Como Construir un Biodigestor Casero

Introducción

Buscando información encontré una página en internet realizada por también autores e investigadores costarricenses; ésta aborda el proceso de diseño y de construcción de un biodigestor de bolsa, en forma impecable y ajustada al formato de diseño práctico de mi página por lo que, recomiendo que la visiten. El link es: http://www.ruralcostarica.com/biodigestor-2.html El diseño y construcción del biodigestor está perfectamente explicado en dicha página; por lo que, únicamente me limitaré a ampliar un poco la teoría para aquellos que deseen más conocimiento.

Diseño y Construcción del Biodigestor

Esquema del perfil de un biodigestor que da una idea básica de su concepto. En el dibujo: A representa el tanque donde se va a digerir la biomasa (mezcla de agua y estiércol).

El volumen de operación del tanque es relativo al tipo de mezcla: cuando se trabaja con estiércol de vaca, el tanque del biodigestor puede tener un tamaño de 1.9m de hondo x 1.5m de ancho x 3m de largo. Para no tener que modificar (disminuir) las dimensiones del tanque, podemos duplicar el volumen diario de carga cuando utilizamos desechos porcinos (10gal de desechos).

El volumen promedio diario de la carga para esa capacidad es de: 10gal de agua + 5gal de estiércol vacuno por día. Con el uso de los desechos porcinos, la relación es 1:1 o sea, 5gal de agua por el mismo volumen de desechos.

En el dibujo, B y C representan el tubo de entrada y el tubo de salida respectivamente. El tubo de entrada debe entrar el tanque cerca del fondo, y el tubo de salida debe entrar el tanque justo por debajo de la primera fila de block de cemento. D y E representan la pila de carga y la pila de descarga respectivamente. La pila de carga debe tener un volumen mayor de 15 galones para poder mezclar el agua con los desechos antes de ingresar la mezcla al tanque.

También, en el dibujo los círculos verdes representan los pines que van a sostener el marco del plástico en el caso de una bajada en el nivel de la mezcla en el tanque. Los círculos morados representan los ganchos que van a estar contra el marco del plástico mientras que intenta flotarse hasta la superficie. Los tubos con curvas que están en los dos lados del tanque son los tubos por los cuales pasa la soga delgada que es para mezclar el contenido del tanque para que no se forme una capa sólida por la superficie que puede ahogar a las bacterias que digieren adentro. Atados a esta soga estarán desde 3 hasta 5 envases (un galón cada uno) llenos hasta la mitad con arena que van a ayudar a batir la mezcla.

En el dibujo, la raya amarilla suspendida representa el nivel de la mezcla líquida dentro del tanque. Nótese que el nivel está parejo con el nivel del tubo de salida. Esta paridad es importante porque cada día, cuando se echa la mezcla, el mismo volumen debe salir del tubo de salida que entró por la pila de carga. Este líquido que sale de la salida se recoge en un balde (pila de descarga) para echar a cualquier planta como fertilizante. La bolsa negra sobre el tanque es el plástico y su marco que se intenta flotar, se acomoda contra los ganchos y que coge el biogás que se escapa de la superficie de la mezcla. Las flechas representan el biogás que luego se escapa por el hoyo en el medio del plástico y se va por el tubo PVC hasta la cocina donde se quema para cocinar.

