bioagas a partir de rastrojo de maíz

BIOGAS A PARTIR DE

RASTROJO DE MAIZ

RESUMEN

Para este trabajo, se planteó como objetivo el abastecimiento de una vivienda

tipo en zona rural, para ello se decidió que sea a partir de biogás. Se utilizara

un biodigestor anaerobio de campana fija semi-continuo, alimentado de rastrojo

de maíz.

1 INTRODUCCIÓN

La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre en forma

espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL VILLA MARIA

pág. 1

En un proceso de producción de Biogás se pueden utilizar residuos orgánicos

para producir energía a gran escala mediante la acción de microorganismos en

ausencia de aire. El producto resultante está formado por metano (CH4),

dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y otros gases en menor

proporción que los anteriores.

A pesar de que la producción agrícola es de vital importancia para el desarrollo de

la economía del país, la cantidad de residuos generados es cada vez mayor. La

producción de biogás a partir de esta materia prima inicia con la instalación

masiva de biodigestores para procesar residuos orgánicos, animales y vegetales

con el fin de producir la energía necesaria para atender las necesidades básicas.

La producción de biogás a partir de residuos agroindustriales tiene gran

importancia en la actualidad debido al crecimiento económico a causa de la

globalización. El total de la producción mundial de los residuos agroindustriales

es de aproximadamente de 3045x106 Toneladas anuales, el mayor productor es

el continente Asiático con 1367x106 Toneladas/año lo que representa el 44.9%

de la producción total, seguido por Europa, Norteamérica, Latinoamérica y

África siendo los dos últimos los menores generadores de estos residuos con un

9.1% y un 5.3% respectivamente.

La generación y uso del biogás como fuente de energía renovable, es una

opción con garantía de rentabilidad, pues no sólo resuelve un problema

ambiental al momento de reutilizar materia orgánica sino que permite a las

instalaciones agrícolas un ahorro económico al volverse autosustentable en

energía eléctrica y calorífica. El reaprovechamiento económico del metano

generado por los residuos puede colaborar en la reducción de la emisión de

gases invernadero. Así mismo, puede contribuir a reducir el agotamiento de las

reservas de combustibles fósiles lo cual trae consigo adopción de tecnologías de

acuerdo a las posibilidades de los productores para el aprovechamiento de los

residuos.

2 BIOGÁS EN ARGENTINA

El país aún no ha incursionado demasiado en materia de biogás y su producción

industrial, si bien éste se presenta como una nueva oportunidad de negocios

para la obtención de energía eléctrica y calor a partir de la biomasa y una

solución al problema de los desperdicios orgánicos de establecimientos agrícolas

e industriales que puede contribuir significativamente al mix energético del país.


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Dentro del programa nacional de promoción a los Biocombustibles, y junto con

la ley 26093/06, Argentina logró convertirse en 2009 en el primer exportador

mundial de biodiesel. En 2011, llegó a exportar U$S 3.026 millones y a ser el

cuarto productor mundial de biodiesel.

Por otro lado, la provincia de Córdoba impulsa el biogás en el sector rural y

lanzó, junto con la Federación Argentina de Cooperativas Eléctricas y el

Programa de Servicios Agrícolas Provinciales (PROSAP), un plan para que más

de 3.000 tambos generen su propia energía, con el fin de mitigar la

contaminación y obtener un fertilizante propio para sus cultivos. La energía

aportada por un metro cúbico de biogás equivale a la energía de 0,65 m3 de

gas natural y puede llegar a producir hasta 1,3 a 2,1 kW/h de energía eléctrica

renovable.

El biogás, en cambio, aún se presenta como una oportunidad latente de ser

producido en forma industrial, lo cual permitiría alimentar redes eléctricas y de

gas de uso público, brindando autonomía energética a pueblos y ciudades, y

ofreciendo una nueva posibilidad de agregado de valor en origen para los

productos y subproductos agropecuarios.

Sin embargo, contar con políticas y decisiones que impulsen el desarrollo de

nuevas fuentes a fin de poder ampliar la matriz energética es, sin dudas, el

principal eslabón de esta cadena.

3 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL BIOGÁS

El biogás es el producto de la conversión bioquímica o digestión de biomasa

orgánica. Se llama biogás a la mezcla constituida por metano (CH4) como

principal componente en una proporción que oscila entre un 50% - 70%, y

dióxido de carbono (CO2) que contiene pequeñas proporciones de otros gases

tales como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. El metano es el gas

que le confiere las características combustibles del mismo y su concentración

determina el valor energético del biogás.

El proceso, además, puede generar biofertilizante, lo que lo convierte en una

forma atractiva de generar energía y abono a partir de desechos orgánicos

como los que produce la agricultura.

En la Tabla 1 se muestra los componentes y su concentración.

Componentes Concentración


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Metano (CH4) 50-70%

Dióxido de Carbono

(CO2)

25-45%

Agua (H2O) 2-7% Volumen

Ácido Sulfhídrico (H2S) 20-20000 ppm

Nitrógeno (N2) <2% Volumen

Oxígeno (O2) <2% Volumen

Hidrógeno (H2) <1% Volumen

Contenido Energético 6 – 6.5 kW h m3

Equivalente de

Combustible

0,60 – 0,65 L petróleo/m3 biogás

Límite de explosión 6 – 12 % de biogás en el aire

Temperatura de ignición 650 – 750 ºC (con el contenido de CH4

mencionado)

Presión Crítica 74-88 atm

Temperatura Crítica -82,5 ºC

Densidad normal 1,2 kg/m3

Olor Huevo podrido (desulfurado es imperceptible)

Masa Molar 16,043 kg/kmol

Tabla 1. Componentes del Biogás

El factor de conversión de la DQO a metano será de 0,25 kg CH4/kg DQO (que

equivale a 0,38 m3 CH4/kg DQO a una temperatura de 25ºC y presión de una

atmósfera). En energía primaria sería de 3,5 kWh/DQO eliminada, hecho que

representa una gran ventaja frente sistemas aerobios que requieren 1 kWh/kg

O2 consumido. El metano es el vector energético y brinda un poder calorífico

que oscila entre 5.500 y 6.000 Kcal.

