universidad tÉcnica de cotopaxi unidad de posgrados …
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
TESIS EN OPCIOacuteN AL GRADO ACADEacuteMICO
DE MAGISTER EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
Tiacutetulo
Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno
para el aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del
cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un
biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor SANTOS Benavides Willams Roberto
Tutor RETIRADO Mediaceja Yoalbys PhD
LATACUNGA ndash ECUADOR
Julio ndash 2015
ii
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
Latacunga ndash Ecuador
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO
En calidad de Miembros del Tribunal de Grado aprueban el presente informe en
consideracioacuten de posgrados de la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi por cuanto el
maestrante Santos Benavides Willams Roberto con el tiacutetulo de tesis
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor alternativo para
este propoacutesitordquo ha considerado las recomendaciones emitidas oportunamente y
reuacutene los meacuteritos suficientes para ser sometido al acto de Defensa de Tesis
Por lo antes expuesto se autoriza realizar los empastados correspondientes seguacuten
la normativa institucional
Latacunga Julio del 2015
Para constancia firman
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
MSc Paulina Freire PhD Juan Joseacute La Calle
PRESIDENTE MIEMBRO
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
MSc Mercedes Toro PhD Gustavo Rodriacuteguez
MIEMBRO OPOSITOR
iii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS
Latacunga Julio del 2015
En mi calidad de Director de la Tesis presentada por Santos Benavides Willams
Roberto Egresado de la Maestriacutea en Gestioacuten de Energiacuteas previa a la obtencioacuten
del mencionado grado acadeacutemico cuyo tiacutetulo es ldquoEvaluacioacuten del potencial de
biomasa residual del ganado vacuno para el aprovechamiento energeacutetico en
la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013
Disentildeo de un biodigestor alternativo para este propoacutesitordquo
Considero que dicho trabajo reuacutene los requisitos y meacuteritos suficientes para ser
sometido a la presentacioacuten puacuteblica y evaluacioacuten por parte del tribunal examinador
Atentamente
PhD Yoalbys Retirado Mediaceja
TUTOR DE TESIS
iv
AUTORIacuteA
Yo Santos Benavides Willams Roberto portador del nuacutemero de ceacutedula
0502362197 declaro que la presente Tesis de Grado es fruto de mi esfuerzo
responsabilidad y disciplina logrando que los objetivos propuestos se culminen
con eacutexito
Atentamente
Santos Benavides Willams Roberto
C I 0502362197
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme la bendicioacuten del diacutea a diacutea y esa fortaleza
fiacutesica para culminar este trabajo a mi nintildeo de Isinche a mi madre que es mi
complemento mi gran amiga y compantildeera tierna que me apoyoacute en todos los
momentos maacutes alegres de mi vida y los maacutes tristes
A mis queridos padres Rodrigo y Esperanza que siempre han sido mi pilar
fundamental y ejemplo de lucha tenacidad y humildad de seguir triunfando De
igual forma a mi hermana Paola que me ha presta su ayuda incondicional
A mis compantildeeros de trabajo Marco Silva y Pauacutel Hidalgo por haberme apoyado
cada vez que los necesiteacute
A la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi porque en sus aulas recibimos el
conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de posgrados
Quiero agradecer a mi tutor PhD Yoalbys Retirado a mis amigos MSc Eduardo
Terrero y MSc Gabriel Hernaacutendez por ser criacutetico de mi forma de ser a su vez mil
gracias por sus consejos amistad paciencia y dedicacioacuten para culminar con eacutexito
este trabajo
Willams
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
ii
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
Latacunga ndash Ecuador
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO
En calidad de Miembros del Tribunal de Grado aprueban el presente informe en
consideracioacuten de posgrados de la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi por cuanto el
maestrante Santos Benavides Willams Roberto con el tiacutetulo de tesis
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor alternativo para
este propoacutesitordquo ha considerado las recomendaciones emitidas oportunamente y
reuacutene los meacuteritos suficientes para ser sometido al acto de Defensa de Tesis
Por lo antes expuesto se autoriza realizar los empastados correspondientes seguacuten
la normativa institucional
Latacunga Julio del 2015
Para constancia firman
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
MSc Paulina Freire PhD Juan Joseacute La Calle
PRESIDENTE MIEMBRO
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
MSc Mercedes Toro PhD Gustavo Rodriacuteguez
MIEMBRO OPOSITOR
iii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS
Latacunga Julio del 2015
En mi calidad de Director de la Tesis presentada por Santos Benavides Willams
Roberto Egresado de la Maestriacutea en Gestioacuten de Energiacuteas previa a la obtencioacuten
del mencionado grado acadeacutemico cuyo tiacutetulo es ldquoEvaluacioacuten del potencial de
biomasa residual del ganado vacuno para el aprovechamiento energeacutetico en
la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013
Disentildeo de un biodigestor alternativo para este propoacutesitordquo
Considero que dicho trabajo reuacutene los requisitos y meacuteritos suficientes para ser
sometido a la presentacioacuten puacuteblica y evaluacioacuten por parte del tribunal examinador
Atentamente
PhD Yoalbys Retirado Mediaceja
TUTOR DE TESIS
iv
AUTORIacuteA
Yo Santos Benavides Willams Roberto portador del nuacutemero de ceacutedula
0502362197 declaro que la presente Tesis de Grado es fruto de mi esfuerzo
responsabilidad y disciplina logrando que los objetivos propuestos se culminen
con eacutexito
Atentamente
Santos Benavides Willams Roberto
C I 0502362197
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme la bendicioacuten del diacutea a diacutea y esa fortaleza
fiacutesica para culminar este trabajo a mi nintildeo de Isinche a mi madre que es mi
complemento mi gran amiga y compantildeera tierna que me apoyoacute en todos los
momentos maacutes alegres de mi vida y los maacutes tristes
A mis queridos padres Rodrigo y Esperanza que siempre han sido mi pilar
fundamental y ejemplo de lucha tenacidad y humildad de seguir triunfando De
igual forma a mi hermana Paola que me ha presta su ayuda incondicional
A mis compantildeeros de trabajo Marco Silva y Pauacutel Hidalgo por haberme apoyado
cada vez que los necesiteacute
A la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi porque en sus aulas recibimos el
conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de posgrados
Quiero agradecer a mi tutor PhD Yoalbys Retirado a mis amigos MSc Eduardo
Terrero y MSc Gabriel Hernaacutendez por ser criacutetico de mi forma de ser a su vez mil
gracias por sus consejos amistad paciencia y dedicacioacuten para culminar con eacutexito
este trabajo
Willams
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
iii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS
Latacunga Julio del 2015
En mi calidad de Director de la Tesis presentada por Santos Benavides Willams
Roberto Egresado de la Maestriacutea en Gestioacuten de Energiacuteas previa a la obtencioacuten
del mencionado grado acadeacutemico cuyo tiacutetulo es ldquoEvaluacioacuten del potencial de
biomasa residual del ganado vacuno para el aprovechamiento energeacutetico en
la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013
Disentildeo de un biodigestor alternativo para este propoacutesitordquo
Considero que dicho trabajo reuacutene los requisitos y meacuteritos suficientes para ser
sometido a la presentacioacuten puacuteblica y evaluacioacuten por parte del tribunal examinador
Atentamente
PhD Yoalbys Retirado Mediaceja
TUTOR DE TESIS
iv
AUTORIacuteA
Yo Santos Benavides Willams Roberto portador del nuacutemero de ceacutedula
0502362197 declaro que la presente Tesis de Grado es fruto de mi esfuerzo
responsabilidad y disciplina logrando que los objetivos propuestos se culminen
con eacutexito
Atentamente
Santos Benavides Willams Roberto
C I 0502362197
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme la bendicioacuten del diacutea a diacutea y esa fortaleza
fiacutesica para culminar este trabajo a mi nintildeo de Isinche a mi madre que es mi
complemento mi gran amiga y compantildeera tierna que me apoyoacute en todos los
momentos maacutes alegres de mi vida y los maacutes tristes
A mis queridos padres Rodrigo y Esperanza que siempre han sido mi pilar
fundamental y ejemplo de lucha tenacidad y humildad de seguir triunfando De
igual forma a mi hermana Paola que me ha presta su ayuda incondicional
A mis compantildeeros de trabajo Marco Silva y Pauacutel Hidalgo por haberme apoyado
cada vez que los necesiteacute
A la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi porque en sus aulas recibimos el
conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de posgrados
Quiero agradecer a mi tutor PhD Yoalbys Retirado a mis amigos MSc Eduardo
Terrero y MSc Gabriel Hernaacutendez por ser criacutetico de mi forma de ser a su vez mil
gracias por sus consejos amistad paciencia y dedicacioacuten para culminar con eacutexito
este trabajo
Willams
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
iv
AUTORIacuteA
Yo Santos Benavides Willams Roberto portador del nuacutemero de ceacutedula
0502362197 declaro que la presente Tesis de Grado es fruto de mi esfuerzo
responsabilidad y disciplina logrando que los objetivos propuestos se culminen
con eacutexito
Atentamente
Santos Benavides Willams Roberto
C I 0502362197
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme la bendicioacuten del diacutea a diacutea y esa fortaleza
fiacutesica para culminar este trabajo a mi nintildeo de Isinche a mi madre que es mi
complemento mi gran amiga y compantildeera tierna que me apoyoacute en todos los
momentos maacutes alegres de mi vida y los maacutes tristes
A mis queridos padres Rodrigo y Esperanza que siempre han sido mi pilar
fundamental y ejemplo de lucha tenacidad y humildad de seguir triunfando De
igual forma a mi hermana Paola que me ha presta su ayuda incondicional
A mis compantildeeros de trabajo Marco Silva y Pauacutel Hidalgo por haberme apoyado
cada vez que los necesiteacute
A la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi porque en sus aulas recibimos el
conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de posgrados
Quiero agradecer a mi tutor PhD Yoalbys Retirado a mis amigos MSc Eduardo
Terrero y MSc Gabriel Hernaacutendez por ser criacutetico de mi forma de ser a su vez mil
gracias por sus consejos amistad paciencia y dedicacioacuten para culminar con eacutexito
este trabajo
Willams
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
v
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme la bendicioacuten del diacutea a diacutea y esa fortaleza
fiacutesica para culminar este trabajo a mi nintildeo de Isinche a mi madre que es mi
complemento mi gran amiga y compantildeera tierna que me apoyoacute en todos los
momentos maacutes alegres de mi vida y los maacutes tristes
A mis queridos padres Rodrigo y Esperanza que siempre han sido mi pilar
fundamental y ejemplo de lucha tenacidad y humildad de seguir triunfando De
igual forma a mi hermana Paola que me ha presta su ayuda incondicional
A mis compantildeeros de trabajo Marco Silva y Pauacutel Hidalgo por haberme apoyado
cada vez que los necesiteacute
A la Universidad Teacutecnica de Cotopaxi porque en sus aulas recibimos el
conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de posgrados
Quiero agradecer a mi tutor PhD Yoalbys Retirado a mis amigos MSc Eduardo
Terrero y MSc Gabriel Hernaacutendez por ser criacutetico de mi forma de ser a su vez mil
gracias por sus consejos amistad paciencia y dedicacioacuten para culminar con eacutexito
este trabajo
Willams
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
vi
DEDICATORIA
Dedico esta tesis primeramente a Dios por darme sus bendiciones a mis padres
Rodrigo y Esperanza por el regalo maacutes grande ldquoLa vidardquo a mi querida hermana
Paola para que le sirva de guiacutea y continuacutee sus estudios
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
vii
A Mariana de los Aacutengeles
Por los ejemplos de perseverancia constancia y las ganas de alcanzar los objetivos
a pesar de las largas noches queacute se pase frente al escritorio para cumplir la meta
viii
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
PROGRAMA ldquoMAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteASrdquo
ldquoEvaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno para el
aprovechamiento energeacutetico en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia
de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de un biodigestor para este propoacutesitordquo
Autor Ing Santos Benavides Willams Roberto
Fecha Julio del 2015
ix
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluacioacuten del potencial de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi antildeo 2013 Disentildeo de
un biodigestor alternativo para este propoacutesito
Autor Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
RESUMEN
En la presente investigacioacuten se realizoacute un estudio teoacuterico-experimental del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten con el objetivo de aprovechar los desechos bioloacutegicos en un biodigestor y
asiacute obtener una energiacutea renovable que ayude a reducir los gases de efecto
invernadero como el CH4 emanado a la atmosfera por la descomposicioacuten aerobia
de las excretas animales La revisioacuten bibliograacutefica pone en evidencia los objetivos
alcanzados en diferentes trabajos en cuanto a la metodologiacutea utilizada para
caracterizar la biomasa residual del ganado bovino y su anaacutelisis energeacutetico se
refiere reflejando datos teacutecnicos-econoacutemicos y medio ambientales de gran
utilidad para la propuesta de un biodigestor de domo fijo Se parte del estudio
experimental del proceso anaeroacutebico de la materia orgaacutenica (excretas) donde se
realiza la caracterizacioacuten del nivel de pH temperatura de biodegradacioacuten tiempo
de retencioacuten hidraacuteulica (THR) cantidad de partiacuteculas de metano presente en el
biogaacutes y el nivel de nutrientes del bioabono a partir de ahiacute se llevaran a cabo
procedimientos para la evaluacioacuten y aprovechamiento de la biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten con el propoacutesito de obtener dos beneficios
primordiales reducir la emanacioacuten directa del gas metano a la atmosfera e
introducir un nuevo tipo de energiacutea renovable El proceso de bioconversioacuten se
ejecutoacute en dos biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con y sin aislamiento teacutermico donde se
inmiscuyoacute la tecnologiacutea del monitoreo y adquisicioacuten de datos en tiempo real que
permitioacute obtener los datos reales del proceso anaeroacutebico paraacutemetros
fundamentales para determinar la calidad de produccioacuten de biogaacutes y bioabono que
seraacute utilizado por la hacienda Galpoacuten y mediante el meacutetodo experimental
calorimeacutetrico se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes producido por los
prototipos de biodigestores tipo ldquoBatchrdquo aplicando una propiedad termodinaacutemica
Finalmente la evaluacioacuten financiera corroboroacute la viabilidad de implementar un
biodigestor de domo fijo debido a que se obtuvo un valor actual neto (VAN)
positivo para una tasa interna de retorno (TIR) superior a la tasa referencial
impuesto por el Banco Central del Ecuador (BCE) lo que permitiraacute obtener
reacuteditos econoacutemicos a la hacienda a mediano y largo plazo
Descriptores Biomasa biodigestor bioconversioacuten biogaacutes bioabono
x
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD DE POSGRADOS
MAESTRIacuteA EN GESTIOacuteN DE ENERGIacuteAS
TIacuteTULO Evaluation of residual biomass potential of bovine cattle in the Galpoacuten
ranch canton Salcedo province of Cotopaxi year 2013 Digester design alternative
for this purpose
Author Santos Benavides Willams Roberto
Tutor Retirado Mediaceja Yoalbys PhD
ABSTRACT
At present investigation was carried out a theoretical and experimental study of
the energy potential of residual biomass of cattle on the Galpoacuten farm in order to
take advantage of biological waste in a bio-digester to obtain a renewable energy
which helps to reduce the greenhouse gases like CH4 issued into the atmosphere
by the aerobic decomposition of animal excrement The literature reviewed was
highlights the objectives achieved in different works in terms of the methodology
used to characterize residual biomass of cattle and energy analysis refers
reflecting technical-economics and environmental data useful for the proposal of a
fixed dome bio-digester Part of the experimental study of the anaerobic process
of organic matter (manure) where the characterization of the level of pH is
temperature of biodegradation hydraulic retention time (THR) amount of
particles of methane in the biogas and the bio-fertilizer nutrient there procedures
were carried out for evaluation and residual biomass of the cattle on the Galpoacuten
farm with the purpose of obtaining two primary benefits reducing the direct
emanation of gas methane into the atmosphere and introduce a new type of
renewable energy The bio-conversion process was implemented in two bio-
digester type Batch with and without thermal insulation where is interfered
with the technology of the monitoring and data acquisition in real time allowing
getting the actual data of the anaerobic process basic parameters to determine the
quality of production of biogas and bio-fertilizer to be used by the Galpoacuten farm
and through the experimental calorimetric method determined the calorific power
of the biogas produced by the prototypes of bio-digesters type Batch applying a
thermodynamic property Finally the financial evaluation confirmed the
feasibility of implementing a fixed dome bio-digester where is obtained a net
present value (NPV) positive for an internal rate of return (IRR) exceeding the
reference rate imposed by the Central Bank of Ecuador (BCE) which will
produce economic profits to finance medium and long term
Keywords Biomass bio-digester bioconversion biogas bio-fertilizer
xi
IacuteNDICE GENERAL
Contenido Paacuteg
UNIVERSIDAD TEacuteCNICA DE COTOPAXI i
APROBACIOacuteN DEL TRIBUNAL DE GRADO ii
AVAL DEL DIRECTOR DE TESIS iii
AUTORIacuteA iv
AGRADECIMIENTO v
DEDICATORIA vi
CERTIFICACIOacuteN DE CREacuteDITOS QUE AVALAN LA TESIS viii
RESUMEN ix
ABSTRACT x
IacuteNDICE GENERAL xi
IacuteNDICE DE FIGURAS xix
IacuteNDICE DE TABLAS xxi
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA 3
11 Introduccioacuten 3
12 Planteamiento del problema 3
13 Formulacioacuten del problema 9
14 Objeto de estudio 9
15 Justificacioacuten 9
16 Objetivos 11
161 Objetivo general 12
162 Objetivos especiacuteficos 12
xii
17 Hipoacutetesis 12
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica 12
19 Conclusiones del capiacutetulo 13
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 14
21 Introduccioacuten 14
22 Antecedentes 14
23 Fundamentacioacuten teoacuterica 21
231 Concepto de biomasa 22
2311 Biomasa residual agriacutecola 22
2312 Biomasa residual agroindustrial 23
2313 Biomasa residual ganadera 23
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno 23
232 Definicioacuten biogaacutes 24
2321 Volumen del biogaacutes 25
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes 25
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica 26
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono 28
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico 28
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos 29
2341 Soacutelidos totales 29
2342 Soacutelidos volaacutetiles 29
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno 30
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno 30
235 Proceso de digestioacuten anaerobia 31
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores 32
xiii
2361 Tipos de biodigestores 32
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor 36
237 Poder caloacuterico del biogaacutes 39
238 Ecuacioacuten de estado de los gases 40
239 Definicioacuten de densidad 41
2310 Presioacuten de la columna de agua 41
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo 41
24 Conclusiones del capiacutetulo 42
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA 43
31 Introduccioacuten 43
32 Disentildeo de la investigacioacuten 43
321 Modalidad de la investigacioacuten 43
3211 De campo 44
3212 Bibliograacutefica y documental 44
322 Tipos de investigacioacuten 44
3221 Investigacioacuten exploratoria 44
3222 Investigacioacuten descriptiva 45
3223 Investigacioacuten experimental 45
33 Operacionalizacioacuten de variables 46
34 Lugar de la investigacioacuten 47
341 Aacuterea de influencia directa 47
35 Metodologiacutea 47
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos 48
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad 48
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo 48
xiv
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente 49
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos 49
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten 50
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima 51
381 Metodologiacutea para el muestreo 51
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol 51
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima 51
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura 51
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor 52
391 Matriz de decisioacuten 52
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones 52
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 53
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos 54
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo 54
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores 54
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo 55
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico 56
31311 Materiales 56
31312 Procedimiento 57
31313 Equipos e instrumentos 57
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico 59
31321 Materiales 59
31322 Equipo e instrumentos 60
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes 64
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano 65
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica 65
xv
315 Conclusiones del capiacutetulo 67
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 68
41 Introduccioacuten 68
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 68
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica 68
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo 69
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea 70
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos 71
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 71
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos 72
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten 72
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno 73
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores 74
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico 75
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores 75
4422 Control de pH en los biodigestores 76
4423 Produccioacuten de biogaacutes 78
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes 79
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi 80
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes 83
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno 84
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico 85
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes 85
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo 86
xvi
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes 88
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor 90
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante 90
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa 91
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo 92
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes 92
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes 92
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes 93
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes 93
4614 Cantidad de energiacutea total 93
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo 94
471 Cantidad de estieacutercol requerido 94
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor 95
473 Produccioacuten de bioabono 96
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono 96
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor 97
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor 97
482 Diaacutemetro del biodigestor 98
483 Altura del biodigestor 99
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula 99
4841 Cuacutepula superior 99
4842 Radio del biodigestor 99
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior 100
xvii
4844 Volumen de la cuacutepula 100
4845 Volumen del cilindro 100
4846 Volumen final del biodigestor 101
485 Caacutelculo de la superficie estructural 101
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla 102
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga 102
49 Emisiones de gases de efecto invernadero 103
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis 104
411 Conclusiones del capiacutetulo 106
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA 108
51 Introduccioacuten 108
52 Tiacutetulo de la propuesta 108
53 Justificacioacuten de la propuesta 108
54 Objetivo de la propuesta 109
55 Estructura de la propuesta 109
551 Partes constitutivas del biodigestor 109
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor 111
553 Anaacutelisis econoacutemico 112
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor 112
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra 113
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten 114
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo 114
554 Evaluacioacuten financiera 115
5541 Criterio del valor actual neto 115
xviii
5542 Tasa interna de retorno 116
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico 117
57 Valoracioacuten ambiental 118
58 Conclusiones del capiacutetulo 119
CONCLUSIONES 120
RECOMENDACIONES 121
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA 122
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA 126
ANEXOS 128
xix
IacuteNDICE DE FIGURAS
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra 6
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio 32
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija 33
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija 34
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha 34
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible 35
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada 35
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental 39
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten 47
Figura 32 Registro del contador de energiacutea 48
Figura 33 Control del consumo de GLP 49
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea 49
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos 50
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento 55
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento 55
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico 57
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N 57
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula 58
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico 58
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2 58
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo 59
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS 60
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos 60
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC 61
xx
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC 62
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N 63
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes 63
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor 64
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865 69
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP 69
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes 70
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten 71
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten 72
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten 72
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal 73
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor 74
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten 75
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten 76
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten 77
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1 78
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2 79
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1 80
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2 80
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi 82
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi 83
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado 87
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado 89
xxi
IacuteNDICE DE TABLAS
CAPIacuteTULO 2
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal 24
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes 25
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes 26
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes 26
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten 27
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente 46
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas 81
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi 81
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores 82
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante 91
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa 91
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino 92
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF 94
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido 96
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo 103
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP 104
CAPIacuteTULO 5
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda 110
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo 113
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes 113
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo 115
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico 116
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo 117
1
INTRODUCCIOacuteN
El presente trabajo tiene como propoacutesito determinar la potencialidad de la
biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo la
misma que estaacute provocando contaminacioacuten al medio ambiente y afectando a la
salud de los habitantes para lo cual se propone implementar un biodigestor
alternativo que transforme efectivamente las excretas del ganado vacuno en otra
forma de energiacutea mediante el meacutetodo de bioconversioacuten De esta manera se puede
minimizar el impacto ambiental asiacute como los focos de infeccioacuten que estaacuten
provocando enfermedades a sus habitantes A continuacioacuten se detalla la estructura
de la tesis que se encuentra organizada por capiacutetulos de la siguiente forma
En el Capiacutetulo 1 se estudia el Problema de Investigacioacuten realizando una
contextualizacioacuten a nivel macro meso y micro donde tambieacuten se establece el
objeto de estudio y la justificacioacuten del problema para finalmente determinar los
objetivos su campo de accioacuten y su hipoacutetesis
En el Capiacutetulo 2 se describe el marco teoacuterico antecedentes de la investigacioacuten
que detallan estudios realizados en diferentes campos de la problemaacutetica
planteada en el presente trabajo investigativo en buacutesqueda de una fuente de
energiacutea amigable con el medio ambiente pero renovable basaacutendose en conceptos
y fundamentaciones teoacutericas relacionadas con el estudio de un biodigestor
alternativo que aproveche la biomasa del ganado vacuno
En el Capiacutetulo 3 se expone la metodologiacutea de estudio de la investigacioacuten el
enfoque metodoloacutegico la modalidad el tipo de investigacioacuten el nivel y las
teacutecnicas e instrumentos utilizados Tambieacuten se estipula la poblacioacuten o universo y
se determina la muestra para obtener informacioacuten necesaria que certifique el
objeto de estudio
En el Capiacutetulo 4 se evaluaraacuten los resultados de los datos obtenidos partir de la
biomasa animal y las variables fiacutesicas del proceso de biodigestioacuten las mismas que
se plasmaran en tablas y graacuteficos estadiacutesticos que seraacuten creadas de acuerdo a la
informacioacuten recopilada y tabulada
2
En el Capiacutetulo 5 se plantea la propuesta de implementar un prototipo de
biodigestor alternativo que aproveche efectivamente las excretas del ganado
vacuno para generar energiacutea renovable limpia a bajo costo ayudando a mitigar el
efecto invernadero y las enfermedades asiacute como tambieacuten su buen uso y cuidado
que contribuiraacute enormemente a tener una energiacutea inagotable que genere buenos
reacuteditos econoacutemicos para la hacienda y sus habitantes Finalmente se detallaraacuten las
conclusiones y recomendaciones que se generaraacuten a partir de los objetivos
especiacuteficos
3
CAPIacuteTULO 1 DIFUSIOacuteN DEL PROBLEMA
11 Introduccioacuten
La definicioacuten de los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la metodologiacutea
