ratifica lo expuesto por (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos
Teoricos, 2005), y en este punto presenta una excelente producción de biogás.
1.3. Análisis microbiológico
La identificación de los principales microorganismos presentes dentro de las pruebas se
llevó a cabo tomando en consideración la morfología de las bacterias presentes, por medio de
la tinción de Gram; de acuerdo con las diferentes pruebas llevadas a cabo en los laboratorios
del Programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad de La Salle se identificaron
los siguientes microorganismos:
- Bacilos Gram Negativos
- Cocos Gram positivos
- Bacilos esporulados
A continuación, en las figuras 27, 28 y 29 se observa la forma con la cual se determinó la
presencia de los microorganismos nombrados anteriormente:
Figura 27. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de yuca
Creación propia
75
Figura 28. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de plátano
Creación propia
Figura 29. Presencia de microorganismos en muestra iniciadora de papa
Creación propia
De acuerdo con los microorganismos identificados se puede establecer que los mismos se
encuentran presentes principalmente dentro de la fase de metanogénesis, la cual corresponde a
la etapa final de la digestión anaerobia, allí los compuestos como el ácido acético, hidrogeno,
y dióxido de carbono son transformados en metano y en dióxido de carbono (Adekunle &
Okolie, 2015). La presencia de los microorganismos que permiten la metanogénesis dependen
de los sustratos que se utilicen dentro del sistema, los cuales tienen y/o presentan características
de anaerobios estrictos, y tienen la facilidad de producir carbono y/o metano. (Corrales,
Romero, Macías, & Vargas, 2015)
76
Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea, y
morfológicamente se pueden clasificar como bacilos cortos y largos, los cuales pueden
presentarse como esporulados, así mismo como cocos, existiendo tanto Gram positivos como
Gram negativos, los cuales son exactamente iguales a los encontrados dentro del presente
estudio (Corrales, Romero, Macías, & Vargas, 2015). La presencia en su mayoría de los bacilos
Gram negativos indica que existe un gran crecimiento microbiano y por lo tanto se presentan
condiciones que benefician la producción de biogás dentro del sistema, así mismo al
presentarse una cantidad aceptable de bacilos Gram positivos, se puede decir que hay presencia
se bacterias metanogénicas las cuales generan un complemento en la digestión de la materia
orgánica, esto garantiza que dentro del sistema existe un ambiente anaerobio que favorece el
desarrollo del mismo y así mismo la producción de metano (Ramírez, Parra, Chaves, & Bernal,
2010).
1.4. Análisis relación C/N
La producción de biogás dentro de un sistema de digestión anaerobia depende directamente
de la composición y de las características fisicoquímicas de cada uno de los insumos presentes
dentro del sistema. Dentro de un sistema de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos
como el presente, las bacterias metanogénicas son de suma importancia para su respectivo
funcionamiento y degradación de la materia orgánica, estas realizan sus funciones de manera
eficiente siempre y cuando exista una relación de carbono/nitrógeno adecuada, ya que es su
fuente de alimentación (Moreno, 2011).
Tomando en consideración la ecuación 1, se realiza el cálculo respectivo para determinar la
relación carbono/nitrógeno de cada una de las pruebas y así identificar la mejor relación en
cada una de las pruebas, a continuación, en la tabla 21, se puede identificar los resultados
obtenidos, en donde se especifica la distribución de porcentajes, en la cual la distribución
general es la empleada en la asignación de porcentajes de mezcla de los insumos que son
cáscara de plátano, yuca y papa, y en la distribución especifica se tiene en cuenta el iniciador
que es el estiércol de porcino con un 30%:
Tabla 21. Relación C/N
PRUEBA 1
Papa Yuca Plátano Porcinaza TOTAL
Distribución General 25% 25% 50% N/A 100%
Distribución Especifica 17,5% 17,5% 35% 30% 100%
Carbono 39 30 57 25 N/A
77
Nitrógeno 1,57 1,50 1,13 1,50 N/A
Peso fresco(g) 44,6 46,4 82,3 165,0 N/A
Densidad (g/ml) 0,51 0,53 0,47 1,10 N/A
Volumen Total (ml) 500 N/A
Volumen (ml) 87,5 87,5 175,0 150,0 500
Relación C/N 24,9 N/A
PRUEBA 2
Papa Yuca Plátano Porcinaza TOTAL
Distribución General 25% 37,5% 37,5% N/A 100%
Distribución Especifica 17,5% 26,25% 26,25% 30% 100%
Carbono 39 30 57 25 N/A
Nitrógeno 1,57 1,50 1,13 1,50 N/A
Peso fresco(g) 44,6 69,6 61,7 165,0 N/A
Densidad (g/ml) 0,51 0,53 0,47 1,10 N/A
Volumen Total (ml) 500 N/A
Volumen (ml) 87,5 131,2 131,2 150,0 500
Relación C/N 23,3 N/A
PRUEBA 3
Papa Yuca Plátano Porcinaza TOTAL
Distribución General 25% 50% 25% N/A 100%
Distribución Especifica 17,5% 35,00% 17,50% 30% 100%
Carbono 39 30 57 25 N/A
Nitrógeno 1,57 1,5 1,13 1,5 N/A
Peso fresco(g) 44,6 92,8 41,1 165,0 N/A
Densidad (g/ml) 0,51 0,53 0,47 1,1 N/A
Volumen Total (ml) 500 N/A
Volumen (ml) 87,5 175 87,5 150 500
Relación C/N 21,8 N/A
Creación propia
Como puede observarse en las 3 pruebas realizadas se obtienen diferentes resultados en
cuanto a la relación carbono/nitrógeno dentro del sistema, esto se da por el hecho de que en
cada una de estas se presenta una variación de porcentajes de cada uno de los insumos. En la
prueba 1 se identifica una relación C/N de 24,9: 1, esto se da gracias a la relación C/N tan alta
que presenta la cáscara de plátano con un valor de 50:1. En esta prueba se presenta la relación
C/N más alta de las 3 pruebas, la cual se encuentra dentro del rango establecido por diferentes
autores, denominado como el más óptimo para que el proceso presente una buena eficiencia,
este rango va de 20:1 a 30:1 (Acosta & Abreu, La Digestión Anaerobia. Aspectos Teoricos,
2005).
78
La prueba 2 y la prueba 3 presentan una relación C/N de 23,9 y 21,8 respectivamente, las
cuales al igual que la prueba 1 se encuentra dentro del rango optimo establecido, con esto puede
determinarse que la mezcla de insumos de las 3 pruebas y las características de los mismos son
adecuadas para que este parámetro se encuentre en un rango estable, haciendo que el sistema
funcione de la mejor forma, presentando buenas condiciones para los microorganismos
inmersos en el sistema.
