El biodigestor una alternativa eficaz en nuestras granjas ganaderas

Introducción

Las ciencias sociales han sido menos privilegiadas y visualizadas en las acciones de cuidado y protección del medio ambiente, entre las que se encuentra, la Psicología. Sin embargo, constituye una de las ciencias sociales que está más consciente del incremento de los problemas medioambientales a nivel mundial, panorama que demanda cada vez más de una necesaria responsabilidad social de los ciudadanos.

Asociado a estas problemáticas surge la Psicología Ambiental, la cual es una rama de la Psicología que se inserta en el contexto académico cubano para dar respuesta a la tarea de formar ciudadanos con la conciencia ambiental que exigen los momentos actuales y que ha tomado auge con el deterioro medioambiental y la necesidad de un desarrollo sostenible.

En Cuba, ha habido un incremento en la producción científica de investigaciones relacionadas con el cuidado del medio ambiente, la educación ambiental y energética, concentrándose estos estudios en la etapa 2004-2012 (Bosque, 2014).

De esta manera se ha producido un aumento de investigaciones desde la óptica de las Ciencias Sociales y Humanísticas, dando respuesta a los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución aprobados en el VII Congreso del Partido Comunista de Cuba.

En este sentido Miranda (2014) expresa que la escuela tiene un papel esencial en el desarrollo sistemático y responsable de acciones encaminadas a la educación ambiental de niños y jóvenes.

En Cuba existen centros que se dedican a la producción de animales para el consumo humano, utilizando en la alimentación de los mismos miel, pienso líquido (alimento elaborado) y pienso seco; la limpieza de las naves se efectúa con agua a presión, en dependencia de muchos factores (presión de agua, salideros, tiempo de limpieza y otros). La instalación de biodigestores en estas unidades trae consigo grandes beneficios económicos, ya que tiene diferentes usos: produce gas metano, el cual se puede utilizar para la calefacción; y en la iluminación, reduciendo así el uso de energía eléctrica convencional.

Esta es una forma de producir energía que no es contaminante ni en el proceso de su producción ni en su combustión, contrario a lo que sucede con los combustibles fósiles.

Desarrollo

La quema de estiércol o residuos agrícolas es un derroche de nutrientes. Los granjeros precisan de fertilizantes para mantener el rendimiento del suelo de cultivo, creándose la paradoja que algunos continúan quemando residuos orgánicos aún sin poder permitirse la compra de fertilizantes químicos. Al mismo tiempo, la disponibilidad técnica de nitrógeno, fósforo y potasio en los residuos orgánicos está ocho veces por encima de la de los fertilizantes químicos que se consumen en el país. Será especialmente importante para los pequeños granjeros aprovechar los escasos recursos de que fertilizante, que mantiene la calidad del suelo e incrementa el rendimiento de la cosecha.

La mezcla de residuos sólidos y líquidos que son acarreados por el agua de lavado se conoce como agua residual ("residuales" en varios países); sus principales ingredientes son las excretas (heces y orina), agua, alimento desperdiciado, cama, suelo y otras partículas.

Las tasas de excreción de heces y orina (H y O) dependen de múltiples factores: la edad del animal, su madurez fisiológica, la cantidad y calidad del alimento ingerido, el volumen del agua consumida, el clima y otros factores menos importantes. De estudios estadísticamente significativos realizados en otros países sobre este tema, se sabe que la orina representa el 45% y las heces el 55%; el contenido de humedad de la excreta es de 88%; cerca del 90% de los sólidos se excretan en las heces y un 10% en la orina como minerales, potasio, fósforo y amoniaco-nitrógeno.

Una de las principales actividades productivas que generan grandes cantidades de residuos es la industria ganadera. En las explotaciones ganaderas se produce una cantidad considerable de estiércol que requiere ser tratado y estabilizado.

Aproximadamente el 50% de los sólidos volátiles del estiércol es biomasa lignocelulosa biodegradable que puede ser convertido en CH4. El principal producto de este proceso es el biogás (Varnero., 2011).

La producción ganadera genera desechos (excretas, fertilizantes, sobrantes de riego, agua de limpieza, etc.) que son altamente contaminantes debido a que contienen materia orgánica, microorganismos y nutrimentos. Un manejo adecuado de estos residuos orgánicos provenientes de la producción ganadera puede contribuir significativamente a la producción y conversión de residuos animales y vegetales en distintas formas de energía. (Hilberth,1999).