de la investigacioacuten es muy importante para el adecuado desarrollo de trabajos
cientiacuteficos Lo anterior permite estructurar adecuadamente el proceso de
investigacioacuten y obtener resultados acordes a las metas propuestas Es por ello que
el objetivo del presente capiacutetulo es establecer los referidos aspectos y sus
particularidades para el objeto de estudio
12 Planteamiento del problema
Sogari (2006) manifiesta que en la actualidad el tema de energiacuteas renovables es un
punto preocupante para los paiacuteses del mundo debido a la sobreexplotacioacuten y el
agotamiento de los combustibles foacutesiles y el alto nivel de contaminacioacuten e
impacto ambiental que producen el hombre se ha visto en la necesidad de buscar
fuentes energeacuteticas renovables a traveacutes del aprovechamiento energeacutetico que se
puede obtener mediante el gas metano siendo eacuteste generado por la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la biomasa permitiendo asiacute la manutencioacuten
equilibrada de los ecosistemas del planeta
Cerda (2009) plantea que la biomasa soacutelida es la mayor fuente de energiacutea
renovable en el mundo con mucha diferencia debido a la existencia de la
biomasa tradicional (lentildea) en los paiacuteses en viacuteas de desarrollo Supone el 92 de
la oferta total de energiacutea primaria en el mundo representando asiacute el 702 de la
oferta total de energiacutea renovable De hecho el 86 de la biomasa soacutelida es
producida y consumida en paiacuteses que no pertenecen a la Organizacioacuten para la
Cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemico (OCDE)
4
Seguacuten Saldarreaga (2012) el metano (CH4) es un gas que altera la meteorologiacutea
del planeta e incita auacuten maacutes el calentamiento global cientiacuteficos de la Universidad
de Bremen en Alemania evidenciaron esto despueacutes de un terremoto en 1975
donde se liberoacute maacutes de siete millones de metros cuacutebicos de metano Tambieacuten
determinaron que este gas es un componente quiacutemico que absorbe calor El doctor
en quiacutemica David Saldarreaga explica que el metano siempre ha estado en el
aire esta accioacuten se da por putrefaccioacuten de las plantas defecacioacuten de animales o
bacterias en plantaciones de arroz El problema radica en la interaccioacuten de este
componente quiacutemico con la radiacioacuten infrarroja (calor) Este investigador plantea
que el planeta estaacute constantemente recibiendo radiacioacuten del sol y de las estrellas
mientras que los gases en la atmoacutesfera absorben la radiacioacuten infrarroja lo cual
eleva la temperatura y origina el calentamiento global del planeta Ademaacutes afirma
que en la atmoacutesfera el CH4 tiene gran efecto por un periacuteodo corto de 10 antildeos
mientras que el CO2 tiene un pequentildeo efecto por un periacuteodo largo de 100 antildeos Es
asiacute que el metano es 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en contribuir
al efecto invernadero
De acuerdo al artiacuteculo publicado por la Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea
(OMM) en el antildeo 2013 donde hace referencia sobre ldquoLa cantidad de gases de
efecto invernadero en la atmoacutesfera que alcanzoacute un nuevo maacuteximo sin precedentes
en el antildeo 2012 La tendencia que es ascendente y acelerada determina el cambio
climaacutetico y el futuro del planeta Seguacuten el boletiacuten anual de esta organizacioacuten
sobre gases de efecto invernadero presentado en Ginebra determinaron que la
concentracioacuten atmosfeacuterica media mundial de CO2 ha aumentado en un 41 la
del metano en un 160 y la del oacutexido nitroso en un 20 desde el comienzo de la
era industrial en 1750
Johnson (1995) y Kurihara (1999) sentildealan que las emisiones de gas metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de toneladasantildeo (datos
globales) lo que representa el 73 del total de emisiones (80 millones) de todas
la especies domeacutesticas
Kurihara (1999) considera que se debe tomar como base para anaacutelisis en los
paiacuteses en viacuteas de desarrollo que las emisiones tienen un registro de 55 kg de gas
5
metanoanual por ganado vacuno en contraste a lo reportado en los paiacuteses
desarrollados de 35 kg de gas metanoanual por ganado vacuno Esta diferencia de
emisiones de gas metano por animal se debe a la calidad de alimentacioacuten que
reciben los bovinos
El gas metano a nivel mundial no puede ser controlado en su totalidad teniendo
en cuenta que existen varias fuentes de origen natural como las de combustibles
foacutesiles de residuos soacutelidos y los producidos por la agricultura En este sentido
Johnson (1995) estima que soacutelo en la agricultura se generan 155 millones de
toneladas por antildeo de gas metano distribuyeacutendose en el cultivo de arroz 38
animales domeacutesticos 51 abonos orgaacutenicos 6 y combustioacuten 6
Algunos paiacuteses pobres obtienen el 90 de su energiacutea de la lentildea y otros
biocombustibles En Aacutefrica Asia y Latinoameacuterica representan la tercera parte del
consumo energeacutetico y para 2 000 millones de personas es la principal fuente de
energiacutea en el aacutembito domeacutestico Pero en muchas ocasiones esta utilizacioacuten
masiva no se realiza mediante el uso racional y sostenible de los recursos
naturales sino como una buacutesqueda desesperada de la energiacutea lo que ha
provocado la deforestacioacuten de grandes aacutereas dejando indefenso al suelo frente a la
erosioacuten (Fernaacutendez 2008)
La propia FAO reconoce que ldquoal utilizar eficientemente los recursos de la energiacutea
de la biomasa incluidos los residuos agriacutecolas y las plantaciones de materiales
energeacuteticos ofrecen oportunidades de empleo beneficios ambientales y una mejor
infraestructura ruralrdquo Incluso va maacutes allaacute al considerar que el uso eficiente de
estas fuentes de energiacutea ayudariacutean a alcanzar dos de los objetivos de desarrollo del
milenio ldquoerradicar la pobreza el hambre y garantizar la sostenibilidad del
medio ambienterdquo Mientras esta apuesta se hace realidad las previsiones concretas
de futuro las enmarcan en el desarrollo de los paiacuteses pobres ante lo cual el Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climaacutetico establecioacute que antes del antildeo 2100 la
cuota de participacioacuten de la biomasa en la produccioacuten mundial de energiacutea debe
estar entre el 25 y el 46 Sin embargo en Europa el 54 de la energiacutea
primaria de origen renovable procede de esta fuente pero su utilizacioacuten soacutelo
supone el 4 sobre el total energeacutetico (Rico 2007)
6
La FAO estima que 2 000 millones de personas carecen de energiacutea eleacutectrica y
cocinan con lentildea (biomasa vegetal) de ellas 1 500 millones tienen en alguna
medida dificultades de suministro y 125 millones se nutren de alimentos
crudos por carecer de lentildea para su coccioacuten (Rodriacuteguez 2008)
El potencial de biomasa en el Ecuador es de gran importancia debido que se trata
de un paiacutes tradicionalmente agriacutecola y ganadero cuyas actividades generan gran
cantidad de desechos que pueden ser aprovechados energeacuteticamente
Seguacuten las estadiacutesticas realizadas por el Ministerio de Agricultura y Ganaderiacutea
Acuacultura y Pesca (MAGAP) en el antildeo 2006 la poblacioacuten del ganado vacuno
en el territorio nacional estaacute distribuido por regiones teniendo asiacute en la Regioacuten
Costa 51 Regioacuten Sierra 36 y resto del paiacutes 13 (Galaacutepagos Amazoacutenica
zonas en conflicto) En la sierra ecuatoriana Cotopaxi ocupa el sexto lugar en el
sector ganadero de acuerdo a la estadiacutestica del MAGAP En la figura 11 se
representa en forma de pastel la cantidad de animales por miles de bovinos
Figura 11 Representacioacuten numeacuterica del ganado vacuno regioacuten Sierra
Fuente MAGAP 2006
Con el censo realizado en la Sierra ecuatoriana (Figura 11) en la provincia de
Cotopaxi existen alrededor de 193 129 bovinos registrados corroborando que la
provincia es por excelencia ganadera y al aprovechar todo el potencial energeacutetico
que generariacutea este sector se tendriacutea una energiacutea equivalente a 28 408 tepantildeo
pudiendo obtener 71 341 MWh al antildeo de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de la biomasa
residual del ganado vacuno (Loacutepez 2008)
341 799
196 523
139 772
93 784
193 129
246 787105 057
361 455
444 573151 258
Azuay Bolivar Cantildear Carchi
Cotopaxi Chimborazo Imbabura Loja
Pichincha Tungurahua
7
En las zonas rurales de Salcedo especialmente en la hacienda Galpoacuten y sus
alrededores se dedican a la criacutea intensiva del ganado vacuno de doble propoacutesito
donde se generan grandes cantidades de excretas estas son utilizadas de forma
tradicional en los cultivos o son almacenados sin ninguacuten criterio teacutecnico
provocando contaminacioacuten al medio ambiente y su vez es un foco de infeccioacuten
para las personas que realizan actividades domeacutesticas o agriacutecolas
La hacienda Galpoacuten es una empresa productora de leche desde sus inicios en
1988 el principal objetivo ha sido mantener la produccioacuten de leche y quesos de la
mejor calidad con miras al crecimiento continuo La hacienda estaacute ubicada a
15 km de Salcedo en la Provincia de Cotopaxi la misma que se encuentra en una
regioacuten de clima variable con temperaturas que oscilan entre los 8 y 22degC
dependiendo de la estacioacuten del antildeo Como dato relevante se menciona que el suelo
es de tipo arcilloso siendo muy apto para la agricultura pero existe un deacuteficit de
Gas Licuado de Petroacuteleo (GLP) y un alto costo de los fertilizantes quiacutemicos Por
esta razoacuten se pretende implementar un biodigestor para suplir las necesidades
energeacuteticas tradicionales en las instalaciones de la hacienda
La hacienda cuenta con 12 personas que habitan y realizan sus labores cotidianas
de trabajo por lo tanto se tiene que el consumo anual de energiacutea eleacutectrica
promedio es de 7 767 kWh teacutermica 1 350 kg de GLP 180 kg lentildea y 1 000 kg de
abono quiacutemico respectivamente Como propiedad existen 190 cabezas de ganado
vacuno 15 caballos y 35 hectaacutereas de terreno de las cuales 20 son dedicadas a la
ganaderiacutea y 15 son aplicadas a la agricultura
Actualmente el suministro de servicio eleacutectrico y de los cilindros de gas en la
hacienda y sus alrededores son obtenidos de forma irregular debido a la situacioacuten
geograacutefica del lugar una de las razones principales es la lejaniacutea de los centros de
acopio de GLP y las grandes distancias que recorre la red eleacutectrica de media
tensioacuten hasta los puntos de entrega es asiacute como se abastece la demanda requerida
por el establecimiento Estas dos fuentes de energiacutea convencionales son utilizadas
para la faacutebrica de quesos el aacuterea de ordentildeo y para el uso domeacutestico de las propias
instalaciones
8
En los uacuteltimos antildeos el GLP ha escaseado notablemente en los sectores rurales del
cantoacuten Salcedo afectando directamente a las actividades de la hacienda Galpoacuten
Un artiacuteculo publicado menciona que la principal razoacuten del desabastecimiento de
gas licuado de petroacuteleo es por el contrabando que existe en las fronteras
ecuatorianas pues la diferencia del precio del gas en relacioacuten con otros paiacuteses
hace que esta actividad sea un negocio muy rentable Mientras que en el Ecuador
el cilindro de gas de 15 kg cuesta 160 USD (precio subsidiado por el Estado
ecuatoriano) en Colombia su valor se cuadriplica en 765 USD y en la repuacuteblica
del Peruacute su valor asciende a 1530 USD (Vergara 2008)
En la hacienda Galpoacuten el GLP es utilizado para calentar el agua que seraacute utilizada
en la limpieza de los equipos de ordentildeo los instrumentos de la queseriacutea y la
coccioacuten de alimentos de la familia y los trabajadores Los altos costos de los
fertilizantes quiacutemicos y los consumos energeacuteticos han provocado que la hacienda
realice gastos elevados en las actividades diarias de trabajo y produccioacuten
Ademaacutes la falta de conocimiento sobre la utilizacioacuten y aprovechamiento de los
desechos orgaacutenicos del ganado vacuno estaacuten provocando el deterioro del medio
ambiente donde se desarrollan las actividades cotidianas de la hacienda y sus
alrededores Producto de esto se generan el mal olor un desagradable aspecto
fiacutesico presencia de moscas roedores ademaacutes los desechos orgaacutenicos liacutequidos
contaminan los esteros a esto tambieacuten contribuyen las lluvias
La estimacioacuten de la biomasa del ganado vacuno que se produce en la hacienda es
en base a la caracterizacioacuten de los desechos bioloacutegicos de los bovinos y con estos
datos se puede plantear el estudio de un prototipo de biodigestor alternativo que
contribuiraacute a mejorar la calidad de vida de las personas que habitan en la
hacienda al utilizar el biogaacutes como una energiacutea alternativa y limpia A la par
tambieacuten se conseguiriacutea disminuirlas emisiones de gas metano al ecosistema y los
vectores contaminantes que causan enfermedades a las personas
Con el aprovechamiento de los residuos orgaacutenicos del ganado vacuno en un
biodigestor se pueden obtener tres beneficios muy importantes el primero
mediante la obtencioacuten del biogaacutes que serviriacutea como energiacutea teacutermica para los
procesos de la hacienda y las necesidades de los trabajadores etc el segundo es
9
utilizar el bioabono para fertilizar los cultivos propios de la hacienda y el tercero
es reducir la contaminacioacuten ambiental del lugar que es provocada por los desechos
orgaacutenicos del ganado vacuno
El biogaacutes constituye un factor muy importante en el desarrollo de las tecnologiacuteas
aplicadas a la generacioacuten de energiacutea limpia tomado en cuenta el cuidado del
medio ambiente por la disminucioacuten del efecto invernadero Sin embargo contar
con poliacuteticas y decisiones que impulsen el desarrollo de nuevas fuentes de energiacutea
con el uacutenico fin de poder ampliar la matriz energeacutetica es sin dudas el principal
eslaboacuten de esta cadena tecnoloacutegica (Lorena 2012)
La implementacioacuten de esta nueva tecnologiacutea tiene sus debilidades que influyen
directamente en el proyecto pues en el Ecuador es una tecnologiacutea prematura que
no estaacute difundida teacutecnicamente Ademaacutes se debe tener en cuenta que se necesita
de un capital adicional disponibilidad calidad y cantidad de material orgaacutenico
mano de obra (capacitacioacuten teacutecnica al personal) tener bien establecidas poliacuteticas
energeacuteticas y ambientales que puedan aportar a la difusioacuten de esta teacutecnica
13 Formulacioacuten del problema
Se desconoce el potencial de biomasa residual aportada por el ganado vacuno para
la obtencioacuten del biogaacutes y bioabono aplicando la tecnologiacutea de un biodigestor
alternativo en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo durante el antildeo 2013
14 Objeto de estudio
Biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
15 Justificacioacuten
El uso energeacutetico maacutes difundido de la biomasa en los hogares es para la coccioacuten
de alimentos en el sector rural seguido por el calentamiento de agua Cabe
destacar que a pesar de la alta tasa de penetracioacuten de portadores energeacuteticos como
el GLP una gran proporcioacuten de hogares (maacutes del 77 y 11 en el aacuterea rural y
urbana respectivamente) continuacutean empleando la lentildea y otras formas de biomasa
como fuente de energiacutea (Cerda 2009)
10
Seguacuten Chiriboga (2010) la demanda energeacutetica ha crecido muy significativamente
en nuestro paiacutes concentraacutendose las mismas en las grandes ciudades del territorio
ecuatoriano obligando a racionar el suministro de energiacutea en el sector rural lo
que ha provocado retraso en las actividades de la hacienda y peacuterdidas econoacutemicas
por la falta de energiacutea
El consumo de GLP en el Ecuador se incrementa aceleradamente a una tasa de
crecimiento promedio anual del 6 Desde 1990 al 2006 el consumo promedio
se incrementoacute de 091 a 204 cilindros mensuales por familia Al ser un paiacutes
deficitario en GLP y para satisfacer dicha demanda el Estado estaacute obligado a
importar maacutes del 80 del total que se consume en el paiacutes pues la produccioacuten
nacional es insuficiente y se incrementa a un ritmo de apenas 08 mientras que
las importaciones de este combustible crecen al 9 lo que provoca un
incremento del subsidio y altos egresos fiscales al Estado (Vergara 2008)
En la presente investigacioacuten se pretenden utilizar los residuos de los bovinos
dentro de un biodigestor alternativo con el fin de conseguir recursos energeacuteticos
alternativos que logren reemplazar a la energiacutea convencional Al aprovechar esa
biomasa bovina se pueden obtener el bioabono asiacute como tambieacuten el biogaacutes al
utilizar el segundo beneficio derivado del biodigestor Rodriacuteguez (2008) plantea
que se puede producir electricidad mediante los motores de combustioacuten interna y
de esta manera conseguir instalaciones que sean autosustentables aprovechando
sus propios recursos residuales (como por ejemplo en granjas haciendas
industria alimenticia serreriacuteas industrias papeleras o depuradoras urbanas) que
generan un beneficio adicional a veces hasta maacutes valorado que la propia
generacioacuten de electricidad que es el evitar la degradacioacuten del medio ambiente al
eliminar estos residuos que estaacuten contaminado al planeta
Hans-Josef (2002) establece que en los paiacuteses industrializados el abastecimiento
de energiacutea constituye un gran desafiacuteo La energiacutea es imprescindible para el
funcionamiento de la economiacutea y el bien comuacuten Por ello la poliacutetica energeacutetica se
debe basar en tres pilares fundamentales seguridad de abastecimiento
compatibilidad con el medio ambiente y rentabilidad
11
Una publicacioacuten del Ministerio de Electricidad y Energiacutea Renovable sentildeala que
para elaborar un biodigestor comunitario las dimensiones del recipiente tipo
salchicha pueden ser de 10 metros de largo y un metro de diaacutemetro Este tipo de
biodigestor sirve para proporcionar biogaacutes a una familia de cinco personas Se
requiere el estieacutercol de cinco reses o diez cerdos Su elaboracioacuten cuesta alrededor
de 15000 USD (Peacuterez 2008)
Al aplicar esta nueva tecnologiacutea de los biodigestores en la hacienda se estaraacute
contribuyendo notablemente con el medio ambiente pues se dejaraacute de emitir gas
metano a la atmoacutesfera en un estimado de 55 kg de metano por cada animal que
tiene la hacienda (Kurihara 1999)
Las excretas residuales del ganado vacuno al no poder utilizarse directamente
sobre los cultivos tienen un costo de oportunidad pero al implementar la nueva
tecnologiacutea de los biodigestores eacutesta quedariacutea invalidada porque se puede tener un
producto de mejor calidad que ayude a reactivar los suelos y obtener excelentes
resultados en las cosechas (Hilbert 2008)
En la explotacioacuten del ganado vacuno se generan grandes cantidades de residuos
soacutelidos y liacutequidos al descomponerse al aire libre sin ninguacuten tratamiento y
disposicioacuten final estas crean grandes problemas de contaminacioacuten en la hacienda
y sus alrededores ademaacutes afectando la salud de los habitantes
Por las razones anotadas la presente investigacioacuten seraacute de gran utilidad para el
normal funcionamiento de la hacienda Galpoacuten al brindar un tratamiento adecuado
de los desechos soacutelidos del ganado vacuno mediante el proceso de biodigestioacuten
contribuyendo a obtener una fuente de energiacutea limpia y renovable a traveacutes del
biogaacutes asiacute como tambieacuten se puede aprovechar el efluente que tiene excelentes
propiedades nutritivas para los cultivos
16 Objetivos
Los iacutetems que se mencionaran en este paacuterrafo para el desarrollo del presente
proyecto seraacuten el objetivo general y los especiacuteficos
12
161 Objetivo general
Evaluar el potencial de aprovechamiento energeacutetico de la biomasa residual del
ganado vacuno para obtener los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un
biodigestor alternativo que permitan la produccioacuten de biogaacutes en la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo provincia de Cotopaxi durante el antildeo 2013
162 Objetivos especiacuteficos
Analizar las referencias bibliograacuteficas relacionadas con el proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno aplicando la
tecnologiacutea del biodigestor
Determinar la potencialidad de biomasa residual del ganado vacuno en la
hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Seleccionar y determinar los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor en
correspondencia con la demanda y la potencialidad de biomasa residual del
ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
Determinar los voluacutemenes de biogaacutes y biofertilizante producido en el
biodigestor
Caracterizar energeacuteticamente el biogaacutes obtenido
Realizar un anaacutelisis teacutecnico-econoacutemico del biodigestor
17 Hipoacutetesis
La caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda
Galpoacuten permitiraacute obtener los paraacutemetros de disentildeo de un biodigestor alternativo
logrando un mayor aprovechamiento de su potencial energeacutetico asiacute como la
disminucioacuten del impacto ambiental provocado por la emisioacuten del gas metano a la
atmoacutesfera
18 Enfoque de la investigacioacuten cientiacutefica
La investigacioacuten estaacute enfocada en evaluar la potencialidad de aprovechamiento de
la biomasa residual derivada del ganado vacuno integrando de forma sisteacutemica
13
las categoriacuteas problema objeto objetivos de tal manera que permita la seleccioacuten
y determinacioacuten de los paraacutemetros de disentildeo tecnoloacutegico de un prototipo de
biodigestor alternativo que pueda cubrir determinada demanda de GLP y
fertilizantes quiacutemicos utilizados en la hacienda Galpoacuten del cantoacuten Salcedo
19 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron los aspectos teoacuterico-metodoloacutegicos que integran la
metodologiacutea de la investigacioacuten cientiacutefica Los mismos consideran los
aspectos maacutes relevantes a tratarse en el anaacutelisis del objeto de estudio y
posibilitan la estructuracioacuten adecuada del proceso de investigacioacuten
Las uacuteltimas estadiacutesticas ofrecidas por el Ministerio de Agricultura y
Ganaderiacutea Acuacultura y Pesca evidenciaron que la poblacioacuten del ganado
en el Ecuador estaacute distribuida en un 51 36 y 13 para la costa la sierra y
el resto del paiacutes respectivamente Por otra parte se comproboacute que la
hacienda Galpoacuten cuenta con las condiciones climatoloacutegicas y la materia
prima necesaria para la implementacioacuten de un biodigestor
14
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
21 Introduccioacuten
El marco teoacuterico constituye el estudio y la sistematizacioacuten de las teoriacuteas
precedentes que pueden ayudar en el anaacutelisis del problema investigado Su
elaboracioacuten se realiza mediante conceptos magnitudes variables leyes y modelos
que existen en la ciencia y que se sistematizan con la finalidad de determinar en
queacute medida estos contribuyen a la solucioacuten del problema analizado y en queacute
medida son insuficientes El objetivo del capiacutetulo es elaborar el marco teoacuterico que
sustenta la presente investigacioacuten
22 Antecedentes
Se estima que en el mundo se emiten anualmente 6 400 millones de toneladas de
metano un 15 de las emisiones globales de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Este gas con alto potencial de calentamiento global se podriacutea aprovechar para
garantizar los servicios energeacuteticos sostenibles y combatir el cambio climaacutetico en
el planeta (Arristiacutea 2009)
De acuerdo a Carrillo (2003) los animales de granja emiten metano de dos formas
diferentes la primera causa se conoce como fermentacioacuten enteacuterica ocurre en el
estoacutemago de los animales rumiantes (vacas ovejas equinos y cabras) que durante
su proceso natural de digestioacuten crean grandes cantidades de metano
La segunda forma es por la descomposicioacuten del estieacutercol cuando vacas cerdos y
gallinas son criados con fines comerciales y existen obviamente grandes
cantidades de estieacutercol que se generan a diario por lo tanto las granjas deben
tener equipos apropiados para el tratamiento de estos desechos orgaacutenicos La
manera maacutes faacutecil de procesar el excremento es en piscinas cerradas o tanques
15
Esta materia orgaacutenica se descompone dentro de estos depoacutesitos que permanecen
cerrados y sin la presencia de oxiacutegeno Por lo tanto al provocar la biodegradacioacuten
de la biomasa residual dentro del recipiente se produciraacuten grandes cantidades de
metano (EPA 2008)
Cerca del 60 de las emisiones de gas metano emanadas a la atmoacutesfera son
originadas por el ser humano a traveacutes de la criacutea de animales domeacutesticos los
cultivos de arroz los vertederos y la quema de biomasa (Rodriacuteguez 2008)
Varias fuentes bibliograacuteficas dan cuenta del uso de biogaacutes para calentar el agua
para el aseo personal en el siglo X ac en Asiria y en el siglo XVI dc en Persia
La primera unidad de digestioacuten anaeroacutebica que era utilizado para el tratamiento de
aguas residuales fue construida en el Asilo de Leprosos de Mantunga cerca de
Mumbai India en 1859 (Arristiacutea 2009)
Se llama biogaacutes al gas que se produce mediante un proceso metaboacutelico por
descomposicioacuten de la materia orgaacutenica en ausencia del oxiacutegeno del aire Este
biogaacutes es combustible tiene un alto valor caloacuterico de 4 700 a 5 500 kcalm3 y
puede ser utilizado en la coccioacuten de alimentos para la iluminacioacuten de naves y
viviendas asiacute como para suministrar gas a los motores de combustioacuten interna que
accionan maacutequinas herramientas molinos de granos generadores eleacutectricos
bombas de agua y vehiacuteculos agriacutecolas o de cualquier otro tipo (Rodriacuteguez 2006)
La generacioacuten natural de biogaacutes es una parte importante del ciclo biogeoquiacutemico
del carbono El metano producido por las bacterias es el uacuteltimo eslaboacuten en una
cadena de microorganismos que degradan el material orgaacutenico y devuelven los
productos de la descomposicioacuten al ambiente (Hernaacutendez 1990 Borroto 1999
Germaacuten 2002)
El biogaacutes con alto contenido de metano puede ser aprovechado para la
generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica (Fernaacutendez 2010) ademaacutes se puede
utilizar como gas de refrigeracioacuten para la iluminacioacuten la coccioacuten de alimentos y
el funcionamiento de los motores de combustioacuten interna de los medios de
transporte (automotores) La mayor parte del biogaacutes es metano un Gas de Efecto
Invernadero que permanece en la atmoacutesfera entre 9 y 15 antildeos Jan Baptist Van
Helmont determinoacute en el siglo XVII que de la materia orgaacutenica en
16
descomposicioacuten emanan gases inflamables Alejandro Volta concluyoacute en 1776
que habiacutea una correlacioacuten directa entre la cantidad de material orgaacutenico en
descomposicioacuten y la cantidad de gas inflamable producido En 1808 Sir
Humphrey Davy determinoacute la presencia del metano en los gases producidos
durante la digestioacuten anaeroacutebica del estieacutercol del ganado
En el antildeo 1890 en la India se construye el primer biodigestor de uso domeacutestico y
a su vez en 1896 en Exeter Inglaterra las laacutemparas de alumbrado puacuteblico eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos
cloacales de la ciudad (Lugones 2000)
En 1895 se disentildeoacute una instalacioacuten para recuperar el biogaacutes producido en el
tratamiento de aguas residuales y se empleoacute como fuente de energiacutea para el
alumbrado puacuteblico en Exeter Inglaterra (Hilbert 2008)
El consumo mundial de la energiacutea es muy desigual entre paiacuteses y bloques
econoacutemicos el 90 de esta energiacutea la consumen los paiacuteses maacutes industrializados
(un 30 de la poblacioacuten mundial) las diversas fuentes bibliograacuteficas aportaron
que en 1984 el consumo de petroacuteleo fue 395 el gas natural un 19 el carboacuten
comuacuten 311 la energiacutea nuclear 37 y finalmente la energiacutea hidroeleacutectrica el
63
Durante las dos guerras mundiales hubo intereacutes por el biogaacutes La crisis energeacutetica
de 1973 hizo renacer estas motivaciones como una energiacutea alternativa aunque
decayoacute despueacutes debido a la peacuterdida de confianza en la tecnologiacutea producto de
fallas que existioacute en la construccioacuten captacioacuten y utilizacioacuten (Hilbert 2008)
Los paiacuteses que conforman la Comunidad Econoacutemica Europea (CEE) teniacutean una
dependencia energeacutetica del petroacuteleo del 46 en 1986 con un plan energeacutetico
para reducir al 40 en 1990 mientras la energiacutea nuclear representaba un aporte a
la produccioacuten eleacutectrica del 21 en 1983 ascendioacute al 307 con la comunidad
europea Sac (2002) sugiere el uso de energiacuteas renovables como la biomasa que
es un recurso renovable cuya utilizacioacuten presenta caracteriacutesticas singulares y
beneficios notables Ademaacutes se trata de una fuente praacutecticamente inagotable
producida ciacuteclica y continuamente por el reino vegetal y animal asiacute como tambieacuten
se genera dentro del sistema urbano e industrial
17
Sebastiaacuten y Royo (2002) plantean que la ciencia y la tecnologiacutea se han vuelto
determinantes en el desarrollo econoacutemico y cultural de las sociedades actuales y
de ellas depende en forma creciente el bienestar de un paiacutes y de sus ciudadanos
La biodigestioacuten es una alternativa para el tratamiento de los residuos soacutelidos
orgaacutenicos en la que se combinan procesos aeroacutebicos (que funcionan con oxiacutegeno)
y anaeroacutebicos (sin la presencia de oxiacutegeno) donde obtienen productos como
abono agriacutecola (compost) y gas (bioloacutegico) que puede ser utilizado (60 CH4
40 CO2) como combustible (Soubes 1994)
Los alimentos y otros residuos orgaacutenicos (estieacutercol madera hojas vegetales)
pueden ser transformados a traveacutes de procesos bioquiacutemicos (Bernal 1992) dando
como resultado estos productos que son de alto valor energeacutetico y econoacutemico
Estos sistemas permiten su aplicacioacuten en ciudades pequentildeas e intermedias del
paiacutes y que ademaacutes su utilizacioacuten a gran escala permite convertirlas en un
excelente modelo de apropiacioacuten de tecnologiacutea y una importante fuente de empleo
para las industrias y las microempresas de la regioacuten
Dentro de las utilidades que hasta el momento se han dado al biogaacutes estaacuten la
produccioacuten de electricidad el funcionamiento de motores (combustible para
vehiacuteculos) donde pueden utilizar soacutelo o mezclado con fuel oiacutel produccioacuten de
energiacutea mecaacutenica para el funcionamiento rural de faacutebricas de procesos agrarios
funcionamiento de refrigeradores y para la incineracioacuten en las estufas de las
cocinas a gas (Camacho 1987)
Matamorros (2013) analiza a los grandes paiacuteses industrializados del mundo que
utilizan energiacutea renovable (biogaacutes) proveniente de la biomasa residual entre ellos
se destacan Alemania liacuteder en la produccioacuten de biogaacutes que produce el 5341
de la energiacutea eleacutectrica proveniente del biogaacutes en la Unioacuten Europea (UE) tiene una
produccioacuten al alrededor de 515 tep1000 habitantes el doble de Reino Unido que
es el segundo en el antildeo 2011 se registraron 7 470 plantas de biogaacutes siendo los
estados de Babariacutea y Baja Sajonia los maacutes importantes El precio de la energiacutea
generado por este tipo de combustible es de euro 003 a 0143 kWh y la meta para el
2020 es cubrir el 6 de la demanda de gas natural con biogaacutes
18
Reino Unido es el segundo productor de biogaacutes El 84 corresponde a
recuperacioacuten de metano a partir de rellenos sanitarios siendo acreedor a grandes
incentivos con el sistema de certificados verdes de Gran Bretantildea (ROCs) Produce
en total 1 7722 ktep a partir de la energiacutea del biogaacutes seguacuten datos del antildeo 2010
Italia es el tercer paiacutes industrializado productor de biogaacutes La ley energeacutetica de
este paiacutes implantoacute un fuerte incentivo en el 2009 con la sancioacuten de una ley para
Primas en las tarifas para las plantas que utilicen materias primas agriacutecolas se
paga por esta energiacutea euro 028kWh para potencias menores a 1 MW instalado
siendo esta las Primas maacutes altas de Europa En el antildeo 2010 se teniacutea en total 450
plantas productores de biogaacutes con una capacidad instalada de 4785 ktep con lo
que obtuvieron rubros de facturacioacuten de euro 900 millones por la venta de esta
energiacutea renovable Ademaacutes se generaron 2 600 puestos de trabajo para los
italianos
Matamorros (2013) refiere que en los antildeos ‟80 se implementoacute en el Peruacute el
biodigestor modelo Hinduacute y Chino pero el proyecto fracasoacute debido a la falta de
conocimientos teacutecnicos y mano de obra calificada ya que era una tecnologiacutea
prematura que se estaba implementando en dicho paiacutes
El biodigestor Modelo Taiwaacuten se implementoacute en la deacutecada de los bdquo90 donde se
obtuvieron excelentes resultados en Meacutexico Costa Rica Peruacute Bolivia Colombia