El biogás requiere un sistema de acondicionamiento para purificar el contenido

de sulfhídrico y vapor de agua.


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4 CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA

Residuos agrícolas: Los restos agrícolas procedentes de cultivos de consumo,

cultivos energéticos o generación de materias primas para la industria

alimentaria constituyen un sustrato apropiado, en general, para la digestión

anaeróbica. No obstante, la tipología del material usado, en función de la carga

orgánica que posea, genera una gran variabilidad en el potencial de biogás

existente en el residuo.

Residuos

Cantidad

residuo

Ton/ha

Relación

C/N

Volumen de biogás

m3/Ton m3/ha

Paja de Maíz 6,4 45:1 514 3300

Paja de Trigo 3,3 123:1 367 1200

Tabla 2. Producción de Biogás a partir de residuos vegetales

Se utilizara como biomasa rastrojo de maíz el cuales definido por el manual de

biogás como sustrato tipo 1(degradación eficiente).

Características Clase Tipo de Sustrato Características

Cuantitativas

Sólido 1

Basura Doméstica >20 % ST

40-70 % Fracción

Orgánica

Estiércol Sólido

Restos de Cosecha

Tabla 3. Clasificación de sustratos para la Digestión Anaerobia

El cultivo del maíz produce una gran cantidad de biomasa, de la cual se cosecha

apenas cerca del 50% en forma de grano. El resto, corresponde a diversas

estructuras de la planta tales como caña, hoja, limbos y mazorca entre otros.

Caña Porcentaje

Panoja 12%

Tallos 17,6%

Chalas 8,9%


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Espiga Porcentaje

Mazorca 11,8%

Grano 49,7%

Tabla 4. Porcentaje del peso seco según estructura

Cada una de estas estructuras posee características físico-químicas propias, lo

que le confiere un valor nutritivo muy diferente, dependiendo de si el residuo

corresponde a maíz de grano o maíz para consumo fresco. Los tallos presentan

las estructuras más lignificadas y de menor contenido de proteína bruta (3.1%)

y las hojas entre 4 y 7 %.

Materia

Prima

Lípidos

%

Proteínas

%

Celulosa

Hemicelulosa

%

Lignina

%

Ceniza

%

Caña de

Maíz

4,5 35,4 10,30 6,50

Tabla 5.

5 BIODIGESTOR CÚPULA FIJA

5.1 FUNCIONAMIENTO DEL BIODIGESTOR

Esta es la tipología de planta más sencilla de explotación debido a que no tiene

partes móviles, tiene un diseño muy compacto que ahorra espacio, está bien

aislada térmicamente, tiene unos costos accesibles y normalmente está

enterrada.

La construcción es laboriosa y necesita mano de obra con cierta preparación

debido al hecho que la parte superior (cúpula) deberá ser retén al gas para su

correcto funcionamiento, puesto que debe almacenarlo sin pérdidas, por lo que

se hace compleja su construcción, aumentando el coste. Se tendrá que usar

pintura estanca al gas para asegurar esta propiedad de la cúpula.

Tiene una vida útil muy larga, que puede ser de 20 años o más, por lo que los

costes de amortización de la planta serán relativamente bajos.

Cuando la producción de gas empieza, se desplaza el sustrato a la cámara de

expansión, acumulándose el gas en la cúpula. La presión aumenta con la


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acumulación del gas. La presión del gas viene dada por la altura de sustrato

acumulado en la cámara de expansión, se alcanza presiones de hasta 100 cm

de columna de agua. Se generan entre 0.15 y 0.20 volúmenes de gas por

volumen de digestor/día. Como consecuencia de la variación de presión, la que

aumenta al generarse el gas y disminuye al consumirse éste, se reduce la

eficiencia en los equipos consumidores. Una o dos veces al año el digestor se

vacía completamente aplicando el residuo (sólido) a los campos de cultivo. Los

tiempos de retención de operación para estos biodigestores son de 30 a 60 días

y alcanza una eficiencia máxima 50% de reducción de la materia orgánica.

La decisión de elegir este biodigestor, fue porque vimos que en una vivienda no

debe haber fluctuaciones de energía, entonces se decidio colocar un gasometro

para evitar las alteraciones.


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5.2 COMPONENTES DE LA PLANTA DE BIOGÁS

5.2.1.1 Molienda

El picado y molienda de los residuos de cosecha, en este caso el rastrojo, se

realiza para poder aumentar la superficie de contacto y para que la lignina de la

planta se digiera más fácilmente. Se la debe dejar a un tamaño de entre 1-1,5

cm. Para este fin se puede usar un molino sencillo o incluso un machete.

5.2.1.2 Tanque de mezclado

Los objetivos buscados con la agitación son evitar la formación de costra que se

forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la

formación de espacios “muertos” sin actividad biológica.

El sustrato fresco normalmente se mezcla en un tanque antes de ser entrado en

el digestor, hasta ser homogeneizado y conseguir la consistencia necesaria. El

grado de homogeneización y contenido de sólidos puede ser más fácilmente

conseguido con la ayuda de un agitador.