Materiales de Construcción del Biodigestor

Cantidad	Descripción
2	Metros cúbicos de arena fina para mezclar con el cemento para hacer las paredes del tanque y pegar las tres filas de block de cemento
1	Metro cúbico de piedra cuarta para mezclar con el cemento y arena ya mencionados
5.5	Metros de un plástico salinero que sea por lo menos 2.8 metros de ancho para cubrir el tanque y formar la bolsa que coge el biogás que se produce en el biodigestor
4	Metros de tubo PVC de 3″ para hacer los tubos de entrada y salida del tanque del biodigestor
9	Sacos de cemento que pesan 50 kilos cada uno para hacer las paredes y el piso del tanque, tanto como para pegar el block de cemento. Tal vez haya que usar el cemento para montar la pila de carga sobre el tubo de entrada.
60	Blocks de cemento midiendo 12 cm X 20 cm X 40 cm para hacer las tres filas en las cuales se meten los pines y los ganchos que sostienen el plástico
*	Tubo PVC de 1/2″ suficiente para hacer un marco rectangular de 16.6 metros y para llevar el biogás a la cocina donde se va a quemar
*	Varilla de hierro suficiente para pegar las tres filas de block de cemento
2	Tubos con codos redondos dentro de los cuales se va a meter la soga para mezclar la superficie de la mezcla de agua y desechos
5	Metros de una soga delgada que va a mezclar el contenido del tanque para que no haya una capa por la cima que impida la producción y escape del biogás
3-5	Envases de un galón cada uno que están llenos hasta la mitad con arena para ser atados a la soga para mezclar. Los envases se van a sumergir parcialmente para romper la capa que forma por encima de la mezcla de agua y desechos.
20	Tubos para los ganchos que sostienen hundido al marco del plástico. Véase la foto abajo para ver los tubos que utilizó el Grupo de Mujeres.
12	Tubos lisos para los pines que sostienen el marco en el caso de una caída del nivel del contenido del tanque
Hay otros materiales que tal vez va a necesitar como madera, clavos y hojas de zinc para hacer la casita para el biodigestor, pero no están incluidos en la lista porque se pueden usar otros materiales en otras cantidades para proteger el biodigestor. También, la lista no incluye los materiales para conectar el tubo PVC que tiene el biogás con la plantilla de gas que tiene, porque hay varias clases de plantillas que van a requerir otras clases de materiales. También entiendo que tal vez yo no sea la persona indicada para explicar muy bien todos los pasos de la construcción, especialmente por las limitaciones explicativas que tiene la página de web. Por eso, será bien recibida cualquier pregunta que me mande por correo electrónico.

Construcción del Biodigestor

Ahora que sabe un poco de cómo funciona un biodigestor (tal vez ya sepa mucho) y los materiales que necesita, Va a tener menos dificultad en seguir con la construcción. Para construir un biodigestor de esta clase, hay que cavar el hueco primero. El hueco debe ser de 1.5 metros de ancho, 1.3 metros de hondo (con las tres filas de block hay 1.9 metros de hondo en total) y 3 metros de largo (o más si puede abastecer un tanque más grande). Luego, hay que cavar las dos zanjas—una para el tubo de entrada y otra para el tubo de salida. La zanja de entrada se debe cavar a un ángulo de unos 45°, entrando el tanque tan cerca del fondo posible, dejando no más de 30 centímetros entre el punto de la entrada y el fondo del tanque. El tubo de entrada debe estar por encima del tanque por lo menos unos 70 centímetros. El tubo de salida se debe cavar a un ángulo de 30° con la zanja entrando el tanque no por debajo de 30 centímetros desde la cima del hueco de 1.3 metros. También, con el tubo de salida, hay que dejar un pedazo de tubo que va 40 centímetros sobre el nivel del tanque para ser cortado más tarde ajustar el nivel del líquido dentro del tanque.

Luego, hay que hacer las paredes de cemento. La cantidad de materiales se puede variar para hacer esto, porque hay gente que usa diferentes proporciones de cemento, arena y piedra para hacer la mezcla. El Grupo de Mujeres normalmente usó 9 sacos de cemento, 2 metros de arena y 1 metro de piedra para hacer las paredes y para poner las tres filas de block de cemento. Cuando estén listas las paredes, Ud. puede pegar las filas de block por la orilla del tanque. En la primera fila se pone un pin por cada dos blocks en el medio de lo alto del block. Los pines deben meterse unas 2-3 pulgadas para poder sostener el marco del plástico en el caso que se baje el nivel del contenido del tanque. Mientras que pone la primera fila, Ud. puede meter los tubos para la soga para mezclar por debajo de los blocks en el medio de cada uno de los dos lados más cortos del tanque. (Véase la foto abajo para ver el tubo con la soga) Luego, en la segunda fila de block, hay que meter un gancho en cada espacio entre los blocks por cada lado del tanque. Después de poner la tercera fila de block, lo único que queda para hacer el tanque es el piso que puede ser de la misma mezcla de cemento que se usó para las paredes, requiriendo más o menos un saco de cemento.

Ahora que tiene el tanque listo, Ud. puede hacer la casita que va a proteger el biodigestor. No voy a explicar cómo hacer esto, porque hay varias maneras de hacerlo con los materiales que más le convengan. Sin embargo, le voy a decir que es importante cubrir el tanque completamente y hasta un poco más para evitar que se meta agua en el tanque que puede diluir la mezcla que está adentro, tanto como contacto directo con rayos de sol que pueden hacer daño al plástico.