Por otro lado, hay autores los cuales establecen que la relación óptima debe ser exactamente
de 30:1, asumiendo que en este punto se presente un balance, haciendo que el sistema sea
estable y eficiente; como se puede observar la prueba 1 es la más cercana a dicho valor, por lo
tanto, puede decirse que es la prueba que presenta el valor de C/N más acertado teniendo en
cuenta las 3 pruebas realizadas (Moreno, 2011).
1.5. Diseño de biodigestor anaerobio
1.5.1. Selección de tipo de biodigestor
Existe una gran variedad de sistemas los cuales pueden ser empleados para la degradación
de los diferentes tipos de residuos sólidos orgánicos, los cuales tienen sistemas de alimentación
diferentes y así mismo presentan una estructura con diferencias entre sí. Para el presente
proyecto se busca que la unidad presente una estructura muy sencilla, y un manejo muy sencillo
de la misma, con la intención de que la población del lugar pueda manejarla sin ningún
problema, y claro está que entiendan correctamente su funcionamiento.
A continuación, se observará el criterio de selección del biodigestor a diseñar:
Tabla 22. Criterios de selección tipo de biodigestor
CRITERIO DE
SELECCIÓN
Estructura
Flexible
Domo
Fijo
Domo
Flotante
Tanque de
Almacenamiento
Tradicional
Espacio a ocupar ++ + - -
Complejidad de
construcción
++ - - -
79
Complejidad del
sistema
++ + + +
Movilidad del sistema ++ - - -
(+ +) Muy Viable (+) Viable (-) No viable
Creación propia
Como se evidencia en la tabla 22, la unidad más viable a diseñar es el biodigestor de
estructura flexible, esto por sus características físicas y por su sencillez, además de esto en caso
de que se requiera trasladar la unidad o ubicar el sistema en un espacio reducido, se podrá hacer
sin ningún problema y si se requiere hacer una ampliación del mismo, se adecuara otro sistema
que trabaje de la misma manera aumentando su volumen y realizando la misma función.
1.5.2. Diseño
Es relevante tener en cuenta que dentro del sistema de un biodigestor se tiene en cuenta un
balance de masa en el que se presentan los insumos que entran en el mismo, el producto que se
genera y el residuo aprovechable que es el resultado de la prueba biológica dentro de la unidad,
este se podrá evidenciar a continuación:
Figura 30. Entradas y salidas del sistema
Creación propia
El presente proyecto busca ser una iniciativa ambiental en donde se aprovechen los residuos
sólidos impidiendo que los mismos sean desechados, y no pierdan su valor económico, dando
fin a su vida útil. El biogás que se genera dentro del sistema de aprovechamiento se espera que
sea empleado dentro de las actividades que realizará la futura población perteneciente al
80
proyecto de la “Villa Solar”, allí se espera que el mismo se emplee en actividades de cocción
de zonas comunes; proyecto del cual la comunidad se apropie y aprenda de este.
De acuerdo con la tabla 2 una persona emplea aproximadamente 0,33 m3/día de biogás en
lo que respecta a las actividades netamente de cocción. Se realizará el cálculo con el fin de
identificar el volumen de biogás que generará la unidad objeto de la presente propuesta, y así
establecer la viabilidad de emplear el producto en las zonas comunes de la zona, esto teniendo
un tiempo de retención de 7 días dentro de la unidad, dado que se asume como el valor mínimo
de retención dentro del sistema tomando en consideración que la temperatura dentro del sistema
dará para que el mismo se mantenga en la fase mesofila (Yeison Olaya Arboleda, 2009). La
unidad de aprovechamiento trabajara con un régimen de alimentación semicontinuo, ya que se
busca que los residuos sólidos orgánicos no generen malos olores y tampoco se acumulen en
un cuarto de almacenamiento de los mismos, atrayendo vectores que puedan propagar infección
en el lugar en el cual se encontrara situado.
Tabla 23. Producción de biogás pruebas experimentales
Día Prueba 1 (ml) Prueba 2 (ml) Prueba 3 (ml)
1 58 102 66,7
2 155 195 185
3 210 90 125
4 170 100 120
5 105 130 80
6 250 350 115
7 250 325 135
TOTAL 1198 1292 826,7
Creación propia
El volumen del sistema de biodigestor experimental es de 500 ml en cada una de las pruebas,
las cantidades de insumos se calculan empleando la densidad de los mismos y el volumen total
de la unidad, estas se observarán a continuación:
81
Tabla 24. Cuantificación de insumos de las pruebas realizadas
Descripción Prueba
1 Prueba
2 Prueba
3
Volumen unidad (ml)
500 500 500
Relación agua: residuos
4 4 4
Volumen residuos (ml)
125 125 125
% mezcla papa
25% 25% 25%
% mezcla plátano
50% 37,5% 25%
% mezcla yuca
25% 37,5% 50%
Volumen papa (ml)
31,3 31,3 31,3
Peso papa (g) 15,9 15,9 15,9
Volumen plátano (ml)
62,5 46,9 31,3
Peso plátano (g)
29,4 22,0 14,7
Volumen yuca (ml)
31,3 46,9 62,5
Peso yuca (g) 16,6 24,8 33,1
Creación propia
Por su ubicación geográfica, por su tradición y su cultura, Buenaventura es un municipio el
cual consume una alta cantidad de plátano y de yuca, siendo la papa el insumo del presente
proyecto que se consume con una menor frecuencia y por lo tanto en una menor cantidad, esto
juega un papel de suma importancia en el momento de realizar el diseño de la unidad de
aprovechamiento, ya que debe existir una cantidad de insumo suficiente el cual asegure que
durante el proceso de degradación de los desechos sólidos orgánicos se genere una cantidad de
biogás considerable, por esta razón se realiza una proyección de los residuos generados en la
población, del cual se obtenga como resultado una unidad de tratamiento que pueda generar
energía suficiente para ser empleada por la comunidad.
