¿Qué es un biodigestor?

Un biodigestor o digestor es un reactor químico simple donde se lleva a cabo la descomposición de desechos orgánicos, ya sea de origen animal o vegetal, con la finalidad de obtener productos aprovechables como biogás y en la mayoría de los casos, bioabono líquido, mejor conocido como biol que se utiliza como fertilizante para los sembradíos.

Biodigestor moderno utilizado en planta de biogás
Biodigestor moderno utilizado en planta de biogás. Imagen de BGA

Los biodigestores son muy importantes en zonas rurales donde son utilizados como fuente de energía y de fertilizantes, dándole un segundo uso a los desechos diarios de las granjas. Asimismo, los biodigestores permiten reciclar materiales orgánicos en las viviendas, así como, obtener biogás para cocinar o calentar agua. A este tipo de biodigestores se les conoce como biodigestores caseros.

En esta nota vamos a describir la importancia de los biodigestores, así como los tipos o clases de biodigestores. También veremos algunos aspectos a considerar en el diseño de un biodigestor y las ventajas y desventajas de éstos.

Además, comentaremos sobre el proceso de biodigestión llevado a cabo en este tipo de reactores, conocimientos muy importantes para ingenieros químicos que deseen llevar a cabo proyectos de producción de energía y fertilizantes de manera limpia y aprovechando los desechos, que por lo general son enviados a las fuentes de agua contaminándolas directamente.


Tabla de contenidos

  1. Definición de un biodigestor
  2. Características de un biodigestor
  3. Importancia de un biodigestor
  4. Estructura básica de un biodigestor
  5. Tipos o clases de biodigestores
    1. Biodigestor de flujo continúo
    2. Biodigestor de flujo discontinuo
    3. Biodigestor de flujo semicontinuo
  6. Proceso de biodigestión
  7. Ventajas y desventajas de utilizar biodigestores
  8. Algunas consideraciones de diseño de un biodigestor

Definición de un biodigestor

Biodigestores anaeróbeos
Biodigestores anaeróbeos ubicados en Brasil. Imagen de Conciencia

Un biodigestor o digestor biológico es un reactor diseñado para descomponer materia orgánica, generalmente restos de vegetales y desechos de animales de granja (estiércol), con la finalidad de obtener productos aprovechables para el ser humano, como es el caso de combustibles como el biogás (que generalmente es gas metano con trazas de otros gases) y fertilizantes naturales de gran importancia para la agricultura.


Los biodigestores son muy utilizados en zonas rurales, ya que en dichos lugares existe una enorme cantidad de materia prima (desechos orgánicos provenientes de las granjas) y además el envío de combustible suele ser escaso y caro. Sin embargo, los biodigestores caseros también están muy en boga en zonas urbanas, ya que permiten aprovechar los desechos domésticos de origen orgánico, proveyendo de gas combustible a sus habitantes.


Características de un biodigestor

Biodigestores de planta de biogás
Biodigestores de la planta de biogás El Jote. Imagen de DIESA

Los biodigestor son en pocas palabras, unos tanques en donde se lleva a cabo un proceso de digestión biológica. Para que se pueda llevar a cabo la descomposición de los desechos orgánicos dentro de un biodigestor, estos tanques deben contar con unas características específicas las cuales veremos a continuación:
  1. Deben estar construidos con materiales que resistan la abrasión interna causada por el proceso de descomposición.
  2. Los materiales para su construcción deben ser resistentes y duraderos. Una rotura puede contaminar completamente un área entera o fuente de agua cercana.
  3. Deben poseer un sistema de cierre hermético, que impida el ingreso de aire una vez cerrado.
  4. Asimismo, contar con un sistema de válvulas para recuperar el biogás y para drenar líquido residual, así como para controlar la presión interna del biodigestor.
  5. Poseer sistema de medición de presión manométrica, de temperatura y para poder obtener información de pH, con la finalidad de mantener controlado todo el proceso.
Estas son a grandes rasgos las características principales que debe tener un biodigestor estándar. Existen algunos otros elementos dependiendo del diseño del equipo, ya sea de proporciones industriales o un biodigestor casero. Afortunadamente, se utilizan cada vez más, materiales económicos de gran resistencia que han masificado en gran medida el uso de los biodigestores.