Otra parte que se puede hacer en este momento es la pila de carga. Esto es algo que también se puede hacer con los materiales que mejor le convengan. El Grupo de Mujeres usó varias formas de pilas de carga, pero cualquier cosa que tenga más de 15 galones de volumen va a servir para montarse en el tubo de entrada. Va a necesitar algo para tapar el hueco del tubo de entrada para poder mezclar el agua y el estiércol. Se puede meter algo para tapar el hueco, pero hay que tener una cadena o una soga atada para no tener que meter la mano en la mezcla para introducir el líquido al tanque. Otra forma de hacerlo que tal vez sea mejor es de ponerle una llave de paso al tubo de entrada para poder tenerlo cerrado mientras que se mezcla el líquido.

Ahora puede preparar el plástico para poner sobre el tanque. Primero, hay que poner el plástico en un piso plano y limpio. (Piedras y otra basura pueden hacer daño al plástico. Cuando el plástico esté en el piso y cortado a las dimensiones de 5.5 metros por 2.8 metros, Ud. puede marcar una línea 20 centímetros dentro del plástico a lo largo de su orilla. (Véase el dibujo abajo) Luego, corte cuatro formas pentagonales en cada una de las cuatro esquinas. Cada lado de los pentágonos debe medir unos 10 centímetros. Guarde estos pedazos para utilizar más tarde. Luego, use pegamento para tubo PVC para pegar las orillas del plástico parejamente con la raya que ya hizo 20 centímetros adentro. Esto va a formar unos bolsillos por las orillas con unos huecos en cada esquina donde se van a meter los tubos para formar el marco del plástico.

Luego, hay que hacer un hueco pequeño en el medio del plástico. Para hacer esto hay que doblar el plástico como una cobija unas dos veces. (El resultado será un plástico que es cuatro pedazos de grueso) Luego, en la esquina que corresponde al puro medio del plástico, hay que cortar un poco en la pura punta. Desdoble el plástico y verá un hoyo muy pequeño en el medio del plástico. Luego, tome dos de los pentágonos de antes y córtelos para ser dos cuadrados con los lados de 10 centímetros. Haga un hueco igual que el hueco en el plástico en el puro medio de cada uno de los dos cuadrados. Luego, usando el pegamento PVC, pegue los cuadrados al plástico, uno por un lado y el otro por el otro lado. Estos cuadrados van a evitar que se rompa el plástico en este punto más vulnerable. Luego, en por el lado del plástico que Ud. escoja como la parte abajo, ponga una arandela y luego un adaptador hembra. Por el otro lado, la parte de arriba, ponga otra arandela y un adaptador macho que va a conectarse con la hembra y, por el otro lado, con el tubo PVC de 1/2″ dentro del cual se va el biogás para la cocina.

Ahora puede preparar el marco de tubo PVC de 1/2″ que sostiene dentro de la orilla del tanque el plástico de ya se ha preparado. Para hacer esto hay que cortar los cuatro lados del marco para caber dentro de las filas de block. Los cuatros lados se van a conectar a cuatro codos para ser un solo marco; entonces, hay que tomarlos en cuenta cuando se miden los lados del marco. Ya cuando estén cortados los tubos, se puede meter por los bolsillos ya hechos en las orillas del plástico. Luego, hay que conectar los codos a las cuatro esquinas para terminar el marco. Ahora puede acomodar el marco por debajo de los ganchos. Luego, se puede conectar un pedazo de tubo al adaptador que está en el medio del plástico. Si lo necesita, Ud. puede poner un codo para guiar el biogás en una dirección predilecta para ir a la cocina. (Como se ve en la foto) Ahora, a poca distancia del biodigestor, pero todavía dentro de la casita del biodigestor, Ud. tiene que poner un sello de agua dentro de una botella de Coca-Cola por si se infla demasiado la bolsa, el agua tiene donde emitir la presión excesiva. Como en la foto, hay que meter un tubo por lo menos dos pulgadas por debajo de la superficie del agua dentro de la botella. Luego, hay que poner una llave de paso para cerrar el biogás cuando hay un periodo prolongado sin uso. Luego, hay que ponerle a la tubería un tubo de 1″ suficientemente largo para meterle 3 o cuatro pedazos de alambrina. Esto va a ser el filtro que quita eso del biogás que puede manchar las ollas de la cocina. Luego, hay que ponerle otra vez la tubería de 1/2″ para pasar el biogás hasta la cocina.