Para la realización del diseño se asumieron valores de consumo de los diferentes insumos
por parte de la población del lugar, esto con el fin de tener un volumen de residuos aproximado
y que el diseño sea lo más preciso posible, los valores son:
82
- Cáscara de papa = 5 cáscaras / vivienda * día
- Cáscara de plátano = 2 cáscaras / vivienda * día
- Cáscara de yuca = 1 cáscara / vivienda * día
En las tablas 4,5 y 6 se encuentran las propiedades físicas de cada uno de los insumos
empleados dentro del sistema, con esto se procedió a realizar los cálculos respectivos del
volumen máximo que se puede obtener de cada uno de los insumos, en donde se obtiene el
valor máximo de insumos dentro de la unidad el cual corresponde a 75 litros. En la tabla 25 se
procede a realizar el cálculo de la cantidad de insumo que se empleará dentro de la unidad,
teniendo como referencia el volumen total y el porcentaje de cada una de las mezclas empleadas
en los ensayos experimentales:
Tabla 25. Viabilidad de cantidades de insumos
Unidad Prueba
1
Prueba
2
Prueba
3
Papa
% 25% 25% 25%
Litros Totales 20,60 20,60 20,60
Litros
Requeridos 19,00 19,00 19,00
Especificación Viable Viable Viable
Plátano
% 50% 37,5% 25%
Litros Totales 281,49 281,49 281,49
Litros
Requeridos 37,50 28,10 18,80
Especificación Viable Viable Viable
Yuca
% 25% 37,5% 50%
Litros Totales 18,82 18,82 18,82
Litros
Requeridos 18,75 28,10 37,50
Especificación Viable
No
Viable
No
Viable
Creación propia
Como puede observarse en la tabla 25, se realiza un análisis del volumen total que puede
ser producido por día en la totalidad de las viviendas de la “Villa Solar”, y se encuentra que en
las pruebas 2 y 3 la cantidad de cáscara de yuca requerida no es suficiente, dado que el
porcentaje de mezcla de este insumo es muy alto para la baja producción que presenta el residuo
en las viviendas, caso contrario al que ocurre en la prueba 1 ya que el volumen de cáscara de
yuca requerido es suficiente acorde con el que es producido, por lo que se puede establecer que
83
en cuestión de cantidades, y de un volumen relativamente alto de residuos aprovechados dentro
del biodigestor, la mezcla de la prueba número 1 es la más viable respecto a este parámetro.
Mediante el análisis de cada una de las pruebas experimentales, se puede realizar una
identificación del ensayo más completo y eficiente, con el cual se procederá a realizar el diseño
del biodigestor anaerobio, en donde se tendrá en cuenta la totalidad de los parámetros más
influyentes dentro del sistema, los cuales ya fueron identificados en la sección de la
metodología del presente proyecto. A continuación, en la tabla 26 se procederá a hacer una
comparación de las 3 pruebas realizadas y posteriormente la selección de la más apropiada:
Tabla 26. Criterios de selección prueba experimental
CRITERIO DE SELECCIÓN PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3
Eficiencia + + + -
pH + + + +
Temperatura + + + +
Relación C/N + + +
Humedad + + +
Disponibilidad de insumos ++ + -
(+ +) Muy Viable (+) Viable (-) No viable
Creación propia
De acuerdo a la evaluación realizada en la tabla 26 se puede identificar que cada una de las
pruebas tiene un rendimiento diferente frente a los parámetros valorados, esto gracias a los
diferentes porcentajes de insumos que se tuvieron en cuenta en cada una de estas. La prueba 3
se diferencia de la prueba 1 y 2 por su bajo rendimiento, ya que no sobresale en ninguno de los
parámetros y como se puede identificar en la tabla 25, el requerimiento de su insumo de mayor
porcentaje que corresponde a la yuca, no es viable debido a que la producción del mismo llega
únicamente hasta la mitad del requerimiento total.
Respecto a la prueba 1 y 2 puede observarse que son muy parejas en cuanto a la evaluación
de sus parámetros, la prueba 2 presenta una eficiencia mayor que corresponde al 37% lo cual
84
es de suma importancia en la elección de la mezcla a elegir para el diseño de la unidad, pero la
mezcla 2 presenta una eficiencia de 34,2%, con lo que se puede entender que la diferencia de
eficiencias de un sistema a otro no es de gran magnitud. Los demás parámetros presentan
situaciones muy similares dado que no hay un parámetro que marque la diferencia, por lo que
el diseño se inclinara principalmente por la prueba que presente una eficiencia relativamente
alta, y claro está que el volumen de los residuos sólidos orgánicos aprovechados sea el mayor
posible.
El diseño de la unidad debe realizarse tomando en consideración que puede existir la
posibilidad de que se agregue algún otro insumo para producir una mayor cantidad de biogás,
o por otro lado que se aumente la producción de los insumos que fueron asumidos dentro de la
presente propuesta, por esta razón se asume un factor de mayoración el cual aumentara las
dimensiones de la unidad, y funcionara como una holgura respecto a la capacidad del
biodigestor, este factor será de 1,7, el cual fue tomado de la Resolución 330 de 2017 (Ministerio
de vivienda, 2017).
El sistema se realiza de forma cilíndrica, como fue evaluado en la tabla 22 se empleará un
diseño de digestor flexible, con el fin de que su adecuación y manejo presente mayor
comodidad para la población que lo aprovechara. La totalidad de las especificaciones del
diseño de la unidad de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos podrá evidenciarse en
el Anexo 1, en lo que respecta a las cantidades de insumos, dimensiones de la unidad, entre
otros.
En la siguiente tabla se mostrará la producción de biogás de las pruebas experimentales,
frente a la producción de biogás esperada de la unidad ya diseñada, esto teniendo en cuenta los
porcentajes de mezcla de cada uno de los insumos:
Tabla 27. Comparación de la producción de biogás
Prueba
1 Prueba
2 Prueba
3
Pruebas laboratorio (m3)
0,0012 0,0013 0,0008
Biodigestor (m3)
0,8985 0,9690 0,6195
Biodigestor (m3) 0,898 0,969 0,619
Creación propia
85
La proyección de producción se biogás se realiza con un volumen de mezcla de 375 litros,
lo cual fue analizado dentro del diseño de la unidad tomando en consideración los insumos
establecidos dentro del sistema, cabe resaltar que, dentro de estas aproximaciones de
producción de biogás, se tiene en cuenta únicamente el volumen de los insumos sin haberse
multiplicado por el factor de mayoración.
La cantidad de personas beneficiadas por el sistema se identificará con la siguiente ecuación:
Ecuación 4. Número de personas beneficiadas
𝑃𝑏𝑒 =𝐵𝑇
𝐶𝐵
Pbe = Número de personas beneficiadas
BT= Cantidad total de biogás generado (m3)
CB = Biogás empleado por persona al día (m3/día)
Empleando la ecuación 3 para cada una de las pruebas podemos obtener los siguientes
resultados:
Tabla 28. Número de personas beneficiadas
Personas
Beneficiadas
Prueba
1
Prueba
2
Prueba
3
# 2,72 2,93 1,87
Creación propia
En la tabla 28 se observa el número de personas beneficiadas por el biodigestor en un tiempo
de degradación de 7 días, con un caudal de biogás por día de aproximadamente 0,33
m3/persona, la prueba que es más apta para emplear como diseño es la prueba 2, ya que siendo
la que presenta una mayor eficiencia puede ser empleada para 3 personas por semana con los
insumos que se tuvieron en cuenta en los ensayos realizados; pero ya que el volumen calculado
de la unidad es de 75 litros de insumos de residuos sólidos orgánicos, la mezcla que cumple
con este parámetro es la prueba 1, es la que se presenta como la más óptima a tener en cuenta
para realizar el diseño de la unidad.