y Nicaragua en la uacuteltima deacutecada
El 60 de los campesinos peruanos que habitan en las zonas rurales viven en
condiciones de pobreza e indigencia con el uso de biodigestores se puede
combatir la pobreza disminuyendo el gasto en la compra de combustibles abonos
orgaacutenicos y alimentos Contribuyendo a un ambiente sanitario de las familias y
asiacute evitando la emanacioacuten de metano a la atmoacutesfera que provoca el calentamiento
global del planeta Encuestas realizadas a estos campesinos ponen en evidencia
que el uso de los biodigestores aporta positivamente al bienestar familiar
En el Peruacute existen Empresas e Instituciones dedicadas al estudio de la produccioacuten
de energiacuteas limpias que contribuyan a la matriz energeacutetica de ese paiacutes
Catalogadas por su gran trayectoria se mencionan a Soluciones Praacutecticas
Instituto de Alternativas Agrarias el Centro de Formacioacuten Profesional El Centro
19
de Demostracioacuten y Capacitacioacuten de Tecnologiacuteas Apropiadas las mismas que
estaacuten trabajando fuertemente en la investigacioacuten desarrollo e implementacioacuten de
los biodigestores en todo el paiacutes En el territorio peruano no se tiene un registro
acertado de la cantidad de proyectos realizados con este tipo de tecnologiacutea pero
asciende a maacutes de 500 los biodigestores instaladas en toda la regioacuten Comercial
Industrial Delta SA (CIDELSA) en los uacuteltimos antildeos viene siendo una de las
empresas maacutes importantes en la provisioacuten de biodigestores para los diferentes
proyectos de aprovechamiento de la biomasa residual que generan en ese paiacutes
Bolivia siendo un paiacutes de clima frio y templado se ha incursionado en el
aprovechamiento de la biomasa residual mediante la biodegradacioacuten iniciando
entre los antildeos 1990 y 1995 donde se desarrolloacute el primer proyecto para la
produccioacuten de biogaacutes a partir de las excretas humanas y animales domeacutesticos con
financiamiento de la Cooperacioacuten Alemana (GTZ) pero la falta de conocimiento
y su respectiva capacitacioacuten no se lograron obtener buenos resultados en la
instalacioacuten de los biodigestores La iniciativa en estainvestigacioacuten no tuvieron
resultados praacutecticos visibles en el desarrollo de esta nueva tecnologiacutea
En el periodo 2005 y 2010 el Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO)
en conjunto con la Cooperacioacuten Alemana llevaron adelante una iniciativa de
ldquoDesarrollo Energeacuteticordquo Se estima que 1 000 familias fueron beneficiarias de
dicho programa El eacutexito de la iniciativa radicoacute en facilitar el conocimiento
teacutecnico y praacutectico a las familias del aacuterea rural para que puedan construir y
mantener operativos los biodigestores en sus hogares
Desde el 2006 la ONG y Tecnologiacuteas en Desarrollo lleva adelante el Programa
ldquoViviendas Autoenergeacuteticasrdquo en el Altiplano con maacutes de 100 biodigestores
instalados en las comunidades de los municipios de Achacachi y Tiawanaku
El proyecto busca el manejo adecuado de los residuos humanos y animales por
medio de acciones sostenibles y acordes al equilibrio ecoloacutegico que mejoraraacute la
calidad de vida de las personas en la zona del proyecto
Costa Rica desde el antildeo 1994 la Universidad EARTH trabaja en la investigacioacuten
y desarrollo de la tecnologiacutea Hasta el antildeo 2010 habiacutea maacutes de 2 000 unidades del
tipo Taiwaacuten instalados y operando en fincas agroindustrias y en hoteles
20
Colombia la empresa incursionada en Energiacuteas Renovables y Tecnologiacuteas
Apropiadas (APROTEC) ha instalando dos biodigestores en una granja agriacutecola
donde se tienen vacas y cerdos a su vez estaacuten trabajando fuertemente en la
difusioacuten de la tecnologiacutea para buscar usuarios interesados en implementar la
nueva teacutecnica
Ecuador CARE-Ecuador (Organizacioacuten Internacional sin fines de lucro) estaacute
incentivando a agricultores y ganaderos con la implementacioacuten de esta nueva
tecnologiacutea para el faacutecil aprovechamiento de todos sus residuos agriacutecolas Ademaacutes
se encuentra investigando acerca del correcto funcionamiento de los biodigestores
de acuerdo a la temperatura topografiacutea de cada lugar y la utilizacioacuten de los
materiales amigables con el medio ambiente
En el 2001 la Fundacioacuten Brethren y Unida (FBU) incursionoacute por primera vez en
la construccioacuten y manejo de biodigestores como parte de una intervencioacuten maacutes
amplia que promoviacutea el desarrollo productivo en la zona de Intag con recursos
financiados por el Fondo de Contravalor Ecuatoriano Suizo FOES (CEA 2010)
En la provincia de Boliacutevar en el antildeo 2006 se implementaron 10 biodigestores en
las parroquias rurales mediante el ldquoProyecto Piloto de Tratamiento de Desechos
Orgaacutenicosrdquo con apoyo de la Corporacioacuten para la Investigacioacuten Energeacutetica (CIE)
En Ambato provincia de Tungurahua en la viacutea a Piacutellaro el Teacutecnico Carlos
Duque elaboroacute un prototipo para aprovechar el gas metano de soacutelo tres chimeneas
de las 120 que existen en el relleno sanitario de Ambato el mismo que estaacute
ubicado en el sector de Chachoaacuten con una capacidad de 235 toneladas de biomasa
que produce Ambato Cada tuberiacutea de desfogue genera 0058 m3 de biogaacutes por
segundo Suficiente para implementar un generador eleacutectrico de 12 kW que
alimenta a una carga de 72 kW compuesta de nueve laacutemparas incandescentes de
800 W que iluminan una parte del relleno sanitario (Duque 2012)
En Bucay provincia del Guayas se ha realizado el estudio y disentildeo de un
biodigestor para generar biogaacutes y bioabono a partir de los desechos orgaacutenicos de
los animales aplicable en las zonas agrarias del Litoral La capacidad que teniacutea
este biodigestor era de 50 kg pero con una carga de biomasa residual de
aproximadamente 30 kg a un costo 60000 USD Los recursos energeacuteticos
21
obtenidos reemplazaraacuten en un porcentaje al consumo de GLP en cuanto el
efluente contribuiraacute a un ahorro en la compra de fertilizantes quiacutemicos utilizados
para los cultivos (Arce 2011)
Chiriboga (2010) en su trabajo investigativo propone el ldquoDesarrollo del Proceso
de Produccioacuten de Biogaacutes y Fertilizante Orgaacutenico a partir de Mezclas de Desechos
de Procesadoras de Frutasrdquo En su estudio concluyoacute que la mejor mezcla para
obtener biogaacutes es utilizar 50 de estieacutercol y 50 de desechos de frutas
Actualmente en la provincia de Cotopaxi se tienen grandes haciendas dedicadas a
la criacutea intensiva de ganado vacuno entre otros los mismos se han visto la
necesidad de enfocarse a nuevas fuentes de energiacutea alternativas que ayuden a
minimizar la utilizacioacuten y costos de energiacutea no convencional Con estas
referencias se propone implementar la teacutecnica de los biodigestores en la hacienda
Galpoacuten con el fin de aprovechar los desechos orgaacutenicos de los bovinos y obtener
una energiacutea limpia y renovable tomando en cuenta aspectos teacutecnicos econoacutemicos
y medio ambientales que ayuden a impulsar el desarrollo de nuevas fuentes de
energiacutea con estos antecedentes se ha analizado la cantidad de ganado vacuno que
posee la hacienda asiacute como tambieacuten la energiacutea teacutermica total que consume la
misma de igual forma la cantidad de insumos fertilizantes que requieren para los
procesos agriacutecolas
El direccionamiento que tiene el proyecto es buscar nuevas fuentes de energiacutea
maacutes no a la produccioacuten de ganado vacuno Es asiacute que en Ecuador es una
tecnologiacutea prematura que se estaacute desarrollando y aplicando en la utilizacioacuten de la
biomasa para obtener energiacuteas limpias y que minimice la emanacioacuten de los gases
de efecto invernadero que provocan el calentamiento global del planeta tierra
Debido a esto se hace referencia a investigaciones y disentildeos externos
23 Fundamentacioacuten teoacuterica
La fundamentacioacuten teoacuterica baacutesicamente abarcaraacute el concepto de biomasa biogaacutes
bioabono caracterizacioacuten de la materia prima procesos de la digestioacuten anaeroacutebica
y la tecnologiacutea de utilizacioacuten de los biodigestores
22
231 Concepto de biomasa
La biomasa entendida como fuente de energiacutea renovable se define como toda
materia orgaacutenica vegetal o animal procedente de su transformacioacuten natural o
artificial susceptible de un aprovechamiento energeacutetico Engloba por tanto todas
las formas de materia orgaacutenica y sus transformados (Loacutepez 2008)
No obstante dada la heterogeneidad que la caracteriza (amplia gama de oriacutegenes
y diversidad de tecnologiacuteas para su aprovechamiento energeacutetico) el concepto de
biomasa ha experimentado una evolucioacuten que se debe tener en cuenta
actualmente el teacutermino de biomasa se utiliza para hacer referencia a los
biocombustibles soacutelidos distinguieacutendolos de los biocarburantes y del biogaacutes
(aunque eacutestos provengan tambieacuten de la materia orgaacutenica) Incluye por tanto la
madera astillas paja o sus formas densificadas como los pellets y briquetas
posee mayoritariamente caraacutecter lignoceluloacutesico y se puede utilizar con fines
teacutermicos o eleacutectricos (Loacutepez 2008)
Ya se ha mencionado anteriormente que el objetivo principal de esta investigacioacuten
es estimar la biomasa del ganado vacuno de la hacienda y sus alrededores para
aprovechar su potencial energeacutetico Una clasificacioacuten que realiza Loacutepez (2008) de
la biomasa residual de origen agrario define como todo residuo de caraacutecter
orgaacutenico generado en cualquier actividad agraria ya sea agriacutecola ganadera o
agroindustrial Por lo tanto se clasifica en biomasa residual agriacutecola ganadera y
agroindustrial
2311 Biomasa residual agriacutecola
En este grupo se incluye todo el material vegetal producido en las explotaciones
agriacutecolas Comprende los residuos de cultivos lentildeosos como los restos de poda de
aacuterboles frutales y los residuos de los cultivos herbaacuteceos como la papa maiacutez
cebada etc El Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea (IDAE) en
el antildeo 2005 menciona que la disponibilidad depende de la eacutepoca de recoleccioacuten y
de la variacioacuten de la produccioacuten agriacutecola por lo que es recomendable la
existencia de centros de acopio de biomasa donde se pueda centralizar su
distribucioacuten Se caracteriza por su produccioacuten dispersa en el territorio y su baja
23
densidad que provoca elevados costes en la logiacutestica de su aprovisionamiento El
pretratamiento para su densificacioacuten (empacado astillado etc) supone un coste
adicional pero consigue un transporte maacutes econoacutemico Estas dos caracteriacutesticas
son los obstaacuteculos maacutes importantes para lograr la viabilidad teacutecnica y econoacutemica
de su aprovechamiento energeacutetico
2312 Biomasa residual agroindustrial
Incluye los subproductos derivados de los procesos de produccioacuten industrial de
productos agroalimentarios como el bagazo de cantildea de azuacutecar caacutescara de arroz
bagazo de frutas etc Al igual que en el caso anterior se encuentra concentrada
alliacute donde se cultiva o procesa suelen ser contaminantes y en muchas ocasiones
tiene un elevado contenido en humedad por lo que su secado supone un coste
adicional Su disponibilidad depende de la demanda industrial que la genera y en
muchos casos es estacional
2313 Biomasa residual ganadera
Incluye todo residuo biodegradable procedente de la actividad ganadera y que se
puede clasificar en estieacutercol compuesto por la mezcla de las deyecciones y el
material de la cama del ganado purines mezcla de deyecciones el agua de
limpieza y de arrastre aguas sucias procedentes del lavado de deyecciones
diluidas y animales muertos Los mismos que se pueden aprovechar y transformar
en biogaacutes mediante digestioacuten anaerobia o bien secar y utilizar directamente como
combustible Estos residuos de biomasa animal se encuentran concentrados en las
instalaciones donde se generan y son muy contaminantes debido a su elevada
carga orgaacutenica La produccioacuten de biogaacutes a partir de los residuos ganaderos soacutelo es
posible tecnoloacutegicamente cuando existe una elevada concentracioacuten del ganado
vacuno en una misma aacuterea dedicada a la explotacioacuten intensiva (IDAE 2005)
2314 Potencial de excretas del ganado vacuno
En las granjas o haciendas dedicadas a la criacutea intensiva del ganado vacuno se
producen elevados voluacutemenes de estieacutercol La forma maacutes comuacuten de tratar estos
residuos es propagaacutendoles sobre las aacutereas de cultivo con el doble propoacutesito de
24
disponer de ellos y obtener beneficio de su contenido nutritivo Pero sin embargo
al no contar con medidas exactas de la cantidad de residuo orgaacutenico que se debe
aplicar por metro cuadrado de suelo se puede provocar una sobrefertilizacioacuten y
hasta la contaminacioacuten de las cuencas hidrograacuteficas En la tabla 21 se presenta el
tipo de animal y los kilogramos de estieacutercol de acuerdo a su tamantildeo
Tabla 21 Cantidad de estieacutercol por tamantildeo y especie animal
Especie
animal Tamantildeo
Peso
vivo
Kg
Estieacutercol
diacutea
m3
biogaacuteskg-
excreta
m3
biogaacutesan
imal-diacutea
Relacioacuten
CN
Relacioacuten
Excreta-
Agua
Vacuno
Vaca 300 10 004 04
251 12 Toro 400 15 004 06
Ternero 120 4 004 016
Porcino
Cerdo 50 225 006 0135
151 12 a 13 Lechoacuten 30 15 006 009
Criacutea 12 1 006 006
Aves
Ponedora 2 018 008 0014
221 13 Pollos 1 012 008 0010
Criacuteas 05 008 008 0006
Ovino
Grande 32 5 005 025
351 12 a 13 Mediano 15 2 005 01
Pequentildeo 8 1 005 005
Caprino 50 2 005 01 401 12 a 13
Conejo 3 035 006 0021 231 12 a 13
Equino 450 15 004 06 501 12 a 13
Fuente Carrillo 2004
232 Definicioacuten biogaacutes
Seguacuten Erosky (2005) el biogaacutes es una mezcla de gases producto de la
descomposicioacuten anaeroacutebica de la materia orgaacutenica realizada por la accioacuten
bacteriana Las bacterias consumen la materia orgaacutenica compuesta principalmente
por carbono y nitroacutegeno y como resultado se produce una combinacioacuten de gases
conformados mayoritariamente por metano (CH4) el cuaacutel brinda las
caracteriacutesticas combustibles al biogaacutes y dioacutexido de carbono (CO2)
25
El biogaacutes puede generarse de forma ldquoespontaacuteneardquo en la naturaleza ya que todo
desecho o residuo orgaacutenico tiene la capacidad de producir biogaacutes Un claro
ejemplo de esto es el gas natural que no es maacutes que un tipo de biogaacutes
2321 Volumen del biogaacutes
El volumen y las caracteriacutesticas del biogaacutes son muy variables y se ven
directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen
Dependiendo de la composicioacuten fisicoquiacutemica y la cantidad de carbono
degradable que contenga la materia orgaacutenica se tendraacute mayor o menor produccioacuten
de biogaacutes El volumen del gas metano producido se expresa en m3 biogaacutesm
3
digestor o su vez m3 biogaacuteskg Demanda Quiacutemica de Oxiacutegeno (DQO) y difieren
seguacuten el tipo de residuo la concentracioacuten de Soacutelidos Volaacutetiles (SV) la relacioacuten de
carga el tiempo de retencioacuten y el disentildeo del digestor Generalmente la produccioacuten
de biogaacutes oscila entre 1 a 5 m3 biogaacutesm
3digestor (Carrillo 2004)
2322 Caracteriacutesticas del biogaacutes
De acuerdo con Bravo (2007) la composicioacuten del biogaacutes variacutea de acuerdo al tipo
de desecho o biomasa utilizada y las condiciones en que se degrada Generalmente
el biogaacutes se encuentra conformado por metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) y
otros gases en menor proporcioacuten (ver tabla 22)
Tabla 22 Composicioacuten promedio del biogaacutes
Compuesto Siacutembolo Volumen ()
Metano CH4 55ndash70
Dioacutexido de Carbono CO2 35ndash40
Nitroacutegeno N2 05 ndash5
Sulfuro de Hidroacutegeno H2S 01
Hidroacutegeno H2 1 ndash 3
Vapor de agua H2O trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 23 el metano es el componente mayoritario
en esta mezcla de gases Por lo tanto el metano seraacute el que determine el valor
energeacutetico del biogaacutes dependiendo de su concentracioacuten Por lo general el valor
26
caloriacutefico del biogaacutes variacutea de 20 ndash 25 MJm3 o 4500 ndash 5 600 kcalm
3 Algunas de
las propiedades tiacutepicas del biogaacutes se presentan a continuacioacuten (Hilbert 2008)
Tabla 23 Composicioacuten del biogaacutes derivado de diversas fuentes
Composicioacuten Desechos
Agriacutecolas
Lodos
Cloacales
Desechos
Industriales
Metano CH4 50 ndash 80 50 ndash 80 50 ndash 70
Dioacutexido de Carboacuten CO2 30 ndash 50 20 ndash 50 30 ndash 50
Nitroacutegeno N2 0 ndash 1 0 ndash 3 0 ndash 1
Sulfuro de Nitroacutegeno H2S 0 - 01 0 ndash 1 0 ndash 8
Hidroacutegeno H2 0 ndash 2 0 ndash 5 0 ndash 2
Monoacutexido Carbono CO 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Oxiacutegeno O2 0 ndash 1 0 ndash 1 0 ndash 1
Amoniaco NH3 trazas Trazas trazas
Vapor de agua H2O saturacioacuten Saturacioacuten saturacioacuten
Orgaacutenicos trazas Trazas trazas
Fuente Hilbert 2008
Como se puede observar en la tabla 24 el biogaacutes es un poco maacutes liviano que el
aire posee una temperatura de ignicioacuten de 650 ndash 750 degC su llama alcanza una
temperatura de 870 degC Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogaacutes a
altas presiones controlando la presencia del oxiacutegeno
Tabla 24 Propiedades del biogaacutes
Propiedades Valor Unidades
Biogaacutes 60 (CH4) ndash 40 (CO2) vol
Temperatura de ignicioacuten 650ndash750 degC
Presioacuten critica 75-89 MPa
Densidad nominal 12 kgm3
Densidad relativa 083
Contenido de Oxiacutegeno para la
explosioacuten 6ndash12 vol
Fuente Hilbert 2008
2323 Adaptabilidad del biogaacutes en la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica
El valor caloriacutefico del biogaacutes tiene un promedio 64 kWhm3 Es decir que 1 m
3 de
biogaacutes es energeacuteticamente equivalente a medio litro de dieacutesel (IDAE 2007) El
biogaacutes puede ser utilizado directamente como cualquier otro gas combustible
27
aunque en algunos casos se requieren procesos previos de purificacioacuten del gas
dependiendo del uso que se le va a dar El biogaacutes a nivel industrial puede ser
utilizado para la generacioacuten de teacutermica o electricidad en calderas secadores
hornos en motores o turbinas para generar electricidad en pilas de combustible
(previa purificacioacuten) o como material base para la siacutentesis de productos de
elevado valor agregado como combustible de automocioacuten A nivel rural el biogaacutes
puede ser utilizado como combustible de estufas para la calefaccioacuten de animales
para la iluminacioacuten mediante laacutemparas de mechero donde no requieren del gas a
presioacuten asiacute como combustible uacutenico para refrigeradores calentadores de agua
estufas simples para la coccioacuten de alimentos secadores y motores de combustioacuten
interna adecuados para el funcionamiento con biogaacutes (Hilbert 2008)
En la tabla 25 se muestra el rendimiento de 1 m3 de biogaacutes para los diferentes
artefactos que se pueden utilizar
Tabla 25 Implementacioacuten de 1 m3 de biogaacutes y su duracioacuten
Uso Consumo Rendimiento ()
Quemador de cocina 300 ndash 600 lh 50 - 60
Laacutempara a mantilla (60 W) 120 - 170 lh 30 - 50
Heladera de 100 litros 30 ndash 75 lh 20 - 30
Motor de gas 05 m3kWh 25 - 30
Quemador de 10 kW 2 m3h 80 - 90
Cogenerador 1 kW electricidad
05m3kWh
2 kW teacutermica
Hasta 90
Fuente Hilbert 2008
El biogaacutes en mezcla con el aire en una relacioacuten de 120 forma un gas altamente
explosivo con un poder caloriacutefico aproximado de 5 500 kcalm3 siendo un valor
muy inferior al de gas propano que tiene 22 000 kcalm3 (Matamorros 2013) Sin
embargo el biogaacutes puede ser considerado una fuente de energiacutea renovable y
alternativa Ademaacutes es una solucioacuten inmediata a los problemas de contaminacioacuten
por parte de los residuos orgaacutenicos los cuales producen gases de efecto
28
invernadero al ser depositados en vertederos y que representan la principal
materia prima para la generacioacuten o produccioacuten de biogaacutes a traveacutes del proceso de
biodigestioacuten anaerobia
233 Cantidad volumeacutetrica de bioabono
El bioabono o biol contiene nutrientes que son faacutecilmente asimilados por las
plantas hacieacutendolas maacutes vigorosas y resistentes convirtieacutendose este residuo
orgaacutenico en un excelente fertilizante para los cultivos El mismo que se encuentra
constituido principalmente por la fraccioacuten orgaacutenica que no es degradable
anaeroacutebicamente Su constitucioacuten puede variar mucho dependiendo de las
variaciones en el contenido de la materia orgaacutenica utilizada para alimentar el
biodigestor y del tiempo de residencia de dicho material
El biol es considerado un excelente fertilizante orgaacutenico debido a que la digestioacuten
es anaeroacutebica por lo tanto no existe perdida en los nutrientes siendo estos
nitroacutegeno foacutesforo potasio calcio y magnesio y en menor proporcioacuten cobre
manganeso hierro entre otros Por ejemplo en el proceso de digestioacuten anaerobia
el nitroacutegeno reduce sus peacuterdidas de un 18 a un 1 Mientras que el carbono de
un 33 a un 7 Es decir se conservan en el efluente los nutrientes que son
esenciales para las plantas Ademaacutes el nitroacutegeno que se encuentra en la materia
orgaacutenica esta un 75 en forma de macromoleacuteculas orgaacutenicas y un 25 en forma
mineral En la digestioacuten anaeroacutebica sufre una transformacioacuten reduciendo a 50 el
nitroacutegeno orgaacutenico y aumentando a un 50 el nitroacutegeno en forma mineral el cual
es directamente asimilable por las plantas El tratamiento almacenamiento y
cuidado que se debe dar al biol es muy importante ya que al descargar el
bioabono del biodigestor eacuteste va perdiendo su contenido de nitroacutegeno mineral
por lo tanto disminuiraacute sus caracteriacutesticas nutritivas propias del efluente
2331 Caracteriacutesticas del fertilizante orgaacutenico
El biol se encuentra compuesto por diversos productos orgaacutenicos e inorgaacutenicos
los cuales pueden ser utilizados tanto para la fertilizacioacuten de suelos asiacute como
tambieacuten para la alimentacioacuten de algunas especies
29
En la digestioacuten anaeroacutebica se conservan en el efluente todos los nutrientes
originales (N P K Ca Mg) de la materia prima los cuales son esenciales para las
plantas mientras que se remueven soacutelo los gases generados (CH4 CO2 H2S) que
comprenden del 5 al 10 del volumen total del material de carga Son estos los
motivos por los cuales el bioabono posee caracteriacutesticas fertilizantes capaces de
influenciar sobre plantas y cultivos elevando su productividad (Aacutelvarez 2010)
234 Caracterizacioacuten de la materia prima y productos
En la caracterizacioacuten de la materia prima se definiraacute a los soacutelidos totales soacutelidos
volaacutetiles demanda quiacutemica de oxiacutegeno y la relacioacuten de carbono nitroacutegeno
2341 Soacutelidos totales
La materia orgaacutenica que ingresa o alimenta a un biodigestor debe estar
constituida por una importante cantidad de agua y una fraccioacuten soacutelida que esta
demandada por la concentracioacuten de soacutelidos totales (ST) Estos mismos se refieren
al peso del material seco remanente despueacutes de un proceso de secado a 105 degC
hasta que no se nota la peacuterdida de peso (Clesceri 1992) El porcentaje de soacutelidos
oacuteptimo para digestores continuos oscila entre el 8 y el 12 ya que si se aumenta
el contenido de soacutelidos la movilidad de las bacterias metanogeacutenicas dentro del
sustrato se veraacute limitada Afectando de manera directa la eficiencia y produccioacuten
de gas El porcentaje oacuteptimo de soacutelidos tambieacuten dependeraacute del disentildeo del digestor
En el caso del estieacutercol del ganado bovino el porcentaje de soacutelidos totales que
posee variacutea entre 17 y 20 por lo que es necesario agregar un volumen de agua
para diluir la materia prima y de esta manera reducir el porcentaje de soacutelidos
totales Las diluciones se realizaraacuten en funcioacuten del residuo con el que se va a
trabajar y del contenido de soacutelidos que posee el mismo
2342 Soacutelidos volaacutetiles
Los soacutelidos volaacutetiles (SV) o soacutelidos totales orgaacutenicos se refieren a la parte de los
soacutelidos totales que se volatilizan durante la calcinacioacuten de la biomasa residual a
temperaturas superiores de los 550 ordmC En teoriacutea los soacutelidos volaacutetiles contienen
30
todos los compuestos orgaacutenicos que pueden convertirse en metano en el proceso
de digestioacuten anaeroacutebica Dicho de otra manera los soacutelidos volaacutetiles son parte de la
materia orgaacutenica de los soacutelidos totales (ICAITI 1983)
El rendimiento de un biodigestor se veraacute influenciado en gran parte por el
contenido en materia orgaacutenica del material de carga ( o ST) ya que al tener
material de carga con un elevado porcentaje de materia orgaacutenica degradable esta
se transformaraacute gracias a los procesos de digestioacuten anaeroacutebica en biogaacutes En este
caso el proceso tendraacute una elevada produccioacuten de biogaacutes traducieacutendose en un
buen rendimiento del proceso Obviamente para que la produccioacuten de biogaacutes sea
la adecuada se deben controlar todos los paraacutemetros de operacioacuten del proceso y
asegurar que dichos paraacutemetros no sobrepasen sus liacutemites oacuteptimos de trabajo
2343 Demanda quiacutemica de oxiacutegeno
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno es un paraacutemetro aproximado que mide el
contenido total de materia orgaacutenica presente en una muestra liacutequida La DQO
cuantifica la cantidad de oxiacutegeno necesario para oxidar la materia orgaacutenica
degradable y se expresa en mg de oxiacutegeno consumido para la oxidacioacuten de las
sustancias reductoras presentes en un litro de muestra (mg O2l)
2344 Relacioacuten carbono ndash nitroacutegeno
Un paraacutemetro muy importante para el crecimiento bacteriano y para la capacidad
fertilizante del biol es la relacioacuten carbono nitroacutegeno (CN)
Las bacterias necesitan carbono y nitroacutegeno para vivir Al momento de introducir
el material de carga a un biodigestor generalmente materia orgaacutenica se estaacute
facilitando la obtencioacuten de estos elementos a la flora microbiana ya que los
mismos se encuentran presentes en la materia orgaacutenica en forma de carbohidratos
y proteiacutenas Estos carbohidratos y proteiacutenas seraacuten indispensables para el
crecimiento desarrollo y actividad de las bacterias anaeroacutebicas
31
235 Proceso de digestioacuten anaerobia
La digestioacuten anaeroacutebica es un proceso bioloacutegico en el cual diferentes grupos
bacterianos interactuacutean en ausencia del oxiacutegeno degradando la materia orgaacutenica
para transformar en un gas rico en metano denominado biogaacutes y un efluente rico
en nitroacutegeno denominado bioabono o biol Este proceso bioloacutegico se lo puede
dividir en tres etapas importantes que son hidroacutelisis-acidogeacutenesis acetogeacutenesis y
metanogeacutenesis (Funes 2004)
Es importante recordar que al iniciar el funcionamiento o al poner en marcha un
biodigestor se encuentra el desarrollo y formacioacuten de dos tipos de bacterias las
desnitrificantes las cuales son aerobias y cumplen la funcioacuten de remover el
oxiacutegeno disuelto permitiendo crear las condiciones anaeroacutebicas necesarias para la
existencia de las bacterias productoras de biogaacutes y las sulfato-reductasas las
cuales siempre estaacuten presentes y producen aacutecido sulfhiacutedrico (Funes 2004)
En la primera etapa de hidroacutelisis y acidogeacutenesis un grupo de bacterias
fermentativas principalmente bacterias proteoliacuteticas y celuloliacuteticas actuacutean sobre
la materia orgaacutenica (polisacaacuteridos liacutepidos y proteiacutenas) mediante una reaccioacuten de
hidroacutelisis enzimaacutetica transformando los poliacutemeros a monoacutemeros individuales
Posteriormente bacterias acidogeacutenicas realizan la conversioacuten de estos monoacutemeros
a productos como aacutecidos orgaacutenicos de cadena corta alcoholes hidroacutegeno
molecular (H2) dioacutexido de carbono (CO2) y amoniaco (NH3) Estos productos son
el sustrato de otro tipo de bacterias denominadas acetogeacutenicas (acetogeacutenesis) las
cuales producen acetato H2 y CO2 Simultaacuteneamente un grupo de bacterias
homoacetogeacutenicas degradan los aacutecidos de cadena larga a acetato H2 y CO2
El aacutecido aceacutetico constituye el principal sustrato para las bacterias metanogeacutenicas
(metanogeacutenesis) las cuales transforman el mismo a metano Las bacterias
formadoras de aacutecido generan mayoritariamente aacutecido aceacutetico y en menores
cantidades aacutecido propioacutenico y butiacuterico El 72 de metano producido proviene del
aacutecido aceacutetico (CH3COOH) y el 13 proviene del aacutecido propioacutenico
(CH3CH2COOH) o butiacuterico (C3H7COOH) El 15 restante se forma a partir de
hidroacutegeno molecular y dioacutexido de carbono reduccioacuten de metanol y degradacioacuten
de otros compuestos intermedios
32
Las bacterias metanogeacutenicas que transforman el aacutecido aceacutetico y los aacutecidos
propioacutenico y butiacuterico en metano se denominan bacterias metanogeacutenicas
acetoclaacutesticas mientras que las bacterias metanogeacutenicas que transforman el
hidroacutegeno molecular junto con dioacutexido de carbono en gas metano se suelen
denominar bacterias metanogeacutenicas hidrogenoclaacutesticas (Funes 2004)
Al interactuar y desarrollar de forma balanceada y equilibrada las tres etapas antes
mencionadas se asegura un funcionamiento estable y eficiente del biodigestor
236 Tecnologiacutea de utilizacioacuten de biodigestores
Los biodigestores son reactores donde se provocan de manera controlada la
digestioacuten anaeroacutebica para la obtencioacuten de biogaacutes y biol La mezcla de biomasa y
agua se introduce en el biodigestor donde permanece a una cierta temperatura
durante un tiempo determinado que variacutea en funcioacuten del tipo de biomasa
introducido y del tipo de digestor
2361 Tipos de biodigestores
En forma general los biodigestores se clasifican seguacuten su modo de operacioacuten en
los siguientes de reacutegimen estacionario o de Batch de reacutegimen semicontinuo
horizontales de desplazamiento y de reacutegimen continuo
Reacutegimen estacionario o de laboratorio (figura 21) son muy utilizados para
obtener fertilizante orgaacutenico el mismo que consiste en un tanque hermeacutetico con
una salida de gas Se carga una sola vez y se descarga cuando han dejado de
generar gas
Figura 21 Biodigestor estacionario o de laboratorio
Fuente Botero 2011
33
Los de reacutegimen semicontinuo se construyen enterrados se cargan por gravedad
una vez al diacutea En la parte superior flota una campana donde se almacena el gas
En otros disentildeos se construyen enterrados se operan a reacutegimen semicontinuo
entrando la carga por un extremo del biodigestor y saliendo el efluente por el
extremo opuesto
Un tipo de biodigestor de reacutegimen semicontinuo es el de cuacutepula fija existiendo
alrededor de 7 millones de sistemas de biodigestioacuten construidos en China los
cuales son fabricados de distintas formas y capacidades con diferentes materiales
pero tienen un disentildeo baacutesico en el que el biogaacutes es recolectado en una cuacutepula fija
Este tipo de biodigestor estaacute compuesto por una caja de registro de carga y
mezcla el digestor y una caja de descarga del afluente (biofertilizante) Este
biodigestor se caracteriza por tener una forma ciliacutendrica y estar enterrado lo cual
favorece el proceso de fermentacioacuten ya que existe poca influencia por los
cambios de temperatura Este modelo de biodigestor se construye con ladrillos o
con bloques debido a ello es importante tener mano de obra calificada (albantildeiles)
para poder construirlo y seguir el disentildeo que han elaborado los expertos en
sistemas de biodigestioacuten (figura 22)
Figura 22 Biodigestor de cuacutepula fija
Fuente Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en Ecoempresa 2013
Los de reacutegimen continuo se utilizan principalmente para tratamiento de aguas
negras son plantas muy grandes que emplean equipos para proporcionar su
34
calefaccioacuten y agitacioacuten En la figura 23 se puede apreciar un disentildeo de
biodigestor de esta naturaleza
Figura 23 Biodigestor con campana flotante fija
Fuente Garciacutea 2010
Los biodigestores horizontales o tipo salchicha que se observar en la figura 24
se utilizan en efluentes donde la concentracioacuten de microorganismos es elevada y
ha sido aplicado en diferentes tipos de residuos municipales desechos de la
cocina y de los animales domeacutesticos Eacuteste tipo de biodigestor es sencillo y
econoacutemico apropiado para las granjas pequentildeas posee tuberiacuteas de entrada y
salida de las aguas residuales y como elemento fundamental una bolsa de
polietileno o PVC que sirve como reactor (Samayoa 2012)
Figura 24 Biodigestor horizontal o tipo salchicha
Fuente Garciacutea 2010
Las plantas continuas son tambieacuten apropiadas para viviendas rurales donde se
puede aprovechar los desechos orgaacutenicos producidos por los desperdicios de la
