ARTÍCULO ORIGINAL

Potencial energético de biodigestor instalado en la finca Santa Bárbara, provincia de Sumapaz, Colombia

0000-0002-1125-3105Yanoy Morejón-Mesa^{I  *}  , 0000-0002-1982-3993Vilma Moreno-Melo^II  , 0000-0001-5950-4631Diego Andrés Abril-Herrera^II 

^IUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

^IIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Colombia.

RESUMEN

La presente investigación se orienta en la determinación del potencial energético de un biodigestor instalado en la finca Santa Bárbara, la cual se localiza en la provincia Sumapaz, Colombia. Para ello se determina la especie animal existente en el escenario, dado que aportará los residuos orgánicos hacia el biodigestor, también se determina la cantidad de animales, considerándose el movimiento de rebaño, lo cual posibilitaría determinar la biomasa generada diariamente con el propósito de establecer el dimensionamiento de la tecnología de biodigestor adecuada y conocer el comportamiento de los parámetros energéticos. Entre los principales resultados obtenidos, se evidenció que el biodigestor instalado por el productor, no es capaz de asimilar la biomasa generada diariamente, debido a la cantidad de animales existentes; observándose que a pesar de que solo se aprovecha aproximadamente el 35% del potencial energético, debido al dimensionamiento de la tecnología de digestión anaerobia (biodigestor tubular de polietileno) instalada en la finca Santa Bárbara, a pesar de ello se demuestra que se contribuye al ahorro energético y a la conservación y preservación del medioambiente. Sin embargo, si fuese instalado el biodigestor diseñado en la investigación, el potencial energético se aprovecharía en un 100%, validándose que el dimensionamiento adecuado de la tecnología de digestión anaerobia es proporcional al ahorro energético a obtener en unidades agropecuarias.

Palabras-clave: energía renovable; producción porcina; digestión anaerobia; factibilidad energética; impacto ambiental

INTRODUCCIÓN

En la actualidad se conoce que el alto índice de consumo de recursos no renovable es un tema preocupante a nivel mundial, debido a la explotación y consumo de los combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural, gas licuado del petróleo y uranio) y el alto nivel de contaminación e impacto ambiental que estos generan. El mundo actual enfrenta dos problemas básicos para la existencia y el progreso futuro de la humanidad: La detención de la creciente contaminación ambiental y la búsqueda y obtención de nuevas fuentes de energía (^{Guardado, 2006}; ^{Varnero, 2011}). La única forma de contar con un futuro energético seguro es hallar una vía ambientalmente sostenible para producir y utilizar la energía. Si no se da respuesta a las preocupaciones de la sociedad sobre la energía y el medio ambiente natural, peligrará el suministro energético constante y seguro del que dependen las economías (^{Priddle, 1999}). Resulta necesario aprovechar las fuentes renovables de energía basadas en la mejor utilización de los recursos locales que, mediante la mejor utilización de las tecnologías apropiadas contribuyan al ahorro de combustible convencional y sirvan para devolver al suelo los nutrientes que este necesita y preserven el medio ambiente de la contaminación (^{Santos et al., 2012}).

Un claro ejemplo de las fuentes de energía renovable es la biomasa, término que se refiere a toda la materia orgánica generada a partir de la fotosíntesis o bien producida por la cadena trófica. Y como materia prima para procesos de reciclaje: tiene como origen las heces y orines recién expulsados (excremento animal), los cuales están constituidos por el sobrante del alimento ya digerido, pero no utilizado por el organismo, aparte se le suman desperdicios como camas, residuos de comida o material añadido (^{Grundey & Juanos, 1982}).

El empleo de la biomasa en diferentes formas alternativas, para brindar respuesta a las demandas energéticas es una opción satisfactoria. La biomasa para su empleo como material energético, requiere de una adecuación que facilite la aplicación del proceso seleccionado, para la obtención del combustible requerido. Según ^{Fonte (2004)}; ^{Arauzo et al. (2014)}; ^{Singh et al. (2016)}. Los procesos para convertir la biomasa en combustible son: mecánico (aserrín, briquetas), termoquímico (pirolisis, gasificación e incineración) y biotecnológico (fermentación alcohólica, digestión anaerobia).