A continuación, se evidencia el procedimiento realizado para determinar el volumen total
de la unidad de digestión anaerobia:
86
De acuerdo a los datos suministrados por parte del concurso Solar Decathlon, en el proyecto
se tienen contempladas 150 viviendas en las cuales habrá una densidad poblacional de 5
personas/vivienda, así mismo se contemplan cantidades en cuanto a la cantidad de residuos
generados dentro de cada una de las viviendas correspondiente a los insumos seleccionados
para el sistema, que corresponde a 2 cáscaras de plátano , 5 cáscaras de papa y 1 cáscara de
yuca, cada uno de estos valores se asumen en unidades de vivienda / día. A continuación, se
hará la cuantificación de insumo de plátano:
Ecuación 5. Cáscaras de plátano por día
𝐶𝑝𝑙𝑑 = 𝐶𝑝𝑙𝑣 ∗ 𝑁𝑉
Cpld = Cáscaras de plátano por día
Cplv = Cáscaras de plátano por vivienda
NV = Número de viviendas
𝐶𝑝𝑙𝑑 = 2 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑠 ∗ 150 𝑣𝑖𝑣𝑖𝑒𝑛𝑑𝑎𝑠
𝐶𝑝𝑙𝑑 = 300 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑠
Ecuación 6. Peso de cáscaras de plátano por día
Wcp = Peso cáscaras de plátano por día
Wp = Peso cáscara
𝑊𝑐𝑝 = (300 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑠
63 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠) ∗ 1000
𝑊𝑐𝑝 = 18,9 𝑘𝑔
Ecuación 7. Peso de cáscara en tiempo de retención total del sistema
Wcpt = Peso cáscara en relación al tiempo de retención
D = Días correspondientes al tiempo de retención del sistema
𝑊𝑐𝑝𝑡 = 𝑊𝑐𝑝 ∗ 𝐷
𝑊𝑐𝑝𝑡 = 18,9 𝑘𝑔 ∗ 7 𝑑í𝑎𝑠
𝑊𝑐𝑝 = (𝐶𝑝𝑙𝑑
𝑊𝑝) ∗ 1000
𝑊𝑐𝑝𝑡 = 𝑊𝑐𝑝 ∗ 𝐷
87
𝑊𝑐𝑝𝑡 = 132,3 𝑘𝑔
Ecuación 8. Volumen cáscara de plátano por día
Vcpl = Volumen cáscara de plátano día
Spl = Densidad cáscara de plátano
𝑉𝑐𝑝𝑙 =18,9 𝑘𝑔
470𝑘𝑔𝑚3
𝑉𝑐𝑝𝑙 = 0,04 𝑚3
Ecuación 9. Volumen cáscara de plátano total
Vtpl = Volumen cáscara de plátano en relación al tiempo de retención
𝑉𝑡𝑝𝑙 = 0,04𝑚3
𝑑í𝑎∗ 7 𝑑í𝑎𝑠
𝑉𝑡𝑝𝑙 = 0,28 𝑚3
En cuanto a los resultados totales de la papa, yuca y plátano podrán evidenciarse en la
siguiente tabla:
Tabla 29. Producción de insumos
Parámetro Papa Yuca Plátano
Cáscaras por día (#) 750 150 300
Peso cáscaras día
(kg/día)
1,5 1,4 18,9
Peso cáscaras en el
tiempo de retención
(kg)
10,5 10 132,3
Volumen de cáscara
por día (m3/día)
0,003 0,003 0,04
𝑉𝑐𝑝𝑙 =𝑊𝑐𝑝
𝑆𝑝𝑙
𝑉𝑡𝑝𝑙 = 𝑉𝑐𝑝𝑙 ∗ 𝐷
88
Volumen de cáscara
en el tiempo de
retención (m3)
0,02 0,02 0,28
Creación propia
Para el diseño de la unidad de aprovechamiento se tuvo en cuenta el volumen de residuos
sólidos orgánicos total generado y así mismo el factor de mezclado el cual fue seleccionado en
la realización de cada una de las pruebas experimentales, tomando como elección la prueba 1,
con una relación agua – residuos de 4:1 y un valor asumido de 75 litros dentro de la unidad con
el fin de que se aproveche el mayor volumen de residuos generados, los cálculos respectivos
se demostrarán a continuación:
Ecuación 10. Volumen total generado de residuos
Vtr = Volumen total de residuos
Vty = Volumen total cáscara de yuca
Vtp = Volumen total cáscara de plátano
𝑉𝑡𝑟 = 0,2 𝑚3 + 0,2 𝑚3 + 2,8 𝑚3
𝑉𝑡𝑟 = 0,32 𝑚3
Ecuación 11. Cáscara de plátano empleada
Ple = Cáscara de plátano empleada
Vu = Volumen de residuos aprovechado
%pl = Porcentaje de plátano
𝑃𝑙𝑒 = 0,075𝑚3 ∗ 50%
𝑃𝑙𝑒 = 0,038 𝑚3
Ecuación 12. Volumen de insumos empleado
Parámetro Papa Yuca Plátano
𝑉𝑡𝑟 = 𝑉𝑡𝑦 + 𝑉𝑡𝑝 + 𝑉𝑡𝑝𝑙
𝑃𝑙𝑒 = 𝑉𝑢 ∗ %𝑝𝑙
89
Volumen de
cáscara empleada
(m3)
0,02 0,019 0,038
Creación propia
Ecuación 13. Volumen de agua empleada
Va = Volumen de agua
Vu = Volumen de residuos aprovechado
R = Relación agua – residuos
𝑉𝑎 = 0,075𝑚3 ∗ 4
𝑉𝑎 = 0,3 𝑚3
A continuación, se describe detalladamente las dimensiones de la unidad teniendo en cuenta
el factor de mayoración de diseño establecido para dimensionamiento de biorreactores, el cual
es de 1,7 (Ministerio de Vivienda, 2017). Además de esto se tiene en cuenta un porcentaje de
llenado asumido por el diseñador del 50%, con el objetivo de que dentro de la unidad se
almacene una parte del biogás y no quede completamente lleno de mezcla de residuos, por
último, se efectúa el dimensionamiento de la unidad como forma cilíndrica, los diferentes
cálculos se evidencian a continuación:
Ecuación 14. Volumen de la unidad
Vun = Volumen de la unidad
Pll = Porcentaje de llenado
Fm = Factor de mayoración de diseño
𝑉𝑢𝑛 = ((0,075 𝑚3 + 0,3 𝑚3) ∗1
50 %) ∗ 1,7
𝑉𝑢𝑛 = 1,3 𝑚3
𝑉𝑎 = 𝑉𝑢 ∗ 𝑅
𝑉𝑢𝑛 = ((𝑉𝑢 + 𝑉𝑎) ∗1
𝑃𝑙𝑙) ∗ 𝐹𝑚
90
Ecuación 15. Volumen real de residuos dentro de la unidad
Vrr = Volumen real de residuos dentro de la unidad
𝑉𝑟𝑟 = (1,3 𝑚3
2) ∗ (
1
4)
𝑉𝑟𝑟 = 0,159 𝑚3
Ecuación 16. Volumen real de agua dentro de la unidad
Vra = Volumen real de agua dentro de la unidad
𝑉𝑟𝑎 = 0,637 𝑚3
Como se nombró, la unidad se diseñará de forma cilíndrica con extremos en forma esférica,