cocina o desechos bioloacutegicos de animales domeacutesticos Se integran faacutecilmente a la
vida diaria y a su vez se tiene buena produccioacuten de gas Este tipo de biodigestor
35
tambieacuten tiene la ventaja de adaptarse al uso industrial por ejemplo en granjas
donde se deben tratar grandes cantidades de estieacutercol y no se tiene ninguna
disposicioacuten final es factible implementar esta tecnologiacutea
Entre las instalaciones maacutes sencillas se puede encontrar los reactores de cuacutepula
fija y de campana flotante Este uacuteltimo tiene la ventaja de soportar fluctuaciones
en el consumo de gas manteniendo la presioacuten constante En la figura 25 se puede
observar un esquema detallado del mencionado biodigestor
Figura 25 Biodigestor con campana flotante movible
Fuente Garciacutea 2010
La campana tambieacuten se construye separadamente del biodigestor La misma que
almacena el biogaacutes y sirve tambieacuten como regulador de presioacuten tal como se indica
en la figura 26
Figura 26 Biodigestor con campana flotante movible separada
Fuente Garciacutea 2010
36
2362 Paraacutemetros de control en un biodigestor
Los paraacutemetros de control maacutes importantes que se deben considerar son la
temperatura interna del biodigestor potencial de hidroacutegeno del sustrato tiempo de
retencioacuten hidraacuteulico produccioacuten de biogaacutes agitacioacuten y mezcla del sustrato
23621 Temperatura del sustrato
Dentro de la operacioacuten de un biodigestor la temperatura es quizaacute el paraacutemetro
maacutes importante a controlar Esta variable es la reguladora de la velocidad de
crecimiento bacteriano la cual influye de forma directa en la degradacioacuten de la
materia orgaacutenica y la produccioacuten de gas Aunque los rangos de temperaturas en
las cuales pueden operar un biodigestor es muy amplio van desde 10 hasta 60 degC
pero siempre es importante mantener la temperatura lo maacutes constante posible
porque ante cambios bruscos y prolongados pueden ocasionar un desbalance en la
proporcioacuten de microorganismos existentes dentro del mismo Las bacterias
metanogeacutenicas son muy sensibles a cambios de temperatura y la velocidad de
crecimiento que presentan las mismas es mucho menor que la de otros
microorganismos que se pueden encontrar dentro de un biodigestor Por esto si se
tienen cambios de temperatura bruscos y prolongados dentro del reactor el tiempo
de reposicioacuten que presentaraacuten las bacterias metanogeacutenicas seraacute menor que el de
los otros microorganismos por lo que se pueden sufrir descensos en el pH y
reduccioacuten en la produccioacuten de biogaacutes originando de esta manera el mal
funcionamiento del biodigestor (Ly 2001)
Existen tres regiacutemenes de temperatura bajo los cuales puede operar un
biodigestor sicrofiacutelico mesofiacutelico y termofiacutelico
Es importante remarcar que sin importar el reacutegimen bajo el cual se desee operar
un biodigestor lo primordial es mantener constante cualquier temperatura a la que
esteacute operando y en caso de realizar un cambio en la misma hacerlo de manera
lenta y pausada (Chungandro 2010)
Las temperaturas de operacioacuten consideradas oacuteptimas para la produccioacuten de gas en
un biodigestor son de 36 degC en el rango mesofiacutelico y 55 degC en el rango
termofiacutelico
37
23622 Potencial de hidroacutegeno
El rango oacuteptimo del potencial de hidroacutegeno (pH) bajo el cual un biodigestor
opera de manera eficiente y presenta buena produccioacuten de biogaacutes tiene valores de
65 hasta 75 de pH es decir un valor neutro Al operar un biodigestor es muy
importante mantener el pH dentro de este rango ya que si no se alcanzan o se
exceden dichos valores la velocidad de degradacioacuten bacteriana disminuye o se
detiene minimizando o suspendiendo la produccioacuten de biogaacutes Algunas de las
razones por las cuales el pH de un biodigestor se puede tornar aacutecido son
sobrecarga de materia orgaacutenica o por cambios bruscos y prolongados en la
temperatura
Principalmente los problemas que se tendraacuten durante la operacioacuten de un
biodigestor seraacuten por valores de pH aacutecidos y muy difiacutecilmente se tendriacutean
valores de pH sobre los 8 durante la operacioacuten del mismo motivo por el cual
solo se tratan medidas correctivas para descensos en el pH
23623 Cantidad volumeacutetrica de carga y descarga
Es el tiempo en que la materia orgaacutenica permanece dentro del digestor tambieacuten
denominado volumen de carga y descarga El Tiempo de Retencioacuten Hidraacuteulico
(TRH) se calcula dividiendo el volumen uacutetil del biodigestor para el caudal
volumeacutetrico diario de alimentacioacuten obtenieacutendose el resultado en diacuteas A
continuacioacuten se presenta la ecuacioacuten 21 para TRH seguacuten Hilbert (2008)
120591 =119881
119881 (21)
Doacutende
120591- tiempo de retencioacuten hidraacuteulico diacutea
V- volumen del digestor m3
119881 - caudal volumeacutetrico diario de alimentacioacuten m3diacutea
38
23624 Presioacuten del biogaacutes
La presioacuten del biogaacutes durante la operacioacuten de un biodigestor es un indicador
directo del estado en el cual se encuentra el mismo Una alta produccioacuten de biogaacutes
refleja una alta actividad bacteriana y una presioacuten ascendente Estos sistemas
alcanzan presiones maacuteximas de 14 psi encontraacutendose la media en 045 psi
presioacuten a la cual funcionan correctamente los artefactos domeacutesticos Para reducir
el volumen de almacenaje se puede comprimir el gas y almacenar a presiones
medias (05 a 15 bar) y altas hasta 300 bar Este tipo de almacenamiento demanda
un gasto extra de energiacutea para comprimir el gas y ademaacutes se debe purificar
extrayendo el vapor de agua el dioacutexido de carbono y el aacutecido sulfiacutedrico Los
contenedores de gas para estas presiones (cilindros en general) son costosos
debido a que deben tener suficiente rigidez estructural para poder soportar los
esfuerzos a los que esta sometidos (Hilbert 2008)
23625 Agitacioacuten y mezcla del sustrato
La produccioacuten de biogaacutes que presenta un biodigestor se ve altamente beneficiada
cuando existe la presencia de cualquier tipo o meacutetodo de agitacioacuten en el mismo El
movimiento del digestor permite un buen contacto entre las bacterias la materia
prima en degradacioacuten y los compuestos intermedios producto de las diferentes
etapas del proceso digestivo teniendo como resultado la homogeneizacioacuten de la
materia orgaacutenica preservacioacuten de las condiciones de temperatura e incremento en
la produccioacuten de biogaacutes
Al mantener la mezcla reactiva al interior del biodigestor en constante agitacioacuten
se optimizan las condiciones para la generacioacuten de metano ademaacutes de evitar la
formacioacuten de espumas la sedimentacioacuten de la materia que se encuentra dentro del
reactor y la formacioacuten de zonas muertas por no estar en contacto la materia
orgaacutenica y los microorganismos
23626 Cantidad volumeacutetrica de agua
Hilbert (2008) considera que la mezcla ideal entre las excretas del ganado vacuno
y el agua deben tener una relacioacuten de 115 es decir 1 kg-estieacutercol15 litros-agua
39
la misma que debe formar un fluido pastoso de 50 000 cetipoise En la tabla 21 se
encuentra la relacioacuten de estieacutercol-agua de acuerdo a cada especie animal por tipo y
tamantildeo
237 Poder caloacuterico del biogaacutes
Se propone un meacutetodo experimental alternativo para la medicioacuten del poder
caloriacutefico inferior del biogaacutes Seguacuten Martina (2006) el presente meacutetodo podriacutea
aplicarse ante la imposibilidad praacutectica y econoacutemica de conseguir el caloriacutemetro
de Junkers que es el instrumento utilizado para medir el poder caloriacutefico a presioacuten
constante de gases y liacutequidos En la figura 27 se detallan los instrumentos
utilizados en el experimento como son el gasoacutemetro recipiente aforado para el
gas termoacutemetro matraz aforado agua para el sello hidraacuteulico y el mechero de
Bunsen
Figura 27 Esquema del meacutetodo experimental
Fuente Martina 2006
El meacutetodo calorimeacutetrico propuesto consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de
temperatura y presioacuten un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloriacutefico se quiere
determinar) y el mismo volumen de un gas cuyo poder caloriacutefico se conoce de
antemano para este caso se utilizoacute gas de uso domeacutestico (GLP) Ambos
voluacutemenes se incineran calentando un litro de agua por vez y en base a la
variacioacuten de temperatura lograda en cada uno de los 2 ensayos las masas de
ambos gases y el poder caloriacutefico del gas conocido se puede calcular el poder
40
caloriacutefico del gas desconocido La cantidad de gas quemado en ambos casos es de
5 litros y eacutesta cantidad se encuentra confinada en un gasoacutemetro donde una
columna de agua actuacutea tanto de sello hidraacuteulico como de columna de presioacuten El
ensayo se empieza con un volumen inicial de gas de 6 litros y una presioacuten de
columna de agua de 253 cm y se finaliza con un volumen de 1 litro y una presioacuten
de columna de agua de 11 cm Por encima de esta columna de presioacuten
manomeacutetrica actuacutea la presioacuten atmosfeacuterica sobre la superficie libre del agua que se
mantiene siempre en el mismo nivel lo cual explica que vayan variando las
columnas de agua al ir quemaacutendose el gas Este meacutetodo de presioacuten variable en la
inflamacioacuten del gas se eligioacute por cuestiones de facilidad operativa y porque los
resultados finales no variariacutean con respecto a una combustioacuten a presioacuten constante
Las dos muestras de gas se queman una por una en el mismo mechero de Bunsen
y los dos ensayos se hacen uno a continuacioacuten del otro en ideacutenticas condiciones
de temperatura ambiente y presioacuten atmosfeacuterica
238 Ecuacioacuten de estado de los gases
Es una ecuacioacuten de estado de los gases constitutiva para sistemas hidrostaacuteticos
que describe el estado de agregacioacuten de la materia como una relacioacuten matemaacutetica
entre la temperatura la presioacuten el volumen la densidad la energiacutea interna y
posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia (Alonso 1986)
119901 ∙ 119881 = 119899 ∙ 119877 ∙ 119879 (22)
Doacutende
n- cantidad de sustancia moles
T- temperatura absoluta del gas degK
R- constante universal de los gases ideales (8314472) Jmol degK
p- presioacuten absoluta kgfcm2
V- volumen cm3
41
239 Definicioacuten de densidad
La densidad es una medida de cuaacutento material se encuentra comprimido en un
espacio determinado y es directamente proporcional a la masa e inversamente
proporcional al volumen la misma se expresa en la ecuacioacuten 23 (Alonso 1986)
120588 =119898
119881 (23)
Doacutende
m- masa kg
120588- densidad kgm3
La densidad del estieacutercol del ganado vacuno de leche Liliana (2010) determinoacute
que 120588 = 0994 gcm3
2310 Presioacuten de la columna de agua
La presioacuten representa el peso de una columna de agua pura ( 1 000 kgmsup3) El
muacuteltiplo maacutes utilizado es el metro de columna de agua (mca) que seraacute la
presioacuten medida en el fondo de un volumen de liacutequido la misma que se representa
mediante la ecuacioacuten 24 (Alonso 1986)
119901 = 120588 ∙ 119893 ∙ 119892 (24)
Doacutende
h- altura m
g- gravedad (980665) ms2
2311 Calor especiacutefico de un cuerpo
Es una magnitud fiacutesica que se define como la cantidad de calor (Q) representada
en la ecuacioacuten 25 donde hay que suministrar a la unidad de masa (m) de una
sustancia o sistema termodinaacutemico para elevar su temperatura en una unidad
42
(ΔT) En general la cantidad de calor especiacutefico depende del valor de la
temperatura inicial de acuerdo a lo descrito por Alonso (1986)
119876 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879 (25)
Doacutende
Q- calor kcal
ce- calor especifico kcalkg ordmC
ΔT- variacioacuten de temperatura ordmC
24 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecieron mediante el marco teoacuterico los conceptos baacutesicos que
permiten la descripcioacuten y comprensioacuten del proceso de la biodegradacioacuten
de la materia orgaacutenica en un ambiente anaeroacutebico para la obtencioacuten de
biogaacutes y bioabono Lo anterior posibilitoacute la estructuracioacuten teoacuterica de la
investigacioacuten referente a las energiacuteas renovables y el aprovechamiento
energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten
Se establecieron ecuaciones que permiten el caacutelculo de la densidad la
presioacuten y el calor especiacutefico Estos paraacutemetros son importantes para la
instalacioacuten investigada por cuanto determinan su funcionamiento
termodinaacutemico
43
CAPIacuteTULO 3 METODOLOacuteGIA
31 Introduccioacuten
La seleccioacuten y establecimiento de metodologiacuteas para el desarrollo de
investigaciones es de gran importancia por cuanto la misma constituye la
conexioacuten necesaria entre el problema y los resultados obtenidos En este sentido el
objetivo del presente capiacutetulo es establecer una metodologiacutea que posibilite el
desarrollo satisfactorio de la investigacioacuten
32 Disentildeo de la investigacioacuten
La investigacioacuten cientiacutefica se desarrollaraacute a partir de la modalidad bibliograacutefica
Permitiendo el enriquecimiento del estado del arte en su cultura general del objeto
a investigar A su vez se ejecutaraacute trabajo de campo el cual consistiraacute en explicar
la causa y efecto de una variable con respecto a la otra entendiendo su naturaleza
asiacute como sus factores caracteriacutesticos que pueden definir el control la prediccioacuten
del proceso que es el objeto de estudio Finalmente se procederaacute al trabajo de
gabinete para el procesamiento de la informacioacuten anaacutelisis y discusioacuten de los
resultados disponibles
321 Modalidad de la investigacioacuten
Seguacuten Sampieri (1991) se clasifican en de campo bibliograacutefica y documental En
el cual para el presente trabajo se desarrolla una investigacioacuten de campo
tomando como zona de estudio la hacienda Galpoacuten perteneciente al cantoacuten
Salcedo provincia de Cotopaxi lugar doacutende se genera y almacena a la intemperie
las excretas del ganado sin los requerimientos teacutecnicos adecuados
44
3211 De campo
La modalidad del proyecto es de campo ya que se analizaraacute metoacutedicamente el
problema que provoca la biomasa residual del ganado vacuno en los establos y en
el aacuterea de acopio de la hacienda Galpoacuten con el fin de analizar las causas y efectos
de las excretas del bovino con los resultados obtenidos se plantearaacute un recurso
alternativo donde se pueda aprovechar estos residuos para generar nuevas fuentes
de energiacuteas limpias Tambieacuten seraacute necesaria la intervencioacuten directa de las
personas que se encuentran involucradas en las actividades de la hacienda
Para esta investigacioacuten se recopilaraacuten datos directos de la biomasa animal que se
genera a diario en los establos y potreros mediante caacutelculos toma de muestras
mediciones entrevistas al veterinario y al personal que se encuentra a cargo del
mantenimiento de la hacienda
Se realizaran varias tomas de muestra de las excretas del bovino con el propoacutesito
de determinar un valor promedio de kilogramos de biomasa por diacutea para llenar al
biodigestor alternativo
3212 Bibliograacutefica y documental
El presente proyecto tiene recursos bibliograacuteficos para respaldar su investigacioacuten
en textos artiacuteculos cientiacuteficos tesis manuales paacuteginas de internet y seminarios
relacionados con el tema de estudio
322 Tipos de investigacioacuten
Por la caracteriacutestica de la investigacioacuten se pretende realizar indistintamente la
exploratoria descriptiva comparativa y experimental
3221 Investigacioacuten exploratoria
Los estudios exploratorios permiten aumentar el grado de familiaridad con
fenoacutemenos relativamente desconocidos o estudios realizados en otros paiacuteses
obtener informacioacuten sobre la posibilidad de llevar a cabo un tratado maacutes completo
sobre un contexto en particular de la vida real (Sampieri 1991) En el caso del
presente trabajo se inicia con el aprovechamiento del potencial energeacutetico en un
45
biodigestor donde se aplica un aislante teacutermico al proceso de digestioacuten anaeroacutebica
para mejorar su eficiencia en la produccioacuten de biogaacutes Donde se analizaraacute las
variables fiacutesicas del biodigestor como temperatura del sustrato y temperatura
ambiente la presioacuten del digestor y el porcentaje de metano contenido en el biogaacutes
3222 Investigacioacuten descriptiva
Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
cualquier proceso sometido a anaacutelisis (Sampieri 1991) En la presente
investigacioacuten se recolecta informacioacuten relacionada con el caudal presioacuten y
rendimiento del biogaacutes en un biodigestor aislado teacutermicamente demostrando su
causa y efecto
3223 Investigacioacuten experimental
Se refiere a un estudio de investigacioacuten en el que se manipulan deliberadamente
una o maacutes variables independientes para analizar las consecuencias de esa
intervencioacuten directa sobre el proceso de biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
dentro de una situacioacuten controlada por el investigador (Sampieri 1991) En este
proyecto se tiene como variable independiente al potencial de biomasa residual
del ganado vacuno donde se realizaran los experimentos observando y midiendo
su relacioacuten con la variable dependiente que es el aprovechamiento energeacutetico
Relacionando el proceso de digestioacuten anaeroacutebica el potencial energeacutetico de esta
biomasa residual del ganado vacuno en estudio depende directamente de la
temperatura del sustrato tipo de sustrato (nutrientes disponibles) la carga
volumeacutetrica el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica y nivel de acidez (pH)
En el proceso se manipulan deliberadamente uno o maacutes variables independientes
como son tipo de sustrato temperatura del sustrato nivel de pH tiempo de
retencioacuten hidraacuteulica para analizar las consecuencias de esa intervencioacuten sobre una
o maacutes variables dependientes dentro de una situacioacuten de control de la
investigacioacuten
Los experimentos auteacutenticos y puros manipulan las variables independientes para
ver sus efectos sobre las variables dependientes de acuerdo a un escenario de
46
control (Sampieri 1991) por ello dentro del disentildeo de la investigacioacuten se usaraacute la
experimentacioacuten por la flexibilidad que proporciona este meacutetodo
33 Operacionalizacioacuten de variables
En la operacionalizacioacuten de las variables se toman en cuenta las dos variables que
se emplearon en este estudio las mismas que se desarrollan en la tabla 31
Tabla 31 Operacionalizacioacuten de la variable independiente y dependiente
VARIABLE INDEPENDIENTE Potencial de biomasa residual del ganado
vacuno
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad de
biomasa residual
(agriacutecola
industrial urbana)
que puede ser
aprovechada para
obtener energiacutea
alternativa y
biofertilizantes
Excreta animal
de ganado
vacuno
Potencial de
excretas Kg Caacutelculo Ecuaciones
Capacidad del
biodigestor
Cantidad
volumeacutetrica
cargadescarga
m3 Caacutelculo Ecuaciones
Potencial de
hidroacutegeno pH Medicioacuten
pH-metro
Cintas
Portador
energeacutetico
Temperatura del
sustrato degC Medicioacuten
Termoacutemetro
Sensor
Volumen del
biogaacutes m
3 Medicioacuten Gasoacutemetro
Agua natural
para la mezcla
Cantidad
volumeacutetrica de
agua
m3 Caacutelculo Ecuaciones
VARIABLE DEPENDIENTE Aprovechamiento energeacutetico biomasa
Concepto Categoriacutea Indicadores Iacutetem Teacutecnicas Instrumentos
Cantidad y calidad
de energiacutea que se
puede obtener de
un determinado
volumen de
biomasa
Poder caloacuterico Caacutelculos Ecuaciones
Biogaacutes Presioacuten del biogaacutes PSI Medicioacuten Manoacutemetro
Sensor
Volumen de
biogaacutes m
3 Medicioacuten Caudaliacutemetro
Bioabono Cantidad
volumeacutetrica Caacutelculos Ecuaciones
47
34 Lugar de la investigacioacuten
La investigacioacuten se llevaraacute a cabo en la sierra centro provincia de Cotopaxi
cantoacuten Salcedo parroquia San Miguel comuna Galpoacuten desmembrando la
hacienda Galpoacuten
341 Aacuterea de influencia directa
La hacienda Galpoacuten se encuentra a 15 km de Salcedo provincia de Cotopaxi
seguacuten coordenadas geograacuteficas de Google Earth (2013) 1deg03‟1490‟‟ Sur y
78deg34‟0143‟‟ Oeste a 2 738 msnm con una altura de vista cartograacutefica
maacutexima de 6 km (Anexo 23) zona que se caracteriza por su temperatura
promedio anual de 15 degC siendo un clima apropiado para aplicar esta tecnologiacutea
ademaacutes con la disponibilidad del agua de regadiacuteo hacen a esta zona un lugar
propicio para dedicarse a la agricultura y ganaderiacutea pero que atraviesa un deacuteficit
en los servicios baacutesicos como GLP electricidad y agua potable En la figura 31
se puede observar una fotografiacutea de la parte frontal de la hacienda Galpoacuten
Figura 31 Vista frontal de la hacienda Galpoacuten
35 Metodologiacutea
Haciendo referencia a todos los objetivos planteados en la evaluacioacuten del
potencial energeacutetico de la biomasa residual del ganado vacuno en la hacienda
Galpoacuten se caracterizaron las variables establecidas en la Matriz de
Operacionalizacioacuten las mismas que seraacuten descritas en los siguientes literales
48
36 Levantamiento de la liacutenea base de los recursos energeacuteticos
La metodologiacutea utilizada permitiraacute efectuar el levantamiento de la liacutenea base de
los recursos energeacuteticos utilizados en la hacienda Galpoacuten
361 Obtencioacuten del consumo anual de electricidad
Para la obtencioacuten del consumo anual de la potencia consumida se solicitoacute a la
administracioacuten de la hacienda Galpoacuten las planillas de pago del consumo eleacutectrico
del contador de energiacutea Nro 75865 que abastece la carga de la residencia la
iluminacioacuten del establo y la demanda de la queseriacutea
Para contrastar los datos histoacutericos de las planillas de los meses de enero a
septiembre del 2013 se registroacute manualmente los meses de octubre noviembre y
diciembre del antildeo antes mencionado (ver Anexo 12) en la figura 32 se aprecia el
contador de energiacutea que se encuentra instalado en la hacienda
Figura 32 Registro del contador de energiacutea
362 Cantidad de consumo por antildeo del gas licuado de petroacuteleo
El consumo de gas licuado de petroacuteleo (GLP) se obtuvo de las facturas
proporcionadas por la administracioacuten de la hacienda para los meses de enero a
septiembre del 2013 Pero en octubre noviembre y diciembre del mismo antildeo se
realizoacute un registro personalizado de cuantos cilindros de GLP (cilindros de 45 kg)
se consume durante todo el mes permitiendo asiacute generar datos para analizar la
cantidad de gas utilizado (ver Anexo 12) En la figura 33 se observa los cilindros
de GLP dispuestos en la parte posterior de la hacienda los mismos que se
49
encuentran al aire libre por seguridad ante una posible fuga que se pueda
presentar en la vaacutelvula o manguera
Figura 33 Control del consumo de GLP
363 Biomasa vegetal utilizada anualmente
La lentildea (eucalipto capuliacute pino desechos de cosechas y otros) es un recurso
energeacutetico sustituyente al GLP en temporadas de escasez tambieacuten es utilizado en
las chimeneas y fogones de la hacienda para obtener energiacutea teacutermica (figura 34)
Para conocer el consumo anual de la biomasa vegetal se solicitoacute a la
administracioacuten las facturas de gastos realizados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 ademaacutes para octubre noviembre y diciembre se realizoacute un
registro manual del consumo de lentildea para constatar los datos de los meses
anteriores (ver Anexo 12)
Figura 34 Biomasa vegetal utilizada como lentildea
364 Consumo anual de fertilizantes quiacutemicos
La adquisicioacuten de los abonos quiacutemicos (fertilizantes) utilizados por la hacienda
para los diferentes cultivos propios de la sierra (patatas abas melloco maiacutez
arveja y otros) se realizoacute de acuerdo al requerimiento del cultivo Para el anaacutelisis
50
del consumo anual de los fertilizantes comprados entre los meses de enero a
septiembre del 2013 se solicitaron las facturas a la administracioacuten de la hacienda
y en los mese de octubre noviembre y diciembre se tomaron datos manualmente
para validar las adquisiciones de los abonos quiacutemicos de los meses anteriores (ver
Anexo 12) En la figura 35 muestra un saco de urea al 46 de nitroacutegeno
Figura 35 Abonos quiacutemicos para aplicar a los cultivos
37 Determinacioacuten de la carga diaria del estieacutercol en la hacienda Galpoacuten
Se realizoacute el anaacutelisis estadiacutestico del ganado vacuno seguacuten sexo y criacuteas datos
levantados in-situ en conjunto con el ingeniero agroacutenomoencargado del cuidado
de la hacienda con esos datos se tomoacute un valor promedio del peso por animal
vivo de acuerdo esto se clasificoacute al ganado vacuno por tipo y los equinos se
tabularon en una sola clase En el Anexo 15 se detallan los kilogramos y el total
de nuacutemero de animales
Para el anaacutelisis del porcentaje de la carga diaria del estieacutercol disponible en los
establos de la hacienda Galpoacuten se utilizaron cinco vacas elegidas aleatoriamente
entre un peso de 270 a 300 kg las excretas generadas diariamente se sumaron y se
dividieron para las cinco reses de esta manera se pudo determinar el porcentaje de
carga diaria que Monar (2008) sugiere en su literatura (60 )
La prueba se realizoacute durante cinco diacuteas utilizando un balde de 12 litros de
capacidad una pala manual y una balanza (50 kg) de esta manera se determinoacute el
peso del estieacutercol esto se realizoacute en los meses de agosto y octubre del antildeo 2013
por lo que sus resultados fueron tabulados de forma global y que a futuro pueden
realizar trabajos de mayor alcance y profundidad Sin embargo se consideran
51
resultados suficientes para el presente proyecto y asiacute contribuir con una poliacutetica
energeacutetica y de salud a mediano y largo plazo
38 Muestreo y caracterizacioacuten de la materia prima
En el presente ensayo se requieren determinar las caracteriacutesticas fiacutesicas del
estieacutercol del ganado vacuno para lo cual se aplicaraacute las siguientes metodologiacuteas
381 Metodologiacutea para el muestreo
Para el ensayo se recogieron excretas frescas directamente del establo en distintos
sitios representativos con el fin de asegurar resultados precisos de los paraacutemetros
fiacutesicos-quiacutemicos del estieacutercol Las muestras fueron recogidas en un recipiente de
1 000 ml para luego pesarlos en una balanza El proceso se efectuoacute en las
primeras horas de la mantildeana (ver Anexo 2) Materiales guantes de nitrilo
mascarilla pala manual termoacutemetro recipiente y una balanza
382 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten del estieacutercol
Con el fin de obtener una mezcla pastosa de alrededor 50 000 centipoise de color
verdoso (ATPP 2008) Las excretas del ganado vacuno recogidas directamente
del establo se mezclaron hasta tener una solucioacuten homogeacutenea de acuerdo a lo
sugerido por Hilbert (2008) donde se aplica una relacioacuten de 115 es decir 1 kg
de excretas ganado vacuno y 15 litros de agua sin cloro (ver Anexo 2) Preferible
utilizar agua de los canales de regadiacuteo o vertientes pues el cloro disminuye el
crecimiento de la poblacioacuten de los microorganismos
383 Evaluacioacuten en in-situ de la materia prima
Los paraacutemetros fundamentales del estieacutercol que se deben determinar en campo
son la temperatura y el potencial de hidroacutegeno
3831 Determinacioacuten del potencial de hidroacutegeno y temperatura
En el presente estudio antes de iniciar con el experimento se debe conocer el
valor del pH y temperatura para esto se utilizoacute el equipo HANNA HI 9813-6N El
52
mismo que es de medicioacuten directa simplemente se introduce el sensor en la
disolucioacuten y muestra los valores en el LCD del equipo (ver Anexo 2)
39 Seleccioacuten del modelo del biodigestor
Para la seleccioacuten del modelo de biodigestor se hace referencia de acuerdo a la
parte teoacuterica relacionada con la tecnologiacutea de los biorreactores posteriormente se
elaboroacute una matriz de decisiones por cada tipo de reactor poniendo en
consideracioacuten aspectos econoacutemicos fiacutesicos (topografiacutea del sector) operatividad
facilidad flexibilidad (aplicar nueva tecnologiacutea) y factibilidad de construccioacuten
todo esto con el uacutenico objetivo de seleccionar el biodigestor que mejor se adapte a
las condiciones de la hacienda Galpoacuten (Lara 2011)
El proyecto cuenta con la identificacioacuten del problema de acuerdo a la visita
teacutecnica realizada en campo para la implementacioacuten del biodigestor asiacute como
tambieacuten se dispone del dato estadiacutestico de la materia prima (excretas del ganado
vacuno) producido en la hacienda adicionalmente se tienen los detalles de los
principales factores a considerar para el disentildeo del reactor como son seleccioacuten del
sitio paraacutemetros de disentildeo cantidad de materia prima y disentildeo de forma tambieacuten
se menciona la operacioacuten y funcionamiento del mismo
391 Matriz de decisioacuten
Con el planteamiento de la matriz de decisiones se seleccionaraacute el biodigestor que
mejor se adapte a las condiciones del sitio donde se encuentra ubicada la hacienda
Galpoacuten (Lara 2011)
392 Definicioacuten de teacuterminos considerados en la matriz de decisiones
En la matriz de decisiones se deben caracterizar los teacuterminos baacutesicos maacutes
relevantes a la hora de seleccionar un tipo de biodigestor el mismo debe cumplir
los siguientes paraacutemetros teacutecnicos
a) Tipo de materia prima para el reactor
Es el tipo de biomasa residual con que son alimentados y podraacuten operar sin
ninguacuten problema los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su disentildeo
53
b) Vida uacutetil del biodigestor
Se refiere al tiempo de operatividad que tendraacute el biodigestor de acuerdo al tipo o
material con el que fue construido
c) Disponibilidad de aacuterea
El aacuterea requerida para la implementacioacuten del reactor es un factor fundamental en
la toma de decisiones La poca disponibilidad de terreno o el alto costo del mismo
pueden influir de manera decisiva en la factibilidad del proyecto a ejecutar
d) Costos de implementacioacuten
Este es un factor muy importante en el disentildeo de un biodigestor porque se
consideraraacuten los costos de ingenieriacutea construccioacuten operacioacuten y mantenimiento
f) Materiales de construccioacuten
Este concepto se refiere a la disponibilidad de los materiales modelo del reactor y
el grado de complejidad en la construccioacuten del tanque
g) Operacioacuten y mantenimiento del reactor
Bajo este paraacutemetro se agrupan principios que estaacuten relacionados con el
funcionamiento y el mantenimiento del biodigestor para garantizar el proceso de
digestioacuten anaeroacutebica programada de acuerdo a la factibilidad disponibilidad y
confiabilidad de la produccioacuten de biogaacutes
h) Rendimiento del biodigestor
Es un teacutermino muy importante en la toma de decisioacuten ya que pone eacutenfasis en la
productividad y la eficiencia que tiene el biodigestor
310 Caacutelculos y dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
Para el dimensionamiento del biodigestor de domo fijo chino se utilizaron
ecuaciones y se realizaron caacutelculos de ingenieriacutea de esta forma se determinaron
54
los paraacutemetros geomeacutetricos del tanque y el gasoacutemetro los cuales se dibujaron en
el programa de Auto CAD
311 Obtencioacuten del biogaacutes mediante reactores prototipos
Para la produccioacuten de biogaacutes se debe introducir la materia prima en un recipiente
hermeacutetico sin la presencia de oxiacutegeno donde las bacterias trabajaran en el
proceso anaeroacutebico de esta manera se obtendraacute el gas metano
La metodologiacutea aplicada para el estudio comprende lo siguiente
Construccioacuten de los tanques tipo ldquoBatchrdquo
Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes obtenido
312 Construccioacuten de los reactores tipo ldquoBatchrdquo
Para la ejecucioacuten del experimento se construyeron dos tanques en laacutemina de acero
inoxidable (no influyen en el proceso anaeroacutebico) ambos a escala de laboratorio
tipo ldquoBatchrdquo En este tipo de reactor la carga del estieacutercol se realiza una sola vez y
se descarga cuando finaliza el proceso de biodegradacioacuten
3121 Meacutetodo y materiales utilizados en la construccioacuten de los reactores
La construccioacuten de los dos tanques se realizoacute en laacutemina de acero galvanizado de
un espesor de 158 mm (116rdquo) cada uno con un volumen de 40 litros en la cual
se alojaraacute la biomasa a fermentar Al tanque estaacuten colocadas directamente tres
tuberiacuteas de acero galvanizado de acuerdo al disentildeo la primera de 1225 mm
(12rdquo) de diaacutemetro que se encuentra en la parte superior del tanque permite medir
la presioacuten del biogaacutes a traveacutes del manoacutemetro y el sensor de presioacuten la segunda
tuberiacutea de 6125 mm (2 frac12rdquo)de diaacutemetro se instaloacute de igual forma en la parte
superior y permite cargar la biomasa o tambieacuten tomar muestras se encuentra
sumergida en el efluente que a su vez permite hacer un sello hidraacuteulico la tercera