Importancia de un biodigestor

Funcionamiento de un biodigestor
Funcionamiento del biodigestor. Imagen de ProyectoFSE

Como hemos podido ver hasta el momento, un biodigestor es capaz de producir combustible y fertilizantes, utilizando desechos orgánicos como materia prima. Sin embargo, la principal importancia de estos reactores es que permiten minimizar el potencial contaminante de desechos orgánicos animales o humanos hacia el medio ambiente, ya que disminuyen considerablemente los valores de la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda biológica de oxígeno (DBO) de los desechos que salen del reactor y que no pueden ser aprovechados.

La disminución llega a ser incluso del 90% dependiendo del diseño del biodigestor. De modo, que son reactores muy importantes para proteger el medio ambiente, ofreciendo tecnología simple y verde, mientras disminuyen los desechos orgánicos que son arrojados a las fuentes de agua y a la tierra directamente, disminuyendo además la propagación de ciertas enfermedades que se transmiten por aguas contaminadas.

Además, hay que destacar que muchos biodigestores son utilizados para el tratamiento de aguas ya que disminuyen los valores de DBO y DQO como comentamos en el párrafo anterior, por lo tanto, su importancia va más allá de generación de combustible en zonas rurales, ya que también ayudan a minimizar la contaminación en zonas urbanas.


Estructura básica de un biodigestor

Estructura de un Biodigestor
Estructura de un biodigestor. Imagen de Bioguia

Un biodigestor bien diseñado, cuenta con una estructura adecuada que permite realizar la descomposición de forma eficiente. Por lo general, están compuestos por las siguientes partes:
  1. Una pila de carga donde se incorporará la materia prima o la biomasa a utilizar.
  2. Una pila de descarga, que permitirá retirar los residuos sólidos y líquidos de la descomposición.
  3. Cámara de carga y nivelación de agua, generalmente debe estar antes que la cámara de digestión para garantizar una nivelación y mezclado homogéneo.
  4. Cámara de digestión o fermentación. Es el lugar en donde se realizará la biodigestión o descomposición del material orgánico en ausencia de aire.
  5. Cámara de almacenamiento de gas. Es la zona en donde se acumulará el biogás antes de ser extraído y almacenado.
  6. Agitador. Instrumento que se utiliza para movilizar los residuos que puedan quedarse en el fondo del biodigestor para que puedan ser aprovechados en el proceso.
  7. Cámara de hidrogenación y post-tratamiento (filtros y otros sistemas de tratamiento de residuos a la salida del reactor)
  8. Tuberías para transportar el biogás obtenido durante el proceso al tanque de almacenamiento y a zonas de aprovechamiento directo, como cocinas, estufas o calentadores de agua.




Tipos o clases de biodigestores

Actualmente, existen varios tipos de biodigestores en el mercado. A continuación veremos los más extendidos en uso alrededor del mundo:


Biodigestor de flujo continúo

Biodigestor de flujo continuo de desplazamiento horizontal
Biodigestor de flujo continuo de desplazamiento horizontal. Imagen de eg-ingenieria

Este tipo de biodigestor es usualmente utilizado para el tratamiento de aguas residuales. Como su nombre lo indica, el flujo del material residual pasa de manera continua por este tipo de reactores.

Tienden a ser de gran tamaño, de dimensiones industriales, además de contar con diferentes sistemas de control de procesos. Su principal característica es que permiten producir una gran cantidad de biogás. A su vez, esta clase de biodigestor puede ser de los siguientes tipos:
  1. Sistema de desplazamiento horizontal (utilizan la gravedad y un cilindro pistón para movilizar el flujo).
  2. Sistema de tanque vertical.
  3. Sistema de tanques múltiples.


Biodigestor de flujo discontinuo

Biodigestor simple de flujo discontinuo
Biodigestor simple de flujo discontinuo. Imagen de DisAmbiental

Como su nombre lo indica, el flujo no pasa continuamente por este biodigestor. Son reactores donde la descomposición se realiza por lotes, es decir, toda la carga se ingresa al inicio del proceso y se retira al finalizar la descomposición.

Son menos automatizados que los biodigestores descritos anteriormente y requieren mucha más mano de obra para funcionar. Asimismo, estos biodigestores requieren toda una estructura aparte para su funcionamiento ya que operan por lotes, requiriendo almacenamiento de la biomasa y depósitos para los productos finales. Generalmente, son ubicados en paralelo para realizar varias descomposiciones a la vez.

