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Barrel Biodigester/es

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Para abordar el cambio climático global y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, es cada vez más importante centrarse en el uso de energías renovables. [ 1 ] [ 2 ] También cobra cada vez mayor importancia la necesidad de un desarrollo sostenible para crear y utilizar energías renovables. [ 3 ] Esta página abordará esta necesidad mediante el biogás producido mediante el proceso de digestión anaeróbica, con énfasis en los biodigestores de barril. La biodigestión en barril es una forma de digestión anaeróbica de materiales orgánicos que se utiliza para crear y recolectar biogás, y puede realizarse fácilmente a escala doméstica. El proceso anaeróbico se lleva a cabo en un "barril" (bidón de acero de 55 galones o similar). Los productos resultantes de este tipo de digestión son principalmente biogás y efluentes ricos en nutrientes, pero existen muchos otros beneficios. [ 4 ]

Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es un proceso microbiano que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno y es un proceso metanogénico. Durante este proceso, la materia carbonada se metaboliza para producir una serie de gases. La digestión anaeróbica es un proceso relativamente antiguo, con el primer proceso industrializado teniendo lugar en 1859 y la primera recolección y uso de biogás en 1895. [ 5 ] La digestión anaeróbica se encuentra en muchas áreas diferentes del entorno natural y artificial, incluyendo sedimentos, intestinos animales y vertederos, [ 6 ] y es un método probado para el tratamiento de residuos orgánicos con alto contenido de humedad. [ 7 ] La ​​materia orgánica que se metaboliza se somete a un proceso de tres pasos o hidrólisis, formación de ácido acético y producción de metano. [ 8 ] La temperatura tiene un gran efecto en la robustez del proceso anaeróbico y la velocidad a la que se produce el biogás. Las dos categorías principales de temperatura son mesófila y termófila. [ 9 ]

Mesófilo

La digestión mesófila se produce entre 35 y 42 °C. La digestión anaeróbica mesófila es la forma más común de digestión y constituye un sistema más robusto y tolerante que la digestión anaeróbica termófila. [ 9 ] [ 10 ] Se ha demostrado que los microorganismos mesófilos toleran fluctuaciones de temperatura de +/- 3 °C. [ 4 ]

Termófilo

La digestión termófila se produce entre 45 y 60 °C. A pesar de la mayor sensibilidad del sistema en comparación con la digestión mesófila, presenta ventajas atractivas y podría ser adecuada para ciertos escenarios. La digestión anaeróbica termófila presenta velocidades de reacción más rápidas, una mayor tasa de destrucción de patógenos y semillas de malezas, y produce más biogás que los sistemas mesófilos. [ 9 ] [ 4 ]

El pH del sistema también tiene un efecto significativo en el proceso de digestión. La formación de metano en la digestión anaeróbica se produce entre 6,5 y 8,0, con un rango óptimo de 7,0 a 8,0. Una vez que el pH supera el rango de producción de metano, no se produce metanogénesis completa y no se produce biogás de metano. [ 4 ] Los productos finales de una digestión anaeróbica adecuada son un biogás gaseoso y un residuo sólido con un alto contenido de nutrientes.

Biogás

El biogás producido mediante digestión anaeróbica es relativamente inodoro, incoloro, estable, no tóxico e inflamable. [ 10 ] En procesos típicos de digestión anaeróbica, y dependiendo de la materia prima utilizada en la digestión, el biogás se compone de aproximadamente un 60 % de metano, un 40 % de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno y vapor de agua. [ 6 ] La cantidad de metano y de gas producida depende del tipo y la cantidad de materia prima utilizada, el tipo de digestión anaeróbica empleada y las condiciones del entorno de digestión. [ 11 ] Si bien existen numerosas maneras de producir biogás, se ha descubierto que la producción mediante digestión anaeróbica es el método más rentable. [ 7 ]

de materia prima

La biomasa es la materia orgánica que los digestores anaeróbicos utilizan para producir biogás y se produce a partir de plantas mediante la fotosíntesis. La biomasa se puede clasificar mediante diversos métodos, pero los cuatro tipos principales son: [ 1 ]