tuberiacutea de 1225 mm se encuentra sobresalida a un costado del tanque pero en su
interior forma un cuello de ganso que permite la salida del efluente por la parte
55
superior Cada una de los conductos estaacuten selladas hermeacuteticamente para asegurar
la anaerobiosis la primera y la segunda tuberiacutea con llaves de globo la tercera con
una tapa roscada Ademaacutes en la figura 36 se puede observar el sistema de
agitacioacuten manual tipo manivela
Figura 36 Biodigestor tipo batch utilizado en el experimento
Finalmente se tiene el gasoacutemetro (figura 37) donde se almacenaraacute el biogaacutes
para esta aplicacioacuten se utilizoacute una goma de vehiacuteculo (capacidad 25 litros) a la
misma se colocoacute una manguera conectada directamente al biodigestor y sujetadas
en sus extremos con abrazaderas debido a la presioacuten existente
Figura 37 Gasoacutemetro utilizado para el experimento
313 Ejecucioacuten del ensayo con los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo
La materia prima utilizada para los dos reactores fue recogida de forma similar
como se hizo para la metodologiacutea del muestreo
Preparacioacuten de la carga para los dos biodigestores se pesoacute el estieacutercol del ganado
vacuno 10 000 gramos en total y se agregoacute 15 000 ml de agua sin cloro este
56
procedimiento se realizoacute para cada reactor asumiendo la relacioacuten 115 sugerida
por Hilbert (2008) Luego se diluyoacute hasta formar una mezcla homogeacutenea se tomoacute
la lectura del pH y su temperatura (ver Anexo 2) en estas condiciones se cargoacute a
los dos tanques
Monitoreo de la produccioacuten de biogaacutes una vez cargados los dos reactores con la
materia prima se los colocoacute dentro de una cubierta que estaacute forrada con plaacutestico
de invernadero el mismo que tiene una aacuterea de 625 m2 con una altura de 180 m
y su estructura es de madera el objetivo primordial es formar un micro clima que
ayude a mantener una temperatura oacuteptima para el proceso de biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica (ver Anexo 10) El monitoreo ejecutoacute desde el 3 de octubre hasta
el 25 de noviembre del 2013 (ver Anexo 3 y 4)
Agitacioacuten los dos tanques reactores cuentan con un sistema de agitacioacuten manual
tipo manivela en el interior del tanque se encuentran las aspas las mismas que
son las encargadas de romper la costra o peliacutecula que se forma en la parte superior
de la biomasa disuelta esta costra impide la produccioacuten eficiente del biogaacutes Para
los biodigestores tipo Batch ldquocon y sinrdquo aislamiento teacutermico se ejecutaron
manualmente 3 y 8 movimientos circulares (360ordm) durante todo el diacutea
3131 Ensayo 1 biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico
Es un prototipo de biodigestor tipo Batch sin aislamiento teacutermico (B1) que posee
caracteriacutesticas hermeacuteticas por su sello hidraacuteulico que realiza internamente la
tuberiacutea por donde ingresa la biomasa
31311 Materiales
Se utilizoacute un tanque metaacutelico para el biodigestor sin aislamiento teacutermico
(convencional) dos llaves tipo globo un manoacutemetro y una boquilla para el
biogaacutes La figura 38 muestra un biodigestor sin aislamiento teacutermico donde se
llevaraacute a cabo la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica El gas producido en el
biodigestor se acumularaacute en su propio gasoacutemetro y mediante una manguera se
transportaraacute hacia el acumulador tipo dona (tubo de vehiacuteculo) el mismo que
permite cuantificar la cantidad de biogaacutes producido
57
Figura 38 Biodigestor sin aislamiento teacutermico
31312 Procedimiento
Para el registro de las variables de temperatura cantidad de metano (en ppm)
presioacuten del gasoacutemetro y pH se realizaron en hojas de papel con el formato
establecido para el experimento estos datos se recopilaron manualmente durante
los 36 diacuteas que duroacute el ensayo en el siguiente horario 8H00 14H00 y 21H00
horas En el Anexo 3 se encuentra el formato mencionado para luego transcribir
en una hoja de caacutelculo y realizar su respectivo anaacutelisis teacutecnico (Anexo 4) Las
muestras de biogaacutes utilizadas para medir la cantidad de partiacuteculas de metano
fueron recogidas en una jeringa de 60 ml (ver Anexo 9)
31313 Equipos e instrumentos
Para el valor de temperatura interna del biodigestor y el pH se midioacute con el
instrumento HANNA HI 9813-6N rango de temperatura de 0 a 60 ordmC con una
precisioacuten de 01 ordmC y el rango del pH es de 0 a 14 con una precisioacuten de 01 pH En
la figura 39 se puede observar la medicioacuten realizada directamente en campo
Figura 39 Instrumento HANNA HI 9813-6N
58
La temperatura del medio ambiente se midioacute con un termoacutemetro analoacutegico tipo
boliacutegrafo de caraacutetula que tiene un rango de -10 a 140 ordmC La figura 310 muestra
el termoacutemetro tipo caratula
Figura 310 Termoacutemetro tipo caraacutetula
La presioacuten interna del biodigestor (gasoacutemetro) se tomoacute a traveacutes de un manoacutemetro
analoacutegico tipo bourdon el mismo que tiene un rango de 0 a 50 psi la figura 311
muestra la ubicacioacuten del instrumento de medida
Figura 311 Manoacutemetro analoacutegico
La cantidad de metano se evaluoacute con el sensor SAW-MQ2 que tiene un intervalo
de 5 000 a 20 000 ppm de metano (ver Anexo 16) La figura 312 muestra el
sensor
Figura 312 Sensor de metano SAW-MQ2
59
3132 Ensayo 2 biodigestor tipo ldquoBatchrdquo con aislamiento teacutermico
El prototipo de biodigestor con aislamiento teacutermico (B2) se encuentra recubierto
con una capa aislante de fibra de vidrio el mismo que es aplicado para disminuir
la transferencia de calor por conduccioacuten de esta forma no permitiraacute perder energiacutea
caloriacutefica del sustrato cuando se encuentre en la etapa de biodegradacioacuten
31321 Materiales
Se utilizoacute un tanque reactor lana de vidrio de un espesor de 25 mm una
termocupla tipo ldquoKrdquo un sensor de presioacuten HGRADE-MV 15PSI-D dos llaves de
globo un manoacutemetro (redundante) tuberiacutea de salida de biogaacutes una tarjeta
anaacutelogo-digital PCI-6120 DAQ-NI y laptop HP-Pavillon 1140-go con la
herramienta LabView 71 de National Instruments (NI) En la figura 313 se
observa los elementos para llevar a cabo el monitoreo de la biodigestioacuten
anaeroacutebica producida por las excretas del ganado vacuno
Figura 313 Biodigestor con aislamiento teacutermico y monitoreo
Ademaacutes de tener recubrimiento teacutermico el reactor fue necesario buscar
alternativas que mejoren la produccioacuten de biogaacutes una excelente alternativa es
tener un micro clima a traveacutes de una estructura para invernadero y contar con un
sistema de agitacioacuten tipo manivela El registro y visualizacioacuten de las variables
fiacutesicas como temperatura ambiente temperatura del reactor y la presioacuten se
60
realizaraacute mediante el software SAW-BIOGAacuteS creado con la herramienta graacutefica
LabView 71 NI En la figura 314 se observa el ambiente graacutefico del software
Figura 314 Pantalla del software SAW BIOGAacuteS
31322 Equipo e instrumentos
En el diagrama de bloques de la figura 315 se observa la disposicioacuten de los
elementos que intervienen en la adquisicioacuten de datos es asiacute que los sensores de
temperatura presioacuten y gas transforman la variable fiacutesica a eleacutectrica y la tarjeta
DAQ realiza la conversioacuten anaacuteloga digital de las sentildeales eleacutectricas de los sensores
y mediante el software disentildeado en LabView 71 monitorea en tiempo real estas
variables y las presenta en la pantalla del PC Ademaacutes el mismo software genera
una base de datos que permitiraacute realizar el anaacutelisis estadiacutestico de todas las
variables fiacutesicas medidas en el biodigestor (ver Anexo 11)
Figura 315 Diagrama de bloques del sistema de adquisicioacuten de datos
T Amb
T Reactor
Presioacuten
Tar
jeta
Ad
qu
isic
ioacuten
Dat
os
AD
Q P
CI
61
20
NI Monitoreo y
Registro de
Datos PC-LabView
BIO
DIG
ES
TO
R
MQ-2
61
a) Temperatura interna
Los datos de la temperatura interna del biodigestor se recopilaron a diario hora a
hora durante los 36 diacuteas que duroacute el ensayo mediante un termopar tipo K
(cromel-alumel [0 ndash 1317 ordmC]) que se encuentra alojado en la periferia del reactor
(ver figura 316literal ldquoardquo) permitiendo tener un contacto directo con el sustrato y
asiacute obtener datos reales de la temperatura interna El monitoreo de la variable
fiacutesica antes mencionada se puede visualizar en tiempo real a traveacutes del software
SAW-BIOGAacuteS que fue disentildeado para este propoacutesito en la figura 316 literal ldquobrdquo
se interpreta graacuteficamente el termopar y su ubicacioacuten Adicionalmente tiene la
capacidad de almacenar los datos hora a hora en una hoja de caacutelculo con los
paraacutemetros requeridos para el ensayo En el Anexo 11 columna 3 se visualiza el
valor de temperatura registrado por el software y almacenado en una matriz de
datos
Se debe tener precaucioacuten con los cambios bruscos de temperatura en el
biodigestor pues la manera maacutes faacutecil de contrarrestar esos cambios violentos de
temperatura es aplicando un material aislante dichas variaciones ocurren en los
diacuteas asoleados y en las noches friacuteas es donde se deben amortiguar el cambio
climaacutetico por la gran sensibilidad que presentan estas bacterias microorgaacutenicas a
las variaciones de temperatura (Hilbert 2008)
a) b)
Figura 316 a) Termopar tipo ldquokrdquo colocado en el biodigestor b) Visualizacioacuten de
la medida de temperatura en la pantalla del PC
62
b) Temperatura del medio ambiente
Para el monitoreo y registro de datos del entorno donde se realiza el ensayo se
aplica un meacutetodo ideacutentico al utilizado en el registro de temperatura interna del
biodigestor En la figura 317 literal ldquoardquo se puede identificar el termopar cerca de
los reactores de esta manera permitiraacute obtener valores de temperatura maacutexima
promedio y miacutenima que serviriacutean para evaluar la temperatura ambiental El
registro se realizoacute durante los 36 diacuteas de la investigacioacuten dando una maacutexima
temperatura de 244 degC y miacutenima de 59 degC Los mencionados datos se encuentran
archivados en la columna 2 del Anexo 11
a) b)
Figura 317 a) Biodigestor con termopar tipo ldquoKrdquo b) Simulacioacuten del termopar en
la pantalla del PC
c) Potencial de hidroacutegeno
El valor de acidez (pH) es muy importante para la produccioacuten de biogaacutes por esta
razoacuten en la presente investigacioacuten se tomaron datos a diario el primero a las
08H00 y el segundo a las 18H00 horas permitiendo asiacute obtener un control
efectivo del pH Hilbert (2008) sugiere que estos valores deben encontrase entre
68 a 82 de pH y al apartarse de eacuteste rango la produccioacuten de biogaacutes se detiene
Para medir la acidez de la mezcla de estieacutercol se utilizoacute un instrumento HANNA
modelo H9813-6N (0 ndash 14 pH +- 01 pH) en la figura 318 literal ldquobrdquo se puede
apreciar la manera de coacutemo se mide el valor de acidez en el birreactor ademaacutes se
contrastoacute con cintas de tornasol pero estas no proporcionan valores decimales
(figura 318 literal ldquoardquo) En el Anexo 11 columna 8 se encuentran registrados los
63
valores de pH del biodigestor Teniendo al inicio picos de variables de pH pero
conforme pasa el tiempo se va estabilizando hasta tener valores de pH
homogeacuteneos
Figura 318 a) Cintas de tornasol b) Instrumento HANNA H9813-6N
d) Volumen de biogaacutes
Para almacenar el biogaacutes generado se utilizoacute una boya de carro (gasoacutemetro) de
una capacidad volumeacutetrica de 25 litros (figura 319) la misma se une al
biodigestor mediante una manguera de presioacuten En el Anexo 11 columna 7 se
encuentran los datos del volumen generados por el biodigestor
La produccioacuten de biogaacutes en el reactor es continua a lo largo de las 24 horas del
diacutea no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general estaacute concentrado en
una fraccioacuten corta de tiempo Todos los sistemas de reactores no superan como
maacuteximo 142 psi de presioacuten encontraacutendose una media de 05 psi presioacuten a la cual
funciona correctamente los artefactos domeacutesticos (Hilbert 2008)
Figura 319 Gasoacutemetro para almacenamiento de biogaacutes
a) b)
64
e) Presioacuten interna del reactor
La medicioacuten de presioacuten interna del reactor se realiza con un sensor de estado
soacutelido HGRADE-MV 15PSI D el mismo que tiene una escala entre 0-15 psi
suficiente para este tipo de ensayo en el Anexo 11 columna 4 se presentan los
valores de presioacuten interna del biodigestor Ademaacutes se puede visualizar la presioacuten
en un manoacutemetro analoacutegico redundante colocado en la misma tuberiacutea con un
rango comprendido entre 0-50 psi pero que no era muy sensible ante valores
miacutenimos de presioacuten En la figura 320 se visualiza la ubicacioacuten del sensor y del
manoacutemetro
Figura 320 Manoacutemetro y sensor de presioacuten colocado en el reactor
314 Anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
El objetivo primordial del presente proyecto es evaluar el poder caloacuterico del
biogaacutes que producen los biodigestores tipo ldquoBatchrdquo Para esto se necesita
determinar el porcentaje de partiacuteculas de metano contenidos en el biogaacutes y realizar
una prueba de inflamabilidad
La metodologiacutea aplicada para este anaacutelisis es por
Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas por milloacuten (ppm) de metano
Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica aplicando el
meacutetodo calorimeacutetrico alternativo
65
3141 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano
La cantidad de partiacuteculas de metano (en ppm) presentes en el biogaacutes determinaraacute
el poder caloacuterico el mismo seraacute medido por un sensor de estado soacutelido SAW-
MQ2 Seguacuten Gilbert (2008) el biogaacutes estaacute constituido en su mayoriacutea por 55-70
de metano 27-44 de dioacutexido de carbono y entre un 1-5 de otros gases como
hidroacutegeno nitroacutegeno y sulfuro de hidroacutegeno siendo estos gases despreciables por
su bajo porcentaje
Materiales
Sensor SAW-MQ2
Software SAW-BIOGAacuteS
Laptop hp
Jeringa de 60 ml
Procedimiento
Se utilizaron 60 ml de biogaacutes tomados directamente de los biodigestores B1 y B2
con una jeringuilla
Con el equipo en funcionamiento la jeringuilla llena de biogaacutes se descargoacute poco a
poco cerca del sensor SAW-MQ2 inmediatamente el sensor detectaba la
presencia de las partiacuteculas de metano (led se encendiacutea en un tono azulado) y su
valor se visualizaba directamente en el software SAW-BIOGAS (ver Anexo 21)
Las muestras de biogaacutes para su respectivo anaacutelisis se tomaban cada dos diacuteas
dichos valores se presentan en el Anexo 9
3142 Anaacutelisis comparativo de una propiedad termodinaacutemica
Este meacutetodo consiste en quemar en ideacutenticas condiciones de temperatura y presioacuten
constante un volumen de biogaacutes (cuyo poder caloacuterico se desconoce) y un mismo
volumen de GLP cuyo poder caloacuterico es conocido Ambos voluacutemenes se queman
calentando un litro de agua por vez y en base a la diferencia de temperatura
lograda en los ensayos se puede determinar el poder caloacuterico del biogaacutes
66
Materiales
1 Termoacutemetro analoacutegico y digital
1 Reloj digital
6 000 ml de biogaacutes
6 000 ml de GLP
1 Quemador Bussen
1 Recipiente metaacutelico con capacidad de 1 500 ml
20 000 ml de agua
Procedimiento
Para este ensayo se usoacute GLP de un cilindro de 15 kg de alta pureza (butano)
comercializado como gas de uso domeacutestico cuyo poder caloriacutefico (certificado por
la envasadora de gas ldquoCon Gasrdquo y coincidente con la bibliografiacutea encontrada) se
detalla asiacute Poder caloriacutefico (pc) de 22 000 kcalm3 (Vergara 2008)
Y para la prueba del biogaacutes se utilizoacute el gas metano que se produciacutea diariamente
en el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo procedente de la descomposicioacuten anaeroacutebica de
las excretas del ganado vacuno
En la ejecucioacuten del ensayo se realizaron tres pruebas por cada tipo de gas una
cada diacutea buscando que cumplan dos condiciones fundamentales primero que la
presioacuten atmosfeacuterica y la temperatura ambiente tengan una variacioacuten dentro de
un margen miacutenimo y la segunda que el biogaacutes utilizado tenga aproximadamente
la misma composicioacuten (porcentajes de metano y de CO2)
Con los paraacutemetros indicados anteriormente se procedioacute a cargar el gasoacutemetro
(recipiente de plaacutestico sumergido en agua) con GLP y biogaacutes para luego
quemarlo en el mechero de Bunsen y medir la temperatura del agua contenido en
el recipiente metaacutelico al inicio y al final del experimento (ver Anexo 22)
Finalizado el ensayo con el GLP inmediatamente se cargaba el gasoacutemetro con el
biogaacutes y se realizaba el mismo procedimiento antes indicado
Antes de iniciar el ensayo se debe registrar los valores de presioacuten atmosfeacuterica
voluacutemenes de los gases temperatura ambiente y del agua (ver Anexo 17)
67
315 Conclusiones del capiacutetulo
Se establecioacute la metodologiacutea de la investigacioacuten y mediante la misma se
desarrolloacute el disentildeo del proceso investigativo Tambieacuten se realizoacute un
ensayo experimental tomando como base la poblacioacuten de estudio y la
muestra que seraacute utilizada para la ejecucioacuten del proyecto
Se seleccionoacute como base para la construccioacuten un prototipo de biodigestor
tipo ldquoBatchrdquo que seraacute aplicado en el desarrollo de la investigacioacuten Con la
muestra seleccionada se llenaron los biodigestores sin y con aislamiento
teacutermico y se determinaron las variables fiacutesicas que intervienen en el
proceso de la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica
Se establecioacute el procedimiento para la determinacioacuten y posterior
comparacioacuten del poder caloacuterico del gas licuado de petroacuteleo y el biogaacutes lo
anterior permitiraacute determinar las caracteriacutesticas energeacuteticas del gas
producido con el empleo del biodigestor
68
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Introduccioacuten
Los resultados de una investigacioacuten permiten inferir si se han cumplido los
objetivos propuestos para la misma Ademaacutes posibilitan al investigador llegar a
conclusiones de la factibilidad del trabajo realizado Por tales razones el objetivo
del presente capiacutetulo es analizar los resultados obtenidos en la investigacioacuten a
partir de su interpretacioacuten
42 Anaacutelisis de los recursos energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
Se caracterizan las fuentes de energiacutea que son utilizadas por la hacienda donde se
aprecia que la energiacutea eleacutectrica el gas licuado de petroacuteleo (GLP) la lentildea y los
fertilizantes sinteacuteticos forman parte de los recursos energeacuteticos maacutes utilizados en
las actividades productivas de la hacienda
421 Consumo de energiacutea eleacutectrica
La hacienda ha registrado un consumo de energiacutea eleacutectrica durante el antildeo 2013
un total de 7 767 kWh representando 63379 USD con un promedio de 528 USD
por mes Como se puede observar en la figura 41 en los meses de marzo y
diciembre se experimentoacute la mayor demanda eleacutectrica debido a que en estas
fechas existioacute gran consumo de productos laacutecteos en el mercado local por las
festividades de Semana Santa y Navidad Concluyendo asiacute que la energiacutea
eleacutectrica es un gasto significativo para la administracioacuten de la hacienda
69
Figura 41 Consumo por mes de la energiacutea eleacutectrica del contador Nordm 75865
422 Anaacutelisis del consumo anual de gas licuado de petroacuteleo
En la hacienda Galpoacuten se procedioacute a solicitar a la administracioacuten las facturas de
pago del gas de uso industrial (no subsidiado) de 45 kg cilindros que se comproacute
durante el antildeo 2013 (ver Anexo 12) En la figura 42 se puede observar que en los
meses de marzo abril julio agosto noviembre y diciembre existioacute mayor
consumo de gas licuado de petroacuteleo (3 cilindros de 45 kg) debido a dos factores
por las bajas temperaturas de la zona y el incremento de la demanda de productos
laacutecteos
Figura 42 Consumo por mes de los cilindros 45 kg de GLP
010203040506070
0100200300400500600700800
USD
kWh
Consumo mensual de energiacutea eleacutectrica antildeo 2013
CONSUMO (KWh) VTotal (USD)
0
50
100
150
200
0
50
100
150
USD
kg-G
LP
Consumo de GLP antildeo 2013
CONSUMO GLP (kg) VTotal (USD)
70
El consumo de GLP durante el antildeo 2013 fue de 30 cilindros de 45 kg
representando un total de 1 67800 USD debido a que cada garrafa tiene un valor
de 5593 USD Donde se puede apreciar que existioacute un gasto muy significativo
para la economiacutea de la hacienda la misma que puede ser reemplazada por biogaacutes
al aprovechar las excretas del ganado vacuno mediante el proceso de
bioconversioacuten
423 Anaacutelisis del consumo anual de lentildea
De acuerdo a estudios efectuados por la Agencia Internacional de Energiacutea (IEA)
la lentildea seguiraacute siendo el principal combustible de calefaccioacuten y coccioacuten de
alimentos para una tercera parte de la poblacioacuten de los paiacuteses subdesarrollados
durante los proacuteximos 20 antildeos (Rodriacuteguez 2008)
En la hacienda se utiliza la lentildea por tradicioacuten milenaria siendo un recurso
energeacutetico casi inagotable y de bajo poder adquisitivo El mismo es utilizado en
los fogones chimeneas y en los hornos de lentildea En la figura 43 se puede observar
el consumo de los kilogramos de lentildea por mes Donde el mayor consumo fue en
febrero (30 kg de lentildea) debido a que hubo temperaturas muy bajas y en octubre se
registroacute un consumo miacutenimo (5 kg de lentildea) porque se teniacutean diacuteas calurosos y no
se utilizoacute la chimenea
Figura 43 Cantidad de lentildea utilizada por cada mes
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
USD
kg L
ENtildeA
Consumo de lentildea antildeo 2013
CONSUMO LENtildeA (kg) VTotal (USD)
71
424 Anaacutelisis del consumo anual de abonos quiacutemicos
La compra de abonos quiacutemicos que realizoacute la administracioacuten de la hacienda para
los diferentes cultivos propios de la zona fueron en total 20 quintales de urea a un
costo de 96000 USD durante el antildeo 2013 en el Anexo 14 se detallan claramente
estos valores Por lo tanto se procedioacute a solicitar a la administracioacuten todas las
facturas de las compras realizadas a la tienda agroquiacutemica durante ese periodo
que se adquirioacute los productos quiacutemicos En la figura 44 se puede observar que en
febrero existioacute una compra de fertilizante sinteacutetico de 400 kg debido a que al
iniciar el antildeo se proceden a fertilizar todos los potreros y las aacutereas de cultivo
Figura 44 Consumo de urea por cada ciclo de fertilizacioacuten
425 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
Con el propoacutesito de verificar y analizar el consumo de portadores energeacuteticos
consumidos por la hacienda Galpoacuten en el antildeo 2013 para las diferentes actividades
cotidianas y de produccioacuten En la figura 45 se representan en forma de barras los
consumos de portadores energeacuteticos asiacute teniendo en primer lugar a la energiacutea
eleacutectrica con 7 767 kWh los mismos que fueron consumidos por los artefactos
electrodomeacutesticos y los equipos de la produccioacuten laacutectea en segunda instancia se
tiene el consumo de GLP con 1 350 kg utilizados por el sistema de calentamiento
de agua sanitaria y de la queseriacutea en tercer lugar se encuentra la lentildea con 180 kg
de biomasa vegetal incinerados en las chimeneas y en ciertas ocasiones por el
fogoacuten y por uacuteltimo se tiene el empleo de 1 000 kg de abono quiacutemico necesario
para fertilizar todas las aacutereas de cultivo pertenecientes a la hacienda La
informacioacuten recopilada serviraacute de referencia para proyectar a nuevas inversiones
0
100
200
300
0
100
200
300
400
500
Febrero Julio Noviembre
USD
kg d
e u
rea
Consumo de urea antildeo 2013
CONSUMO UREA (kg) VTotal (USD)
72
dentro de la hacienda Adicionalmente en el Anexo 14 se tabulan cada mes todos
estos consumos energeacuteticos utilizados por la hacienda
Figura 45 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten
426 Anaacutelisis econoacutemico de los portadores energeacuteticos
Una vez analizado el costo econoacutemico que generan los portadores energeacuteticos a la
administracioacuten de la hacienda se puede concluir que el mayor valor de inversioacuten
recae en el consumo de gas licuado de petroacuteleo con un rubro de 1 67800 USD
que representa 26 veces maacutes que el consumo de energiacutea eleacutectrica y abono
quiacutemico (ver Anexo 14) En la Figura 46 se representa en forma de barras los
costos de estos portadores energeacuteticos
Figura 46 Costos de portadores energeacuteticos utilizados por la hacienda Galpoacuten
43 Cantidad de biomasa residual del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
La biomasa residual del ganado vacuno recopilada de los patios del establo se
tabularon en el Anexo 14 donde se puede verificar que los 205 animales presentes
7 767 kWh
1 350 kg180 kg
1 000 kg
0
2000
4000
6000
8000
10000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
Consumo de portadores energeacuteticos antildeo 2013
6337
1 678
288650
0
400
800
1200
1600
2000
Energiacutea Eleacutectrica (kWh)
GLP (45 kg) Lentildea (kg) Abono Quiacutemico (kg)
USD
Costos de portadores eneacutergeticos antildeo 2013
73
en los corrales consiguen generar una biomasa de 1 953 kg de estieacutercol por diacutea y
que puede ser aprovechado en un biodigestor para la produccioacuten de biogaacutes y
bioabono En la figura 47 se observa que el mayor porcentaje de biomasa residual
es de las vacas con un 563 y la miacutenima de los terneros con 107 estos
valores fueron calculados teniendo en cuenta que solo se dispondraacute del 60 de la
totalidad de la biomasa es decir 1 172 kg de excretas disponibles para el
biodigestor
Figura 47 Porcentajes representativos de la biomasa por tipo de animal
44 Determinacioacuten de la potencialidad en la biomasa del ganado vacuno
El ensayo realizado con el estieacutercol del ganado vacuno perteneciente a la hacienda
Galpoacuten del cantoacuten Salcedo se inicioacute el 03 de octubre del 2013 donde se realiza la
carga de la biomasa residual a los biodigestores tipo Batch (cierre hermeacutetico) el
mismo que finaliza el 22 de noviembre del mismo antildeo contabilizando un total de
50 diacuteas del tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la biomasa El volumen de mezcla
de las excretas del ganado vacuno que se utilizoacute en el biodigestor se describe en el
capiacutetulo 3 literal 313 En el tanque reactor se debe mover manualmente la
manivela que conecta a las aspas para producir una mezcla interna de la biomasa y
asiacute evitar la formacioacuten de una costra espumosa La presioacuten interna del reactor
empezoacute a marcar recieacuten a los 18 diacuteas de haber cerrado el biodigestor Para
determinar la potencialidad de la biomasa del ganado vacuno se debe tomar en
cuenta la relacioacuten entre la cantidad de residuos colocados dentro del biodigestor y
la masa de biogaacutes producido este dato es particularmente difiacutecil de hallar en la
563
215 107
115
0
20
40
60
0
50
100
150
Vaca Toro Ternero Caballo
d
e a
nim
ale
s
Cantidad de biomasa por tipo de animal
Nuacutemero animales Biomasa
74
bibliografiacutea y lo poco encontrado es muy geneacuterico y variacutea entre maacutergenes muy
extensos Esto se debe a que el biogaacutes producido depende de varios factores que
intervienen en la biodegradacioacuten de la materia orgaacutenica como es la temperatura
media el pH el tiempo total de duracioacuten del ensayo (Stuckey1983) y otros
propios de la medicioacuten o intriacutensecos que tienen relacioacuten con la medicioacuten de la
masa del gas metano producido entre los que se mencionan la medicioacuten del
volumen de los gases y el anaacutelisis de la constante particular del biogaacutes (Rp)
utilizada en la ecuacioacuten de estado de los gases perfectos (Martina 2005)
441 Cuantificacioacuten de la biomasa utilizada para los biodigestores
Para iniciar los ensayos en los biodigestores con y sin aislamiento teacutermico
(Biodigestor 1-B1 Biodigestor 2-B2) se necesitaron mezclar un total de 20 kg de
excretas del ganado vacuno y 30 litros de agua obteniendo una composicioacuten neta
de 50 litros de biomasa En la tabla 2 del Anexo 15 se encuentran detallados estos
valores para cada tipo biodigestor tomando en cuenta que la relacioacuten de la mezcla
estieacutercol-agua es de 115 tal como sugiere Hilbert (2008) En la figura 48 se
observa la distribucioacuten del espacio del tanque reactor donde el 70 es ocupado
por la biomasa y el 30 restante es un espacio libre para la interaccioacuten del
proceso anaeroacutebico encargado de producir el biogaacutes En el mismo Anexo se
encuentra la tabla 3 donde estaacute representado los valores de la distribucioacuten del
espacio para la biomasa y el gasoacutemetro
Figura 48 Curva representativa de los porcentajes del reactor
70
30
0
20
40
60
80
0
5
10
15
20
25
30
Biomasa Gasoacutemetro
Vo
lum
en
(l)
Distribucioacuten de espacio del reactor
Espacio [Litros] Volumen
75
442 Anaacutelisis de los paraacutemetros que intervienen en el proceso anaeroacutebico
Los paraacutemetros que intervienen en la bioconversioacuten de la materia orgaacutenica al
interior de los biodigestores deben ser controlados adecuadamente para obtener
una buena produccioacuten de biogaacutes dichas variables son la temperatura de los
biodigestores el potencial de hidroacutegeno (pH) de la biomasa y la presioacuten interna en
el gasoacutemetro (la misma que determina el volumen de biogaacutes)
4421 Anaacutelisis de la temperatura en los biodigestores
Los valores de temperatura que se registraron para los dos biodigestores con el
software SAW BIOGAS se detallan a continuacioacuten
Para los biodigestores 1 y 2 tipo ldquoBatchrdquo era fundamental medir la temperatura de
la mezcla estieacutercol-agua antes de llenar los reactores Dicha temperatura inicioacute
con 181 ordmC medidos directamente en la mezcla (ver Anexo 2) Posteriormente se
registraron estos valores de temperatura en una base de datos durante todo el
tiempo que perduroacute el ensayo (ver Anexo 4) En la figura 49 se tiene la curva del
biodigestor 1 (resumen de datos) donde se puede verificar claramente que a partir
del diacutea 26 la temperatura del sustrato empieza a ingresar dentro del rango
mesofiacutelico (entre 20 degC y 40 degC) punto para tener la mayor produccioacuten de biogaacutes
Figura 49 Temperatura del biodigestor 1 vs temperatura de retencioacuten
En el experimento ejecutado con el biodigestor 2 los registros de datos se
encuentran recopilados en el Anexo 11 En la figura 410 se presenta un resumen
de los datos de temperatura y se observa que a partir del diacutea 24 la temperatura
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
76
del sustrato alcanza el rango mesofiacutelico (de 20 degC a 40 degC) donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes De acuerdo al anaacutelisis efectuado a estas dos curvas
el biodigestor 2 alcanza su rango mesofiacutelico un diacutea antes que el reactor 1
Figura 410 Temperatura del biodigestor 2 vs temperatura de retencioacuten
4422 Control de pH en los biodigestores
Los valores de pH se midieron directamente con la sonda del instrumento
HANNA HI 9813-6 A continuacioacuten se realiza el anaacutelisis para los dos ensayos
En el experimento realizado con el reactor 1 durante los 36 diacuteas periodo que se
midioacute el pH de la mezcla estieacutercol-agua El mismo inicioacute con un valor de pH
aacutecido (pHlt7) Consecutivamente se siguieron registrando las mediciones del pH
al efluente durante el tiempo de retencioacuten hidraacuteulica de la materia orgaacutenica
Obteniendo asiacute los siguientes valores promedios en los diacuteas 18 al 36 el pH es 66
para los diacuteas 37 y 42 el pH fue de 71 y en los diacuteas 43 al 53 se tuvo un pH de 67
Determinando que en los diacuteas 32 al 42 el pH fue ligeramente alcalino (pHgt7)
favoreciendo directamente a la produccioacuten del gas metano Comparando estos
valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se evidencia que tienen
gran similitud lo que demuestra que se tiene gran confiabilidad en la presente
investigacioacuten En la figura 411 se muestran los valores de pH del biodigestor 1
donde a partir del diacutea 18 al 30 el pH asciende hasta el valor neutro y en los diacuteas 34
al 42 es ligeramente alcalino luego descienda a ser aacutecido
0
10
20
30
40
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Temperatura vs tiempo de retencioacuten
77
Figura 411 El pH del biodigestor 1 vs tiempo de retencioacuten
Al analizar el biodigestor 2 durante los 36 diacuteas ciclo en el que se midioacute el pH de
la biomasa liacutequida La mezcla ingresada al reactor inicioacute con un pH aacutecido (pHlt7)
y paulatinamente se realizaron medidas del pH durante los diacuteas de retencioacuten
hidraacuteulica de la materia orgaacutenica del ganado vacuno resultando asiacute los siguientes
valores promedios en los diacuteas 18 al 25 el pH es de 66 para los diacuteas 26 y 35 el pH
es 69 entre los diacuteas 34 al 40 se tuvo un pH de 72 y finalmente en los diacuteas 41 al
53 el pH fue de 70 Determinando asiacute que en los diacuteas 34 al 40 el pH fue
