Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 4, October-December, 2024, ISSN: 2071-0054

Cu-ID: https://cu-id.com/2177/v33n4e05

ORIGINAL ARTICLE

Determination of Appropriate Anaerobia the Technology of Biodigestion for a System of Poultry Production

^iDYanoy Morejón-Mesa*✉:ymorejon83@gmail.com ymm@unah.edu.cu

^iDGeisy Hernández-Cuello

^iDDarielis Vizcay-Villafranca

^iDYordan Oscar Amoros-Capdesuñer

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

^*Author for correspondence: Yanoy Morejón-Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com o ymm@unah.edu.cu

ABSTRACT

This research is aimed to determine the anaerobic bio-digestion technology suitable for a poultry production system, established at the “El Guayabal” University Farm, belonging to the Agrarian University of Havana considering economic, environmental and energy feasibility. To do this, the animal species existing (Leghorn chickens, white-breasted turkeys and free-range chickens) in the scenario are determined, given that these species will contribute sizing the organic waste to the biodigester, the number of animals is also determined, considering the herd movement, which would make it possible to determine the biomass generated daily for the purpose of establish the of the appropriate biodigester technology and know the behavior of the economic and energy parameters. Among the main results obtained, it was evident that the installation of a tubular polyethylene biodigester is more feasible than the installation of a fixed dome biodigester, meaning an economic saving of 21 418.1 peso due to technology selection; the necessary volume of this technology must be 22 m³, making it possible to produce 11.6 kg/day of biofertilizers, which represents a daily economic contribution of 145 peso/day (5.8 USD/day), constituting an added value, in addition to the energy and economic benefits to be obtained. Furthermore, with the introduction of the selected anaerobic bio-digestion technology it is possible to generate electrical energy for lighting, heating and the extraction of humid air, which requires the acquisition of a 2 kW biogas generator.

Keywords:

renewable energy, anaerobic digestion, energy feasibility, environmental impact

Received: 14/2/2024; Accepted: 05/9/2024

Yanoy Morejón-Mesa, Dr.C., Profesor Titular. Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana, Cuba.

Geisy Hernández-Cuello, MSc., Investigadora Auxiliar. Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana, Cuba. e-mail: geisyh@unah.edu.cu.

Darielis Vizcay-Villafranca, MSc. Profesora Asistente, Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana, Cuba. e-mail: darielisv@unah.edu.cu.

Yordan Oscar Amoros-Capdesuñer, Ingeniero, Facultad de Ciencias Técnicas, Universidad Agraria de la Habana, Cuba, e-mail: yordanoscar@unah.edu.cu.

The authors of this work declare not to present conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: Y. Morejón Mesa, G. Hernández Cuello; D. Vizcay Villafranca. Data curation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Formal Analysis: G. Hernández Cuello; Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Investigation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, Y. Amoros Capdesuñer. Methodology: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca. Supervision: Y. Morejón Mesa, G. Hernández Cuello; D. Vizcay Villafranca. Validation: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, Y. Amoros Capdesuñer. Writing - original draft: Y. Morejón Mesa, D. Vizcay Villafranca, Y. Amoros Capdesuñer. Writing - review & editing: Y. Morejón Mesa; G. Hernández Cuello; D. Vizcay Villafranca.

The mention of commercial marks of teams, instruments or specific materials obey identification purposes, not existing any promotional commitment with relationship to the same ones, neither for the authors neither for the editor.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

CONTENT

INTRODUCTION

⌅

The derived energy of biomass is that that arises starting from the alive beings or its wastes, and it represents an interesting use potential for its conversion in biofuel that cannot mitigate the use of fossil fuels renewable as the petroleum.

American Society for testing and materials standards Biodigesters are facilities in which a certain organic waste is decomposed by the action of populations of anaerobic bacteria, in the absence of oxygen and produce as a result of this process gases with a high percentage of methane and therefore a good capacity for generating (Grundey, 1982GRUNDEY, K.: El tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ed. Ediciones GEA Barcelona, Ediciones GEA ed., Barcelona, España, 278-280 p., 1982.; Priddle, 1998PRIDDLE, R.: “Energía y Desarrollo Sostenible”, En: Conferencia Nacional Italiana sobre la Energía y el Medio Ambiente, noviembre de 1998, Italia, 1998.; Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2006.; Santos et al., 2011SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MACHADO, M.Y.; MARTÍN, S.T.M.: La Educación Agropecuaria en la Escuela cubana actual, Ed. Editorial “Félix Valera Morales, Centro de Estudio de la Educación Ambiental. Villa Clara, Cuba, 2011.; Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program, [en línea], Inst. Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and “Kitchen” Waste from the Municipal Solid Waste Stream” Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, 16 p., 2015, Disponible en: http://communitybysesign.co.uk/.2015.; Rahayu et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWON, H.; TRISNAWA, I.; MULYASAR, S.; RAHARDJO, S.: Handbook Pome-to-Biogas. Project development in Indonesia. Jakarta, Ed. Winrock International, Jakarta, Indonesia, 2015.; Suárez et al., 2018SUÁREZ, J.; SOSA, R.; MARTINEZ, Y.; CURBELO, A.; FIGUEREDO, T.; CEPERO, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, versión On-line ISSN 2078-8452.).