la cual debe tener un volumen de 1,3 m3, para esto se asumió un diámetro interno de 0,9 metros
y de largo 1,5 metros para la unidad cilíndrica y diámetro interno de la forma esférica de los
extremos de 0,9 metros, a continuación, se observa el cálculo de volumen total con las
dimensiones ya nombradas:
Ecuación 17. Volumen Cilindro
Vci = Volumen cilindro
Di = Diámetro interno
L = Largo
𝑉𝑐𝑖 = 𝜋 ∗ (0,9 𝑚
2)2 ∗ 1,5
𝑉𝑐𝑖 = 0,95 𝑚3
Ecuación 18. Volumen Esfera
𝑉𝑟𝑟 = (𝑉𝑢𝑛
2) ∗ (
1
𝑅)
𝑉𝑟𝑎 = 𝑉𝑟𝑟 ∗ 𝑅
𝑉𝑐𝑖 = 𝜋 ∗ (𝐷𝑖
2)2 ∗ 𝐿
𝑉𝑒𝑠 =4
3∗ 𝜋 ∗ (
𝐷𝑖
2)3
91
Ves = Volumen esfera
𝑉𝑒𝑠 =4
3∗ 𝜋 ∗ (
0,9 𝑚
2)3
𝑉𝑒𝑠 = 0,38 𝑚3
Ecuación 19. Volumen Total
𝑉𝑡𝑜 = 0,95 𝑚3 + 0,38 𝑚3
𝑉𝑡𝑜 = 1,3 𝑚3
Dadas las dimensiones de la unidad y calculados los volúmenes totales a los cuales se
encuentra la unidad, se asume las dimensiones de tubería por las que se encuentran las entradas
y salidas del sistema, que corresponde a la tubería de entrada de 6 pulgadas, tubería de salida
de 6 pulgadas y la tubería de salida de biogás de 2 pulgadas, en los anexos 2, 3, 4, 5 y 6 se
podrá evidenciar el diseño detallado de la unidad de digestión anaerobia.
La unidad presenta las siguientes características y requerimientos para su óptima
funcionalidad:
- Volumen dentro del biodigestor es de 75% y el 25% restante es para la
acumulación de biogás, pero teniendo en cuenta que la unidad se diseña con
valores promedio en cuanto al peso de los insumos, se decide realizar el diseño
para que el volumen de llenado sea del 50%, esto con el fin de que, si se llega a
presentar una generación de insumos mayor, o el sistema requiera un mayor
tiempo de retención, la unidad presente un 25% volumen libre, y se pueda
manejar la contingencia de forma adecuada (Yeison Olaya Arboleda, 2009).
Los requerimientos generales de la unidad son los siguientes:
- Válvula cheque en la salida del biogás hacia unidad de almacenamiento.
- Válvula globo en tubería de salida de lodos.
- Válvula de control en la salida de biogás.
𝑉𝑡𝑜 = 𝑉𝑐𝑖 + 𝑉𝑒𝑠
92
- Agitador de mezcla dentro de la unidad.
- Tapa hermética en la caja de entrada de la unidad.
- Tapa hermética sobre la unidad.
A continuación, se hará una descripción detallada de cada una de las unidades que componen
el sistema de digestión anaerobia:
- Caja de recepción de residuos
Dentro de esta se lleva a cabo la inserción de los residuos sólidos orgánicos que se trataran
en el sistema, esta caja se compone de una tapa hermética que se encuentra en la parte superior,
esta debe ser abierta para ingresar el volumen requerido de residuos, y en el momento en que
sea cerrada debe hacerse de manera que se selle completamente y de esta manera no afecte la
eficiencia del sistema, esta se conecta por medio de una tubería de 6 pulgadas con el digestor
anaerobio en el cual se dará la producción de biogás. Dentro de la caja se presenta una pendiente
de 20% para que los residuos no queden dentro de la misma.
- Digestor anaerobio
Dentro de la presente unidad se lleva a cabo la degradación de los residuos sólidos orgánicos,
y así mismo la producción de biogás, la tubería de entrada tiene un ángulo de inclinación de
35º y diámetro de 6 pulgadas, con el objetivo de que ningún residuo quede dentro de la misma,
la unidad se diseñó para un tiempo de retención de 7 días y un porcentaje de llenado del 50%.
En la parte superior de la unidad se encuentra una tubería de 2 pulgadas en la que se da la salida
del biogás hacia la unidad de almacenamiento, y en la parte inferior se encuentra una tubería
de 6 pulgadas que transporta el lodo generado dentro de la misma hacia el tanque diseñado para
almacenar los mismos.
Dentro de la unidad se cuenta con un mezclador que se ubica un en una altura tal realice una
mezcla adecuada de los residuos que se encuentran dentro, y así mismo se cuenta con una tapa
en la parte superior lo que permite llevar a cabo un control del sistema. La unidad presenta un
volumen de 1,3 m3.
- Tanque de lodos
La unidad de almacenamiento de lodos se encuentra un nivel más bajo respecto a la unidad de
digestión anaerobia dado que los mismos bajan por gravedad hasta llegar allí, la tubería que
alimenta el tanque es de 6” y así mismo la tubería de salida presenta las mismas dimensiones
93
con el fin de que no se obstruyan por los residuos que se encuentren dentro del sistema. Esta
unidad presenta un volumen de 0,75 m3.
- Almacenamiento de biogás
La presente unidad tiene como función el almacenamiento del biogás que es generado dentro
de la unidad de digestión anaerobia, con el fin de que el mismo sea distribuido y/o empleado
por los habitantes de la Villa Solar, el mismo presenta un volumen de almacenamiento de 1 m3
y diámetros de tubería de entrada y salida de 2”.