ligeramente alcalino (pHgt7) favoreciendo la produccioacuten de metano Comparando
los valores de pH con el ensayo realizado por Martina (2005) se tienen mejores
resultados porque el pH se mantuvo ligeramente superior al neutro favoreciendo
mayoritariamente a la produccioacuten de biogaacutes En la figura 412 se observa que en el
diacutea 29 alcanza el valor neutro (pH=7) y permanece ligeramente superior hasta
finalizar el ensayo
Figura 412 El pH del biodigestor 2 vs tiempo de retencioacuten
62
64
66
68
70
72
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
6
65
7
75
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
pH
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
pH vs tiempo de retencioacuten
78
4423 Produccioacuten de biogaacutes
El volumen de biogaacutes producido por los biodigestores fue almacenado en sus
respectivos gasoacutemetros aforados a continuacioacuten se realiza un anaacutelisis de los
voluacutemenes obtenidos en cada reactor
Los valores maacuteximos de volumen de biogaacutes que reportoacute el primer biodigestor es
1 4918 ml 15052 ml y 14941 ml que corresponden a los diacuteas 38 39 y 40 del
tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso de biodegradacioacuten anaeroacutebica de la
biomasa residual del ganado vacuno En la figura 413 se puede observar una
curva ascendente desde el diacutea 18 hasta el 39 en la cual se obtiene la mayor
produccioacuten de biogaacutes luego empieza a decrecer paulatinamente hasta la
finalizacioacuten del experimento Tiempo en la cual se registroacute una produccioacuten de
biogaacutes de 311 litros en los 36 diacuteas que duroacute el ensayo Para mayor apreciacioacuten de
los valores en el Anexo 4 se encuentra la tabla con todos los datos registrados
Figura 413 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 1
En el segundo experimento se obtuvieron los siguientes voluacutemenes 3 5221 ml
3 6196 ml 3 5641 ml 3 5714 ml y 3 6401 ml los mismos que corresponden
respectivamente a los diacuteas 34 al 38 del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico del proceso
anaeroacutebico de la biomasa residual del ganado vacuno En la figura 414 se aprecia
una curva pronunciada ascendente desde el diacutea 30 hasta el diacutea 34 donde se tiene la
mayor produccioacuten de biogaacutes manteniendo este pico maacuteximo hasta el diacutea 42 con
maacutes de 3 00000 mililitros y a partir de esa fecha desciende su produccioacuten a
0
500
1000
1500
2000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
79
valores inferiores hasta culminar el ensayo La produccioacuten total de biogaacutes en los
36 diacuteas fue de 752 litros (ver Anexo 11)
Figura 414 Volumen de biogaacutes por el tiempo de retencioacuten biodigestor 2
443 Determinacioacuten de la cantidad de partiacuteculas de metano en el biogaacutes
Para determinar las partiacuteculas del gas metano producidos por los dos biodigestores
se tomaron muestras directamente de los tanques reactores con una jeringuilla de
60 mililitros el mismo se aplicaba directamente al sensor SAW BIOGAacuteS y de
esta manera se podiacutea obtener la cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el
biogaacutes a continuacioacuten se describen los procedimientos realizados a los dos
biodigestores
En el experimento realizado al biodigestor 1 tipo ldquoBatchrdquo se recopiloacute muestras
cada dos diacuteas a partir del 21 de octubre del tiempo de retencioacuten hidraacuteulico para
asiacute poder determinar la cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes
Los datos obtenidos con el sensor de gas metano SAW-MQ2 en el ensayo arrojoacute
un promedio de 9 8069 ppm de metano contenido en el biogaacutes (ver Anexo 9)
dando un porcentaje de 49 de CH4 Los porcentajes recomendables que debe
tener el biogaacutes de acuerdo a Hilbert (2008) es de 60 CH4 y 40 de CO2 pero
al no cumplir el biodigestor 1 con el porcentaje de metano sugerido por el autor
antes mencionado se decide no realizar caacutelculos para determinar el poder caloacuterico
producido por eacuteste reactor En la figura 415 se puede apreciar un valor maacuteximo
alcanzado en el diacutea 39 con un 5980 y el resto son valores inferiores
0
1000
2000
3000
4000
18 22 26 30 34 38 42 46 50 53
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(ml)
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
Volumen de biogaacutes vs tiempo de retencioacuten
80
Figura 415 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 1
En el biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo se determinaron las partiacuteculas del metano que
contiene el biogaacutes cada dos diacuteas a partir del diacutea 21 de octubre del tiempo de
retencioacuten anaeroacutebico El valor medido con el sensor de gas metano (SAW-MQ2)
proporcionoacute un valor promedio de 12 2402 ppm de metano contenido en el
biogaacutes generado por este reactor (ver Anexo 9) dando un porcentaje de 612 de
CH4 Concluyendo asiacute que el ensayo realizado con el biodigestor 2 tiene un
porcentaje de metano ligeramente superior al recomendado por el autor antes
mencionado En la figura 416 se observa que a partir del diacutea 27 la curva del
porcentaje de metano permanecioacute casi constante y ligeramente superior al 60
Figura 416 Porcentaje de metano por el tiempo de retencioacuten del biodigestor 2
444 Anaacutelisis de datos para el muestreo experimental aplicando Taguchi
En el presente experimento se ha realizado varias pruebas preliminares en
diferentes escenarios con el fin de buscar la mejor alternativa para el
aprovechamiento energeacutetico del estieacutercol del ganado vacuno en la hacienda
0
50
100
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
0
20
40
60
80
21 27 33 39 45 51 53
C
H4
Tiempo de retencioacuten (diacuteas)
de metano vs tiempo de retencioacuten
81
Galpoacuten en cuanto a pruebas de funcionamiento se definiraacute cual biodigestor
produce la mayor cantidad de partiacuteculas de metano presentes en el biogaacutes la
misma que serviraacute para ser usado en el sistema hibrido de la hacienda por ello
mediante la teacutecnica de Taguchi se realizoacute un disentildeo de experimentos con la
finalidad de encontrar un equipo eficiente para la produccioacuten de biogaacutes asiacute
teniendo como variables descriptivas el aislamiento y la agitacioacuten las mismas
que son presentadas en la tabla 41 con sus respectivos niveles
Tabla 41 Rangos para las variables descriptivas
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2
Aislamiento Sin Con
Agitacioacuten Media Normal
La variable biodigestor se ha determinado en funcioacuten de tener o no recubrimiento
teacutermico con el fin de evitar peacuterdidas de energiacutea teacutermica en las paredes del
biodigestor y asiacute obtener la mayor produccioacuten de biogaacutes
La agitacioacuten mediante aspas es un mecanismo que permite romper internamente
una costra o nata que se forma al interior del biodigestor Esta interrumpe la
produccioacuten de biogaacutes Entonces se ha tomado dos variables media y normal
correspondiendo a mezclar durante todo el diacutea 3 y 8 veces respectivamente
Se ha elegido un disentildeo de 2 niveles 2 factores con un disentildeo L-2 para Taguchi
lo que implica que se realizaraacuten 4 experimentos donde los factores y niveles
queda como sigue
El resultado de los experimentos se presenta en la tabla 42 de acuerdo al
resultado del software Minitab noacutetese que el nivel 1 y 2 corresponde a los rangos
de operacioacuten de cada variable
Tabla 42 Disentildeo experimental Taguchi
AISLAMIENTO AGITACIOacuteN
Experimento1 1 1
Experimento2 2 1
Experimento3 1 2
Experimento4 2 2
82
Entonces de lo anterior con los datos de la cantidad de partiacuteculas de metano
obtenidos en el biodigestor 1 y 2 el disentildeo experimental queda como se muestra
en la tabla 43 Doacutende se debe realizar cuatro experimentos con las dos variables
y miacutenimo tener cuatro reacuteplicas de las muestra del biogaacutes del mismo gasoacutemetro
Tabla 43 Disentildeo experimental definiendo valores
Aislamiento Agitacioacuten Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4 Media Desv
std
E-1 1 1 91483 91498 91473 91465 914797 142
E-2 2 2 125122 125154 125148 125134 1251395 144
E-3 1 1 97975 97983 97972 97994 97981 098
E-4 2 2 13209 132114 132098 132126 132107 161
Derivado de la tabla 43 y haciendo el anaacutelisis de datos con el software Minitab
se puede definir lo siguiente
Para el factor aislamiento el nivel 2 corresponde a una elevada concentracioacuten de
partiacuteculas de metano que estariacutea alrededor de 13 000 ppm de CH4 teniendo un
efecto de satisfaccioacuten mucho mayor que el nivel 1 (figura 417) para el factor
agitacioacuten el nivel 2 tiene mejor desempentildeo sin embargo este desempentildeo no estaacuten
significativo con respecto al nivel 1 sin embargo en la praacutectica es mejor utilizar el
nivel 2 porque se tiene la certeza de romper la costra y homogenizar la biomasa
que se encuentra al interior de los biodigestores
Figura 417 Anaacutelisis de medias para Taguchi
83
En la figura 418 se analiza la desviacioacuten estaacutendar de los resultados obtenidos
por el software en el cual se puede concluir que para el factor aislamiento el
nivel 1 tiene mejor desempentildeo que el nivel 2 pero en la praacutectica se deberaacute elegir
siempre el nivel 2
Por otra parte en el factor agitacioacuten muestra un buen desempentildeo en el nivel 1 sin
embargo este desempentildeo no es tan significativo como en el nivel 2 pero por
circunstancias de operatividad siempre se deberaacute tomar el nivel 1
Figura 418 Anaacutelisis de desviacioacuten estaacutendar para Taguchi
De lo anterior se concluye que el mejor paraacutemetro para producir biogaacutes a partir de
las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten es implementar un
biodigestor con aislamiento teacutermico y provocar una agitacioacuten normal en la mezcla
para que no se produzcan las costras y baje la produccioacuten del gas metano
generado por la degradacioacuten de la materia orgaacutenica al interior del biodigestor
445 Caacutelculo de la masa molecular del biogaacutes
La masa molecular del biogaacutes se calculoacute de acuerdo a los datos obtenidos del
biodigestor 2 donde se obtuvieron un porcentaje promedio de partiacuteculas metano
de 612 y el porcentaje restante 388 corresponde al dioacutexido de carbono y
otros elementos Teniendo asiacute los niveles de concentracioacuten de ambos gases en
612 para el CH4 y el 388 tiene el CO2 y sus masas moleculares de los dos
gases son 16 kgkmol y 44 kgkmol respectivamente (Armendaacuteris 1989) La
masa molecular calculada del biogaacutes seraacute entonces
84
Masa molecular del biogaacutes = (0612 middot 16) + (0388 middot 44) = 26864 kgkmol
La constante particular de biogaacutes seraacute entonces
Rpbiogaacutes = 84826864 = 31566 kgf-mkg ordmK
La produccioacuten de biogaacutes recieacuten comenzoacute a los 18 diacuteas del periodo de retencioacuten
hidraacuteulica de la biomasa residual del ganado vacuno esta masa fue calculada en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22 (estado de los gases perfectos) y se detalla los valores
en el Anexo 11 columna 9 Como ejemplo se calcula la masa del biogaacutes generada
en el diacutea 18 pero en el anexo antes mencionado se encuentran todos los valores
de cada diacutea
TpRMVp
TpR
VpM
m
cmK
Kkg
mkgf
cmcm
kgf
Mo
o 1100129556631
3185045261 3
2
M = 00002 kg (biogaacutes obtenido)
La masa del biogaacutes obtenida al final del ensayo diacutea 53 suma un total de
M = 00898 kg (masa de biogaacutes obtenida)
4451 Rendimiento del estieacutercol del ganado vacuno
La relacioacuten de biogaacutes obtenido por digestioacuten anaeroacutebica y la cantidad de masa
residual del ganado vacuno introducido en el reactor permitioacute obtener el
siguiente resultado
10000898010
08980
estiercolkg
gaskg
estiercolkg
gaskgrend
Rend = 0898
85
Con el rendimiento calculado y la disponibilidad diaria de 1 172 kgexcretas de
ganado vacuno se obtendriacutean 105 kg de biogaacutes lo que representariacutea un 70 de
un cilindro de 15 kg de gas de uso domeacutestico
446 Determinacioacuten del poder caloacuterico del biogaacutes mediante el anaacutelisis
comparativo con el gas de uso domeacutestico
Para determinar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita se debe calcular en primera
instancia la masa del GLP y del biogaacutes luego establecer el calor desprendido por
los gases combustionados durante las pruebas
4461 Comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes
Se realiza una comparacioacuten de las masas del butano y el biogaacutes mediante caacutelculos
con la ecuacioacuten de estado de los gases los mismos que se detallan a continuacioacuten
Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
Masa molecular del butano = 5812 kgkmol
V = 5 l = 5 000 cm3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atmosfeacuterica + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del butano = 1459 kgmkg ordmK
Para estos valores de acuerdo a la ecuacioacuten del estado de los gases se calculoacute en
funcioacuten de la ecuacioacuten 22
119901 ∙ 119881 = 119872 ∙ 119877119901 ∙ 119879
119872 =119901 ∙ 119881
119877119901 ∙ 119879
86
119872119887119905 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
145905 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mbt = 0 017904 kg de butano
Luego se calcula la masa del biogaacutes Mb contenida en los 5 litros aforados en el
gasoacutemetro
Datos
V = 5 l = 5 000m3
T = 29496 ordmK
P = presioacuten atm + presioacuten manomeacutetrica = 07705 kgcm2
Rparticular del biogaacutes = 31566 kgmkg ordmK (obtenido en el literal 445)
Se procede a calcular la masa del biogaacutes de forma anaacuteloga al caso anterior
teniendo asiacute
119872119887 =07705
119870119892119891
119888119898 2 ∙ 5000 1198881198983
31566 119870119892119891 ∙119898
119870119892∙deg119870∙ 29496 deg119870 ∙ 100
119888119898
1119898
Obteniendo una masa Mb = 00041377 kg de biogaacutes
4462 Determinacioacuten del calor desprendido por el gas licuado de petroacuteleo
En el presente proyecto se requiere conocer el poder caloacuterico desprendido por el
biogaacutes por esta razoacuten se realizaraacute un meacutetodo experimental alternativo donde se
quema un gas con caracteriacutesticas conocidas como es el GLP y de esa forma se
puede encontrar el poder caloacuterico del gas incoacutegnita En la figura 419 se pueden
observar los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros de gas licuado
de petroacuteleo quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente del ensayo Como se puede apreciar al combustionar el
GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6 lo que
permitioacute obtener una diferencia de temperatura de 402 ordmC (ver Anexo 17)
87
Figura 419 Temperatura del agua vs volumen de GLP quemado
De acuerdo al experimento realizado a continuacioacuten se calcularaacute el valor del calor
entregado por el GLP al quemarse (Qbt) que seraacute igual al producto de su poder
caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt) Se tomaraacute una densidad del butano
(dbt) de 267 kgm3 (Martina 2005)
119876119887119905 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905 (120786120783)
119876119887119905 =22000
119896119888119886119897
1198983 ∙ 0017904 119896119892
267 1198961198921198983= 147523 119896119888119886119897
119876119887119905 = 147523 119896119888119886119897
Por otro lado de acuerdo a la teoriacutea de transmisioacuten de calor el agua contenida en
el recipiente recibe cierta cantidad de energiacutea El calor recibido por el agua (Qabt)
se calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten fundamental de calorimetriacutea (ecuacioacuten 25)
donde el calor especiacutefico del agua obviamente es 1 kcalkg degC y la masa de 1
litro de agua es 1 kg (Alonso 1986)
119876119886119887119905 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887119905 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 402 = 402 119896119888119886119897
119876119886119887119905 = 402 119896119888119886119897
0102030405060
1 2 3 4 5 6Tem
p d
el e
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
GLP
88
De toda la energiacutea entregada por el GLP al quemarse solo una parte es
aprovechada por el agua el resto se pierde en el recipiente y haciacutea el medio
ambiente Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de eacutesta
combustioacuten de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten
119877119890119899119889 =119876119886119887119905
119876119887119905 (120786120784)
119877119890119899119889 =402 119896119888119886119897
147523 119896119888119886119897
Rend = 0272 100
Rend = 272
El rendimiento al quemar el GLP y el biogaacutes es el mismo ya que las condiciones
de las dos combustiones fueron iguales en presioacuten y temperatura del gas presioacuten
y temperatura del ambiente ubicacioacuten relativa entre el mechero y el recipiente de
agua de acuerdo a Martina (2005) A partir de esa suposicioacuten se comienza el
caacutelculo de los paraacutemetros del biogaacutes tomando como referencia el rendimiento
alcanzado por el GLP
4463 Determinacioacuten del calor desprendido por el biogaacutes
Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos se podraacute
comparar y determinar el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en este proyecto En
la figura 420 se indican los resultados obtenidos durante la combustioacuten de 5 litros
de biogaacutes quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua
contenido en el recipiente donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el
punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el
ensayo realizado con el GLP Permitiendo asiacute obtener una variacioacuten de
temperatura de aproximadamente 102 ordmC En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2
con los datos que se registraron durante el ensayo
89
Figura 420 Temperatura del agua vs volumen de biogaacutes quemado
Con el experimento realizado al quemar biogaacutes el agua contenida en el recipiente
de 1 litro recibe una parte de esa energiacutea El calor recibido por el agua Qab se
calcularaacute de acuerdo a la ecuacioacuten 25
119876119886119887 = 119898 ∙ 119888119890 ∙ ∆119879
119876119886119887 = 1 119896119892 ∙ 1119896119888119886119897
119896119892 ∙ ∙ 102
119876119886119887 = 102 119896119888119886119897
El calor entregado por el biogaacutes al quemarse Qb se calcularaacute en funcioacuten del
rendimiento de la combustioacuten del GLP y de Qab obteniendo el siguiente
resultado de acuerdo a la ecuacioacuten 42
119876119887 =119876119886119887
119877119890119899119889
119876119887 =102 119896119888119886119897
0272
119876119887 = 36697 119896119888119886119897
La energiacutea entregada por el biogaacutes al quemarse Qb seraacute igual al producto de su
poder caloacuterico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomaraacute una densidad del
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Tem
p d
el E
nsa
yo (
degC)
Volumen (l)
Biogaacutes
90
biogaacutes (db) de 108 kgm3
(Martina 2006) Se despejaraacute el poder caloacuterico del
biogaacutes (Pc) de la ecuacioacuten 41
119876119887 =119875119888 ∙ 119872119887119905
119889119887119905
119875119888 =119876119887 ∙ 119889119887
119872119887
119875119888 =36697 119896119888119886119897 ∙ 108 1198961198921198983
00041377 119896119892
119875119888 = 9 578 1198961198881198861198971198983
Pero como el biogaacutes es la composicioacuten de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 ndash 99
de acuerdo a Hilbert (2008) En el literal 443 se determinoacute el porcentaje de la
cantidad de partiacuteculas de metano que contiene el biogaacutes producido por el
biodigestor 2 dicha medicioacuten se realizoacute con el sensor SAW-MQ2 obteniendo un
valor de 612 de CH4 Con eacuteste porcentaje se puede determinar el poder
caloacuterico real del biogaacutes siendo este valor de 5 861 kcalm3 El poder caloacuterico del
biogaacutes calculado por este meacutetodo experimental alternativo entrega un valor
aceptable Esto demuestra que el meacutetodo propuesto es vaacutelido De acuerdo a la
bibliografiacutea de Hilbert (2008) el poder caloacuterico del biogaacutes es de 5 140 kcalm3
Demostrando asiacute que el experimento es confiable
45 Seleccioacuten del modelo de biodigestor
La seleccioacuten del modelo de biodigestor se realizaraacute de acuerdo a una matriz de
evaluacioacuten teacutecnica donde se calificaraacute las caracteriacutesticas maacutes relevantes de los
biodigestores modelo hinduacute tipo bolsa y de domo fijo
451 Evaluacioacuten del biodigestor modelo hinduacute o campana flotante
El biodigestor modelo hinduacute o Campana Flotante se evaluacutea en la tabla 44
teniendo una aceptacioacuten del 64 su principal desventaja es su tiempo de vida
uacutetil por su gasoacutemetro tipo campana el mismo que estaacute construido de metal y
tiende a ser vulnerable a la corrosioacuten por ende se deteriora faacutecilmente
91
Tabla 44 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de campana flotante
BIORREACTOR DE CAMPANA FLOTANTE O HINDUacute
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 3 06 9
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 1 02 3
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 64
Fuente Monar 2008
452 Evaluacioacuten del biodigestor tipo bolsa
Los biodigestores Tipo Bolsa tienen una aceptacioacuten del 62 en la tabla 45 se
puede observar la evaluacioacuten teacutecnica realizada la misma que tiene muy poca
aceptacioacuten para el proyecto requerido en la hacienda Galpoacuten debido
principalmente a su rendimiento y tiempo de vida uacutetil donde interviene
directamente los materiales utilizados en su construccioacuten los mismos que no
favorecen teacutecnicamente
Tabla 45 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo biorreactor de tipo bolsa
BIORREACTOR DE BOLSA
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA
0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 1 02 3
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 5 1 20
5 15 Construccioacuten 5 1 15
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 3 06 9
7 25 Rendimiento 1 02 5
Total 100 Porcentaje Evaluado 62
Fuente Monar 2008
92
453 Evaluacioacuten del biodigestor de domo fijo
El Biodigestor de domo fijo tiene una aceptacioacuten del 76 de acuerdo a la
calificacioacuten que se realiza en la tabla 46 siendo eacuteste valor el maacutes alto con
respecto a los biodigestores de cuacutepula moacutevil y tipo bolsa sus principales
caracteriacutesticas de aceptacioacuten son su costo de construccioacuten operacioacuten
mantenimiento y su eficaz rendimiento comprobado por muchos antildeos hacen que
este disentildeo sea elegido para la hacienda Galpoacuten
Tabla 46 Matriz de preseleccioacuten del disentildeo modelo de domo fijo o chino
BIORREACTOR DE DOMO FIJO O CHINO
A B C D E
Nordm ASPECTO EVALUADO CALIFICACIOacuteN C5 DA 0=No aplica 1=Suficiente 3=Adecuado 5=Muy bueno
1 5 Tipo de Materia Prima 5 1 5
2 15 Vida Uacutetil 5 1 15
3 5 Requerimientos de Aacuterea 5 1 5
4 20 Costos 3 06 12
5 15 Construccioacuten 3 06 9
6 15 Operacioacuten y Mantenimiento 5 1 15
7 25 Rendimiento 3 06 15
Total 100 Porcentaje Evaluado 76
Fuente Monar 2008
46 Estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes
Para la estimacioacuten de la energiacutea del biogaacutes se debe conocer la demanda energeacutetica
de la hacienda la misma que debe estar representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
y con los kilogramos de excretas del ganado vacuno se determinaraacute los paraacutemetros
requeridos para el biodigestor seleccionado
461 Caacutelculo de portadores energeacuteticos que consume y necesita la hacienda
representados en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los datos de los portadores energeacuteticos consumidos por la hacienda durante el
antildeo 2013 se calcularaacuten los metros cuacutebicos de biogaacutes necesarios para cubrir toda
la demanda energeacutetica de acuerdo a la tabla de equivalencias de biogaacutes con otras
fuentes de energiacutea (IDAE 2007)
93
4611 Energiacutea eleacutectrica representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Con los 7 667 kWh de energiacutea eleacutectrica que consume la hacienda Galpoacuten para
reemplazar necesitariacutea al alrededor de 6 4725 m3
biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 5393 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmkWh
biogaacutesm
antildeo
kWh56472
21
17667 33
4612 Cantidad de gas de uso domeacutestico representada en metros cuacutebicos de
biogaacutes
El consumo de GLP en la hacienda fue de 1 350 kg durante todo el antildeo para
sustituir dicha energiacutea se necesita 3 000 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 250 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmGLPkg
biogaacutesm
antildeo
GLPkg3000
450
11350 33
4613 El uso de la lentildea representada en metros cuacutebicos de biogaacutes
Para suplir 180 kg de lentildea se requieren 90 m3 biogaacutesantildeo teniendo un valor
promedio mensual de 75 m3 biogaacutesmes
antildeobiogaacutesmLentildeakg
biogaacutesm
antildeo
Lentildeakg90
2
1180 33
4614 Cantidad de energiacutea total
La cantidad de energiacutea total (CET) es la suma de todos los valores parciales de m3
de biogaacutes convertidos de otras fuentes de energiacutea las mismas que fueron
utilizadas por la hacienda en la siguiente expresioacuten matemaacutetica se realiza la suma
algebraica
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesm
mes
biogaacutesmCET
3333
8796572503539
94
Los 7968 m3 de biogaacutes es la cantidad promedio por mes para abastecer al 100
la demanda energeacutetica de la hacienda Galpoacuten entre la energiacutea eleacutectrica GLP y
lentildea Pero por la disponibilidad de la materia prima y razones econoacutemicas el
reactor seraacute disentildeado para producir 8 m3 de biogaacutesdiacutea (240 m
3 de biogaacutesmes) lo
que representariacutea el 96 del consumo de GLP
47 Dimensionamiento del biodigestor de domo fijo
De acuerdo a la seleccioacuten realizada por la tabla de evaluaciones de biodigestores
en el literal 45 el biodigestor elegido es de domo fijo por lo tanto se debe
determinar la biomasa disponible del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten y con
estos antecedentes se calculariacutea los paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor
471 Cantidad de estieacutercol requerido
Para producir 8 m3 diarios de biogaacutes se necesita calcular la cantidad de estieacutercol
de ganado vacuno para este procedimiento se utilizaraacute la tabla 47 que fue
generada por Larry (1979) en sus experimentos Estos estudios fueron realizados
especiacuteficamente para el estieacutercol del ganado vacuno asiacute mismo en el presente
proyecto se estariacutea enfocado a utilizar la misma materia prima
Tabla 47 Datos baacutesicos para disentildeos de biodigestores en base a 1 kg de EF
DATOS BAacuteSICO PARA EL DISENtildeO DE BIODIGESTORES
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 08 kg de Soacutelidos Volaacutetiles (SV)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 03 m3 de biogaacutes a 35 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 025 m3 de biogaacutes a 30 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 02 m3 de biogaacutes a 25 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 016 m3 de biogaacutes a 22 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 010 m3 de biogaacutes a 18 degC y Pr Atm
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
Fuente Larry 1979
De acuerdo a la tabla 47 se tomaron los siguientes valores el primero
corresponde a 1 kg de estieacutercol fresco (EF) a soacutelidos totales (ST) y el segundo
95
valor corresponde a la temperatura promedio a la cual se encuentra la hacienda
Galpoacuten que oscila entre los 15 degC
1 kg de Estieacutercol Fresco (EF) = 020 kg de Soacutelidos Totales (ST)
1 kg de Soacutelidos Totales (ST) = 008 m3 de biogaacutes a 15 degC y Pr Atm
A continuacioacuten se calcularaacute la Cantidad de Estieacutercol (CE) necesario para la
produccioacuten de 8 m3 de biogaacutes que aportaraacute al consumo energeacutetico de la hacienda
Biogaacutesm
kgST
kgST
kgEF
diacutea
BiogaacutesmCE
3
3
080
1
200
18
(43)
CE= 500 kg EFdiacutea
472 Cantidad de mezcla para alimentar al biodigestor
Para producir los 8 m3 diarios de biogaacutes se requiere de terminarla cantidad de
excretas residuales del ganado vacuno que se necesitan a diario de esta forma se
determinaraacute el volumen total de la mezcla de biomasa en una relacioacuten estieacutercol y
agua de 115 (Hilbert 2008) y asumiendo que 1 kg de EF = 1 l EF se tiene
Carga Diaria (CD) = CE + Agua = diacutea
l
kg
l
diacutea
kgEF750
1
11500
(44)
CD = diacutea
Mezclal 1250
CD = diacutea
Mezclam 3
251
El caacutelculo de la mezcla se realizoacute en base a las excretas del ganado vacuno
recogidas sin vinculacioacuten de liacutequidos (orina o agua) Para casos donde se utiliza
manguera y agua para la limpieza del establo se debe tener cuidado en la mezcla
para que no exceda la relacioacuten recomendada 115
96
473 Produccioacuten de bioabono
Depende en gran medida del tipo de tecnologiacutea y de las materias primas utilizadas
para la digestioacuten Durante la fermentacioacuten parte de los soacutelidos totales se
transforman en metano por lo que el contenido de materia orgaacutenica es menor al
de las materias primas Esta fraccioacuten depende de la produccioacuten especifica de gas y
estaacute comprendido entre el 5 al 30 de soacutelidos totales Para el respectivo caacutelculo
se tomoacute el 20 de soacutelidos totales (Monar 2008)
A continuacioacuten se determinaraacute la cantidad de bioabono producido para 8 m3 de
biogaacutes por diacutea de acuerdo a la ecuacioacuten 45
Bioabono = Carga Diaria (CD) ndash (Carga Diaria (CD)) ( ST)100 (45)
Bioabono = (1250 kgdiacutea ndash (1250 kgdiacutea 02))
Bioabono = 1 000 kgantildeo
474 Cantidad de nutrientes obtenidos del bioabono
La cantidad de nutrientes que se puede obtener del bioabono se calculoacute de acuerdo
a la tabla 48 que Larry (1979) generoacute para futuros estudios donde se pueden
apreciar los porcentajes de nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) la misma que
permitiraacuten calcular los kg de cada Elemento Quiacutemico (EQ) mencionado
anteriormente
Tabla 48 Elementos en el estieacutercol fresco biodigerido
Fuente Larry 1979
ElementoQuiacutemico
(EQ)
Estieacutercol
Biodigerido (EB)
Estieacutercol
Fresco (EF) Unidades
Nitroacutegeno (N) 075 196
Fosforo (P) 004 016
Potasio (K) 026 014
Magnesio (Mg) 004 015
Calcio (Ca) 008 043
Hierro (Fe) 72 435 mgkg
Cobre (Cu) 4 11 mgkg
Zinc (Zn) 6 28 mgkg
97
A continuacioacuten se aplicaraacute la ecuacioacuten 46 para calcular la cantidad de nitroacutegeno
foacutesforo y potasio a parir de los 500 kg de biomasa obtenidos del establo
EQ = (EB) (EC) (46)
Nitroacutegeno (N) = (075 ) (CE) = (00075) (500 kgdiacutea)
Nitroacutegeno (N) = 3 kgdiacutea
Nitroacutegeno (N) = 136875 kgantildeo
Foacutesforo (P) = (004 ) (CE) = (00004) (500 kgdiacutea)
Foacutesforo (P) = 02 kgdiacutea
Foacutesforo (P) = 73 kgantildeo
Potasio (k) = (0026 ) (CE) = (00026) (500 kgdiacutea)
Potasio (k) = 114 kgdiacutea
Potasio (k) = 4745 kgantildeo
Se toma en consideracioacuten que por cada hectaacuterea de terreno se debe aplicar
aproximadamente 75 kg de urea (375 kg de Nitroacutegeno) como existen alrededor
de 35 hectaacutereas de suelo destinadas a la agricultura y ganaderiacutea esto significa que
con 1 36875 kg N se podriacutea reemplazar maacutes del 100 el uso anual de
fertilizante quiacutemico
Para el anaacutelisis de la composicioacuten quiacutemica del abono orgaacutenico obtenido solo se
referenciaran a los minerales maacutes representativos que conforman el bioabono
(nitroacutegeno foacutesforo y potasio) y para el resto de minerales no se realiza ninguacuten
caacutelculo (Monar 2008)
48 Determinacioacuten de los paraacutemetros del biodigestor
Los paraacutemetros de disentildeo para el biodigestor de domo fijo se calcularaacuten
detalladamente de acuerdo a lo sugerido por Lara (2011)
481 Volumen de la caacutemara del biodigestor
Mediante la experimentacioacuten que se realizoacute en el biodigestor tipo Batch con
aislamiento teacutermico se tomaraacute como base para determinar el tiempo de retencioacuten
el mismo que fue de 36 diacuteas ciclo en que se generoacute el biogaacutes Tomando en cuenta
98
que a partir del 18 de octubre hasta el 22 de noviembre se tiene 36 diacuteas periodo
en que la temperatura el pH y la produccioacuten de biogaacutes se estabilizaron por esta
razoacuten el mencionado tiempo seraacute considerado para los caacutelculos de los paraacutemetros
de disentildeo del biodigestor donde se emplearaacute la ecuacioacuten 47
Vb = CD TR (47)
Vb = 125 m3 de Mezcladiacutea 36 diacuteas
Vb = 45 m3
Este resultado difiere de Lara (2011) en un 48 asiacute posibilitando tener una
mayor capacidad de mezcla de la materia prima
482 Diaacutemetro del biodigestor
Calculado el volumen del biodigestor se procede a determinar la profundidad del
pozo empleando la ecuacioacuten 48 considerando que se trata de un cilindro vertical
de diaacutemetro (Oslash) igual a la profundidad (H) seguacuten propone Lara (2011)
Oslash = H
Doacutende
Vb = Volumen del biodigestor
HVb
4
Oslash2 (48)
Reemplazando H por Oslash se tiene
mmV
85314153
4454Oslash 3
3
3
El diaacutemetro difiere en 22 seguacuten Lara (2011) lo que permite tener mayor
capacidad de almacenamiento
99
483 Altura del biodigestor
La altura del biodigestor (H) para 45 m3 de volumen se determinaraacute en funcioacuten del
diaacutemetro calculado que es de 385 m
Teniendo asiacute H = 385 m