La digestión anaerobia constituye una alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (^{Flotats et al., 2001}; ^{Sosa, 2017}). Por lo tanto, según plantea y cita ^{Suárez et al. (2018)} este tratamiento está indicado para aguas residuales agroindustriales, con alta carga de materia orgánica biodegradable: vertidos procedentes de la producción de azúcar, alcohol, cárnicos, papel, conservas y destilerías según ^{Rahayu et al. (2015)}; residuos agropecuarios, como purines, estiércol según ^{Bansal et al. (2017)}; y residuos urbanos que comprenden tanto la fracción orgánica de los residuos sólidos de acuerdo con ^{Biogas Association Ottawa (2015)} como los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (^{Frankiewicz, 2015}).

Precisamente el biodigestor es antropogénicamente (producido por actividad humana) la tecnología a destacar en el proceso biotecnológico de digestión anaeróbica de biomasas para obtener biogás. Es un reactor hermético con una entrada lateral para la materia orgánica, un escape en la parte superior por donde fluye el biogás, y una salida para la obtención de efluentes con propiedades biofertilizantes, contribuyendo ambos productos a resolver las necesidades de los productores y al fomento de la agricultura orgánica, como una alternativa económicamente factible y ecológicamente sustentable (^{Zheng et al., 2012}).

A estos aspectos habría que agregar los altos precios de los combustibles y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica, siendo factores a considerar para la introducción de biodigestores o plantas de biogás a nivel nacional y regional que produzcan energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (^{Parra et al., 2019}).

Considerándose los criterios anteriormente descritos, en la finca Santa Bárbara localizada en la capital Fusagasugá, de la provincia Sumapaz, Colombia, se instaló un biodigestor con el objetivo de producir biogás y biofertilizantes, por lo cual el objetivo de la presente investigación se orientó en determinar las potencialidades energéticas del uso de esta tecnología en ese escenario productivo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización de la finca Santa Bárbara.

La finca Santa Bárbara se encuentra situada en capital Fusagasugá, de la provincia Sumapaz, Colombia, es una propiedad privada, y dispone de una superficie total de 5,5 ha, en las que se crían ganado bovino y porcino, en el caso específico del ganado porcino, cuenta con un total 992 animales, desagregados en las siguientes categorías: 106 reproductoras, 22 lechonas, 808 preceba y 56 en ceba. Los principales cruces de los porcinos son: F1 (Landrace x Large withe) x PIC 337; Pietran x PIC 337. La dieta de este ganado se compone de: Alimento concentrado en harina elaborado con materias primas como: maíz americano, torta de soya, aceite de palma, mogolla de trigo, melaza, carbonato de calcio y núcleos (aminoácidos comerciales con vitaminas). El comportamiento de la temperatura y humedad varía en función de la época del año, obteniéndose los siguientes valores según la variabilidad del clima: en climas: cálido: 24 °C a 28 °C (9,21%), en clima templado: 18 °C a 23 °C (54%) frío: 12 °C a 18 °C (32,2%).

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores tubulares de polietileno

Para el cálculo de los parámetros de diseño de un biodigestor tubular de polietileno, es necesario conocer los datos de entrada, y los que deben ser determinados (Tabla 1).

La cantidad diaria de material (Bm_d) está en función directa con la cantidad de biomasa que se genera, ya sean residuos domésticos, agrícolas o de origen animal. Además, se debe tomar en cuenta la cantidad máxima que se obtiene y los planes de incrementos productivos.

TABLA 1 Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio 

Parámetros	Unidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd)	kg dia^-1
Proporción excreta-agua (N)	L kg^-1
Rendimiento de biogás (Y)	m^3 kg^-1
Tiempo de retención hidráulica (TRH)	día
Datos de salida
Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Vdm)	kg dia^-1
Volumen del biodigestor, (Vbiodig)	m^3
Volumen diario de biogás producido (G)	m^3 dia^-1
Volumen de contención del biogás (𝑉2)	m^3
Volumen del tanque de compensación (Vtc)	m^3

La cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d), se determina a través de la siguiente expresión:

$\mathrm{B}{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}=\mathrm{C}\mathrm{a}\times \mathrm{C}\mathrm{e}\times \mathrm{R}\mathrm{p}\mathrm{}\times \mathrm{R}\mathrm{t},\mathrm{}\mathrm{k}\mathrm{g}.\mathrm{}{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{a}}^{-1}$ (1)

donde: Ca- cantidad de animales; Ce-cantidad de excreta por animal, kg/dia; Rp- relación entre el peso vivo promedio de la población animal y el peso vivo equivalente tabulado; Rt- fracción entre el tiempo de estabulación respecto a la duración del día, h/día

$B{m}_d=Ca\times Ce\times \left(\frac{PVp}{PVe}\right)\times \left(\frac{Te}{24h}\right),kg{.dia}^{-1}$ (2)

donde: PVp-peso vivo promedio de la población animal, kg; PVe- peso vivo equivalente tabulado; Te-horas del día que el animal permanece estabulado, h/día

El volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (V_dm), no es más que la suma del residual y la dilución de la biomasa (residual y agua).