La producción porcina, como cualquier otra, requiere de insumos que proporciona la naturaleza y genera, además de productos de valor económico que son apropiados en forma privada, una serie de residuos que si no son asimilados por la misma naturaleza, se comparten con la sociedad aunque ésta no lo desee. La determinación del impacto ambiental de los desechos porcinos incluye, además de los efectos directos de los desechos sobre los recursos agua, suelo y aire, factores de perturbación como olores y plagas de insectos, además de efectos indirectos sociales y políticos que es imposible cuantificar.

Las características más importantes de las excretas porcinas están relacionadas con los siguientes aspectos: parámetros físico-químicos, contenido de nutrientes de fertilización, micronutrientes y metales, valor alimenticio y cuentas bacterianas.

Existen amplias evidencias del incremento en la producción de distintas especies provocada por la aplicación de efluentes al suelo. Tanto en este aspecto como en los anteriores, las aseveraciones y cifras son relativas debido a que se está trabajando con sistemas biológicos muy complejos como son: el material orgánico de carga, el digestor, el suelo y finalmente el cultivo. Esta interacción y variación provoca grandes diferencias en los resultados y hace difícil cuantificar los beneficios obtenibles de la aplicación así como también definir dosis y modos de aplicación.

Según Varnero (2011) en la actualidad se han desarrollado métodos para la transformación de residuos en energía y así alcanzar la meta de conservación de los recursos y del ambiente. Una forma de obtener energía a partir de los residuos es mediante la digestión anaeróbica. Se pueden utilizar diferentes materias primas para realizar la digestión anaeróbica. De esta manera, los sustratos susceptibles de usar en un sistema de digestión anaerobia podemos clasificarlos en:

- Residuos de origen animal: Purín de vacunos, cerdos, pavos, pollos, etc., camas de aves, desechos de matadero (sangre, vísceras), desperdicios de pesca, restos de lana y cuero, desechos de establos (estiércol, orina y paja).
- Residuos de cosechas: rastrojo, ensilaje y grano de maíz u otros cultivos, malezas, paja, maloja de caña de azúcar.
- Residuos agroindustriales: tortas de oleaginosas, bagazo, salvado de arroz, desechos de tabaco, semillas, desperdicios de procesamiento de hortalizas y frutas, residuos de té, pequeñas ramas, hojas, corteza, etc.
- Plantas acuáticas: Camalote, algas marinas.

A pesar que este aspecto no puede ser ubicado estrictamente como un uso, aporta indudables beneficios al reemplazar otros costosos sistemas para obtener el mismo grado de descontaminación.

El tratamiento de los desechos por vía anaeróbica elimina la acumulación de malos olores y sustancias volátiles toxicas, a la intemperie evitando la proliferación de moscas, mosquitos, otros insectos y roedores portadores de peligrosas enfermedades.

El proceso en sí mismo produce una reducción del 90% al 99% de los principales patógenos animales (estafilococos, salmonella, pseudo-monas). Esta reducción muy importante desde el punto de vista del saneamiento está regulada por la temperatura de fermentación y la cantidad de días que permanece la biomasa dentro del digestor (tiempo de retención).

El proceso fermentativo también tiene un efecto beneficioso si se lo emplea como biofertilizante ya que un gran porcentaje de semillas de las malezas se tornan inviables.

El clima es un factor muy importante en la implantación de los sistemas de digestión anaerobia, puesto que condicionan los regímenes de trabajo y el diseño que deberá tener el digestor, así como su rendimiento. En principio se tiene que la digestión anaerobia es posible entre 3 y 70ºC, aunque la cantidad de gas formado incrementa con la temperatura de trabajo.

La inversión para instalar una planta es elevada, por lo que se deberá de hacer un proceso de planificación exhaustivo. Determinar el emplazamiento concreto del establo y de la planta de biogás será tan importante como hacer una buena planificación de la planta, desde sus inicios. Se conoce que los muchos errores se dan durante la fase de planificación, por lo que deberá prestarse una buena atención.

Durante el proceso de digestión anaeróbica dentro del biodigestor, el carbono es el único elemento que es emitido en cantidades considerables bajo condiciones normales. Otros nutrientes como nitrógeno (N), fósforo (P), y potasio (K) se mantienen en iguales cantidades, pero salen en una mayor concentración en el efluente, dado que el estiércol ha sido digerido dentro del biodigestor y se ha reducido su volumen.

El proceso de la digestión anaeróbica es muy complejo, debido tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea. Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases: Hidrólisis, etapa fermentativa o acidogénica, etapa acetogénica y etapa metanogénica (Guevara, 1996).