- Mantenimiento
La unidad en la cual se ingresan los residuos sólidos orgánicos cuenta con una tapa de 0,5
metros por 0,5 metros que facilita la limpieza de la misma y así mismo el ingreso de los residuos
de forma sencilla. Cabe resaltar que las unidades expuestas anteriormente cuentan con tapas
que permiten su adecuado mantenimiento, principalmente el tanque en donde se encuentran los
lodos, el cual tiene una tapa de 1 metro de largo por 0,71 metros de ancho de tal forma que una
persona pueda ingresar y hacer la determinada limpieza, ya que se debe llevar un control
adecuado sobre el mismo, por otra parte, la estructura se encuentra a 0,5 metros del suelo y
cuenta con un sistema de escaleras con las cuales se puede ingresar los residuos a la unidad de
tratamiento, dicho esquema puede observarse detalladamente en el anexo 5.
La unidad de digestión anaerobia tiene una tapa en la parte superior que permite hacer el
mantenimiento de la misma de tal manera que pueda limpiarse y los residuos sean evacuados
por la parte inferior, la tapa presenta dimensiones de 0,5 metros de largo por 0,2 metros de
ancho, dado que debe tenerse un mayor control de la misma y no permite que ninguna persona
ingrese por cuestiones de cuidado con la unidad y de higiene.
94
8. Conclusiones
- Mediante el diagnostico cultural de la población en general del municipio de
Buenaventura, y del departamento de Valle del Cauca en cuanto a los alimentos
que se consumen y se cosechan a diario, se estableció que los residuos orgánicos
que son la cáscara de yuca, plátano y papa son aquellos que presentan
características más óptimas para ser aprovechado dentro de la unidad de
digestión anaerobia y así mismo los desechos orgánicos tales como el
chontaduro y residuos de la caña de azúcar pueden ser incluidos dentro del
sistema, generando un balance dentro del mismo.
- Para el desarrollo del presente proyecto se simularon condiciones
climatológicas del municipio de Buenaventura con el objetivo de que el sistema
se comportara de una forma similar en el territorio para el cual se propone, ya
que la totalidad de las pruebas experimentales fueron llevadas a cabo en los
laboratorios del programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria, ubicados en
Bogotá, ciudad que presenta una climatología muy variable respecto a la del
lugar de interés.
- Se identificó la mezcla de residuos sólidos orgánicos que presenta unas
condiciones más favorables en cuanto a la producción de biogás dentro del
biodigestor anaerobio, esta mezcla corresponde a la prueba 2 que se compone
de 37,5% cáscara de plátano, 37,5% cáscara de yuca y 25% cáscara de papa, la
cual presenta una eficiencia del 37%.
- Se determinó vialidad en cada una de las pruebas tomando en consideración la
disponibilidad de los insumos que serán empleados dentro del sistema, por esta
razón se evaluó cada una de las mezclas en cuanto al porcentaje de
aprovechamiento de cada tipo de cascara en relación al volumen máximo de
diseño, por lo que se identificó que la cascara de yuca fue determinante en dicha
evaluación, pues como se observa en la tabla 25, la prueba 1 es la única que
presenta viabilidad en la totalidad de los insumos dado que los porcentajes de
95
cascara de yuca de las pruebas 2 y 3, son muy altos respecto a la cantidad de
insumo disponible.
- Para la elección de la mezcla más óptima dentro del sistema se tuvo en cuenta
el comportamiento de las diferentes variables inmersas en cada una de las
pruebas, en donde se realizó la comparación de resultados obtenidos, evaluando
cada uno de los parámetros de interés, lo que se puede observar en la tabla 26
en donde la prueba 1 sobresalió sobre las pruebas 1 y 2 en los parámetros de
pH, y disponibilidad de insumos, así mismo la prueba 2 presento mejores
resultados en cuanto a eficiencia y temperatura, variables que dentro del
presente estudio demostraron que son directamente proporcionales, por último
la prueba 3 se presentó como la prueba que tiene una menor viabilidad dado que
no sobresale en ninguno de los parámetros evaluados y se perfila como no viable
en cuanto a la disponibilidad de insumos.
- Mediante la cantidad de biogás generado por cada una de las pruebas realizadas
se calculó el número de personas a beneficiar por cada una de estas, obteniendo
como resultado para la prueba 1 el beneficio de 3 personas, al igual que lo
observado en la prueba 2, en cambio la prueba 3 beneficia a una totalidad de 2
personas, teniendo en cuenta que el sistema funciona con un tiempo de retención
de 7 días con los insumos evaluados dentro de la presente propuesta.
- Se identificó que la estabilización del sistema requiere un tiempo mayor al
empleado dentro del presente proyecto, de esta manera se obtendrá una mayor
eficiencia del sistema y por lo tanto una mayor producción de biogás por parte
del mismo, igualmente con una buena estabilización, los parámetros evaluados
tales como el pH, la temperatura, la relación C/N entre otros, presentaran una
menor oscilación en cuanto a los parámetros que fueron medidos.
- De acuerdo con los resultados generados y las evaluaciones realizadas de cada
una de las pruebas se seleccionó la prueba 1 como la más óptima para realizar
el diseño del biodigestor anaerobio, ya que presenta una mayor viabilidad en
cuanto al volumen de insumos aprovechados respecto a las otras 2 pruebas, y su
96
eficiencia no tiene una gran diferencia respecto a la prueba 1 que se perfilo como
la mejor, dado que benefician el mismo número de personas.
- Dentro del diseño del biodigestor anaerobio se tuvo en cuenta una serie de
factores que proyectan el sistema para una mayor capacidad de residuos sólidos
orgánicos tales como un factor de mayoración de 1,7, que tiene como función
incrementar le volumen de diseño en caso de que la cantidad de residuos
generados sea mayor, y de esta manera el sistema presente una capacidad optima
de aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos que genere la comunidad; así
mismo este factor puede ser aprovechado para dar un tiempo de retención mayor
al biodigestor anaerobio, y de esta forma generar un volumen mayor de biogás
sin tener que evacuar los lodos contenidos dentro del mismo.
- Las unidades pertenecientes al sistema de aprovechamiento de residuos sólidos
orgánicos, fueron diseñadas tomando en consideración su mantenimiento, por
lo que principalmente la unidad de entrada y salida presentan tapas de un tamaño
tal que una persona pueda ingresar elementos con los cuales lleve a cabo el aseo
de las mismas, evitando problemas futuros en cuanto a proliferación de vectores
y/o generación de malos olores en los alrededores de donde se encuentre
ubicado el sistema, así mismo la unidad de digestión anaerobia contiene una
tapa de un tamaño más reducido la cual permite que se pueda ingresar elementos
de aseo pero con una mayor restricción, por cuestiones de protección del lodo
estabilizado dentro de la unidad.