$\mathrm{V}\mathrm{d}\mathrm{m}=\left(1+N\right)\bullet Bmd,m^3.{dia}^{-1}$ (3)

donde: N: proporción excreta-agua, L/ kg, se requiere conocer que la densidad del agua es: 1000 kg/m³.

Mientras, el volumen del biodigestor (V_biodig) se calcula teniéndose en cuenta el valor del volumen de material (mezcla estiércol y agua) V_dm que entra al biodigestor y el tiempo de retención TRH.

${\mathrm{V}}_{\mathrm{b}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{g}}=\mathrm{V}\mathrm{d}\mathrm{m}\bullet \mathrm{T}\mathrm{R}\mathrm{H},{\mathrm{m}}^3$ (4)

Posteriormente se procede al cálculo del volumen diario de biogás (G) producido:

$G=Y\times B_{md},m^3.{dia}^{-1}$ (5)

donde: Y- rendimiento de biogás, m³. kg^-1

El rendimiento de biogás (Y), se determina mediante la expresión:

$\mathrm{Y}=\frac{\mathrm{X}}{{\mathrm{C}}_{\mathrm{e}\mathrm{}\mathrm{}}},{\mathrm{m}}^3.\mathrm{}{\mathrm{k}\mathrm{g}}^{-1}$ (6)

donde: X- coeficiente de conversión energética de la excreta producida diariamente o sea la producción diaria de biogás en función del tipo de residuo orgánico, m³/dia.

Para todos los tipos de biodigestores, el volumen del tanque de compensación (Vtc) es equivalente al volumen de gas producido o sea oscila entre el 25…30% del volumen del biodigestor.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Dimensionamiento del biodigestor

Para el correcto dimensionamiento del biodigestor se requiere la determinación de los siguientes parámetros:

• Cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d);

• Volumen diario de material (mezcla estiércol y agua) (Vdm);

• Volumen del biodigestor (V_biodig);

• Volumen del tanque de compensación (Vtc).

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros se representan en la Tabla 2, estos valores se obtienen a partir del movimiento de rebaño concebido por el propietario de la finca durante el mes de abril de 2022.

Aporte energético potencial

Para la determinación del aporte energético potencial a obtener en función de la cantidad de animales disponibles se requiere la determinación de los siguientes parámetros:

• Productividad de biogás (Y);

• Volumen diario de biogás (G).

TABLA 1 Movimiento de rebaño en la finca Santa Bárbara en el mes de abril/2022 

Mov. de Rebaño	Existencia Inicial	Existencia Final	Animales/dia	Masa Promedio, kg
Reproductoras	106	110	108	177
Lechonas	22	48	34	110
Cebas	808	820	814	90
Preceba	56	14	36	22
Total	992	992	992	99

En referencia a la Tabla 1 donde se representa que por cada 50 kg de cerdo se obtienen 2,25 kg de excreta, generándose 0,10 m³ de biogás/día, con una proporción de 1:1-3 de excreta-agua (tomándose una proporción de 1:1) y con un tiempo de retención recomendable de 40 días, se determinó el dimensionamiento del biodigestor requerido para esa cantidad de animales (Tabla 2) y el aporte energético de la población animal (Tabla 3).

TABLA 2 Dimensionamiento del biodigestor diseñado en función dela cantidad de animales 

Fuente de materia prima	Animal / día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Vdm, m^3/día	Vbiodig, m^3	Vtc, m^3
Reproductoras	108	177	860,2	1,72	68,8	22,7
Lechonas	34	110	168,3	0,34	13,6	4,4
Cebas	814	90	3296,7	6,59	263,6	86,9
Precebas	36	22	35,64	0,07	2,8	0,92
Total	992	99	4 360,84	8,72	348,8	115,10

Como se evidencia en la Tabla 2, la mayor cantidad de biomasa diaria generada, se obtiene en la categoría ceba, representando el 75,5% de la cantidad de biomasa diaria generada total, este resultado se debe fundamentalmente a la cantidad de animales existentes en esta categoría.