Durante el proceso de digestión anaeróbica, mediante una serie de reacciones bioquímicas, se genera el biogás, el cual está constituido principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Este biogás puede ser capturado y usado como combustible y/o electricidad. De esta forma, la digestión anaeróbica, como método de tratamiento de residuos, permite disminuir la cantidad de materia orgánica contaminante, estabilizándola (bioabonos) y al mismo tiempo, producir energía gaseosa (biogás).

Digestión anaerobia

Según Díaz et al. (2002), es un proceso biológico en el cual un consorcio de diversos microorganismos interactúan entre sí, en ausencia de oxígeno, para estabilizar la materia orgánica por conversión a metano y otros productos inorgánicos incluyendo agua y dióxido de carbono, tal como se muestra en la ecuación 1.

Se divide principalmente en cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Estas fases se desarrollan de manera consecutiva por diferentes tipos de microorganismos. Las bacterias participantes en cada etapa presentan distintas velocidades de crecimiento y su sensibilidad varía de acuerdo a los compuestos existentes en el medio como inhibidores (hidrógeno, amoniaco, ácido acético, etc.). Es así que el desarrollo global del sistema necesita alcanzar un equilibrio, para evitar la acumulación de los compuestos inhibidores como son los ácidos grasos volátiles, que ocasionan disminución del pH.

Hidrólisis

Es el primer paso en el proceso de la digestión anaerobia, donde materiales orgánicos complejos (carbohidratos, celulosa, hemicelulosa, lignina, proteínas, grasas, aceites, etc.) son adicionados y convertidos por enzimas extracelulares de manera biológica (hidrolasas) o por procesos fisicoquímicos, a material soluble; y materia orgánica biodegradable (monómeros o dímeros), estableciendo un paso para su bioconversión bajo condiciones anaerobias (Gavala et al., 2003).

La hidrólisis depende de diferentes parámetros tales como el tamaño de la partícula, pH, producción de enzimas, difusión y adsorción de enzimas particulares. En esta etapa se lleva a cabo una colonización de bacterias sobre la superficie de los sólidos, y por lo cual su velocidad depende del área de contacto disponible.

Las enzimas hidrolíticas degradan la superficie de los sólidos con una intensidad constante por unidad de tiempo. Las proteínas se hidrolizan por enzimas extracelulares (proteasas) a polipéptidos y aminoácidos. La velocidad de la hidrólisis depende mucho de la solubilidad de las proteínas, pH y el origen del cultivo anaerobio.

Acidogénesis

Los compuestos orgánicos solubles obtenidos de la etapa anterior se transforman en ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles), esto es, ácido acético, propiónico, butírico y valérico, principalmente y en menor proporción, anhídrido carbónico e hidrógeno. Estas bacterias son altamente resistentes a variaciones en las condiciones ambientales.

La acidogénesis es una fase de producción intensiva de ácidos que se inicia con los alimentos y compuestos de más fácil descomposición como las grasas donde hay una alta producción de dióxido de carbono (CO2), ácido sulfhídrico (H2S), ácidos orgánicos y bicarbonatos; su pH se encuentra en la zona ácida con valores entre 5.1 y 6.8.

Acetogénesis

En la acetogénesis se presentan la degradación de alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos (obtenidos de la fermentación) mediante la hidrogenación acetogénica o la deshidrogenación acetogénica, produciendo ácido acético, CO2 y H2. En el proceso de la deshidrogenación acetogénica, se lleva a cabo la oxidación anaerobia de moléculas grandes y pequeñas de ácidos grasos volátiles.

En esta es obligatoria la producción de hidrógeno por las bacterias que realizan la oxidación anaerobia de los ácidos grasos. Estas pueden inhibirse debido a presiones bajas, no obstante pueden sobrevivir únicamente en asociaciones sintróficas con microorganismos que consumen hidrógeno tales como las metanógenos acetoclásticos.

Metanogénesis

Constituye la etapa final del proceso, en el que compuestos como el ácido acético hidrogeno y dióxido de carbono son transformados a CH4 y CO2. Se distinguen dos tipos principales de microorganismos, los que degradan el ácido acético (bacterias metanogénicas acetoclásticos) y los que consumen hidrogeno (metanogénicas hidrogenófilas); la principal vía de formación del metano es la primera, con alrededor del 70% del metano producido, de forma general. Esta etapa es muy sensible a los cambios de pH, por lo general se lleva a cabo en un ambiente neutro (Jarauta, 2005).

Si el pH baja de 6.5 las bacterias metanogénicas tendrían pocas posibilidades de desarrollarse. Los microorganismos intervinientes en cada fase tienen propiedades distintas que son muy importantes y se las debe conocer para lograr comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un digestor (Castaño, 2014).