Se coloca un tapón en el tubo de descarga que comunica con el desarenador,

fácilmente removibles sin necesidad de tocar el sustrato. El tubo de entrada del

digestor debe ser tapado durante el proceso de mezclado, se puede utilizar un

tapón de madera o roca.

Es mejor localizar el tanque de mezclado en un lugar soleado, hecho que

ayudará a que la mezcla entre más caliente al digestor y por tanto evitará el

choque térmico por la diferencia de temperatura del material que se encuentra

en el digestor (más caliente).

Este tanque, en cualquier planta con alimentación semi-continua, tiene un

volumen interno un poco mayor que el volumen de carga diario, entre 10-20%.

5.2.1.3 Desarenador

El desarenador se utiliza para evitar que materiales inertes penetren en el

biodigestor, como piedras que por accidente sean arrastradas por el sustrato.

Se coloca contiguamente al tanque de mezcla y previamente a la entrada del

digestor.


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Es conveniente construir el tanque con una pequeña inclinación hacia el lado

opuesto al tubo de carga, para evitar la entrada de estos materiales.

5.2.1.4 Entrada y salida

Las tuberías de entrada (alimentación) y la salida, llegan directamente al

digestor en un ángulo inclinado. Para sustrato líquido el diámetro de estas

tuberías deberá ser entre 10-15 cm. La entrada y salida deberán ser

construidas con plástico u hormigón.

Las tuberías de entrada y salida deben ser de fácil acceso y rectas, de forma

que una varilla pueda ser empujada a través de los orificios para eliminar

posibles obstrucciones y agitar el contenido del digestor. Se complementará la

entrada con un tapón para poder controlar la llenada del digestor.

Las tuberías deben penetrar la pared del digestor en un punto por debajo del

nivel más bajo de la mezcla (no por la zona donde se almacena el gas). El

extremo que penetra en el biodigestor debe estar a una altura de, como

mínimo, 40-60 cm del fondo, para evitar que el material sedimentado lo

obstruya.

Los puntos de penetración deberán ser sellados y reforzados con mortero. La

tubería de entrada debe terminar en un punto más alto que el inicio del tanque

de compensación, para promover un fluido del sustrato más uniforme.

En las plantas de cúpula fija, la entrada y la salida definen el punto más bajo de

la parte destinada a acumular gas dentro del biodigestor, actuando como una

válvula de seguridad y liberando a la construcción de una sobre-presión. La

entrada y la salida deben ser previstas antes de la construcción. No se pueden

hacer agujeros posteriores, ya que debilitaría la estructura.

5.2.1.5 Digestor

El tanque de fermentación tendrá que cumplir los siguientes requisitos:

Estanqueidad

Estanqueidad al agua, para prevenir filtraciones y la resultante

contaminación de suelos y aguas subterráneas.

Estanqueidad al gas para contener todo el biogás creado y para prevenir

que el aire entre en el digestor, hecho que podría provocar una mezcla

explosiva.

Aislamiento


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El aislamiento depende de las temperaturas exteriores a las que se

encuentre el digestor, las pérdidas de calor deberán ser minimizadas en

caso de tener bajas temperaturas en el exterior, en cambio el

calentamiento del digestor es mucho más fácil cuando las temperaturas

son altas como es el caso. Por lo tanto, será fácil que el digestor esté a la

temperatura necesaria.

Mínima superficie

Reducirá los costes de construcción al mínimo y las pérdidas de calor a

través de las paredes.

En el caso del digestor de cúpula fija, la construcción más adecuada es la

hemisférica con base cónica para reducir al máximo estas pérdidas.

Estabilidad estructural

Suficiente para soportar todas las cargas estáticas y dinámicas y

resistente a la corrosión.

Fuerzas internas y externas: Dos fuerzas relevantes actúan sobre el

digestor. La presión externa de la tierra, que crea fuerzas de compresión.

La fuerza del gas interior, que crea fuerzas de tensión.

Por lo tanto las fuerzas exteriores deben ser superiores a las interiores,

las formas redondeadas y esféricas ayudan a soportar mayor fuerzas y

distribuirlas de manera uniforme. Los bordes y esquinas llevan a picos de

tensión que pueden provocar grietas.

5.2.1.6 Gasómetro:

El gasómetro es la parte del digestor destinada a la acumulación del gas

producido para su posterior consumo y dependen del tipo de biodigestor. Para

biodigestores de cúpula fija:

El acumulador de gas en los biodigestores de cúpula fija se encuentra en la

parte superior de la cúpula del digestor. En estas plantas el gas acumulado en

la parte superior desplaza el volumen correspondiente de mezcla digerida.

Para evitar el sobrellenado de la planta se deberá construir un tanque de

compensación

La salida de gas debe estar unos 10 cm por encima del nivel de reboso

para evitar obstrucciones en la tubería

Para contrarrestar la gran presión que se crea en el interior, la planta

deberá ser construida por debajo del nivel del suelo para que la arena ayude a

contrarrestar esta presión.


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Se debe tener cuidado en cerrar bien el hueco superior para evitar

accidentes, reforzando la tapa con 100 kg o más. La forma más apropiada es

reforzar con abrazaderas.

Se debe acabar bien la cúpula para que sea estanca al gas. Se deberá

recubrir con material especial y asegurar que la construcción sea fuerte y esté

libre de grietas.

El pie del acumulador de gas debe ser estabilizado con un anillo de

mortero.

5.2.1.7 Tanque de compensación:

En el caso del biodigestor de cúpula fija, al generar el biogás éste desplaza el

líquido y eleva el nivel en el tanque de compensación hasta el reboso, como se

puede observar en la figura

Cuando se genera gas, este desplaza la mezcla hacia el tanque de

compensación, y cuando el gas es consumido la mezcla vuelve al interior del

digestor.