La materia prima que se alimenta al digestor está compuesta de biomasa, y su calidad depende de las características de esta. El contenido de humedad y el contenido de volátiles de la materia prima desempeñan un papel importante en la determinación de su calidad. [ 11 ] Los productos orgánicos con alto contenido de humedad, como frutas, verduras [ 12 ] y caña de azúcar, son muy adecuados para la producción de metano mediante digestión anaeróbica. El contenido de volátiles indica la cantidad de gas que se producirá durante la digestión. [ 1 ] Se ha comprobado que la manipulación de la materia prima, en algunos casos, aumenta la velocidad y el volumen de biogás producido.

Pretratamiento mecánico

El pretratamiento de los residuos se realiza frecuentemente en digestores anaeróbicos [ 13 ] y los estudios han demostrado una correlación entre el pretratamiento y el aumento de la producción de biogás. [ 14 ] Si bien no todos los pretratamientos son apropiados para todas las operaciones de digestión anaeróbica, el pretratamiento mecánico es apropiado para la digestión tanto en países desarrollados como en desarrollo debido a la simplicidad del proceso. El pretratamiento mecánico consiste simplemente en reducir el tamaño de las partículas que se alimentan al digestor, lo que aumenta la superficie disponible para los microorganismos. Se ha demostrado que la reducción de tamaño aumenta la velocidad de la digestión y la producción de gas. [ 14 ] Los estudios han demostrado que la reducción de partículas de residuos puede aumentar la producción de gas hasta en un 25% [ 15 ] y la reducción de sólidos en un 25%. [ 16 ]

Codigestión

La codigestión consiste en mezclar tipos de biomasa primaria para aumentar la velocidad y la producción de biogás mediante la digestión anaeróbica. La codigestión ofrece varias ventajas, en particular el aumento de la producción de biogás y la mejora de la calidad de los fertilizantes del efluente. [ 17 ] La ​​principal ventaja de la codigestión reside en que ninguna materia prima es perfecta, y la mezcla de materias primas permite minimizar las imperfecciones al equilibrar los nutrientes. [ 18 ] Numerosos estudios han concluido que la codigestión aumentó la producción de biogás de un digestor anaeróbico, con especial atención a las mezclas de estiércol y residuos alimentarios. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Tiempo de retención y velocidad de carga

El tiempo de retención hidráulica en el digestor y la velocidad de carga de la materia prima al digestor son dos factores fácilmente controlables por el ser humano. Estudios han demostrado que el tiempo de retención y la producción de gas muestran una correlación muy baja, mientras que la velocidad de carga y la producción de gas muestran una correlación mucho más fuerte. [ 20 ] Si bien es posible determinar un tiempo de residencia ideal para un reactor determinado, este dependerá de lo que se busque maximizar. La producción de biogás, el rendimiento de metano y la calidad del efluente se maximizan con diferentes tiempos de residencia. [ 21 ]

de mezcla

Al igual que el pretratamiento de la materia prima, ciertas acciones durante el proceso de digestión pueden aumentar la producción de gas. La principal acción es mezclar el digestor. Los beneficios de mezclar o remover son triples: aumenta el contacto entre los microorganismos y la materia orgánica, facilita el flujo ascendente de burbujas y reduce las diferencias de temperatura en todo el digestor. [ 4 ] Si bien la mezcla no es necesaria para el funcionamiento de un digestor, numerosos estudios han confirmado que mezclar el digestato aumenta la producción de gas del digestor [ 22 ].