Factores que afectan la digestión anaerobia

Sustrato

Gran parte de todas las materias orgánicas pueden emplearse para la fermentación. El hombre en la producción de biogás utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas residuales de la industria liviana y alimenticia, los desechos municipales y diversos subproductos agrícolas (residuos de cultivos y excrementos humanos y de animales), además se aprovechan algunos cultivos energéticos. La composición química principal de estos recursos son polisacáridos, proteínas, grasas y pequeñas cantidades de metabolitos, la mayoría de ellos insolubles en agua. Los sustratos más utilizados para alimentar biodigestores son:

- Estiércol (bovinos, cerdos, ovinos, aves, conejos, entre otros)
- Residuos vegetales.
- Basura orgánica
- Contenido ruminal (obtenido de rastros y mataderos municipales).
- Desechos de comida.
- Desechos de la industria productora de alcohol y vinos.

El valor óptimo de pH está en el rango de 6.6 a 7.6. Los ácidos grasos de cadena corta (AGCC) que se producen durante el proceso de digestión reducen el pH en la fase líquida del digestor. Si las bacterias metanogénicas no pueden convertir los AGCC tan rápidamente como son formados por las bacterias acetogénicas, los AGCC se acumularán y causarán un descenso en el pH del medio. Sin embargo, el equilibrio CO /HCO - en el digestor ejerce una resistencia sustancial a los cambios de pH.

Hay dos modos operacionales principales para corregir una condición desbalanceada de bajos pH en el biodigestor. La primera forma es detener la carga del biodigestor y permitir durante cierto tiempo que la población metanogénica reduzca la concentración acídica y que entonces el pH se eleve a un valor razonable, pero esta operación a su vez enlentece la actividad bacteriana, reduciendo de esta forma la formación de AGCC.

Un segundo método involucra la adición de sustancias tampones o buffer para elevar el pH sin cambiar el ritmo de carga del digestor. Una ventaja de la adición de tampones es que el pH puede rectificarse más rápidamente. Se suele usar para ello la cal. El carbonato de sodio, aunque es más caro, puede prevenir la precipitación de carbonato de calcio.

Es importante cuidar que el pH se encuentre dentro del rango mencionado, y que este no disminuya en el sistema, ya que las bacterias formadoras de metano no pueden trabajar en valores de pH debajo de 6, provocando una producción baja de metano. A valores de pH menores que 6.3 y mayores de 7.8, la cinética de la metanogénesis disminuye notablemente. Este proceso de inhibición es originado por la disminución del pH (menor que 6), obteniendo una insuficiente capacidad buffer dentro del reactor.

Temperatura

Este es uno de los parámetros que tiene mayor influencia en el proceso de la digestión anaerobia, ya que altera la actividad de las enzimas, y por tanto, varía la velocidad del proceso de digestión. Estas variaciones de temperatura pueden traer consigo cierta inestabilidad durante la producción de gas metano (CH4) e incluso influir en el desarrollo de microorganismos.

La temperatura de operación del digestor es considerada uno de los principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaeróbica

Toxicidad

Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la digestión y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles (Marchaim,1992).

Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo para garantizar un buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante. Por ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteína para el ganado, un desbalance por altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energéticas, causa toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm citado por Marchaim (1992) reporta señales iniciales de inhibición a una concentración de NH4 + de alrededor de 800 ppm.

Biogás

La tecnología del biogás contribuye a la conservación y al desarrollo. A la conservación puesto que remplaza la energía tradicional, reemplaza fuentes combustibles fósiles, es una fuente de energía, evita la contaminación del agua superficial y subterránea y protege la calidad del suelo. Al desarrollo porque hay muchos grupos sociales que mejoran a causa de la aplicación del biogás: los granjeros, los industriales, las municipalidades, los gobiernos nacionales, los constructores, los ingenieros y los encargados del mantenimiento.

El biogás, como fuente de energía renovable, ha despertado un gran interés en los últimos años, siendo tal vez una de las tecnologías de más fácil implementación, sobre todo en sectores rurales. Su potencial desarrollo, no solo permite la producción de biogás, sino que también ayuda a la obtención de biofertilizantes y tratamiento de problemas sanitarios en algunos casos.

Según Castaño (2014) el biogás es el producto del metabolismo de bacterias metanogénicas que participan en la descomposición de materias orgánicas en ambientes húmedos y carentes de oxígeno, conocidos como biodigestores. A su vez, durante el proceso de descomposición, algunos compuestos orgánicos son transformados a minerales, los cuales pueden ser utilizados fácilmente como fertilizante para cultivos.