Es una parte importante para acumular el gas cuando hay picos de producción

y éste no puede ser consumido. La presión del gas aumenta con el volumen de

gas producido, es decir con la diferencia de niveles en los dos tanques.

5.2.1.8 Tanque de salida de lodos:

Este tanque se utiliza para la limpieza de los lodos acumulados en el fondo del

digestor.

Acompaña al digestor de cúpula fija y no al tubular ya que el vaciado de éste

último es mucho más accesible. El tubo de salida de lodos conecta el digestor

con el tanque de salida de lodos, permitiendo las operaciones de mantenimiento

necesarias.


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5.2.1.9 Filtro H2S

El biogás contiene un pequeño porcentaje de un ácido sulfhídrico (H2S), que

además de ser tóxico, puede corroer las partes metálicas de los equipos con los

que usemos el biogás.

Para evitarlo se coloca un filtro que consiste en un tramo de tubo lleno de

virutas de hierro oxidadas. En los extremos se coloca una unión universal, que

permitirá desmontar el filtro para cambiar las virutas, y de ahí se conecta a la

conducción.

En un extremo, las reducciones irán pegadas con pegamento de PVC, pero en el

otro se coloca pasta de empaquetadura, que sella pero no pega, de modo que

se podrán retirar las virutas y substituirlas.

5.3 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en

ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas,

se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y

en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y

compuestos de difícil degradación.

Esta fermentación, involucra un número de microorganismos de distinto tipo,

los cuales pueden dividirse en: microorganismos de fase de hidrólisis,


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microorganismos de fase de acidificación y microorganismos de fase

metanogénicas.

La producción de metano constituye la última parte del proceso y no ocurre si

no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos.

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la

reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético

de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de

los productos tratados.

La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos,

agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos

productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos

agrícolas o excedentes de cosechas, etc.

La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de

aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas

industrias alimentarias.

5.3.1 Las fases de la digestión anaerobia

Durante la primera etapa, la hidrólisis, los compuestos complejos del material

inicial (como carbohidratos, proteínas y grasas) se dividen en compuestos

orgánicos más simples (por ejemplo aminoácidos, azúcares y ácidos grasos).

Las bacterias hidrolíticas que participan en esta etapa liberan enzimas que

descomponen el material por medios bioquímicos. Los productos intermedios

formados por este proceso se dividen luego durante la acidogénesis (la fase de

acidificación) por medio de bacterias fermentadoras (que forman ácidos) para

formar ácidos grasos más bajos (acético, prebiótico y butírico) junto con dióxido

de carbono e hidrógeno. Además, también se forma pequeñas cantidades de

ácido láctico y de alcoholes. La naturaleza de los productos formados en esta

etapa es influida por la concentración del hidrógeno intermedio. En la

acetogénesis, es decir, la formación de ácido acético, estos productos se

convierten luego por medio de bacterias acetogénicas en precursores de biogás

(ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono). Al respecto, es particularmente

importante la presión parcial del hidrógeno. Un contenido de hidrógeno

excesivamente alto impide la conversión de los productos intermedios de la

acidogénesis por razones relacionadas con la energía. En consecuencia, se


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acumulan los ácidos orgánicos, como el ácido propiónico, el ácido isobutírico, el

ácido isovalérico y el ácido hexanoico, e inhiben la formación del metano. Por

esta razón, las bacterias acetogénicas (bacterias que forman hidrógeno) deben

coexistir en una comunidad biótica cerrada (biocenosis) con las arqueas que

consumen hidrógeno, las cuales consumen hidrógeno junto con dióxido de

carbono durante la formación de metano (transferencia de hidrógeno entre

especies), asegurando así un ambiente aceptable para las bacterias

acetogénicas. Durante la fase subsiguiente, la metanogénesis , la etapa final de

generación de biogás, sobre todo el ácido acético pero también el hidrógeno y

el dióxido de carbono se convierten en metanos por medio de arqueas

metanogénicas estrictamente anaeróbicas. Los metanógenos hidrogenotróficos

producen metano a partir del hidrógeno y del dióxido de carbono, mientras que

las bacterias acetoclásticas que forman metano lo producen por división del

ácido acético. En las condiciones prevalecientes en las plantas de biogás

agrícolas a tasas de carga orgánica más elevadas, el metano se forma

principalmente por medio de la vía de reacción que utiliza hidrógeno, aunque es

solamente a tasas de carga orgánica relativamente bajas que se forma el

metano por medio de la vía de reacción que involucra la división del ácido

acético. De la digestión del lodo de desagüe se sabe que el 70% del metano se

origina de la división del ácido acético y solamente el 30% de la utilización del

hidrógeno. Sin embargo, en una planta de biogás agrícola, esto es así

efectivamente sólo en los mejores casos de digestores de alta capacidad con

tiempos de retención muy cortos. La investigación reciente confirma que la

transferencia de hidrógeno entre especies es en efecto lo que determina la tasa

de formación de metano. Esencialmente las cuatro fases de la degradación

anaeróbica ocurren simultáneamente en un proceso de etapa única. Sin

embargo, como las bacterias involucradas en las diferentes fases de

degradación tienen distintas necesidades en términos de hábitat (respecto del

valor de pH y la temperatura, por ejemplo), se tiene que encontrar una solución

de compromiso en la tecnología del proceso. Ya que los microorganismos

metanogénicos son el eslabón más débil en la biocenosis debido a su baja tasa

de crecimiento y son los más sensibles en responder a las perturbaciones, se

tiene que adaptar las condiciones ambientales a las necesidades de las bacterias

que forman metano. Sin embargo, en la práctica, cualquier intento de separar

físicamente la hidrólisis y la acidogénesis de la metanogénesis implementando

dos etapas distintas en el proceso (gestión del proceso en dos fases) tendrá

éxito sólo limitadamente porque, a pesar del bajo valor de pH en la etapa de


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hidrólisis (pH < 6,5), todavía se formará algo de metano. El gas de hidrólisis