Por disentildeo se deja en la parte superior un borde libre de 20 cm de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) donde la altura total seraacute
Hb = altura del Biodigestor + borde por disentildeo
Hb = H + 020 m
Hb = 385 + 020 m
Hb = 405 m
La altura del biodigestor tambieacuten difiere en un 23 de acuerdo a Lara (2011) en
su proyecto disentildeado para 5 m3 de biogaacutes
484 Caacutelculos de la curvatura de la cuacutepula
El caacutelculo de la curvatura de la cuacutepula se determina en funcioacuten del diaacutemetro del
biodigestor
4841 Cuacutepula superior
El caacutelculo de la cuacutepula superior (f1) estaacute en funcioacuten del diaacutemetro del biodigestor
seguacuten la ecuacioacuten 49
Oslash5
11 f
(49)
mmf 7708535
11
4842 Radio del biodigestor
El radio del biodigestor (r) determina el ancho que tendraacute el tanque desde su
centro haciacutea la periferia y se calcula de acuerdo la ecuacioacuten 410
100
Vb = volumen del biodigestor
Hb = altura del biodigestor
m
m
H
Vr
b
b
414153
45 3
19 m (410)
4843 Radio de la curvatura de la esfera superior
Con el radio de la curvatura de la esfera superior (R1) se determinaraacute el valor del
casquete que cubriraacute el tanque reactor en funcioacuten de r y f1 y con la ecuacioacuten 411
1
2
1
2
12
)()(
f
frR
(411)
)770(2
)770()91( 22
1m
mmR
=27m
4844 Volumen de la cuacutepula
Con los valores de R1 y f1 se calcularaacute el volumen de la cuacutepula (V1) del
biodigestor empleando la ecuacioacuten 412
)3
()( 11
2
11
fRfV
(412)
32
1 54)3
77072()770(14153 m
mmmV
4845 Volumen del cilindro
Se determina el volumen del cilindro (V2) en funcioacuten de Hb y r valores que
permitiraacuten calcular la capacidad del cilindro para su construccioacuten donde se
emplearaacute la ecuacioacuten 410 despejando el volumen (V) entonces seraacute igual a
322
2 36454)91(14153 mmmHrV b
101
4846 Volumen final del biodigestor
El caacutelculo del volumen final (Vfb) del biodigestor determinaraacute el volumen que
ocuparaacute la estructura total en el aacuterea asignada para dicho proyecto el mismo se
calculara con V1 y V2
333
21 8649364554 mmmVVV fb
El volumen final del biodigestor difiere de Lara (2011) en 48 permitiendo asiacute
tener una mayor capacidad de produccioacuten de biogaacutes
485 Caacutelculo de la superficie estructural
La superficie estructural (S1) se determinoacute en base a los paraacutemetros R1 y f1 y con
la ecuacioacuten 413 se obtuvo el valor de la siguiente manera
111 2 fRS (413)
mmS 770721415321
S1 = 1187 m2
Para la superficie estructural (S2) se calculoacute en base a los paraacutemetros r y Hb
utilizando la ecuacioacuten 414
bHrS 22 (414)
mmS 4911415322
S2 = 4775 m2
En el caacutelculo de la superficie total (S) se sumoacute las superficies parciales calculadas
anteriormente (S1 y S2)
S = S1 + S2
S = (1187 + 4775) m2
S = 9562 m2
102
La superficie total difiere de la obtenida por Lara (2011) en un 41
determinando que se tiene una mayor superficie para almacenamiento de biomasa
residual del ganado vacuno
486 Caacutelculo del volumen del tanque de mezcla
El volumen del tanque de mezcla (Vm) se calcularaacute a partir de 125 m3mezcla
diaria de excretas del ganado vacuno (ecuacioacuten 48) disponibles en la hacienda
Vm = mm h
d
4
2
hm = altura del tanque de mezcla
1875 m3 = mh
4
81 2
hm = 074 m
El volumen del tanque de mezcla se encuentra sobre dimensionado en un 66 de
su capacidad diaria de produccioacuten de excretas del ganado bovino de acuerdo a lo
sugerido por Lara (2011) teniendo asiacute un volumen de 1875 m3
487 Caacutelculo de la capacidad del tanque de descarga
Para el caacutelculo de la capacidad de almacenamiento del tanque de descarga (Vd)
sugeridos por Lara (2011) se tienen los siguientes valores altura del tanque de
descarga (hd) = 1 m con un diaacutemetro (dd) de 18 m Donde se aplica la siguiente
ecuacioacuten 48
Vd = dm h
d
4
2
Vd = 14
81 2
Vd = 254 m3
103
El volumen calculado para el tanque de descarga permitiraacute disponer de una mayor
capacidad de almacenamiento del efluente el mismo que se encuentra sobre
dimensionado al 100 de la mezcla diaria (estieacutercol-agua) de la biomasa
residual por seguridad permitiendo asiacute evitar posibles derrames del bioabono tal
como sugiere Lara (2011)
Mediante la tabla 49 se tiene un resumen de los paraacutemetros calculados del
biodigestor propuesto en este proyecto
Tabla 49 Paraacutemetros fiacutesicos del biodigestor de domo fijo
Nordm PARAacuteMETRO SIacuteMBOLO VALOR UNIDAD
1 Volumen del efluente Vt 45 m3
2 Diaacutemetro Oslash 385 m
3 Altura del biodigestor Hb 405 m
4 Curvatura de la cuacutepula f1 077 m
5 Radio r 19 m
6 Radio curvatura esfera superior R1 27 m
7 Volumen de la cuacutepula V1 45 m3
8 Volumen del cilindro V2 4536 m3
9 Volumen total biodigestor Vfb 4986 m3
10 Superficie estructural S 9562 m2
11 Volumen de la caacutemara de mezcla Vm 1875 m3
12 Volumen de la caacutemara de efluente Vd 254 m3
49 Emisiones de gases de efecto invernadero
La principal causa del cambio climaacutetico que se viene dando es por el
calentamiento global producido principalmente por los gases de efecto
invernadero (dioacutexido de carbono metano oacutexidos de nitroacutegeno entre otros)
De acuerdo a Johnson (1995) y Kurihara (1999) las emisiones de metano
generadas por el ganado vacuno se estiman en 58 millones de tantildeo (80 millones
que genera los animales domeacutesticos) en el presente proyecto se estariacutea dejando de
emitir al medio ambiente 150 m3 de metano producto de las excretas del ganado
104
vacuno siendo eacuteste gas 23 veces maacutes potente que el dioacutexido de carbono en
contribuir el efecto invernadero (Saldarreaga 2012)
El beneficio que tiene la implementacioacuten de un Biodigestor de Domo Fijo (BDF)
es disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero fundamentaacutendose
principalmente en su capacidad de reducir las emisiones de CO2 en comparacioacuten
con carburantes derivados del petroacuteleo Un anaacutelisis teoacuterico investigativo estima
que un BDF de 8 m3 puede producir 1 71648 kWantildeo considerando que un metro
cuacutebico de biogaacutes representa un valor equivalente a 596 kW (Hilbert 2008) Con
la combustioacuten de biogaacutes en lugar de combustibles derivados del petroacuteleo como
es el caso del GLP que se utilizoacute como paraacutemetro de estudio en la presente tesis
existe un potencial de reducir 025 kg de CO2 por kW de energiacutea producida en
base a datos propuestos por Kumar (2000) El valor total que puede reducir por
antildeo en teacuterminos de CO2 estaacute en el orden de 42 toneladas para un biodigestor de
domo fijo de 8 m3 En la tabla 410 se detallan especiacuteficamente estos valores
Tabla 410 Disminucioacuten en la emisioacuten de CO2 por el uso de biogaacutes producido por
un BDF de 8 m3 como alternativa a la combustioacuten de GLP
Produccioacuten de Biogaacutes
Energiacutea Producida
Ahorro en Emisiones
Disminucioacuten en Emisioacuten CO2
Disminucioacuten Total en Emisioacuten CO2
[m3antildeo] [kWantildeo] [kg CO2kW] [kgantildeo] [tantildeo]
2 880 1 71648 025 4 2912 42
410 Comprobacioacuten de la hipoacutetesis
Si se examina la caracterizacioacuten de la biomasa residual del ganado
vacuno realizada en los establos de la hacienda Galpoacuten relacionadas
con el aprovechamiento energeacutetico se puede determinar la
disponibilidad de la materia prima para la implementacioacuten de un
biodigestor alternativo
El ganado vacuno que posee la hacienda Galpoacuten son 205 animales
distribuidos en 110 vacas 28 toros 52 terneros y 15 caballos de acuerdo
105
a esta tabulacioacuten se caracterizoacute el valor teoacuterico y real de la biomasa
residual disponible para la generacioacuten de biogaacutes y bioabono donde
asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas frescas de animales materia prima
suficiente para la aplicacioacuten de la tecnologiacutea de los biodigestores con lo
cual se sustenta la hipoacutetesis plateada
Se cuenta con alrededor de 1 172 kg de estieacutercol fresco que se puede
obtener de acuerdo al nivel de permaneciacutea de los animales en los
establos de la hacienda Galpoacuten cantidad suficiente para calcular los
paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo fijo
Los 1 172 kg de excretas frescas es la meteriacutea prima real disponible pero
de acuerdo a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten el disentildeo se
realizaraacute para producir 8 m3 de biogaacutes diarios Por lo tanto para la
mencionada capacidad de biogaacutes seraacute necesario 500 kg estieacutercol fresco y
750 litros de agua dando una mezcla de 1 250 kg de biomasa residual con
eacuteste valor se calculoacute los paraacutemetros de disentildeo del biodigestor de domo
fijo teniendo asiacute diaacutemetro 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y del efluente
1875 y 25 m3 respectivamente De esta manera se comprueba la hipoacutetesis
planteada
Analizando el ensayo realizado con 10 kg de excretas frescas e
introducido en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo convencional en cuanto al
proceso de bioconversioacuten se refiere se puede establecer la cantidad de
partiacuteculas por milloacuten del gas metano presentes en el biogaacutes lo que
determinaraacute el poder caloacuterico del biogaacutes para la nueva fuente de
energiacutea renovable
El experimento realizado en el biodigestor tipo ldquoBatchrdquo (convencional)
con los 10 kg de excretas frescas infirieron directamente en el desarrollo
de este trabajo Demostrando que el proyecto es viable por los siguientes
objetivos alcanzados la produccioacuten de biogaacutes para los 10 kg estieacutercol
alcanzoacute los 0075 m3 de biogaacutes con un 612 de partiacuteculas de metano
106
valor que determinoacute el poder caloacuterico real del biogaacutes siendo eacutesta energiacutea
de 24 535904 kJm3 Contribuyendo de esta manera a reducir el impacto
ambiental al dejar de emitir directamente a la atmosfera 2295 m3 de gas
metano (612 CH4 de 375 m3 de biogaacutes) por la descomposicioacuten
anaeroacutebica de 500 kg de estieacutercol del ganado vacuno proveniente de los
establos de la hacienda Galpoacuten Por lo tanto los resultados obtenidos
justifican la hipoacutetesis asentada
411 Conclusiones del capiacutetulo
En la hacienda Galpoacuten se dispone de 190 cabezas de ganado vacuno y 15
equinos Estos animales constituyen la fuente con que cuenta la hacienda
para la generacioacuten de biomasa Tales registros permitieron inferir que la
cantidad teoacuterica y real de biomasa residual disponible para la produccioacuten
de biogaacutes asciende a 1 953 y 1 172 kg de excretas animales
respectivamente Lo anterior estaacute determinado por el nivel de permanencia
de los animales en los establos
Entre los portadores energeacuteticos que utiliza la hacienda se identificoacute el de
mayor costo siendo el gas licuado de petroacuteleo 23 veces superior al de la
energiacutea eleacutectrica El gasto econoacutemico anual en que incurre la hacienda por
concepto de consumo de GLP asciende a 1 678 USD
Se obtuvieron los datos de las variables fiacutesicas del biodigestor con y sin
aislamiento teacutermico donde la temperatura promedio alcanzoacute los valores de
231 y 298 ordmC siendo el pH registrado menor y mayor que siete (aacutecido y
baacutesico) respectivamente Por su parte el volumen de biogaacutes producido
ascendioacute a 361 y 752 litros por ese orden
Se determinoacute el poder caloacuterico del biogaacutes obtenido en el biodigestor con
aislamiento teacutermico donde se obtuvo la cantidad de 12 2402 partiacuteculas de
metano presentes en el biogaacutes que corresponden al 612 de metano en
relacioacuten con el volumen total de gas
107
Se demostroacute que el biodigestor con las caracteriacutesticas maacutes apropiadas para
el presente proyecto es el de domo fijo o chino el cual obtuvo un 76 de
aceptacioacuten de acuerdo a la matriz de decisiones planteadas Ademaacutes se
calcularon los paraacutemetros de disentildeo y se obtuvieron los siguientes
resultados diaacutemetro exterior 385 m altura 4 m volumen total del
biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y efluente 1875 y
25 m3 respectivamente
108
CAPIacuteTULO 5 LA PROPUESTA
51 Introduccioacuten
La implementacioacuten de propuestas basadas en anaacutelisis cientiacutefico-teacutecnicos
econoacutemicos y ambientales constituyen una etapa fundamental dentro del proceso
de investigacioacuten por cuanto se puede pueden mejorar los procesos que se
desarrollan mediante la introduccioacuten de nuevas y novedosas teacutecnicas y
tecnologiacuteas El objetivo del presente capitulo es establecer una propuesta para la
implementacioacuten de un biodigestor de domo fijo que aproveche la biomasa residual
disponible en la hacienda Galpoacuten
52 Tiacutetulo de la propuesta
Biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico para aprovechamiento del
potencial energeacutetico de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten
53 Justificacioacuten de la propuesta
Es necesaria una propuesta de un biodigestor alternativo que aproveche las
excretas del ganado vacuno para generar una energiacutea alternativa y limpia que
permita disminuir el consumo de GLP (garrafas 45 kg GLP) no subsidiados por el
gobierno y asiacute tener un abastecimiento hibrido de energiacutea teacutermica que pueda ser
utilizada por la hacienda Galpoacuten de esta manera se estariacutean impulsando nuevos
proyectos de energiacuteas alternativas (biogaacutes) y su vez se cumpliriacutea con el objetivo
principal del Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en disminuir
paulatinamente los gases de efecto invernadero (GEI) que estaacuten contaminando el
medio ambiente y por lo tanto conllevariacutea a los habitantes a tener una mejor
calidad de vida
109
54 Objetivo de la propuesta
Aprovechar los desechos bioloacutegicos del ganado vacuno para generar una energiacutea
renovable para reemplazar la utilizacioacuten de GLP en la hacienda Galpoacuten de
acuerdo a una normativa vigente
55 Estructura de la propuesta
La estructura de la propuesta para la implementacioacuten de un biodigestor de domo
fijo alternativo que permita aprovechar las excretas del ganado vacuno de la
hacienda Galpoacuten paragenerar biogaacutes y bioabono Se encuentra dividido en las
partes constitutivas del biodigestor la operacioacuten y el mantenimiento preventivo
anaacutelisis econoacutemico social y medio ambiental
551 Partes constitutivas del biodigestor
Las partes constitutivas con las cuales estaraacute conformado el mencionado proyecto
se las puede resumir baacutesicamente en la materia prima o biomasa tanque de
mezcla tuberiacutea de entrada tanque reactor gasoacutemetro conducto de salida del
biogaacutes tuberiacutea de salida del efluente y tanque de descarga En la Figura 51 se
describen cada una de estas partes
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
GASOgraveMETRO
SALIDA DEL BIOGAgraveS
TUBERIA DEENTRADA
TUBERIA DE SALIDADEL EFLUENTE
BIOMASA
Figura 51 Partes del biodigestor de domo fijo
110
a Materia prima disponible
Los residuos soacutelidos que generan el ganado vacuno en la hacienda Galpoacuten
ascienden a 1 953 kg de estieacutercol fresco por diacutea de acuerdo a la tabulacioacuten
realizada en el literal 43 pero al no permanecer los bovinos las 24 horas del diacutea
en los establos se consideraraacuteel 60 del total de las excretas frescas del ganado
de acuerdo al porcentaje considerado se tendriacutea 1 172 kg de EFdiacutea ademaacutes por
cuestiones econoacutemicas y factibilidad del proyecto soacutelo se realizaraacute el disentildeo para
8 m3 de produccioacuten de biogaacutes por diacutea En la tabla 51 se detalla la produccioacuten de
biogaacutes y la demanda que tiene la hacienda
Tabla 51 Portadores energeacuteticos disponibles y su demanda
TOTAL Litros Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3 biogaacutesdiacutea
Produccioacuten m3
biogaacutesmes
Potencia instalada
m3
biogaacutesmes
1250 8 240 250
La propuesta que se plantea con 240 m3
de biogaacutes que se generan en el biodigestor
de domo fijo que cubririacutea el 96 del consumo de GLP de la hacienda
b Caacutemara de mezcla a la entrada del biodigestor
La caacutemara de mezcla tiene las siguientes dimensiones 074 m de altura y 18 m de
diaacutemetro con una capacidad de 1 500 litros de mezcla se ha sobre dimensionado
en 20 por seguridad ante cualquier eventualidad como puede ser exceso de
materia prima por mantenimiento o por falla del biodigestor En el Anexo 18 se
presenta un esquema detallado del reactor
c Cilindro del biodigestor
El cilindro del biodigestor tiene una capacidad de 45 000 litros de acuerdo a las
siguientes especificaciones altura de 4 m y un radio de 19 m Donde la
estructura de concreto del tanque reactor debe regir bajo la norma ASTM A 496
La misma detalla claramente las especificaciones teacutecnicas para su construccioacuten
111
d Cuacutepula del biodigestor
Las dimensiones de la cuacutepula del biodigestor tiene un radio de 27 m con una
altura de 077 m teniendo una capacidad de almacenamiento de 4 500 litros de
biogaacutes a una presioacuten media de entre 05 a 15 bar
e Caacutemara de descarga del efluente
Tiene una capacidad de 2 500 litros con las siguientes dimensiones radio 18 m y
altura de 10 m la misma se encuentra sobre dimensionada en aproximadamente
el 100 de la capacidad de mezcla diaria que ingresa al biodigestor para detalles
maacutes especiacuteficos revisar el Anexo 18
f Tuberiacutea de transporte del biogaacutes
La tuberiacutea para el transporte del biogaacutes que va desde el biodigestor haciacutea el punto
de utilizacioacuten seraacute implementada de acuerdo especificaciones teacutecnicas de la
norma NTE INEN 2 2602008
552 Operacioacuten y mantenimiento baacutesico preventivo del biodigestor
La operacioacuten y el mantenimiento del biodigestor de domo fijo se debe realizar
bajo la supervisioacuten de un experto en la rama porque en los inicios de la operacioacuten
hay que tomar en cuenta aspectos teacutecnicos para su funcionamiento por lo tanto se
tiene que plasmar un manual baacutesico para los operarios
1 Construido el biodigestor de domo fijo se realiza la primera carga con los
primeros 1 250 litros de mezcla de biomasa asegurando que las tuberiacuteas de
entrada y salida queden sumergidas en el liacutequido para tener un sello
hidraacuteulico Tras esto al diacutea siguiente se haraacute la misma operacioacuten y en
adelante toda la vida uacutetil operativa del biodigestor
2 En la mezcla entre el estieacutercol y el agua cuando se realiza manualmente se
debe considerar siempre una relacioacuten de 115 de acuerdo a lo sugerido por
Hilbert (2008) pero siacute la limpieza del establo es con manguera se debe
112
tomar en cuenta la relacioacuten antes mencionada o tener una composicioacuten
pastosa de aproximadamente 50 000 centipoise (ATPP 2008)
3 Comprobar y registrar diariamente la presioacuten marcada por el manoacutemetro del
biodigestor En caso de que la presioacuten marque cero se debe verificar si
existe fuga esto se puede comprobar con agua y jaboacuten entre las uniones de
la tuberiacutea o donde existen tapas Si existe fuga se debe corregir y revisar
nuevamente el manoacutemetro para ver si la presioacuten subioacute
4 La mezcla del estieacutercol del ganado vacuno no debe tener partiacuteculas
superiores a 5 mm o restos de pasto del ganado vacuno
5 La limpieza de las caacutemaras de mezcla y descarga se deben realizar con agua
pura sin aditivos jabonosos
6 El aacuterea del biodigestor debe tener libre circulacioacuten de aire porque el biogaacutes
es altamente explosivo y puede provocar un incendio
7 Los paraacutemetros de temperatura presioacuten y potencial de hidroacutegeno se deben ir
monitoreando constantemente porque la produccioacuten de biogaacutes depende de
estos factores
8 Se tiene que vigilar que no exista condensacioacuten de liacutequidos en los conductos
del biogaacutes ya que al acumularse el agua produce golpeteos en el fuego y se
apaga la llama Por ende se deben purgar las tuberiacuteas una vez al diacutea
553 Anaacutelisis econoacutemico
De acuerdo a la investigacioacuten realizada se determinaron los costos de la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo los mismos se detallan a
continuacioacuten
5531 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor
El costo de materiales para la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
propuesto en este proyecto se detallan en la tabla 52 El mismo que fue calculado
para una capacidad de produccioacuten de 8 m3 de biogaacutesdiacutea para remplazar el 96
de consumo de GLP utilizado por la hacienda Galpoacuten
113
Tabla 52 Costos de materiales para la construccioacuten del biodigestor domo fijo
PRESUPUESTO DE CONSTRUCCIOacuteN DEL BIODIGESTOR DE DOMO FIJO
PROYECTO REACTOR PARA LA HACIENDA GALPOacuteN DE 4986 METROS CUacuteBICOS
EMPRESA INDUACEROampCONSTRUCCIONES
FECHA NOVIEMBRE 2013
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN CANTIDAD UNIDAD PRECIO UNITARIO (USD)
PRECIO TOTAL (USD)
1 Estudio de planeamiento de suelo 45 m2 17 765
2 Compactacioacuten y nivelacioacuten de suelo 35 m2 125 4375
3 Excavacioacuten de suelo 20 m3 20 400
4 Encofrado de pared reactor 477 m2 65 31005
5 Encofrado de pared cuacutepula 118 m2 65 767
6 Acero de refuerzo 70 kg 09 63
7 Malla electrosoldada 15 kg 12 18
8 Hormigoacuten simple fc=210kgcm2 6 m3 130 780
9 Empedrado base 166 m2 76 12616
10 Impermeabilizacioacuten de pared 599 m2 125 74875
11 Piedra triturada de relleno 70 m3 3 210
12 Tuberiacutea PVC de 412 para mezcla y descarga
12 m 335 402
13 Tuberiacutea PVC de 12 ducto del biogaacutes 35 m2 23 805
TOTAL (USD) 4 05586
5532 Costos de soporte teacutecnico y mano de obra
Ademaacutes del costo de los materiales para la construccioacuten del reactor se deben
tomar en cuenta otros rubros complementarios como el soporte teacutecnico y la mano
de obra que se requiere para la ejecucioacuten del sistema hibrido que abasteceriacutea de
energiacutea teacutermica a la hacienda En la tabla 53 se presentan los costos referenciales
de estos rubros
Tabla 53 Costo de soporte teacutecnico e instalacioacuten sistema de biogaacutes
SOPORTE TEacuteCNICO amp MANO DE OBRA
IacuteTEM DESCRIPCIOacuteN DOacuteLARES
1 Soporte Teacutecnico 500
2 Mano de Obra 1 500
TOTAL 2 000
114
5533 Costo total del biodigestor domo fijo para la hacienda Galpoacuten
El costo para implementar el biodigestor que remplazariacutea el 96 del consumo de
GLP que utiliza la hacienda Galpoacuten en sus actividades de ordentildeo y produccioacuten de
quesos es aproximadamente 6 05586 USD
5534 Ahorro anual del gas licuado de petroacuteleo y los abonos quiacutemicos con la
implementacioacuten del biodigestor de domo fijo
Los beneficios directos de la implementacioacuten del presente proyecto pueden ser
estimados en base al uso del biogaacutes como una fuente alternativa a las energiacuteas no
renovables y a la aplicacioacuten del efluente como una sustitucioacuten de nutrientes
aportados por los fertilizantes quiacutemicos (Hilbert 2008) El valor comercial del
biogaacutes como fuente de energiacutea fue estimado en su equivalente en valor energeacutetico
de un combustible convencional que puede ser reemplazado por el uso del biogaacutes
El combustible comuacutenmente utilizado para obtener energiacutea teacutermica en las zonas
rurales es el GLP El valor neto en caloriacuteas de un metro cuacutebico de biogaacutes equivale
a la energiacutea emitida por 045 kg de GLP (Hilbert 2008) Asiacute la produccioacuten anual
es de 240 m3 de biogaacutes (36 diacuteas de retencioacuten) equivale a 1 296 kg de GLP
El valor comercial de 1 kg de GLP es 124 USD (Congas 2013) Calculando la
cantidad de biogaacutes por su equivalente energeacutetico en GLP por su valor comercial
los beneficios directos derivados de la combustioacuten de biogaacutes aproximadamente
ascienden a 1 60704 USD
Referente al valor econoacutemico del efluente el precio por nutriente es calculado en
base al valor comercial por kilogramo de cada nutriente que tiene los fertilizantes
quiacutemicos El valor econoacutemico anual del efluente se obtiene mediante el anaacutelisis
del contenido nutricional de los minerales multiplicado por el precio comercial
por kilogramo de nutrientes asiacute teniendo nitroacutegeno (N) potasio (P) y foacutesforo (K)
Este valor se estima alrededor de 889 USD por la produccioacuten de 1 368 kg de N
reemplazando en su totalidad los 1 000 kg de urea a un costo anual de 650 USD
379 USD por la produccioacuten de 73 kg de P y 910 USD por el contenido de 474 kg
de K para un total de 2178 USD Los precios por kilogramo de nutrientes se
obtuvieron de la agroquiacutemica El Huerto (1kg N = 065 USD 1kg P = 520 USD
115
1kg K = 120 USD) En la tabla 55 se describe los beneficios que se obtendriacutean
para la hacienda al utilizar de este producto derivado de la biodegradacioacuten de la
materia orgaacutenica
Tabla 54 Ahorro de GLP y abono quiacutemico con el biodigestor domo fijo
PORTADORES
ENERGEacuteTICOS
SISTEMA
ACTUAL BDF AHORRO
CANTIDAD USD CANTIDAD USD USD
GLP (Garrafas) 30 1678 12 6696 1 61104
Abono (Kg) 1 000 Urea 650 1 368 (N) 8892 8892
Abono (kg)
73 (P) 379 379
Abono (kg)
474 (K) 910 910
TOTAL
(USD) 3 78924
Los beneficios directos derivados de la implementacioacuten del BDF puede
incrementarse si el efluente se seca y se vende como fertilizante soacutelido a otras
fincas o agricultores propios de la zona a un precio mayor que el abono comercial
por tener mejores caracteriacutesticas que los abonos quiacutemicos (Botero 2006)
554 Evaluacioacuten financiera
La evaluacioacuten financiera para el proyecto del biodigestor de domo fijo se realizaraacute
bajo el criterio del valor actual neto (VAN) y la tasa de retorno interno (TIR) los
mismos permitiraacuten determinar si el proyecto es viable
5541 Criterio del valor actual neto
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuro producidos por una inversioacuten (ver tabla 55) La ecuacioacuten 51
presenta los paraacutemetros para calcular el VAN (Mahmood 2005)
VAN = minusA +Q1
1+k1 +
Q1
1+k1 1+k2 + ⋯ +
Qn
1+k1 hellip 1+kn (51)
116
Doacutende
VAN- Valor Actual Neto de la Inversioacuten
A- Valor de la Inversioacuten Inicial
Qi- Flujos de caja Se trata del valor neto asiacute cuando en un mismo periacuteodo
se den flujos positivos y negativos seraacute la diferencia entre ambos flujos
ki- Tasa de retorno del periacuteodo
Tabla 55 Anaacutelisis del VAN para el biodigestor con aislamiento teacutermico
INVERSIOacuteN
6 0558
TASA BCE
012
VIDA UacuteTIL
20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 3 4864 3 11286
2 3 4864 2 77934
19 3 4864 40479
20 3 4864 36142
VAN = 26 04147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico generaraacute beneficios econoacutemicos
a la administracioacuten de la hacienda determinando que el proyecto es viable En el
Anexo 19 se encuentran los detalles del caacutelculo
5542 Tasa interna de retorno
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se relaciona
con la tasa de referencia (fijada por el Banco Central del Ecuador BCE) y al ser
mayor se puede decir que el proyecto es aceptable caso contario se rechaza para
obtener este valor se calcula con la ecuacioacuten 52 (Mahmood 2005) En la tabla 56
se tiene un resumen del caacutelculo del TIR
TIR =minusI0 + Ft
nt=1
x Ftnt=1
(120787120784)
117
Doacutende
Ft- Flujos de caja en el periacuteodo t
n- Nuacutemero de antildeos
Io- Inversioacuten inicial
Tabla 56 Caacutelculo de la TIR del biodigestor de domo fijo
INVERSIOacuteN 6 0558
TASA BCE 012
VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12
Io -6 0558
1 3 11286
2 2 77934
19 40479
20 36142
TIR = 41
De acuerdo a la tabla 56 la Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41
lo cual significa que el biodigestor domo fijo con aislamiento teacutermico es superior
a la tasa referencial del Banco Central del Ecuador determinando asiacute que el
proyecto es aceptable Para observar datos detallados por cada antildeo revisar los
caacutelculos realizados en el Anexo 20
56 Anaacutelisis socio-econoacutemico
Al ejecutar la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo la administracioacuten de
la hacienda Galpoacuten se veraacute aludida con relevantes beneficios econoacutemicos a
mediano y largo plazo
a Anaacutelisis de ahorro socio-econoacutemico al implementar el biodigestor de domo
fijo que permitiraacute reducir el consumo de GLP y abonos sinteacuteticos
El sistema de abastecimiento de energiacutea teacutermica actual (GLP) en la hacienda
Galpoacuten es de 1 350 kg de GLP (30 cilindros 45 kg no subsidiado) lo que
representa un costo de 1 678 USD en la Tabla 54 se detallan estos valores Con
118
la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo el consumo anual de gas licuado
se reduciraacute a 54 kg de GLP (12 cilindros de 45 kg) a un precio de 6696 USD
obteniendo un ahorro neto de 1 296 kg de GLP (288 cilindros de 45 kg) a un
monto de 1 61104 USD
El consumo actual de abonos quiacutemicos para las 35 hectaacutereas que dispone la
hacienda Galpoacuten es de 1 000 kg de urea (20 quintales de 50 kgcu) representando
una inversioacuten de 650 USD los mismos que se detallan en la tabla 54 al
implementar el BDF se eliminariacutea todo el consumo de abonos sinteacuteticos (1 000 kg
de urea) obteniendo un ahorro del 100 por la compra de estos insumos
agriacutecolas e inclusive se tendriacutea 365 N en exceso a un costo de 2392 USD asiacute
teniendo un beneficio total de 8892 USD
57 Valoracioacuten ambiental
La valoracioacuten ambiental que tendraacute el presente proyecto en cuanto a tener una
energiacutea limpia y renovable que disminuya las emanaciones de los gases de efecto
invernadero son muy importantes porque parten de una poliacutetica medio ambiental
que estaacute impulsando el gobierno ecuatoriano
a Aplicacioacuten de los Certificados de Reduccioacuten de Emisiones de CO2 (CERrsquos)
con el objetivo de tener un ingreso de capital al Estado
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente
y que se traducen en Certificados de Emisiones Reducidas o Certified Emission
Reductions (CER) Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de emitir
a la atmoacutesfera con la aplicacioacuten de proyectos resultantes del Mecanismo de
Desarrollo Limpio (MDL) y pueden ser vendidos en el mercado de carbonos a
paiacuteses industrializados
El sistema ofrece incentivos econoacutemicos para que las empresas privadas
contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y se consiga regular la emisioacuten
generada por sus procesos productivos considerando el derecho a emitir CO2
como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado de acuerdo a la
oferta y demanda
119
Seguacuten el reacutegimen de comercio de derechos de emisiones de California en la
segunda subasta en febrero del 2013 el precio por cada tonelada equivalente de
CO2 alcanzoacute un valor aproximado de 1362 doacutelares americanos superando todas
las expectativas de los analistas econoacutemicos y vendiendo a un monto de 291 USD
por encima del precio de reserva (ECOACSA 2013)
Como se puede constatar en la tabla 410 con la implementacioacuten del BDF se
podriacutea dejar de emitir 42 t de CO2 por antildeo obteniendo el Estado un beneficio
econoacutemico de 572 USD anual lo cual econoacutemicamente es un valor muy bajo
pero se estaacute cumpliendo con el Protocolo de Kyoto el mismo que consiste en
reducir las emisiones que causan el calentamiento global del planeta
58 Conclusiones del capiacutetulo
La implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la hacienda Galpoacuten
basado en el flujo de caja proyectado en un periodo de 20 antildeos se
considera econoacutemicamente rentable Lo anterior se evidencioacute en los
resultados obtenidos para el valor actual neto y la tasa interna de retorno
los cuales ascendieron a 26 04147 USD y el 41 respectivamente
Se determinoacute que la implementacioacuten del biodigestor de domo fijo en la
hacienda Galpoacuten permite sustituir el gas licuado del petroacuteleo por el gas
metano producido en la instalacioacuten El ahorro anual asociado al cambio de
combustible se estima en 1 61104 USD para un precio 5593 USD por
cilindros de 45 kg de GLP Tambieacuten se dejariacutean de emitir 42 toneladas de
CO2antildeo con los consiguientes beneficios ambientales que esto implica
120
CONCLUSIONES
1 La cantidad total de biomasa residual procedente del ganado vacuno y los
equinos disponible en los establos de la hacienda Galpoacuten asciende a
1 953 kgdiacutea Su potencial energeacutetico tabulado de acuerdo al tipo de animal
representa el 563 215 107 y 115 para las vacas los toros los terneros
y los equinos respectivamente
2 Se evidencioacute mediante caacutelculos que para las condiciones de explotacioacuten de
la hacienda Galpoacuten se obtienen 500 kg de excretas frescas soacutelidas las que
mezcladas con 750 l de agua permite conseguir 1 250 l de biomasa residual
Esta cantidad usada en un biodigestor de domo fijo posibilitaraacute obtener
alrededor 2 880 m3antildeo de biogaacutes y 1 000 kgantildeo de bioabono
3 Se determinoacute mediante el meacutetodo experimental calorimeacutetrico el poder
caloacuterico del biogaacutes producido por el prototipo de biodigestor 2 tipo ldquoBatchrdquo
Su valor ascendioacute a 24 535904 kJm3 (5 861 kcalm
3) para un gas que
conteniacutea 612 de partiacuteculas de metano
4 Se seleccionoacute el biodigestor maacutes apropiado para la implementacioacuten del
proyecto recayendo en el de domo fijo el cual obtuvo un grado de
aceptacioacuten del 76 de acuerdo con la matriz de decisiones empleada Los
paraacutemetros de disentildeo del tanque reactor son diaacutemetro 385 m altura 4 m
volumen total del biodigestor 4986 m3 volumen de la caacutemara de mezcla y