- El sistema de digestión anaerobia se encuentra diseñado sobre una estructura de
altura de 0,5 metros, la cual será de gran utilidad para que las diferentes
unidades que se encuentran sobre la misma funcionen por gravedad, y
finalmente en la salida los lodos puedan ser evacuados sin ayuda de ningún
sistema de bombeo lo que aumentaría costos en su implementación.
- El diseño del digestor anaerobio se concluye que es una excelente alternativa en
cuanto al aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos que se generan
dentro de las viviendas de la Villa Solar, dado que se les da un valor agregado,
incluyéndolos de nuevo dentro del ciclo productivo, apoyando la iniciativa de
97
la economía circular, y de esta manera disminuyendo el volumen de residuos
encaminados hacia el relleno sanitario de la región.
- La propuesta tiene características de viabilidad con las que puede convertirse en
un complemento de suma importancia de las viviendas en la Villa Solar,
apoyando la iniciativa de sostenibilidad, y de esta forma incentivando no solo a
los habitantes pertenecientes al proyecto en apoyar alternativas en las que se
aprovechen los residuos generados en casa, si no que por el contrario se busque
el desarrollo de aportes creativos de los individuos, que se encuentren enfocados
al uso responsable de los recursos naturales protegiéndolos y conservándolos
para que puedan ser empleados por las generaciones futuras.
9. Recomendaciones
- Teniendo en cuenta la cantidad de biogás proyectada a generarse en el diseño
de biodigestor, se evidencia que la cantidad de personas beneficiadas es mínima,
por esta razón se recomienda agregar un mayor volumen de insumos a la unidad
que presente relaciones C/N óptima, como residuos de comida y/o restos de
fruta con el fin de que el sistema beneficie a un número mayor de personas y
por lo tanto tenga una mayor viabilidad dentro del proyecto.
- Se recomienda que los residuos sólidos a degradar dentro del biodigestor,
presenten el menor tamaño posible, con la idea de que el área específica del
insumo sea mayor, y de esta forma la eficiencia de la unidad incremente
produciendo una mayor cantidad de biogás para ser aprovechado.
- Es recomendable la implementación de la propuesta del Plan de Gestión Integral
de Residuos Sólidos, con el fin de que la comunidad identifique las proporciones
de los residuos que se generan a diario, y de esta manera sean incentivados a
realizar una separación y aprovechamiento óptimo de los residuos,
disminuyendo la cantidad de los mismos en los rellenos sanitarios y
conservando el estado natural del medio ambiente.
- Se recomienda realizar la construcción del cuarto de almacenamiento de
residuos sólidos con las características que establece la normativa ambiental, de
98
forma que exista una adecuada clasificación de estos y las condiciones sanitarias
que se presenten dentro de este sean las más apropiadas.
- Es de suma importancia identificar las propiedades del biogás generado, en
caso de que el mismo pueda ser empleado en actividades que requieran un
mayor potencial energético.
- Finalmente, luego del proceso realizado dentro de la unidad de tratamiento se
recomienda que los residuos retirados del sistema, sean aprovechados como
abono orgánico, ya que presentan una cantidad de nutrientes considerables que
seguramente beneficiaran el suelo en el cual sean aplicados y/o empleados.
99
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104
11. Anexos
ANEXO 1
Hoja de Cálculo Biodigestor Anaerobio
Tabla 30. Hoja de cálculo biodigestor anaerobio
Creación propia
DISEÑO BIODIGESTOR ANAEROBIO
Parámetro Convención Unidad Valor Descripción
pH 7 Asumido
Temperatura T ºC 28 Temperatura media
Buenaventura
Humedad H % 89% Humedad promedio
Buenaventura
Tiempo de
retención D Días 7 Establecido en el proyecto
Tipo de
biodigestor Tb Unidad
Estructura