La producción de biogás va a depender, principalmente, de los materiales utilizados, de la temperatura y tiempo de descomposición. Existe una estrecha relación entre la temperatura y tiempo de descomposición del material en el biodigestor. A mayor temperatura, más rápido es el proceso de descomposición, esto significa que el material requiere menos tiempo dentro del fermentador. Así pues, el biogás obtenido a partir de residuos ricos en materia orgánica, como son los residuos ganaderos, agrícolas o derivados, es una fuente de energía renovable que utiliza la energía contenida en la biomasa, proveniente de la fotosíntesis (Fernández, 2007).

Aplicación del biogás

De forma general, al biogás se le ha definido como la mezcla de gases cuya composición varía de acuerdo a los detalles de su producción (Hesse, 1983).

Según Prats (1996) la composición del biogás procedente de la digestión anaerobia de los excrementos de animales es la siguiente:

CH4................... 50 al 70 %
CO2................... 30 al 50 %
H2S.......................... 1 %
H2 .......................... 2 %

Entre sus propiedades físicas más notorias se encuentra su capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21.5 MJm-3 (573 BTU por pie cúbico o 5135 kcalm-3), valor que puede variar entre 19.7 y 23 MJm-3. Su temperatura de auto-ignición es similar a la del metano puro y varía de 923 K hasta 1023 K (650-750 ?C). Como media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 MJm-3 (4700-5500 kcalm-3) (Hesse 1983).

Principales usos del biogás según Hesse (1983):

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:

- Generar 1.25 kw/h de electricidad
- Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt
- Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora
- Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos

Variantes constructivas

Como se mencionó anteriormente los biodigestores más utilizados en la agricultura son los de régimen semicontínuo, que de acuerdo a su principio de funcionamiento y construcción pueden ser:

1. De campana flotante o tipo hindú. Es el más popular en la India, país en el que varias instituciones hasta 1985 han construido diferentes tipos de estas plantas, resultando en la instalación de más de 460 000 unidades. Estos biodigestores poseen una campana donde se almacena el biogás y que a su vez flota sobre el residual Aunque una cantidad de estas plantas fueron construidas con ladrillos, cemento y acero, más tarde se desarrolló la tecnología KVIC con campana de diversos materiales como: ferrocemento, fibra de vidrio, de polietileno de alta densidad, de PVC, de láminas rígidas de PVC y hasta de cemento y bambú; Nazir (1991). Esta variante se construye de forma vertical u horizontal y en cuanto a su uso social y volumen pueden ser individuales o comunales.

2. De tipo chino o de cúpula fija. Alrededor de 7 millones de plantas han sido construidas en China, las cuales son fabricadas de distintas formas y capacidades, con diferentes materiales pero tienen un diseño básico en el que el biogás es colectado en una cúpula fija Nazir (1991). En Tailandia se ha diseñado este tipo de biodigestor pero con anillos de bambú, mientras los coreanos desarrollaron uno de bajo costo que consiste en un tanque de ladrillos y cemento cubierto con lona de PVC.

3. Del tipo tubular o de Plug Flow. Hechos de goma, polietileno o Red-Mud- Plástic (RMP). Este último material fue desarrollado por primera vez en Taiwan y después en China donde ha demostrado sus excelentes cualidades para ser usado en biodigestores. Este material producido en forma laminar es una mezcla de lodos rojos residuales de la extracción de la bauxita y contiene PVC, plasticador, estabilizador y otros ingredientes (Lockstoke 1983).

Al principio los digestores de RMP se hacían tubulares, más tarde se construyeron en forma de tiendas de campaña Tentscher (s.a.). También de esta forma se han construido biodigestores en Nepal, pero de PVC (Devkota, 1986).

En los últimos años, países como Colombia, Etiopía, Tanzania, Vietnam, Cambodia y Bangladesh han estado utilizando este tipo de biodigestor, basado en el modelo Taiwan.También han sido bien recibidos por los campesinos pobres en Vietnam para producir combustible limpio y reemplazar la leña. En tres años se instalaron en Vietnam más de 800 digestores de polietileno, en su mayoría pagados por los propios campesinos (An y Preston, 1995).

Conclusiones

El biogás obtenido a partir de residuos ricos en materia orgánica, como son los residuos ganaderos, agrícolas o derivados, es una fuente de energía renovable.
La aplicación de biodigestores es capaz de generar 1.25 kw/h de electricidad; 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt y poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.

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