Por otro lado, se evidencia que la categoría de ceba, es la que más influye en el dimensionamiento del sistema de biodigestión, dado que representa el mayor porciento representativo respecto a los volúmenes del biodigestor y tanque de compensación.

TABLA 3 Aporte energético de la población animal 

Fuente de materia prima	Animal / día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Y, m^3/kg	G, m^3/día
Reproductoras	108	177	860,2	0,044	37,8
Lechonas	34	110	168,3		7,5
Cebas	814	90	3296,7		145
Precebas	36	22	35,6		1,5
Total	992	99	4 360,8		191,8

Como se representa en la Tabla 3, el rendimiento de biogás a obtener según la especie es de 0,044 m³/kg (si se considera la cantidad total de animales se obtienen 43,6 m³/kg) y para esa cantidad de animales estabulados es posible obtener un volumen diario de producción de gas total de 191,8 m³/día.

Sin embargo, en la finca se instaló un biodigestor de 130 m³ (Figura 1), evidenciándose que es menor que el que se debería instalar a partir de la cantidad de animales existente y la cantidad de materia generada diariamente; este elemento limita considerablemente el potencial energético del escenario objeto de estudio, lo cual se puede observar en la Tabla 4.

FIGURA 1 Biodigestor instalado en la Finca Santa Bárbara. 

TABLA 4 Comparación entre biodigestor instalado y biodigestor diseñado en función del rebaño 

Parámetros de dimensionamiento	Biodigestor instalado	Biodigestor diseñado	Diferencia
Vbiodig, m^3	120	348,8	218
Vtc, m^3	39,2	115,1	75,5
Vgas, m^3	39,2	115,1	75,5
Parámetros de energéticos	Biodigestor instalado	Biodigestor diseñado	Diferencia
Y, m^3/kg	0,044	0,044	0
G, m^3/día	71,2	191,8	120,6
Ahorro Energético Potencial	Biodigestor instalado	Biodigestor diseñado	Diferencia
Energia eléctrica, kWh	128,6	345,2	216,6
Gas Natural, m^3	42,7	115	72,3
Carbón vegetal, kg	21,4	57,5	36,1
Madera, kg	192,2	517,8	325,6
Gasolina, L	56,9	153,4	96,5
Alcohol combustible, L	85,4	230,2	114,8
Fuel oil, L	49,8	134,3	84,5

Como se evidencia en la Tabla 4, la instalación de biodigestores en unidades de producción agropecuaria constituye una opción energéticamente viable, a lo cual habría que añadir la contribución a la conservación y cuidado del medio ambiente.

Resulta válido señalar que el correcto dimensionamiento de este tipo de tecnologías, propicia el aprovechamiento máximo de los desechos obtenidos en los escenarios productivos, este criterio se sustenta en las diferencias representadas en la tabla antes mencionada, evidenciándose que en la finca no se aprovecha al máximo el volumen de residuos procedentes de la producción porcina. Al realizarse un análisis porcentual se obtiene que con el digestor instalado por el productor solo se aprovecha aproximadamente el 35% del potencial energético a obtener.

CONCLUSIONES

• A pesar de que solo se aprovecha aproximadamente el 35% del potencial energético, debido al dimensionamiento de la tecnología de digestión anaerobia (biodigestor tubular de polietileno) instalada en la finca Santa Bárbara, se demuestra que se contribuye al ahorro energético y a la conservación y preservación del medioambiente.

• Se realiza el diseño del biodigestor tubular de polietileno adecuado para la finca, considerándose para ello la cantidad de animales (porcinos) existentes en la misma, el movimiento de rebaño concebido por el productor y la cantidad de biomasa diaria generada.

• Se evidencia que el dimensionamiento adecuado de la tecnología de digestión anaerobia es proporcional al ahorro energético a obtener en unidades agropecuarias.

REFERENCES

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Recibido: 10 de Enero de 2022; Aprobado: 24 de Junio de 2022

^*Autor para correspondencia: Yanoy Morejón Mesa, e-mail: [e-mail],[e-mail]