resultante entonces contiene también metano además de dióxido de carbono y

de hidrógeno. Por eso se tiene que utilizar o tratar el gas de hidrólisis para

evitar consecuencias ambientales negativas y riesgos de seguridad. En los

procesos multietapas, se pueden establecer diferentes ambientes en cada etapa

del digestor dependiendo del diseño de la planta de biogás y de su régimen

operativo, así como de la naturaleza y concentración de la masa fresca utilizada

como sustrato. A su vez las condiciones del ambiente afectan la composición y

actividad de la biocenosis microbiana y, de esta manera tienen una influencia

directa en los productos metabólicos resultantes.

La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases

consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término

genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos),

interviniendo 5 grandes poblaciones de microorganismos. Estas poblaciones se

caracterizan por estar compuestas por seres de diferentes velocidades de

crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como

inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la


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acidogénesis de aminoácidos). Esto implica que cada etapa presentará

diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato y que el

desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la

acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos

grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del pH. Para la

estabilidad del pH es importante el equilibrio CO2-bicarbonato. Para hacer

posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias

acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas

diferentes poblaciones.

Lo anterior implica que las puestas en marcha de los reactores sean, en

general, lentas, requiriendo tiempos que pueden ser del orden de meses.

En general, la velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa

más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Para sustratos

solubles, la fase limitante acostumbra a ser la metanogénesis, y para aumentar

la velocidad la estrategia consiste en adoptar diseños que permitan una elevada

concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor.

Con esto se pueden conseguir sistemas con tiempo de proceso del orden de

días. Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas,

la fase limitante es la hidrólisis, proceso enzimático cuya velocidad depende de

la superficie de las partículas. Usualmente, esta limitación hace que los tiempos

de proceso sean del orden de semanas, de dos a tres. Para aumentar la

velocidad, una de las estrategias es el pre tratamiento para disminuir el tamaño

de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento

térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas)

5.3.2 Factores determinantes en el proceso metanogénicos (producción

de biogás)

5.3.2.1 Nutrientes

Materia prima C % N% P2O5 % K2O

%

CaO % MgO

%

Rastrojo de Maíz 30-40 0,8-1,8 0,4-0,06 2,4 0,5 0,49

Tabla 6


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5.3.2.2 Relación carbono/nitrógeno

Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser

sometida a fermentación anaeróbica. La calidad y la cantidad del biogás

producido dependerán de la composición y la naturaleza del residuo utilizado.

Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima

para el metano-bacteria, ya que ellas se inhiben severamente por falta de

nutrientes.

El carbono y el nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de las

bacterias metanogénicas. El carbono constituye la fuente de energía y el

nitrógeno es utilizado para la formación de nuevas células. Estas bacterias

consumen 30 veces más carbono que nitrógeno, por lo que la relación óptima

de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de 30:1

hasta 20:1

La descomposición de materiales con alto contenido de carbono, superior a

35:1, ocurre más lentamente, porque la multiplicación y desarrollo de bacterias

es bajo, por la falta de nitrógeno, pero el período de producción de biogás es

más prolongado. En cambio, con una relación C/N menor de 8:1 se inhibe la

actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de amonio,

el cual en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso.

En términos generales, se considera que una relación C/N óptima que debe

tener el material fresco o crudo” que se utilice para iniciar la digestión

anaeróbica, es de 30 unidades de carbono por una unidad de nitrógeno, es

decir, C/N = 30/1. Por lo tanto, cuando no se tiene un residuo con una relación

C/N inicial apropiada, es necesario realizar mezclas de materias en las

proporciones adecuadas para obtener la relación C/N óptimas.

Materiales %C %N C/N

Rastrojo de Maíz 40 0,75 53:1

Tabla 7

La relación C/N de nuestra biomasa nos dice que su descomposición será más

lenta.


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5.3.2.3 Sólidos totales y sólidos volátiles

Toda la materia orgánica está compuesta de agua y una fracción sólida llamada

sólidos totales

(ST). El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga

el digestor es un factor importante a considerar para asegurar que el proceso se

efectúe satisfactoriamente. La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro

del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el

contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y

producción de gas.

Experimentalmente se ha demostrado que una carga en digestores semi-

continuos no debe tener más de un 8% a 12 % de sólidos totales para asegurar

el buen funcionamiento del proceso, a diferencia de los digestores discontinuos,

que tienen entre un 40 a 60% de sólidos totales.

Los Sólidos Volátiles (S.V.) es aquella porción de sólidos totales que se libera de

una muestra, volatilizándose cuando se calienta durante dos horas a 600ºC.

Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser

convertidos a metano.

Materia Prima % Sólidos

Totales

Rastrojo de Maíz 77

Tabla 8.

Cálculo de la proporción de agua a mezclar con la materia

Diluiremos rastrojo de maíz hasta obtener una mezcla diluida con 7.7% de

solidos totales

Con la anterior formula se pudo calcular que para una mezcla de 7.7% de

solidos totales necesitaremos 9 L de agua por cada Kg de rastrojo de maíz

alimentado en el reactor.


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5.3.2.4 Temperatura

Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son

fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los

procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los

microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A

medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de

los microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a

mayores producciones de biogás.

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.

Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden disparar la

desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura

homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación

y un controlador de temperatura.

Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los

microorganismos anaeróbicos:

Fermentación Mínimo Óptimo Máximo Tiempo de

fermentación

Psicrófilos

(por debajo de

25°C)

4-10 ºC 15-18 ºC 20-45 ºC Sobre 100 días

Mesófilos

(entre 25 y 45°C) 15-20 ºC 25-35 ºC 35-45 ºC 30-60 días

Termófilos

(entre 45 y65°C)

25-45 ºC

50-60 ºC 75-80 ºC 10-15 días

Tabla 9.

Siendo la velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor, conforme

aumenta el rango de temperatura. Dentro de cada rango de temperatura,

existe un intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo, determinando

así la temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles de

operación.


pág. 19

El régimen mesofílico de operación es el más utilizado, a pesar de que en la

actualidad se está implementando cada vez más el rango termofílico, para

conseguir una mayor velocidad del proceso, lo que implica, a la vez, un

aumento en la eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen

termofílico suele ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de

operación y presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por

la mayor toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas,

como el nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga.

La temperatura media de la zona es de unos 16.7ºC, dentro del rango

Psicrófilo, según Tabla 10, corresponde un tiempo de retención aproximado de

100 días. Lo cual es un tiempo muy grande para estos tipos de biodigestores

que operan de 30 a 60 días. Por ende, tomamos el régimen mesofílico para la

operación ya que es el más utilizado correspondiéndole un tiempo de

fermentación entre 30-60 días para una temperatura de entre 25-35°C.

Tiempo de retención hidráulico (TRH)

El tiempo de retención, junto con la velocidad de carga orgánica determinada

por el tipo de sustrato, son los principales parámetros de diseño, definiendo el

volumen del digestor.

La materia orgánica o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la materia

seca (MS) o sólidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineración a

temperaturas superiores a 550ºC.La eficiencia de la producción de biogás se

determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por

unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango

de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La

concentración óptima depende de la temperatura.

Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgánica.

La velocidad de degradación depende en gran parte de la temperatura;

mientras mayor sea la temperatura, menor es el tiempo de retención o

fermentación para obtener una buena producción de biogás.

En un digestor que opera a régimen estacionario o “discontinuo”, el tiempo de

retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga.

En un sistema de carga diaria (régimen semicontinuo), el tiempo de retención

va a determinar el volumen diario de carga que será necesario para alimentar al

digestor, ya que se tiene la siguiente relación:


pág. 20

La cantidad de biogás producido por un digestor dependerá, entre otros, de la

cantidad de residuo cargado diariamente. Por lo tanto, mientras menor sea el

tiempo de retención, el tamaño del digestor se reduce y también los costos.

La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los

tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los

volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de

material.

Con relación al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor

proporción de carbono retenido en moléculas resistentes como la celulosa

demandarán mayores tiempos de retención para ser totalmente digeridos.

Al aumentar el TRH, aumenta el grado de materia orgánica degradada así como

la producción de metano, aunque este último valor comenzará a disminuir una

vez alcanzado el óptimo.

Para los cálculos siguientes se toma como TRH=30días, ya que se calcula la

capacidad mínima de producción de biogás del reactor.

5.3.2.5 Rangos de pH y alcalinidad

El proceso anaeróbico es afectado adversamente con pequeños cambios en los

niveles de pH (que se encuentran fuera del rango óptimo). Los

microorganismos metanogénicos son más susceptibles a las variaciones de pH

que los otros microorganismos de la comunidad microbiana anaeróbica. Los

diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestión anaeróbica

presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a la neutralidad. El

óptimo es entre 5.5 y 6.5 para acidogénicos y entre 7.8 y 8.2 para

metanogénicos.

El pH óptimo para cultivos mixtos se encuentra en el rango entre 6.8 y 7.4,

siendo el pH neutro el ideal.

Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6.0

ni subir de 8.0. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción

de biogás sino también su composición. Una de las consecuencias de que se

produzca un descenso del pH a valores inferiores a 6 es que el biogás generado

es muy pobre en metano y, por tanto, tiene menores cualidades energéticas.


pág. 21

Debido a que la metanogénesis se considera la etapa limitante del proceso, es

necesario mantener el pH del sistema cercano a la neutralidad.

Los valores de pH bajos reducen la actividad de los microorganismos

metanogénicos, provocando la acumulación de ácido acético y H2. Al aumentar

la presión parcial del H2, las bacterias que degradan el ácido propiónico serán

severamente inhibidas, causando una excesiva acumulación de ácidos grasos

volátiles de alto peso molecular, particularmente ácidos propiónico y butírico,

los cual disminuirá la producción de ácido acético, generando una disminución

del pH. Si la situación no se corrige, el proceso eventualmente fallará.

Por otra parte, al aumentar el pH se favorece la formación de amoníaco que, en

elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento microbiano y a valores

de pH bajos se genera mayoritariamente la forma no ionizada del ácido acético,

que inhibe el mecanismo de degradación del propionato.

En el momento del ingreso de la materia prima, se mide el pH de la misma. En

caso que sea ácido se le agrega junto al agua una lechada de cal.

Niveles de sales

Al igual que en todas las operaciones bioquímicas, se requieren macronutrientes

(nitrógeno y fósforo) y micronutrientes (minerales traza) en el proceso

anaeróbico para la síntesis de nueva biomasa. Sin embargo, una de las ventajas

de los procesos de digestión anaeróbica, frente a los procesos aeróbicos, es su

baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos índices de producción de

biomasa que presentan los microorganismos anaeróbicos.