del efluente 1875 y 25 m3 respectivamente
5 Se corroboroacute a traveacutes de la evaluacioacuten financiera que el VAN obtuvo un
valor positivo de 26 04147 USD para una TIR de 46 que es superior a la
tasa establecida por el banco Central del Ecuador Lo anterior evidencioacute la
viabilidad econoacutemica del proyecto de investigacioacuten
121
6 La implementacioacuten del biodigestor propuesto permitiraacute ahorrar alrededor de
1 61104 USD a la administracioacuten de la hacienda Galpoacuten al dejar de
combustionar 1 296 kg de GLP Lo anterior tambieacuten favoreceraacute al ambiente
por cuanto se estariacutea dejando de emitir a la atmoacutesfera 42 t de CO2 por antildeo
RECOMENDACIONES
1 Considerar los paraacutemetros calculados en la presente investigacioacuten en la
ingenieriacutea de detalle para el disentildeo la fabricacioacuten e implementacioacuten del
biodigestor de domo fijo propuesto para la hacienda Galpoacuten
2 Realizar ensayos experimentales con otros tipos de biomasas residuales con
el propoacutesito de encontrar la materia prima maacutes satisfactoria en cuanto a
cantidad y calidad del biogaacutes producido
3 Investigar la posibilidad de implementacioacuten en la hacienda Galpoacuten de otros
tipos de biodigestores y tecnologiacuteas para la produccioacuten de biogaacutes
122
BIBLIOGRAFIacuteA REFERENCIADA
1 Alonso M (1986) Fiacutesica Mecaacutenica y Termodiacutenamica Argentina Addison-
Wesley Iberoamericana Paacutegs101-105
2 Aacutelvarez F (2010) Preparacioacuten y uso del biol ITDG Paacutegs20-29
3 Arce J (2011) Disentildeo de un biodigestor para generar biogaacutes y abono a
partir de desechos orgaacutenicos de animales aplicable en las zonas agrarias
del Litoral Guayaquil UPS
4 Armendaacuteris G (1989) Quiacutemica General Moderna Quito Publicaciones
Modernas Paacutegs50-30
5 Arristiacutea M (2009) El biogaacutes no es un siacutembolo de pobreza Paacutegs 1-2
6 ATPP (2008) Densidad de fluidos liacutequidos pastosos Aplicaciones teacutecnicas
procesos productivos Paacutegs 10-15
7 Avendantildeo D (2010) Disentildeo y construccioacuten de un digestor anaerobio de
flujo pistoacuten que trate los residuos generados en una explotacioacuten ganadera
de la localidad de Loja Ecuador empleando tecnologiacuteas apropiadas
8 Barroto F G (1999) Su valor como fertilizante en cultivos anuales Los de
plantas depuradoras de aguas servidas Paacutegs10-13
9 Bernal H (1992) Residuos Orgaacutenicos Aprovechamiento agriacutecola como
abano y sustrato Paacutegs 120-125
10 Botero Botero R (2011) El biodigestor de bajo costo su aporte a la
mitigacioacuten del cambio climaacutetico y su potencial para reducir la pobreza rural
en Ameacuterica Latina y el Caribe Biodigestor de bajo costo Paacutegs 2-4
11 Botero P (2006) Los beneficios econoacutemicos totales de la produccioacuten de
biogaacutes utilizando un digestor de politileno de bajo costo ISSN Paacutegs5-9
12 Bouille D (2008) Naturaleza de la energiacutea y otros aspectos baacutesicos
Introduccioacuten a la Econonomiacutea de la Energiacutea Paacutegs 10-12
13 Bravo J (2007) Manual Teacutecnico para la Construccioacuten y Operacioacuten de
Biodigestores PROCANOR Paacutegs5-9
14 Camacho A (1987) Utilizacioacuten del biogaacutes Proyecto tecnoloacutegico del uso
de biodigestor como planta para la explotacioacuten de una granja porcina
Paacutegs 50-62
123
15 Carrasco N (2011) Guiacutea Praacutectica para el Caacutelculo de Emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI) Cambio Climaacutetico Paacutegs 3-5
16 Carrillo L (2003) Rumen y biogaacutes Microbiologiacutea Agriacutecola Paacutegs 1-5
17 Carrillo L (2004) Energiacutea de la biomasa residual Energias Renovables
Paacutegs 28-45
18 CEA O E (2010) Biogaacutes y bioabono Uso de biodigestores en fincas
agroecoloacutegicas Quito Paacutegs 45-68
19 Cerda E (2009) Energiacutea obtenida a partir de la biomasa Paacutegs 138-139
20 Chiriboga O (2010) Desarrollo del proceso de produccioacuten de biogaacutes y
fertilizante de la mezcla de frutas Quito USFQ Paacutegs 10-18
21 Chungandro K (2010) Disentildeo y construccioacuten de un biodigestor para
pequentildeas y medianas granjasQuito EPN Paacutegs 62-85
22 Clesceri L G (1992) Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater American Publuc Health Association Paacutegs 6-15
23 Congas C (2013) Compantildeiacutea Nacional de Gas Quito Paacutegs 2-4
24 Duque C (2012) La basura genera energiacutea eleacutectrica en Ambato Desechos
soacutelidos de la zonas urbanas de Tungurahua Paacutegs 2-6
25 Earth G (06 de Enero de 2001) Imagen Digital Globe Salcedo Cotopaxi
Ecuador Paacutegs 1
26 ECOACSA 2 (2013) La tonelada de CO2 en California alcanza un precio
reacutecord La actualidad Paacutegs1-2
27 EPA (2008) Digestioacuten Anaeroacutebica Folleto teacutecnico Ndeg 1 Paacutegs10-20
28 Eroski C (2005) Biogaacutes Produce energiacutea ecoloacutegica y elimina residuos
orgaacutenicos Paacutegs 12-13
29 Fernaacutendez J (2008) Manual para el promotor de la tecnologiacutea de la
organizacioacuten latinoamericana de energiacutea Meacutexico MIL Paacutegs 20-28
30 Funes L D (2004) El uso de biodigestores en sistemas caprinos de la
provincia de Coacuterdoba Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Paacutegs 8-14
31 Garciacutea A K (2010) Biogaacutes Biotecnologiacutea Paacutegs 5-18
32 Germaacuten P (2002) Tratamiento de las Aguas Servidas Situacioacuten en en
Chile Chile La nacioacuten SA Paacutegs 1-4
124
33 Hans-Josef (2002) Concepciones de una poliacutetica energeacutetica sustentable
Chile LOM Paacutegs 1-6
34 Hernandeacutez J (2005) Aplicacioacuten de lodos residuales estieacutercol bovino y
fertilizante quiacutemico en el cultivo de sorgo forrajero Meacutexico RICA SA
35 Hilbert I A (2008) Manual para la Produccioacuten de Biogaacutes Argentina-
Castelar Paacutegs 4-35
36 ICAITI (1983) Primer seminario de biogaacutes ROCAP Instituto
Centroamericano de Investigacioacuten y Tecnologiacutea Industrial Paacutegs 18-28
37 IDAE (2007) Digestores Anaeroacutebicos BESEL SA (Departamento de
Energiacutea) Paacutegs 6-7
38 Joana I G (2010) Biodegradacioacuten anaerobia de las aguas generadas en el
despulpado del cafeacute Veracruzana Veracruz Meacutexico Paacutegs 8-20
39 Johnson M (1995) Evaluacioacuten del efecto de la aplicacioacuten del efluente de
un fermeteador anaeroacutebico para estieacutercol vacuno sobre el comportamiento
de un trigo de invernaderoMeacutexico UAC Paacutegs 12-24
40 Kurihara M M T (1999) Methane production and energy partition of
cattle in the tropics British Journal of Nutrition Paacutegs 80-81
41 Lara E E G (2011) Disentildeo de un Biorreactor y Conduccioacuten del Biogaacutes
Generado por las Excretas de Ganado Vacuno Estacioacuten Tunshi-Espoch
Ingenieriacutea en Biotecnologiacutea Ambiental Paacutegs 63-65 85-92 99-112
42 Larry J D (1979) Third Annual Biomass Energy Systems
ConferenceColorado Paacutegs 4-6 12-18
43 Liliana A (2010) Construcciones y mejoras para el ganado vacuno
Construccionespecuarias Paacutegs 8-9
44 Loacutepez J A (2008) Potencial energeacutetico de la biomasa residual agriacutecola y
ganadera en Andaluciacutea Direccioacuten General de Planificacioacuten y Anaacutelisis de
Mercados Paacutegs 16-28
45 Lorena T (2012) La importancia y el futuro del biogaacutes en la Argentina
3er Congreso Latinoamericaacuteno y del Caribe de Refinacioacuten (paacutegs 1-2)
Argentina Paacutegs 1-8
46 Lugones J L (2000) Desarrollo y perspectivas de la tecnologiacutea del biogaacutes
en los paiacuteses subdesarrollados Madrid ISBN Paacutegs 8-15
125
47 Ly P D (2001) Digestores como componentes de sistemas agropecuarios
integrados Instituto de Investigaciones Porcinas Paacutegs 35-38
48 Mahmood N (2005) Matemaacutetica Finaciera Bogotaacute ISBN Paacutegs 8-15
49 Martina (2005) Estudio de la produccioacuten de biogaacutes en funcioacuten de la
cantidad de residuos de madera en un biodigestor tipo de carga uacutenica o
Batch Avances en Energiacuteas Renovables y Medio Ambiente Paacutegs23-27
50 Martina P E (2006) Anaacutelisis Comparativo de una Propiedad
Teacutermodinamica Grupo de Investigaciones de Energiacuteas Renovables
(GIDER) Paacutegs 1-5
51 Matamorros R (2013) Introduccioacuten a la Biodigestioacuten Grupo IFES-
Roberto MatamorrosampAsociadosPaacutegs 20-28
52 Meteored (2013) Clima latinoamericano Meteoredcomec 1-4
53 Monar U (2008) Disentildeo de un biodigestor para una Finca del Recinto San
Luis de las Mercedes del cantoacuten las Naves de la provincia de Boliacutevar
Guayaquil ESPOL
54 OMM (2013) Nuevo reacutecord de gases de efecto invernadero AFF
Organizacioacuten Mundial de Meteorologiacutea Paacutegs 1-3
55 Peacuterez W (2008) El biodigestor una teacutecnica para obtener gas y abono
orgaacutenico Noticias Paacutegs 1-2
56 rcTIME (2007) Sensor de Gas MQ-2 Sensores de Gases Paacutegs 1-2
57 Rico J (2007) Energiacutea de la biomasa Instituto para la Diversificacioacuten y
Ahorro de la Energiacutea Paacutegs 9-15
58 Rodriacuteguez J C (2008) Energiacuteas Renovables y Eficiencia Energeacutetica
Canarias ISBN Paacutegs 4-15
59 Royo J (2002) Biomasa Energiacutea Cuba Paacutegs 2-8
60 Sac B (2002) Las Fuentes Renovables de Energiacutea Chile Paacutegs 2-6
61 Saldarreaga D (2012) El metano es 23 veces maacutes fuerte que el dixido de
carbono AFF Paacutegs 1-3
62 Samayoa S (2012) Implementacioacuten de Sistemas de Biodigestioacuten en
Ecoempresas SNV Paacutegs 14-19
63 Sampieri R H (1991) Metodologiacutea de la Investigacioacuten Mexico Mc
64 Sebastiaacuten J (2002) Alternativas energeacuteticas Nacionales Cuba Paacutegs 5
126
65 Sogari N (2006) Disentildeo de un biodigestor para obtener metano utilizando
excremento de vacas y cerdos en la Escuela Agroteacutecnica de la UNNE
Escuela Agroteacutecnica UNNE Paacutegs 3-6
66 Soubes M (1994) Biotecnologiacutea de la digestioacuten anaeroacutebia III Taller y
Seminario Latinoamericano Paacutegs 136-148
67 Stuckey D (1983) Technology Assesment Study of Biogas in Developing
Countries International Reference Center for Waste Disposal Paacutegs 16-22
68 Vergara M (2008) Las cifras de gas en Ecuador Desifrando las cifras
Paacutegs 15-16
BIBLIOGRAFIacuteA CONSULTADA
1 Aparcana S 2008 Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del
proceso ldquofermentacioacuten anaeroacutebicardquo para produccioacuten de biogaacutes Lima
Peruacute
2 Azcoacuten J y Taloacuten M 2000 Fundamentos de fisiologiacutea vegetal Ediciones
Universidad de Barcelona Espantildea
3 Baldeoacuten P 2009 Efecto de la aplicacioacuten de biol activado y silicio en la
calidad de cultivo de alcachofa (PiCynara scolymus) en Latacunga
Ecuador Tesis de grado Escuela Agriacutecola Panamericana El Zamorano
4 Dobermann A 2000 Arroz desoacuterdenes nutricionales y manejo de
nutrientes International Rice Research Institute e Inpofos
5 Fregoso M Ferrera R 2001 Produccioacuten de biofertilizante mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Instituto Tecnoloacutegico
Agropecuario No 2 Yucataacuten Meacutexico
6 Frioni L 1999 Procesos Microbianos Editorial de la Fundacioacuten
Universidad Nacional de Riacuteo Cuarto Argentina
7 Gomero L 2005 Los biodigestores campesinos una innovacioacuten para el
aprovechamiento de los recursos orgaacutenicos Red de Accioacuten en Alternativa al
uso de Agroquiacutemicos RAAA Lima Peruacute
8 Ito S 2006 Caracterizacioacuten y evaluacioacuten de los factores que determinan la
calidad nutricional e inocuidad en la produccioacuten de fertilizantes orgaacutenicos
fermentados CATIE Turrialba Costa Rica
127
9 Marchaim U 1992 Biogas processes for sustainable development Migal
Galilee Technological Centre Kiryat Shmona y FAO Roma Italia
10 Pacheco F 2006 Produccioacuten utilizacioacuten y algunos aspectos teacutecnicos de los
biofermentos Centro de Investigaciones Agronoacutemicas de la Universidad de
Costa Rica
11 Pinheiro S 2000 Manual praacutectico de Agricultura Orgaacutenica Capiacutetulo
Biofertilizantes Fundacioacuten Junquira Candiru Brasil
12 Restrepo J 1998 Laidea y el arte de fabricar los abonos orgaacutenicos
fermentados Managua Nicaragua SIMAS
13 Romero J y Simanca J 2005 Disentildeo de un biodigestor de canecas en serie
para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentacioacuten de
excrementos de cerdo Universidad de Pamplona Pamplona Espantildea
14 Sener R 2005 Obtencioacuten de biogaacutes mediante la fermentacioacuten anaerobia
de residuos alimentarios Madrid Espantildea
15 Solari G 2004 Disentildeo de construccioacuten de un sistema de digestioacuten Batch
de 10 metros cuacutebicos para la produccioacuten de biogaacutes en el Fundo
Agropecuario de la Universidad Alas Peruanas Lima Peruacute
16 Soria M Pereyda G 2001 Produccioacuten de biofertilizantes mediante
biodigestioacuten de excreta liacutequida de cerdo Montecillo Meacutexico
17 Wong M y Jimeacutenez E 2005 Comparacioacuten del efecto de dos
biofertilizantes liacutequidos a base de estieacutercol caprino y vacuno sobre
paraacutemetros de crecimiento de algarrobo en fase de vivero Escuela Superior
Politeacutecnica del Litoral Guayaquil Ecuador
128
ANEXOS
129
ANEXO 1 Tabla de equipos y materiales utilizados en el ensayo
Cant Materiales Equipos
Caracteriacutestica Precio (USD)
1 PC de Escritorio Windows Xp Procesador AMD 12GHz RAM 1GB SO 32 bits
900
1 PCI 6120 Multifuction DAQ
Puerto PCI 4 Entradas Analoacutegicas 2 Salidas analoacutegicas a 16 bits 8 liacuteneas de ES digitales 2 contadores de 24 bits disparo analoacutegico y digital
1200
1 Software de NI LabView 71 20
2 Tanque Acero Inoxidable 116 de espesor 40 litros de capacidad
120
1 Lana de vidrio Espesor 25 mm 12 mts ancho x 25 mts largo color amarillo
15
2 Manoacutemetros Presioacuten Maacutexima 0-50psi Conexioacuten inferior 38 plg con Glicerina caratula 2 plg Bourdon de Bronce
12
6 llaves de globo Inoxidable 12plg 12
1 Tubo carga Acero Galvanizado diaacutemetro 212 plg ceacutedula 18 plg longitud 18 mts roscado con 1 tapa en el extremo
4
1 Tubo instrumentacioacuten
Acero galvanizado diaacutemetro 12 plg ceacutedula18 plg longitud 15mts
3
2 Termocupla Tipo J(cromel alumel) temperatura maacutexima 1 317 degC
30
1 Equipo HANNA pH 0-14 (+-01) Temperatura 0-60degC (+-01) 0-1999 ppm (TDS) EC 000-400 mScm Sonda HI1285-6 1mts cable
210
100 Tiras pH pH 0-14 modelo CVQ2051 15
1 Termoacutemetro Con Caraacutetula 12 plg rango -10 a +50 degC tipo boliacutegrafo
10
1 Balanza Capacidad 15 kg 33 lbs Tipo mecaacutenica plato hondo
15
2 Goma de Vehiacuteculo Tipo dona capacidad 40lts presioacuten maacutexima 8 psi
30
1 Quemador Tipo busen de laboratorio 30
2 Recipientes de mica 1) Capacidad 25 lts graduados 2) Capacidad 8 lts
15
1 Manguera Tipo industrial 4 mts 3
TOTAL 2644 USD
130
ANEXO 2 Proceso de recopilacioacuten medicioacuten y mezcla de las excretas del
ganado vacuno
Recoger los excrementos del ganado Medir los kilogramos de excretas
Mezcla del excremento del ganado
Medicioacuten de temperatura y pH
Llenado de los tanques biodigestores
131
ANEXO 3 Tabla para recopilacioacuten de datos manualmente del biodigestor 1
HOJA DE ENSAYOS BIOMASA RESIDUAL ANIMAL
NOMBRE Santos W
FECHA 211013
TIPO Vacuno
VOLUMEN BIOMASA (kg) 500 kg
FECHA HORA T Amb (degC)
T Biomasa (degC)
pH ppm
METANO PRESIOacuteN
ATM (hPa) PRESIOacuteN
(psi)
211013 08H00 133 174 65 551004 103446 000328
14H00 22 181 64 551212 103501 000334
21H00 165 179 66 550130 103507 000330
241013 08H00 131 168 67 78959 103556 000812 14H00 221 173 65 81232 103965 000712 21H00 163 172 66 78256 103432 000785
271013 08H00 12 196 68 89958 103509 002867
14H00 168 198 67 92456 103503 002564
21H00 146 197 66 91127 103556 002732
301013 08H00 113 211 7 95134 103612 004213 14H00 198 222 69 96126 103598 004123 21H00 158 208 69 95112 103601 004011
021113 08H00 114 268 71 106535 103389 005024
14H00 202 275 68 105804 103405 005324
21H00 162 272 69 104879 103492 005012
051113 08H00 126 278 7 98347 103504 005659 14H00 176 289 72 98125 103509 005610 21H00 155 277 7 97236 103501 005612
081113 08H00 106 328 7 123546 103701 005730
14H00 213 335 71 125764 103507 005820
21H00 158 327 71 119873 103501 005534
111113 08H00 106 287 7 116746 103578 005397 14H00 229 325 72 106235 103511 005645 21H00 164 308 7 104532 103598 005360
132
ANEXO 4 Tabla de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
(1)
Diacutea
s (2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n d
el
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n d
el
amb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en
Bio
gaacutes
(8)
Aci
dez
B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Nordm T
[Normal] TM
[Maacutex] Tm
[miacuten] [degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 000331 103501 103832 865 65 00001 00001
19 163 221 131 176 000731 103501 104232 1190 66 00001 00002
20 161 20 116 182 000823 103603 104426 1536 65 00002 00004
21 158 205 12 178 001051 103501 104552 2462 66 00003 00007
22 156 186 106 167 001279 103501 104781 2665 66 00003 00010
23 165 211 122 16 001508 103603 105111 3295 65 00004 00014
24 169 218 106 185 001736 103399 105136 4001 67 00005 00018
25 158 217 12 197 002056 103399 105455 4495 66 00005 00023
26 149 192 106 218 002513 103399 105912 4824 67 00006 00029
27 146 168 12 198 002787 103501 106289 4555 67 00005 00034
28 172 225 74 218 002717 103603 106320 4633 68 00005 00039
29 179 234 12 229 003427 103501 106928 6304 68 00007 00046
30 158 198 113 215 004067 103603 107670 6852 69 00008 00054
31 158 219 71 231 003926 103603 107529 6578 68 00008 00062
32 154 193 112 271 004341 103603 107944 7471 68 00009 00071
33 162 202 114 269 005026 103399 108426 9455 69 00011 00082
34 168 224 114 288 005392 103399 108791 11213 71 00013 00095
35 148 208 125 293 005529 103399 108928 12098 71 00014 00109
36 155 176 126 286 005620 103501 109122 12982 71 00015 00125
37 165 244 118 293 005620 103501 109122 13649 71 00016 00140
38 147 174 68 317 005380 103501 108881 14918 71 00018 00158
39 158 213 106 327 005620 103603 109224 15052 71 00018 00176
40 152 193 113 325 005575 103501 109076 14941 71 00018 00193
41 149 196 108 317 005575 103603 109178 13819 71 00016 00210
42 164 229 106 297 005483 103603 109087 13261 71 00015 00225
43 187 235 121 283 005529 103501 109030 12932 68 00015 00240
44 154 187 82 273 004766 103399 108166 12295 68 00014 00255
45 152 197 107 276 004524 103297 107821 13092 68 00015 00270
133
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 4
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
P
resi
oacuten
Pro
med
io
Gas
oacutem
etro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
Pre
sioacute
n T
ota
l
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 283 004478 103399 107877 12270 68 00014 00284
47 158 20 79 273 004218 103399 107617 10899 68 00013 00297
48 162 208 10 278 004432 103501 107934 11254 68 00013 00310
49 152 188 83 266 004192 103603 107795 10077 68 00012 00322
50 162 19 108 273 003930 103399 107329 10022 68 00012 00334
51 149 196 84 274 003624 103501 107125 8955 67 00010 00344
52 158 213 116 278 003930 103603 107533 9037 67 00010 00354
53 154 193 112 272 003884 103603 107487 8052 67 00009 00364
134
ANEXO 5 Proceso de toma de datos del biodigestor sin aislamiento teacutermico
Medicioacuten de temperatura Medicioacuten de pH
Sensor SAW-MQ2
Termoacutemetro tipo boliacutegrafo
Biodigestor tipo ldquoBatchrdquo
135
ANEXO 6 Pantalla de monitoreo de datos del biodigestor con aislamiento
teacutermico
Pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos del biodigestor con aislamiento
Programacioacuten de la pantalla graacutefica del monitoreo y registro de datos
136
ANEXO 7 Comportamiento del volumen del biodigestor sin aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7)Volumen Biogaacutes 865 119 153 246 266 329 400 449 482 455 463 630 685 657 747 945 1121 1209 1298 1364 1491 1505 1494 1381 1326 1293 1229 1309 1227 1089 1125 1007 1002 895 903 805
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vo
lum
en (
ml)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
137
ANEXO 8 Comportamiento del volumen del biodigestor con aislamiento teacutermico
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
(7) Volumen Biogaacutes 185 274 354 568 615 760 923 1037 1113 1051 1069 1454 1581 1517 1724 2662 3522 3619 3565 3571 3640 3364 3326 3262 3060 2984 2837 3021 2831 2515 2597 2325 2312 2066 2085 1858
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Vo
lum
en
(m
l)
Tiempo (Diacuteas)
Curva de volumen del biogaacutes
138
ANEXO 9 Tablas de la cantidad de metano obtenido en los biodigestores
BIODIGESTOR 1
BIODIGESTOR 2
Fecha ppm del Metano
ppm
Fecha ppm del Metano
ppm
21102013 550703 275
21102013 970349 4852
23102013 789990 395
23102013 108825 5441
25102013 935178 468
25102013 120298 6015
27102013 914940 457
27102013 125861 6293
29102013 962439 481
29102013 123601 6180
31102013 922944 461
31102013 124191 6210
02112013 1056663 528
02112013 125118 6256
04112013 979558 490
04112013 13209 6605
06112013 1260129 630
06112013 127953 6398
08112013 1195508 598
08112013 129618 6481
10112013 1281213 641
10112013 133043 6652
12112013 1008949 504
12112013 124247 6212
14112013 974204 487
14112013 125885 6294
16112013 921893 461
16112013 12108 6054
18112013 950493 475
18112013 120867 6043
20112013 908152 454
20112013 120694 6035
22112013 1058825 529
22112013 120436 6022
980693 490
122402 6120
139
ANEXO 10 Tabla de datos promedios alcanzados en los ensayos
En la tabla 1 se muestran los datos promedios que se obtuvieron durante todo el
experimento realizado en una cubierta exterior transluacutecida o transparente El
ambiente generado por el plaacutestico de invernadero permite tener un micro clima
que ayuda a conservar la temperatura de los biodigestores en la fase mesofiacutelica
(20 a 40 ordmC) comprobando que la temperatura promedio de la cubierta y la del
medio ambiente fue de 25 y 21 degC respectivamente Entonces para B1 la
temperatura interna registrada es de 275 degC y B2 con 323 degC a una presioacuten
interna del B1 de 003926 kgcm2 y B2 registroacute 007356 kgcm
2 con un volumen
para B1 de 653 ml y B2 con 2 515 ml En este experimento se puede notar
claramente el micro clima que se genera al interior del invernadero
Tabla 1 Datos promedios del experimento bajo cubierta
Temperatura ambiente
promedio (degC)
Temperatura al interior
invernadero (degC)
Temperatura del reactor (degC)
Presioacuten (kgcm
2)
Volumen biogaacutes (ml)
B 1 21 25 275 003926 653
B 2 21 25 323 007356 2515
140
ANEXO 11 Tabla de datos del biodigestor con aislamiento teacutermico
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental del
aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
Aci
dez
Bio
mas
a
(9)
M
asa
Gen
erad
a
(M)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
18 165 22 133 181 001025 103501 104526 1853 65 00002 00002
19 163 221 131 202 001125 103501 104626 2746 66 00003 00005
20 161 20 116 176 001265 103603 104869 3544 66 00004 00009
21 158 205 12 217 001617 103501 105118 5681 67 00006 00016
22 156 186 106 193 001968 103501 105470 6150 65 00007 00023
23 165 211 122 183 002320 103603 105923 7604 66 00009 00031
24 169 218 106 218 002671 103399 106071 9234 68 00011 00042
25 158 217 12 212 003164 103399 106563 10373 67 00012 00054
26 149 192 106 214 003867 103399 107266 11131 67 00013 00067
27 146 168 12 223 004288 103501 107789 10512 68 00012 00079
28 172 225 74 235 004180 103603 107784 10690 69 00012 00091
29 179 234 12 253 005273 103501 108774 14547 7 00017 00108
30 158 198 113 276 006257 103603 109860 15812 7 00019 00127
31 158 219 71 291 006040 103603 109643 15179 71 00018 00145
32 154 193 112 323 006679 103603 110282 17240 71 00021 00166
33 162 202 114 336 007733 103399 111132 26620 72 00032 00197
34 168 224 114 346 008295 103399 111695 35221 72 00042 00240
35 148 208 125 352 008506 103399 111906 36196 73 00044 00283
36 1552 176 126 346 008647 103501 112148 35651 73 00044 00327
37 165 244 118 354 008647 103501 112148 35714 73 00043 00370
38 147 174 68 352 008277 103501 111778 36401 72 00044 00414
39 158 213 106 348 008647 103603 112250 33648 72 00041 00455
40 152 193 113 343 008577 103501 112078 33261 72 00040 00495
41 149 196 108 338 008577 103603 112180 32629 71 00040 00534
42 164 229 106 337 008436 103603 112039 30601 71 00037 00571
43 187 235 121 333 008506 103501 112007 29842 7 00036 00607
44 154 187 82 325 007333 103399 110732 28373 7 00034 00641
45 152 197 107 326 006960 103297 110257 30212 7 00036 00677
141
Continuacioacuten de la tabla del ANEXO 11
(1) Nordm
(2) Temperatura ambiental
del aire [degC]
(3)
Tem
p
pro
med
io
Bio
dig
esto
r
(4)
Pre
sioacute
n P
rom
edio
G
asoacute
met
ro
(5)
Pre
sioacute
n A
mb
ien
te
(6)
P
resi
oacuten
To
tal
(7)
Vo
lum
en B
iogaacute
s
(8)
A
cid
ez B
iom
asa
(9)
Mas
a G
ener
ada
(M
)
(10
)
Mas
a To
tal
Diacutea
s T [Norm]
TM [Maacutex]
Tm [miacuten]
[degC] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ kgcm2 ] [ml] [pH] [kg] [kg]
46 162 19 108 335 006889 103399 110289 28314 7 00034 00711
47 158 20 79 323 006489 103399 109889 25152 7 00030 00741
48 162 208 10 328 006819 103501 110320 25971 7 00031 00772
49 152 188 83 316 006449 103603 110052 23255 7 00028 00799
50 162 19 108 323 006046 103399 109445 23128 7 00027 00827
51 149 196 84 324 005576 103501 109077 20665 69 00024 00851
52 158 213 116 328 006046 103603 109649 20855 7 00025 00876
53 154 193 112 322 005976 103603 109579 18581 7 00022 00898
142
ANEXO 12 Tabla de registro de datos de los meses de Octubre Noviembre y
Diciembre antildeo 2013
FORMATO DE REGISTRO HACIENDA GALPOacuteN NOMBRE Willams Santos
FECHA 011013
TIPO Registro mes
MESES Octubre Noviembre Diciembre
Energiacutea Eleacutectrica
kWh 638 662 746
Costo (USD) 52 54 60
GLP kg-GLP 90 90 135
Costo (USD) 144 144 216
Lentildea kg 5 10 15
Costo (USD) 8 16 24
Abono Quiacutemico
kg Urea
250
Costo (USD)
240
143
ANEXO 13 Sensor de estado soacutelido MQ-2
Para determinar la cantidad de ppm de metano se utiliza un sensor de estado
soacutelido MQ-2 que detecta el gas por medio de la conduccioacuten eleacutectrica de un tubo
ceraacutemico y variacutea estaacute de acuerdo a la concentracioacuten del gas bajo anaacutelisis Para
lograr esto hace falta que el sensor tome cierta temperatura interna provista por
un calentador resistivo propio de la precisioacuten de dicha temperatura depende la
precisioacuten de la medicioacuten por esta razoacuten es importante la exactitud de la tensioacuten de
alimentacioacuten del calefactor sea de +5 Vcc (rcTIME 2007) En la figura 1 se
presenta el circuito para la conexioacuten del sensor
Figura 1 Circuito del sensor MQ2
Desde los inicios de la presente investigacioacuten respecto a la obtencioacuten de gas
metano a partir de las excretas del ganado vacuno de la hacienda Galpoacuten ha
surgido la inquietud de conocer la energiacutea entregada por el biogaacutes Dado que esta
propiedad es importante para establecer el rendimiento teacutermico y econoacutemico de
un combustible por tal razoacuten surgioacute la necesidad construir un sensor que
determine las partiacuteculas por milloacuten que existe en el biogaacutes del presente ensayo
144
En la figura 2 se presenta el disentildeo de la circuiteriacutea del sensor SAW-MQ2 para
medir la cantidad de partiacuteculas del gas metano
Figura 2 Circuito sensor MQ-2
145
ANEXO 14 Tablas de los consumos energeacuteticos de la hacienda galpoacuten
Tabla 1 Consumo anual de energiacutea eleacutectrica (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
(kWh) VUnit
kWh (USD) VTotal (USD)
Enero 580 00816 47328 Febrero 606 00816 494496 Marzo 700 00816 5712 Abril 666 00816 543456
Mayo 676 00816 551616 Junio 630 00816 51408 Julio 625 00816 51 Agosto 610 00816 49776 Septiembre 628 00816 512448 Octubre 638 00816 520608 Noviembre 662 00816 540192 Diciembre 746 00816 608736
Total 7767
63379
Tabla 2 Consumo mensual de GLP (antildeo 2013)
MESES CONSUMO
GLP (kg) VUnit (kg)
(USD) VTotal (USD)
Enero 90 1243 11187 Febrero 90 1243 11187 Marzo 135 1243 167805 Abril 135 1243 167805 Mayo 90 1243 11187 Junio 90 1243 11187 Julio 135 1243 167805
Agosto 135 1243 167805 Septiembre 90 1243 11187 Octubre 90 1243 11187 Noviembre 135 1243 167805 Diciembre 135 1243 167805
Total 1350
167805 Promedio 1125 124 13984
146
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 3 Consumo mensual de lentildea (antildeo 2013)
MESES CONSUMO LENtildeA (kg)
VUnit (kg) (USD)
VTotal (USD)
Enero 25 16 40 Febrero 30 16 48 Marzo 15 16 24 Abril 20 16 32
Mayo 10 16 16 Junio 15 16 24 Julio 10 16 16 Agosto 10 16 16 Septiembre 15 16 24 Octubre 5 16 8 Noviembre 10 16 16 Diciembre 15 16 24
Total 180
288 Promedio 1500 160 2400
Tabla 4 Consumo mensual de urea (antildeo 2013)
MESES UREA CONSUMO
UREA (kg) VUnit kWh
(USD) VTotal (USD) 46-0-0
Febrero 8 400 065 260
Julio 7 350 065 2275
Noviembre 5 250 065 1625
Total 20 qq 1000
650
Promedio
33333 065 21667
147
Continuacioacuten del Anexo 14
Tabla 5 Consumo de portadores energeacuteticos en la hacienda Galpoacuten (antildeo 2013)
Energiacutea Eleacutectrica
(kW-h) GLP
(45 kg) Lentildea (kg)
Abono Quiacutemico (kg)
Consumo 7767 1350 180 1000
Promedio 64725 1125 15 3333
Tabla 6 Costos de portadores energeacuteticos generados por la hacienda Galpoacuten
USD Energiacutea Eleacutectrica
(kWh)
USD GLP (45 kg)
USD Lentildea (kg)
USD Abono Quiacutemico
(kg)
Valores 6337 1678 288 650
TOTAL GASTO 32497
148
ANEXO 15 Tabulacioacuten del ganado vacuno y otros animales pertenecientes a la
hacienda galpoacuten
Tabla 1 Cantidad de biomasa residual del ganado seguacuten tipo y peso vivo
Especie animal
Peso vivo medido
(kg)
Nuacutemero animales
kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL kg Estieacutercoldiacutea
TOTAL m3
biogaacutesanimal-diacutea
Vaca 280 110 10 1100 44
Toro 410 28 15 420 168
Ternero 115 52 4 208 832
Caballo 430 15 15 225 9
TOTAL 1235 kg 205
1953 7812
Tabla 2 Tabulacioacuten de la muestras de estieacutercol del ganado vacuno
Excretas de Ganado
vacuno [kg] Agua [kg]
Biomasa [kg]
Relacioacuten
Biodigestor 1 10 15 25 115
Biodigestor 2 10 15 25 115
20 30 50
Tabla 3 Porcentajes de volumen del reactor
Reactor Espacio [Litros] Volumen
Biomasa 28 70 Gasoacutemetro 12 30 40 100
149
ANEXO 16 Curvas del sensor de estado soacutelido SAW-MQ2
150
ANEXO 17 Tablas de valores al combustionar GLP y biogaacutes
Tabla 1 Valores iniacuteciales del medio ambiente antes del ensayo
Temperatura ambiente (degC)
Presioacuten atmosfeacuterica
(mm Hg)
Presioacuten manomeacutetrica
(cm HO2)
Vol Inicial (l)
Vol Final (l)
Temperatura inicial del agua
(degC)
218 554 17 6 1 168
Tabla 2 Datos de temperatura del agua vs volumen de GLP
Ensayo con GLP ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos
1 0 168
402 386
2 1 192
3 2 295
4 3 39
5 4 486
6 5 57
Tabla 3 Datos de temperatura del agua vs volumen de biogaacutes
Ensayo con Biogaacutes (Biodigestor con aislamiento)
ΔT agua
Tiempo del ensayo
Nordm Volumen [l] Temp [degC] degC Segundos 1 0 168
102 318
2 1 17
3 2 182
4 3 205
5 4 227
6 5 27
151
ANEXO 18 Plano del biodigestor de domo fijo para 8 m3de la hacienda Galpoacuten
TANQUE DE MEZCLA
TANQUE DE DESCARGA
DIGESTOR
152
ANEXO 19 Datos detallados criterio del Valor Actual Neto (VAN)
Este criterio permite determinar el valor presente de un determinado nuacutemero de
flujos de caja futuros producidos por una inversioacuten El cual viene dado por la
siguiente ecuacioacuten (Mahmood 2005)
119933119912119925 = minus119912 +119928120783
120783 + 119948120783 +
119928120783
120783 + 119948120783 120783 + 119948120784 + ⋯ +
119928119951
120783 + 119948120783 hellip 120783 + 119948119951 (120791)
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 12 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo Flujo Caja VAN 12
1 34864 311286
2 34864 277934
3 34864 248155
4 34864 221567
5 34864 197828
6 34864 176632
7 34864 157707
8 34864 140810
9 34864 125723
10 34864 112253
11 34864 100226
12 34864 89487
13 34864 79899
14 34864 71339
15 34864 63695
16 34864 56871
17 34864 50777
18 34864 45337
19 34864 40479
20 34864 36142
VAN 2604147
El Valor actual neto de la inversioacuten es de 26 04147 USD lo que significa que el
biodigestor de domo fijo con aislamiento teacutermico produciraacute beneficios
determinando que el proyecto es aceptable
153
ANEXO 20 Datos detallados criterio de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
El TIR es un indicador de rentabilidad de un proyecto el mismo que se lo
relaciona con la tasa de referencia y al ser mayor se puede decir que el proyecto
es aceptable caso contario se rechaza el proyecto
119931119920119929 =minus119920120782 + 119917119957
119951119957=120783
119961 119917119957119951119957=120783
INVERSIOacuteN 60558 TASA BCE 012 VIDA UacuteTIL 20 antildeos
Antildeo TIR 12 Io -605580
1 311286
2 277934
3 248155
4 221567
5 197828
6 176632
7 157707
8 140810
9 125723
10 112253
11 100226
12 89487
13 79899
14 71339
15 63695
16 56871
17 50777
18 45337
19 40479
20 36142
TIR = 41
La Tasa Interna de Retorno de la inversioacuten es del 41 lo cual significa que el
Biodigestor Domo Fijo con Aislamiento teacutermico es superior a la tasa referencial
del Banco Central del Ecuador (BCE) siendo el proyecto aceptable
154
ANEXO 21 Materiales y equipos para el anaacutelisis fiacutesico del biogaacutes
Figura 1 Equipo utilizado en el experimento
Figura 2 Llenado del jeringuilla con biogaacutes
Figura 3 Determinacioacuten de las partiacuteculas de metano del biogaacutes
Figura 4 Pantalla de visualizacioacuten del sensor SAW-BIOGAacuteS
155
ANEXO 22 Experimento con el biogaacutes para determinar el poder caloacuterico
Prueba inicial del biogaacutes Llenado del prototipo de pruebas para
biogaacutes
Medicioacuten de temperatura del agua
Incineracioacuten del biogaacutes en el que
mechero de Bunsen
Llama producida en el quemador
Finalizacioacuten del ensayo
156
ANEXO 23 Planimetriacutea de la hacienda Galpoacuten
Figura 1 Predio de la hacienda Galpoacuten