Biodigestor de flujo semicontinuo

Esquema de biodigestor semicontinuo de cúpula fija
Esquema de biodigestor semicontinuo de cúpula fija o sistema Chino. Imagen de Taringa

Estos biodigestores se encuentran entre los de flujo continuo y los de flujo discontinuo. Se introduce la carga en el biodigestor y se retiran los productos en pequeños lotes o baches de manera periódica (por ejemplo cada 12 horas), pudiendo operar continuamente en el tiempo sin necesidad de parar la operación.

Requieren menos mano de obra que un biodigestor discontinuo, pero requieren de equipos mecánicos para movilizar la biomasa y transportar el gas a sus depósitos. Son utilizados generalmente para tratar el agua contaminada y pueden ser de tres tipos:
  1. Cúpula fija o sistema Chino: Centrado en la eliminación de los desechos orgánicos y en la generación de fertilizantes. Son diseñados para eliminar malos olores y obtener gas para alumbrado público y estufas. Su principal característica es que funcionan con presión variable. En este tipo de biodigestor, el biogás es un producto secundario.
  2. Cúpula móvil o sistema Hindú: Desarrollado en la India luego de la Segunda Guerra Mundial con la finalidad de proveer de combustible a los campesinos del país. La principal característica de este biodigestor es que trabaja a presión constante y su operación es muy sencilla. Su producto principal es el biogás.
  3. Biodigestor salchicha o de bajo costo (Taiwán): Están construidos a partir de mangas de polietileno tubular de muy bajo costo. Se caracterizan por requerir muy poco mantenimiento y por ser muy fáciles de instalar. Son muy utilizados en el sureste asiático, Suramérica y Centroamérica.

Proceso de biodigestión

Planta de biogás
Planta funcional de biodigestión. Imagen de Revista Petroquímica

Es momento de hablar concretamente del proceso de biodigestión que se lleva a cabo dentro del biodigestor. Si bien, es un proceso que no reviste complejidad, ocurren cambios químicos importantes dentro del reactor y contrario a lo que se podría pensar, la mayoría de los residuos perjudiciales para el ambiente y el ser humano son eliminados durante el proceso.

El primer paso consiste en ubicar el biodigestor y recolectar la materia prima. Se recomienda tenerlo cerca de la materia prima o la biomasa. En caso de estar en una zona rural, lo ideal es estar cerca de la granja o las granjas que van a surtir de biomasa al equipo.

De estar en una zona urbana, el acceso a las aguas residuales y a los desechos orgánicos debe estar garantizado para evitar focos de infección que puedan darse al trasladar la materia orgánica en descomposición.

De no ser un biodigestor continúo, debe instalarse una zona aledaña para la recolección de la biomasa o materia prima, con filtros de aire para evitar la emanación de gases a los alrededores mientras se encuentra almacenada, y trabajar rápidamente para evitar que ésta se descomponga antes de tiempo.

El siguiente paso consiste en trasladar la materia prima a la pila de carga, de manera que la cámara de carga se llene de la biomasa. Se debe agregar agua para diluir la biomasa. La homogenización se lleva a cabo en la zona del biodigestor con un procedimiento de mezclado.

Una vez hecho esto, se hace pasar la mezcla a una cámara de digestión (corazón del biodigestor) que se encuentra en condiciones anaerobias (libre de oxígeno). Allí se lleva a cabo todo el proceso de descomposición. Lo que ocurre allí es que la mezcla se fermenta gracias a la acción de microorganismos bacterianos anaerobios que se encuentran en la materia orgánica.

Estos microorganismos actúan sobre los desechos orgánicos vegetales y animales, descomponiéndolos y produciendo un gas rico en metano (CH4) que además contiene CO2 y trazas de hidrógeno conocido como biogás. Este proceso lleva un tiempo estimado de unos 15 a 30 días dependiendo del reactor (obviamente se está hablando de biodigestores discontinuos) dando tiempo a que los microorganismos compuestos por bacterias y hongos se cultiven en la mezcla de desechos y agua.



Este proceso es delicado y puede ser afectado por la temperatura ambiente, es por ello que debe controlarse la temperatura entre los 18 y los 20 grados Celsius. Cabe destacar, que también hay que controlar la presión para evitar accidentes y mantenerla constante para propiciar la formación del biogás en el caso de los biodigestores semicontinuos.

El biogás que se va produciendo se va almacenando en una cámara de gas, mientras se finaliza el proceso y se vacía el biodigestor si se trata de un biodigestor discontinuo, de ser semicontinuo se retira el gas cada cierto tiempo.

Finalizado el proceso se traslada el gas mediante un sistema de válvulas y tuberías hacia los tanques de almacenamiento donde se podrán llenar tanques más pequeños y alimentar sistemas directos como estufas y calentadores de agua.