Ya cuando el tubo alcance la cocina, Ud. tendrá que hacer la conexión a la plantilla que tiene. Esto no va a ser necesariamente difícil, pero por la variedad de plantillas y materiales para meter los tubos, no voy a prescribir un método para usar en este paso. Cuando tenga los tubos conectados, Ud. puede subir el nivel del agua unos 15 centímetros por encima de los ganchos del tanque. También, puede echarle al tanque la mezcla de agua y desechos animales en las proporciones ya indicadas. El tanque va acumulando y digiriendo los desechos animales, y dentro de unas tres semanas de cuidado continuo, va a tener buena producción de biogás para empezar a cocinar con su nuevo biodigestor.

http://www.ruralcostarica.com/biodigestor-2.html

El Proceso Fermentación Anaeróbica para Producción de Biogás (Fases)

La materia prima utilizada es el estiércol o los desechos porcinos más agua. Esta biomasa tiene la siguiente formula empírica: (Cc Hh Oo Nn Ss + y H2O = x CH4 + (c‐x) CO2 + n NH3 + s H2S )

Fases

El proceso de fermentación anaeróbica se realiza en tres fases perfectamente definidas en las que intervienen cuatro grupos poblacionales de microorganismos bacteriales y descomponedores.

Figura 1. Esquema de reacciones de la digestión anaerobia de materiales poliméricos. (Pavlostathis y Giraldo‐Gómez, 1991)

Los números indican la población bacteriana responsable del proceso: 1: bacterias fermentativas; 2: bacterias acetogénicas que producen hidrógeno; 3: bacterias homoacetogénicas; 4: bacterias metanogénicas hidrogenotróficas; 5: bacterias metanogénicas acetoclásticas.

Fase hidrolítica: la primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas que componen la biomasa; éstas son hidrolizadas por las enzimas extracelulares (digestivas) que producen los microorganismos fermentativos. Como resultado, las macro moléculas son separadas en sus bloques estructurales (micro moléculas) y se producen compuestos solubles que serán metabolizados luego por las bacterias anaerobias en el interior de las células. Es de suma importancia decir que, la etapa hidrolítica es la etapa limitante de la velocidad del proceso global; sobre todo, cuando se trata de residuos con alto contenido en sólidos como los porcinos.

Reacciones Bioquímicas y Fases de la Formación del Biogás

BIOMASA (ESTIERCOL)

MATERIA ORGÁNICA COMPLEJA + AGUA

FASE HIDROLITICA

HIDRÓLISIS DE LA BIOMASA

MICROORGANISMOS

HIRÓLISIS

DEGRADACIÓN ENZIMÁTICA

Macro Moléculas: Carbohidratos, Grasas, Proteínas

Aeróbicos y Facultativos: Bacterias

HIRÓLISIS

METABOLISMO ENZIMÁTICO

Micro Moléculas: Azucares Simples, Ácidos Grasos, Aminoácidos

Anaeróbicos y Facultativos: Bacterias

FASE ACIDOGÉNICA

SUBSTRATO ORGÁNICO

MICROORGANISMOS

FERMENTACIÓN

Aminoácidos, Azúcares: son la base alimentaria de su metabolismo

Fermentativos: Anaeróbicos y Facultativos: Hongos y Levaduras

OXIDACIÓN ANAERÓBICA

Ácidos Grasos, Alcoholes: son la base alimentaria de su metabolismo

Acidogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

HOMOACETOGÉNESIS

Ácido acético, Hidrógeno y CO2: los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y CO2, por el metabolismo de los microorganismos acetogénicos.