Efluente

Durante el proceso de digestión, el nitrógeno orgánico presente en el suelo se convierte en amoníaco ionizado, un componente clave del 90 % de los fertilizantes nitrogenados. [ 20 ] [ 23 ] Esta conversión de nitrógeno permite que el efluente se aplique directamente a las plantas con mayor eficiencia. [ 20 ] El proceso de digestión anaeróbica también inactiva semillas de malezas, bacterias y virus (E. coli, Salmonella), hongos y parásitos presentes en la materia prima. Esta inactivación es un beneficio importante de la digestión anaeróbica si el efluente se utiliza como fertilizante. [ 4 ]

Construcción

Esta sección abordará la construcción de un biodigestor de barril que funciona como un reactor de tanque con agitación continua en lugar de un reactor discontinuo. La digestión anaeróbica de un biodigestor de barril se lleva a cabo dentro de un tambor de acero de 55 galones. A continuación, se presenta una guía paso a paso para la construcción de un biodigestor de barril utilizando un tambor con tapa anillada y una tapa extraíble.

Paso 1: Grifo de efluentes, tubo de alimentación, manguera de gas

Primero, se deben conectar al digestor el grifo de efluentes, el tubo de alimentación y la manguera de gas. El drenaje de efluentes y la manguera de gas se pueden conectar a las aberturas roscadas en el lateral y la parte superior del barril, mientras que el tubo de alimentación requiere un orificio en la tapa.

Grifo de efluentes

El grifo de efluentes que se muestra en la Fig. 1 consta de una válvula de bola de PVC de 1" conectada a la conexión roscada de 2" del barril mediante un acoplamiento de PVC. En el interior del barril, se construye un sistema de drenaje de PVC de 2" con orificios perforados (Fig. 2).

Manguera de gas

La manguera de gas que se muestra en la Fig. 3 consta de un orificio roscado de 2,54 cm (1") en la tapa del barril, conectado a un tubo de latón de 6,35 mm (1/4") que conduce a la manguera de gas. La conexión del tubo de latón incluye un manómetro y dos válvulas de bola. Según la simplicidad deseada del sistema, solo se necesita una válvula, lo que permite prescindir de una de las válvulas de bola y del manómetro. Una manguera de goma de 9,5 mm (3/8") está conectada al sistema de tubos de latón en un extremo y una boquilla de aire de 6,35 mm (1/4") en el otro. Esta boquilla permite la recolección y el almacenamiento de biogás en una llanta de bicicleta o automóvil.

Sonda de alimentación

El tubo de alimentación permite añadir los residuos al digestato, lo que permite la producción continua de gas una vez que el digestor ha madurado, a diferencia de un digestor discontinuo, donde los residuos se añaden a una suspensión de arranque y el digestor se sella hasta que cesa la producción de gas. El tubo de alimentación también permite mantener el estado anaeróbico del digestor durante la alimentación, gracias a la mínima cantidad de digestato expuesto al oxígeno durante el proceso. Primero, se debe cortar un orificio de 10 cm en la tapa. Esto se puede hacer con materiales de soldadura y conocimientos técnicos, o con una cortadora de plasma. El tubo de alimentación que se muestra en la Fig. 4 es un tubo de PVC de 7,6 cm y 61 cm de longitud. Está unido a la tapa mediante dos bridas de PVC de 10 x 7,6 cm, una a cada lado de la tapa. La brida exterior está cubierta con un tapón de limpieza de PVC de 10 cm, lo que permite sellar el tubo de alimentación (Fig. 5). Para más información, consulte el vídeo a continuación. [ 24 ]

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  • Fig. 1: Grifo de efluentes en el biodigestor de barril

    Fig. 1: Grifo de efluentes en el biodigestor de barril
  • Fig. 1: Grifo de efluentes en el biodigestor de barril
    Fig. 1: Grifo de efluentes en el biodigestor de barril
  • Fig. 2: Sistema de drenaje interno
    Fig. 2: Sistema de drenaje interno
  • Fig. 3: Mecanismo de liberación de gas para el biodigestor de barril
    Fig. 3: Mecanismo de liberación de gas para el biodigestor de barril
  • Fig. 4: Componentes internos del tubo de alimentación: PVC de 3"
    Fig. 4: Componentes internos del tubo de alimentación: PVC de 3"
  • Fig. 5: Componentes externos del tubo de alimentación: brida superior abatible, orificio de limpieza y tapón.
    Fig. 5: Componentes externos del tubo de alimentación: brida superior abatible, orificio de limpieza y tapón.