Además del nitrógeno y el fósforo, se han identificado otros nutrientes trazas

como esenciales para los microorganismos anaeróbicos. Los metales traza tales

como hierro, cobalto, molibdeno, selenio, calcio, magnesio, zinc, cobre,

manganeso, tungsteno y boro a niveles de mg/L y la vitamina B12 en niveles

de μg/L , se ha encontrado que mejoran la producción de metano.

Algunos de los metales traza y sus roles en el proceso anaeróbico se discuten a

continuación:

Niquel: El Ni es particularmente importante para los metanogénicos

debido a que es un constituyente estructural del factor F430, el cual se

encuentra exclusivamente en las bacterias metanogénicas.


pág. 22

Cobalto: Es importante debido a que también es un constituyente

estructural de la vitamina B12, la cual cataliza la metanogénesis. El

níquel, cobalto y otros minerales traza son esenciales para la

degradación del metanol en un reactor bajo condiciones mesofílicas.

Potencial redox

Para adecuado crecimiento de los anaeróbios, el valor del potencial redox se

debe mantener entre -220 mV a -350 mV a pH 7.0 de manera de asegurar el

ambiente fuertemente reductor que las bacterias metanogénicas necesitan para

su óptima actividad.

Cuando se cultivan metanogénicas, se incorporan agentes reductores fuertes

tales como sulfuro, cisteína o titanio III para ajustar el medio a un potencial

redox adecuado.

Tóxicos e inhibidores de la metanogénesis

El proceso de digestión anaeróbica es inhibido por la presencia de sustancias

tóxicas en el sistema. Estas sustancias pueden formar parte de las materias

primas que entran al digestor o pueden ser subproductos de la actividad

metabólica de los microorganismos anaeróbicos.

Sustancias tales como amoníaco, metales pesados, compuestos halogenados,

cianuro y fenoles, forman parte del primer grupo, en tanto que, sulfuro,

amoníaco y ácidos grasos de cadena larga, forman parte del último grupo

mencionado.

En algunos casos, la magnitud del efecto tóxico de una sustancia puede ser

reducida significativamente mediante la aclimatación de la población de

microorganismos al tóxico. Por otra parte, muchas de estas sustancias a bajas

concentraciones pueden ser estimuladoras del proceso.

Ácidos grasos volátiles.

La concentración de ácidos grasos volátiles (AGV), productos intermedios

mayoritarios del proceso anaeróbico, es uno de los parámetros que más

eficazmente pueden indicar la evolución del proceso. De hecho, este parámetro

es uno de los más utilizados en los sistemas de control debido a su rápida

respuesta ante variaciones del sistema. El término “volátil” indica que pueden


pág. 23

ser recuperados por destilación a presión atmosférica. Durante la degradación

anaeróbica, la materia orgánica compleja es hidrolizada y fermentada en

compuestos de bajo peso molecular, incluyendo ácidos grasos de cadena corta

(C2-C6). Estos incluyen principalmente ácidos acéticos, propiónico y butírico y

en menores cantidades ácidos isobutírico, valérico, isovalérico y caproico.

Al igual que el sulfuro y el amoníaco, las formas no ionizadas de AGV inhiben

las bacterias metanogénicas cuando presentan concentraciones de 30-60 mg/L.

Un aumento en la concentración de ácidos volátiles en el sistema, implica una

desestabilización del proceso y, en consecuencia, una disminución de la

producción de biogás.

Hidrógeno.

El hidrógeno es también un compuesto intermedio importante del proceso

anaeróbico. Su acumulación en el medio provoca la inhibición de la

acetogénesis y, consecuentemente, la acumulación de ácidos grasos volátiles

con más de dos átomos de carbono.

Nitrógeno amoniacal

El amoniaco puede estar presente en las materias primas que entran al digestor

o ser producido durante la degradación anaeróbica de compuestos orgánicos

nitrogenados tales como proteínas o aminoácidos. Las proteínas generalmente

contienen 16% de nitrógeno. Durante el proceso anaeróbico, el nitrógeno

orgánico es hidrolizado dando lugar a formas amoniacales.

Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente importante para el crecimiento

bacteriano, una concentración excesiva puede limitar su crecimiento.

El nitrógeno amoniacal es la suma del ión amonio (NH4+) y del amoníaco (NH3).

Ambas especies se encuentran en equilibrio químico, y la concentración relativa

de cada una depende del pH, tal indica la ecuación de equilibrio:

De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoníaco libre ya que

se ha comprobado experimentalmente que el efecto inhibitorio por amonio

aumenta a pH alcalino.


pág. 24

Además del pH, la cantidad de amoníaco libre depende de la concentración del

sustrato, de la relación C/N, de la capacidad tamponadora del medio y de la

temperatura de digestión.

Muchas industrias agropecuarias generan residuos con altos contenidos de

amoníaco. La digestión anaeróbica de tales residuos generalmente presenta

problemas debido a los altos niveles de amoníaco.

Sulfatos y sulfuros.

La presencia de elevadas concentraciones de sulfato en el sustrato puede

producir la inhibición del proceso anaeróbico, especialmente de la

metanogénesis. En presencia de sulfatos, las bacterias metanogénicas compiten

con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos (acetato e hidrógeno),

mostrando éstas últimas ventajas termodinámicas y cinéticas sobre las

primeras. El resultado de esta competencia determinará la proporción de ácido

sulfhídrico y metano en el biogás producido.

El sulfuro puede producirse durante la degradación de materia orgánica que

contiene azufre (proteínas), encontradas en residuos tales como el guano de

cerdo. En general, los metanogénicos son más sensibles que los acidogénicos y

acetogénicos, comenzando a ser tóxica una concentración de 50 mg/l, si los

microorganismos metanogénicos no están aclimatados a los sulfuros. La forma

más tóxica para los metanogénicos corresponde a la no ionizada (H2S), por lo

que la inhibición se favorece a pH bajos y a bajas temperaturas. La forma

ionizada (HS-) presenta menor toxicidad.

Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competencia por

el sustrato entre los microorganismos metanogénicos y sulfato-reductores y la

segunda es una inhibición directa del crecimiento metanogénico por la

presencia de sulfuros solubles.

Cationes y metales pesados.

Los cationes de metales alcalinos y alcalino-térreos tienen un efecto estimulador

de la actividad de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de un nivel de

concentración, pueden proporcionar toxicidad provocando una disminución de la

velocidad de crecimiento.

La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los

metales pesados son los que provocan toxicidad a menor concentración. El


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orden de toxicidad de los metales pesados es Ni>Cu >Cr (IV) ~ Cr

(III)>Pb>Zn.

5.3.2.6 Agitación - Mezclado

Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos

producidos por las bacterias metanogénicas, mezclado del sustrato fresco con la

población bacteriana, evitar la formación de costra que se forma dentro del

digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios

“muertos” sin actividad biológica que reducirían el volumen efectivo del reactor

y prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor.

En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se debe

considerar que el proceso anaeróbico involucra un equilibrio simbiótico entre

varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de

un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma

en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de biogás.

La agitación aumenta la producción de gas y disminuye el THR, esto es

básicamente por cuatro razones:

• Distribución uniforme de la temperatura y substrato en el interior del

biodigestor.

• Distribución uniforme de los productos, tanto intermedios como finales.

• Mayor contacto entre el substrato y las bacterias, evitando la formación de

cúmulos alrededor de las bacterias.

• Evitar la acumulación de lodo en la parte superior del digestor, también

llamada “nata” o “espuma” que dificulta la salida del biogás.

Se distinguen 3 tipos de agitación, estas son:

• Mecánica: a través de agitadores manuales o con motores eléctricos.

• Hidráulica: a través de bombas de flujo lento se hace recircular la biomasa.

• Burbujeo de biogás: se recircula el biogás producido al fondo del biodigestor

por medio de cañerías, para producir burbujeo y de esta manera movimiento de

la biomasa

El tipo de agitación seleccionado para la mezcla rastrojo de maíz-agua es de

tipo mecánica.


pág. 26

5.3.3 Potenciales y rendimientos

La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo determinado

depende de su potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la

velocidad de carga orgánica, de la temperatura de operación y de la presencia

de inhibidores.

Se planteo como objetivo el abastecimiento de una casa de familia tipo en zona

rural a partir de la instalación de un biodigestor de campana fija con régimen de

alimentación semi-continuo a partir de rastrojo de maíz. El consumo energético

de la misma es aproximadamente de 8958 Kwh/año, incluyendo gas y luz. En

la tabla a continuación se detallan los cálculos.

Cantidad de residuo generado por

hectárea 6.4 Tn

Producción de biogás 3300m3/ha = 514m3/Tn

Tiempo de retención 30 días

Temperatura de operación 25-35°C

Cantidad de agua por kilo de rastrojo 9Lt

Volumen reactor 2,54 m3

Tipo de agitación Mecánica

Rendimiento de Rastrojo de maíz por día.

1 tn de rastrojo de maíz=514

m3 de BG

1 tn de rastrojo de maíz=3212.5

Kwh


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Consumo energético vivienda tipo por mes:

Energía eléctrica 220Kwh/mes

Gas natural 45m3/mes

Consumo total de una casa en Kwh al mes 746.5Kwh/mes

Cantidad de alimentación Materia Seca al biodigestor:

Con una densidad aproximada de rastrojo de 0.5Tn/m3

Cantidad de agua de alimentación al biodigestor

Carga diaria al biodigestor

Volumen de digestión (VD)


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Volumen del reactor (VR)

En este caso el volumen del reactor coincide con el de digestión ya que el

espacio reservado para el gas, una tercera parte del volumen de

digestión, es el espacio destinado al tanque de compensación.

5.3.4 Efluente

El efluente del biodigestor puede ser utilizado como abono orgánico. Dentro del

biodigestor no existen pérdidas apreciables para el fósforo, potasio y calcio.

El fertilizante obtenido de la digestión anaerobia provee nutrientes que actúan

rápidamente en el suelo, siendo inmediatamente disponibles para las plantas.

Actúan simultáneamente favoreciendo el desarrollo de los microorganismos del

suelo.

El alto contenido de nitrógeno amoniacal ayuda a reducir el ratio de eliminación

del nitrógeno del suelo, comparado con fertilizantes que contienen formas de

nitrógeno más solubles en agua, como nitritos o nitratos (el estiércol o el

compost). Se considera pues que el biol tiene mejor eficiencia en el ciclo del

nitrógeno que los fertilizantes químicos.

El nitrógeno es uno de los nutrientes más necesarios para las plantas. Durante

el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno es extraído por las bacterias de

las cadenas largas de la materia orgánica alimentada, convirtiéndose en formas

más solubles y asimilables por las plantas (nitratos y amonio) mediante el

proceso de mineralización.

Esta propiedad fertilizante se desarrolla únicamente a corto plazo, por lo que el

efluente debe ser rápidamente, o en el menor tiempo posible, aplicado

directamente en la raíz de las plantas.

Las propiedades del biol son muchas, y se ha estudiado incluso la posibilidad de

usarlos como mejoradores de suelo para zonas salinas, llegando a la conclusión

que son apropiados para iniciar de nuevo la mineralización del suelo, fijando

nutrientes como nitrógeno.

bioagas a partir de rastrojo de maíz

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