El residuo del proceso es pasado por una cámara de hidrogenación y post-tratamiento, luego de vaciado el biodigestor. En ese lugar los residuos pasan por una serie de filtros de piedra, microfibras y filtros de algas, para retirar todo tipo de contaminante dañino y dejar un producto rico en nutrientes, nitratos inorgánicos (NO3), potasio (K) y fósforo (P), conocido como biol, un fertilizante de gran eficiencia para los cultivos.

En esta parte del proceso, este biol que es acuoso es secado y separado del líquido. Mientras que el residuo líquido pasa a zonas de tratamiento de aguas o a humedales para finalmente enviarlo como agua de regadío o a fuentes de agua.

Los residuos son muy limpios y casi sin trazas contaminantes, de hecho, se eliminan casi en su totalidad los elementos patógenos e incluso los parásitos intestinales, lo que permite enviarlos nuevamente a las fuentes de agua o a la tierra directamente.

Ventajas y desventajas de utilizar biodigestores

Biodigestores económicos para granjas pequeñas
Biodigestor económico para granjas

Como todo proceso de tratamiento de desechos, los biodigestores cuentan con una serie de ventajas y desventajas asociadas a su uso, las cuales veremos a continuación.

Ventajas:
  • El combustible obtenido (biogás) es renovable y sustentable.
  • Ofrece un producto secundario de gran valor, como es el fertilizante.
  • Fomenta el desarrollo sustentable.
  • Elimina desechos orgánicos altamente contaminantes para el ser humano y el medio ambiente.
  • Evita el uso de leños en zonas rurales, fomentado la reforestación.
  • Reduce la huella de carbono dejada por granjas industriales.
  • Promueve una disminución del calentamiento global al minimizar las emanaciones de vertederos y de gases en descomposición.
  • Disminuye la contaminación de mantos acuíferos.
  • Cumple normativas sanitarias internacionales.
  • Genera empleos.
  • Promueve la creación de proyectos en el área de saneamiento ambiental.
  • Disminuye las plagas de insectos, debido a que la reacción de descomposición se hace en cámaras herméticas.
  • Se elimina una gran cantidad de malos olores provocados por los desechos de animales (cerca del 80%).
  • Reduce la propagación de enfermedades.

Desventajas:
  • Deben ser ubicados lo más cerca posible de la biomasa a utilizar.
  • Se necesitan equipos para mantener la temperatura del biodigestor controlada. Si hace mucho calor o mucho frío, se requiere consumo de energía.
  • El biogás contiene sulfato de hidrógeno, un gas tóxico para el ser humano. Por lo tanto, se deben tomar todas las precauciones para evitar fugas de biogás y realizar combustiones completas de este combustible.
  • Como cualquier otro combustible, el biogás es inflamable, por lo que hay que tomar las medidas preventivas para evitar explosiones o incendios.




Algunas consideraciones de diseño de un biodigestor

El funcionamiento de un biodigestor es simple y el diseño puede serlo también. La principal variable a tener en cuenta en un proyecto de diseño de biodigestor debe ser el acceso a la biomasa, y por supuesto, el producto principal que se desee obtener ya sea el biogás o el fertilizante. Como recomendación, el diseño debe ser orientado a eliminar todo el estiércol animal de una granja o como una herramienta sanitaria en zonas habitadas.

Como dato interesante, en la práctica se ha determinado que se requiere de unos 20 kilos de estiércol para producir 5 horas de funcionamiento de una cocina a gas. Esto se puede tomar como una base de cálculo para un diseño personalizado. Si se requiere más gas, el tiempo de la biodigestión debe ser mayor, como resultado el fertilizante será de menor calidad. La relación de la mezcla con agua debería ser 1:3. El proceso inverso nos dará un mejor fertilizante, pero menos cantidad de biogás.

La temperatura es otra variable a tomar en cuenta. En zonas muy calurosas con temperaturas mayores a los 30 grados Celsius, el tiempo de reacción dentro del biodigestor serán unos 10 días. Mientras que en zonas con temperaturas cercanas a los 20 grados Celsius serán unos 25 días, y en zonas con temperaturas menores a 10 grados Celsius se requerirán unos 55 días para finalizar la biodigestión con la misma cantidad de materia prima. La temperatura ambiental afectará el diseño del biodigestor. Como siempre, los invito a dejar sus comentarios o sugerencias.

Fuentes:

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¿Qué es un biodigestor? by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License


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