Paso 2: Sellado de agujeros y fugas

El primer paso en la construcción es encontrar y sellar cualquier fuga o agujero que pueda haber en el barril. Para encontrar las fugas, llene el tambor con agua y examine su exterior en busca de fugas. Si encuentra alguna, marque su ubicación para futuras referencias. Una vez identificadas todas las fugas, vacíe el agua del tambor y proceda a sellarlas. Las fugas se pueden sellar aplicando alquitrán en la zona. Continúe llenando el tambor con agua y remendando las fugas con alquitrán hasta que no encuentre ninguna. [ 25 ]

de inicio

La puesta en marcha de un digestor anaeróbico es un componente clave para su éxito. La producción de gas no alcanzará su máximo potencial hasta que el digestor haya madurado. Si bien es posible poner en marcha un digestor simplemente combinando residuos y agua en él y sellándolo, este proceso tardará mucho tiempo en madurar y alcanzar su capacidad máxima. Actualmente, es común en la investigación y la práctica "sembrar" el digestor con efluentes de otro digestor en funcionamiento. [ 20 ] [ 17 ] [ 26 ] La adición de este efluente proporcionará un punto de partida para el digestor y acelerará su maduración. El gas producido durante esta fase de "puesta en marcha" no poseerá las mismas características inflamables que el gas producido por un digestor maduro y no debe recolectarse. Se ha afirmado previamente que la mezcla es beneficiosa para un biodigestor maduro, pero no se puede decir lo mismo de la fase de puesta en marcha. Se ha demostrado que la mezcla durante la fase de puesta en marcha aumenta el tiempo que tarda un nuevo digestor en madurar. [ 27 ]

Usar

Como se mencionó anteriormente, se necesita materia orgánica para producir biogás. Dado que el digestor funciona como un reactor de tanque continuo, debe alimentarse diariamente a la misma hora. La tasa de carga de residuos debe estar entre 1 y 6,8 g/L*día. [ 28 ] Para mantener un volumen constante, se debe extraer una cantidad de efluente igual al volumen de residuos añadido. [ 11 ] Tras la maduración del digestor, la recolección de gas está lista para comenzar. La recolección de gas puede realizarse de forma constante mediante una válvula de retención neumática en el aparato de almacenamiento o periódicamente cuando se necesite biogás.

Impacto social y económico

La biodigestión tiene importantes impactos sociales y económicos tanto en el mundo desarrollado como en el mundo en desarrollo. En ambos casos, se generan importantes desechos de materiales orgánicos y aumentan las necesidades energéticas. Si bien la digestión anaeróbica en el mundo desarrollado se produce a una escala significativamente mayor que los sistemas domésticos, los conceptos de ambos son los mismos: producir energía utilizable a partir de desechos. A escala desarrollada, la digestión anaeróbica se lleva a cabo en plantas de tratamiento de aguas residuales, cervecerías, granjas comerciales y mercados orgánicos a gran escala, todos los cuales practican con frecuencia la digestión anaeróbica. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] Se está realizando un trabajo importante para llevar los biodigestores al mundo en desarrollo. Los proyectos en Perú y Nepal han demostrado impactos significativos debido a la introducción de digestores anaeróbicos. Si bien estos proyectos ciertamente no se replican en todo el mundo, se realizan con bastante frecuencia con distintos niveles de éxito. Estos proyectos encontraron impactos positivos en la salud por el uso de un combustible de cocina de combustión más limpia, impactos económicos debido a mejores rendimientos agrícolas, impactos ambientales por menores tasas de deforestación derivadas de un menor consumo de combustible de madera e impactos sociales en las mujeres y los niños al no tener que pasar grandes cantidades de tiempo recolectando leña. [ 32 ] [ 3 ]

Notas y referencias

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