FASE METANOGENICA

SUBSTRATO ORGÁNICO

MICROORGANISMOS

ACETOCLÁSTICA

Ácido acético: son la base alimentaria de su metabolismo

Acetogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

HIDROGENOTRÓFICA

Hidrógeno y CO2: son la base alimentaria de su metabolismo

Metanogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

FORMACION DE METANO

BIOGAS: Metano (70%), Dióxido de Carbono (29%), Disulfuro de Hidrógeno (1%)

Fuente: Hohlfeld/ SASSE – 1986

Factores Determinantes en la Producción de Biogás y Tablas Útiles

SUSTRATO	RELACION C/N
Orina	0.8
Excreta de vacuno	10 – 20
Excreta de Porcino	9 – 13
Excreta de Gallina	5 – 8
Excreta de caprino / ovino	30
Excreta de Humanos	8
Paja de cereales	80 – 140
Paja de maíz	30 – 65
Gras fresco	12
Desperdicios de verduras	35

Como se observa de las actividades agropecuarias tradicionales, la avícola es la que genera más biogás en promedio; algo a considerar cuando se sabe que, la mayoría de estos residuos son botados por las empresas productoras. Otro punto a considerar los residuos vegetales de la producción agrícola; algunos de los cuales, como la paja de maíz y los desperdicios de verduras, tienen un alto potencial de generación. Es más, es recomendable combinar o incorporar este tipo de residuos y otros, a la biomasa derivada del estiércol para lograr un aprovechamiento máximo de recursos (desperdicios). La relación Carbono: Nitrógeno (C: N) de forma indirecta la capacidad de utilización del substrato; entre mayor sea la C y menor la N, más fácilmente se degradará la biomasa y con menor emisión de óxidos nitrosos (NO)x

Valores de Generación de Biogás Según Diferentes Sustratos Relación (C/N) para Diversos Sustratos

SUSTRATO	GENERACION DE GAS (L/Kg. Biomasa seca)	PROMEDIO (L/Kg. Biomasa seca)
Excreta de Porcino	340 – 550	450
Excreta de vacuno	150 – 350	250
Excreta de Aves	310 – 620	460
Guano de caballo	200 – 350	250
Guano de oveja	100 – 310	200
Guano de establo	175 – 320	225
Paja de cereales	180 – 320	250
Paja de maíz	350 – 480	410
Paja de arroz	170 – 280	220
Gras fresco	280 – 550	410
Gras de elefante	330 – 560	415
Bagazo	140 – 190	160
Desperdicios de verduras	300 – 400	350
Jacintos	300 – 350	325
Algas	380 – 550	460
Lodos de aguas servidas	310 – 640	450

Rango de valores de pH en la Generación de Biogás

Valor pH	Característica
7 – 7.2	OPTIMO
Menor de 6.2	Retardo por ácidos
Mayor a 7.6	Retardo por amonios

Fuente: OEKOTOP

Rangos de Temperatura y Tiempo de Fermentación Anaeróbica

FERMENTACION	MINIMO	OPTIMO	MAXIMO	TIEMPO DE FERMENTACION
Psycrophilica	4-10 °C	15-18°C	25-30°C	Arriba de 100 días
Mesophilica	15-20 °C	28-33°C	35-45°C	30-60 días
Thermophilica	25-45°C	50-60°C	75-80°C	10-15 días

El proceso global de fermentación anaeróbica para la producción de biogás (bioproceso) es típicamente mesofílico para cualquier biodigestor.

Fuente: OEKOTOP

Producción y Composición Teórica del Biogás

SUBSTRATO	PRODUCCION DE GAS (L/Kg. de materia seca)	CONTENIDO DE METANO (CH4) %	CONTENIDO DE CO2 %
Carbohidratos	800	50	50
Proteínas	700	70	30
Grasas	1,200	67	33

Fuente: OEKOTOP

Energía Equivalente (valor energético) del Biogás vs. Otras Fuentes

VALORES	BIOGAS*	GAS NATURAL	GAS PROPANO	GAS METANO	HIDROGENO
Valor Calorífico (Kwh/ m3)	7.0	10	26	10	3
Densidad (Kq/m3)	1.08	0.7	2.01	0.72	0.09
Densidad con respecto al aire	0.81	0.54	1.51	0.55	0.07
Limite de explosión (% de gas en el aire)	6-12	5-15	2-10	5-15	4-80
Temperatura de encendido	687	650	470	650	585
Máxima velocidad de encendido en el aire (m/s)	0.31	0.39	0.42	0.47	0.43
Requerimiento teórico de aire (m3/m3)	6.6	9.5	23.9	9.5	2.4

Fuente: Lipp/GMBH: * Biogas: 70% CH4, 28% CO2 y 2% otros gases