Flexible Analizado
Régimen de
alimentación Ra n/a Semicontinuo Establecido en el proyecto
CARACTERISTICAS INSUMOS
PAPA
Densidad
cáscara de
papa
Sp Kg/m3 510
% cáscara Cp % 2%
Peso promedio
papa Pp gr 100
Peso cáscara Wc gr 2
YUCA
Densidad
cáscara de yuca Sy Kg/m3 530
% cáscara Cy % 5%
Peso promedio
yuca Py gr 190
Peso cáscara Wy gr 9.5
PLÁTANO
Densidad
cáscara de
plátano
Spl Kg/m3 470
% cáscara Cpl % 35%
𝑊𝑐 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑃𝑝
𝑊𝑦 = 𝐶𝑦 ∗ 𝑃𝑦
105
Peso promedio
plátano Ppl gr 180
Peso cáscara Wp gr 63
CARACTERISTICA POBLACIONAL
Numero de
viviendas NV # Habitantes 150 Establecido en el proyecto
Densidad
poblacional por
vivienda
Sha (Habitantes/Vivienda) 5 Establecido en el proyecto
# Cáscaras
plátano por
vivienda
Cplv # cáscaras plátano/
día*vivienda 2 Asumido
# Cáscaras
papa por
vivienda
Cpv # cáscaras papa/
día*vivienda 5 Asumido
# Cáscaras
yuca por
vivienda
Cyv # cáscaras yuca/
día*vivienda 1 Asumido
PRODUCCIÓN DE INSUMOS
# Cáscaras
plátano por día Cpld # 300
# Cáscaras
papa por día Cpd # 750
# Cáscaras
yuca por día Cyd # 150
Peso cáscaras
plátano
Wcp kg /día 18.9
Wcpt Kg 132.3
Peso cáscaras
papa
Wcpl kg /día 1.5
Wcplt Kg 10.5
Peso cáscaras
yuca
Wcy kg /día 1.4
Wcyt Kg 10.0
Volumen
cáscara de
plátano
Vcpl
m3/día 0.04
Litros/día 40.21
Vtpl m3 0.28
𝑊𝑝 = 𝐶𝑝𝑙 ∗ 𝑃𝑝𝑙
𝐶𝑝𝑙𝑑 = 𝐶𝑝𝑙𝑣 ∗ 𝑁𝑉
𝐶𝑝𝑑 = 𝐶𝑝𝑣 ∗ 𝑁𝑉
𝐶𝑦𝑑 = 𝐶𝑦𝑣 ∗ 𝑁𝑉
𝑊𝑐𝑝 = (𝐶𝑝𝑙𝑑
𝑊𝑝) ∗ 1000
𝑊𝑐𝑝𝑙 = (𝐶𝑝𝑑
𝑊𝑐) ∗ 1000
𝑊𝑐𝑦 = (𝐶𝑦𝑑
𝑊𝑦) ∗ 1000
𝑊𝑐𝑝𝑡 = 𝑊𝑐𝑝 ∗ 𝐷
𝑊𝑐𝑝𝑙𝑡 = 𝑊𝑐𝑝𝑙 ∗ 𝐷
𝑊𝑐𝑦𝑡 = 𝑊𝑐𝑦 ∗ 𝐷
𝑉𝑐𝑝𝑙 =𝑊𝑐𝑝
𝑆𝑝𝑙
𝑉𝑡𝑝𝑙 = 𝑉𝑐𝑝𝑙 ∗ 𝐷
𝑉𝑐𝑝𝑙 = 𝑉𝑐𝑝𝑙 ∗ 1000
106
Litros 281.49
Volumen
cáscara de
papa
Vcp m3/día 0.003
Litros/día 3
¨Vtp m3 0.02
Litros 20.6
Volumen
cáscara de yuca
Vcy m3/día 0.003
Litros/día 2.689
Vty m3 0.02
Litros 18.82
FACTOR DE MEZCLADO
Porcentaje
cáscara de
papa
%p % 25% Calculado
Porcentaje
cáscara de
plátano
%pl % 50.00% Calculado
Porcentaje
cáscara de yuca %Y % 25.00% Calculado
PORCENTAJE
TOTAL % % 100%
CANTIDAD DE INSUMO EMPLEADO
Volumen total
generado de
residuos
Vtr
litros 320.90
Para el tiempo de retención
establecido
m3 0.32
Volumen de
residuos
aprovechado Vu litros 75 Asumido
Cáscara de
papa empleada Pe
litros 19
m3 0.02
Ple litros 37.5
𝑉𝑡𝑝𝑙 = 𝑉𝑡𝑝𝑙 ∗ 1000
𝑉𝑐𝑝 =𝑊𝑐𝑝𝑙
𝑆𝑝
𝑉𝑡𝑝 = 𝑉𝑐𝑝 ∗ 𝐷
𝑉𝑐𝑝 = 𝑉𝑐𝑝 ∗ 1000
𝑉𝑡𝑝 = 𝑉𝑡𝑝 ∗ 1000
𝑉𝑐𝑦 =𝑊𝑐𝑦
𝑆𝑦
𝑉𝑐𝑦 = 𝑉𝑐𝑦 ∗ 1000
𝑉𝑡𝑦 = 𝑉𝑐𝑦 ∗ 𝐷
𝑉𝑡𝑦 = 𝑉𝑡𝑦 ∗ 1000
%= %𝑝 + %𝑝𝑙 + %𝑌
𝑉𝑡𝑟 = 𝑉𝑡𝑦 + 𝑉𝑡𝑝 + 𝑉𝑡𝑝𝑙
𝑃𝑒 = 𝑉𝑢 ∗ %𝑝
𝑃𝑙𝑒 = 𝑉𝑢 ∗ %𝑝𝑙
𝑉𝑡𝑟 =𝑉𝑡𝑦 + 𝑉𝑡𝑝 + 𝑉𝑡𝑝𝑙
1000
𝑃𝑒 =𝑉𝑢 ∗ %𝑝
1000
107
Cáscara de
plátano
empleado
m3 0.038
Cáscara de
yuca empleado Ye
litros 18.8
m3 0.019
Relación Agua
: Residuos R unidad 4 Establecido en el proyecto
Volumen de
agua Va
litros 300
m3 0.3
DIMENSIONES UNIDAD
Factor de
mayoración de
diseño Fm n/a 1.7
Establecido por RAS 330 de
2017
Porcentaje de
llenado Pll % 50% Asumido
Volumen de la
Unidad Vun
litros 1275
m3 1.3
Volumen real
de residuos
dentro de la
unidad
Vrr
m3 0.159375
litros 159.375
Volumen real
de agua dentro
de la unidad
Vra
m3 0.6375
litros 637.5
Forma de la
unidad Fun Forma Cilíndrica Asumido
Diámetro
interno Di m 0.9 Asumido
Largo L m 1.50 Asumido
Volumen
cilindro Vci m3 0.95
𝑉𝑎 = 𝑉𝑢 ∗ 𝑅
𝑉𝑢𝑛 = ((𝑉𝑢 + 𝑉𝑎) ∗1
𝑃𝑙𝑙) ∗ 𝐹𝑚
𝑉𝑢𝑛 =𝑉𝑢𝑛
1000
Ye= 𝑉𝑢 ∗ %𝑌
𝑉𝑐𝑖 = 𝜋 ∗ (𝐷𝑖
2)2 ∗ 𝐿
𝑉𝑟𝑟 = (𝑉𝑢𝑛
2) ∗ (
1
𝑅)
𝑉𝑟𝑟 = 𝑉𝑟𝑟 ∗ 1000
𝑉𝑟𝑎 = 𝑉𝑟𝑎 ∗ 1000
𝑉𝑟𝑎 = 𝑉𝑟𝑟 ∗ 𝑅
𝑃𝑙𝑒 =𝑉𝑢 ∗ %𝑝𝑙
1000
Ye=𝑉𝑢∗%𝑌
1000
𝑉𝑎 =𝑉𝑢 ∗ 𝑅
1000
108
Forma
extremos Fex Forma Esférica Asumido
Diámetro
interno Din m 0.90 Asumido
Volumen esfera Ves m3 0.38
VOLUMEN
TOTAL Vto m3 1.3
TUBERIAS
Tubería de
entrada Te
in 6.0 Asumida
m 0.2
Tubería de
Salida Lodo Ts
in 6.0 Asumida
m 0.2
Tubería Salida
de Biogás Tsb in 2.0 Asumida
m 0.1
𝑇𝑒 = 𝑇𝑒 ∗ 0,0254
𝑉𝑒𝑠 =4
3∗ 𝜋 ∗ (
𝐷𝑖
2)3
𝑉𝑡𝑜 = 𝑉𝑐𝑖 + 𝑉𝑒𝑠
𝑇𝑠 = 𝑇𝑠 ∗ 0,0254
𝑇𝑠𝑏 = 𝑇𝑠𝑏 ∗ 0,0254
109
ANEXO 2
Figura 31. Anexo 2
Creación Propia
110
ANEXO 3
Figura 32. Anexo 3
Creación propia
111
ANEXO 4
Figura 33. Anexo 4
Creación propia
112
ANEXO 5
Figura 34. Anexo 5
Creación propia
113
ANEXO 6
Figura 35. Anexo 6
Creación propia