The biodigester is in fact anthropogenically (taken place by human activity) the technology to highlight in the biotechnical process of digestion anaerobic of biomasses to obtain biogas (Flotats et al., 2001FLOTATS, X.; CAMPOS, E.; PALATSI, J.; BONMATÍ, X.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad, 65: 51-65, 2001.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical. La Habana: Instituto de Investigaciones Porcinas 2017, La Habana, Cuba, 2017.).

This technology consists on a hermetic reactor with a lateral entrance for the organic matter, an escape in the superior part for where the biogas, and an exit flows for the effluents obtaining with properties bio fertilizers, contributing both products to solve the necessities of the producers and to the development of the organic agriculture, like an economically feasible and ecologically sustainable alternative (Zheng et al., 2012ZHENG, Y.H.; WEI, J.G.; LI, F.S.F.; JIANG, G.M.; LUCAS, M.; WU, M.; NING, T.Y.: “Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7): 4588-4596, 2012, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.061.201.).

The employment of the biomass, by means of a process of digestion anaerobia, is also a source of renewable energy used in some poultry farms. The biomass can be used as fuel to heat the facilities and to provide electricity through the generation of thermal energy. The residuals of the farm, as the manure and the food leftovers, they can be used as biomass for the energy generation.

Besides providing energy, the use of renewable energies in the poultry farms also has other benefits; for example, the use of renewable energies reduces the dependence of the fossil fuels and it contributes to the reduction of emissions of gases of effect hothouse. He/she can also help to the poultry farms to reduce their long term energy costs and to improve their sustainability (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

To these aspects he/she would be necessary to add the high prices of the fuels and the local high rates of the electric power, being factors to consider for the biodigesters introduction or biogas plants that facilitate the energy production starting from the use of the wastes of the agricultural production (Parra et al., 2019PARRA, D.; BOTERO, M.; BOTERO, J.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingeniería, 18(1): 149-160, 2019.).

Being considered the previously described approaches, in the University Farm "Guayabal" belonging to the Agrarian University of Havana (UNAH), located in San José of the Flagstones, of the county Mayabeque, Cuba, was carried out the study of the feasibility of the technology of bio digestion appropriate anaerobia to introduce in a system of poultry production, with the objective of producing biogas and bio fertilizers.

MATERIALS AND METHODS

⌅

The University Farm "Guayabal", belonging to the Agrarian University of Havana (UNAH), it is located to the 23°00'12 ,5" North latitude, and 82°09'57 ,9" longitude West in the municipality San José of The Flagstones, county Mayabeque, Cuba. The existent floor in the same one, is classified as Red Typical Ferralitic according to Hernández et al. (2015)HERNÁNDEZ, J.; PÉREZ, J.; BOSCH, I.; CASTRO, S.: Clasificación de los suelos de Cuba 2015, Ed. Ediciones INCA, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 93 p., 2015, ISBN: 978-959-7023-77-7. in all their extension. He/she has a flat relief, height on the sea level of 120 m and annual heatstroke of 1825 kWh/m2. The meteorological variables registered in the Meteorological Station Covered, San José of the Flagstones, during the period January-September/2023, they showed that the maximum temperatures reached in the region overcame the 32 ºC among the months of June to September and the coldest descended like average up to 21,1 ºC in January. The precipitations manifested increments starting from June, and they indicated the values higher means in May and August with 72 and 77 mm, respectively. The relative humidity varied between 47% and (minimum, in March) 84%, (maximum, in September) while the speed of the wind reached a maximum value of 3,6 km / h during the month of August. The behavior of these climatic variables allows to develop poultry production satisfactorily. Inside their facilities he/she is a system of poultry production, which conforms to for three productive areas, one of these areas is dedicated to the production of eggs with the employment egg-laying hens of the race White Leghorn, this area has a maximum capacity of 2 872 animals; another is the area dedicated to the production of turkeys whose capacity varies in function of the time of the year 1 500 animals (summer) and 3 000 animal (winter) and finally the area dedicated to the country hens also dedicated to the production of eggs with a capacity of 700 animals. In the Table 1 the data are shown obtained as for the movement of the animal mass in the system of poultry production, during the period of observation.

TABLE 1. Movement of the poultry in the period of investigation in the Farm "Guayabal" system

Mov. of Flock	Initial Existence	Final Existence	Animals/day	Mass Average kg
Egg-laying hens Leghorn White	2872	2872	2872	1,40
White turkeys of wide chest	3000	1500	2250	6,50
Country hens	700	700	700	2.20

In this study it is only considered the technological system dedicated to the production of eggs with hens White Leghorn, since it is the only of the systems settled down in the scenario that offers the possibility to obtain in a direct way you excrete them, because the other species are developed and they manage in floor with zeolita litters and leader of rice what impedes the use of these you excrete in biodigesters.

For the correct sizing of the biodigester of fixed dome the determination of the following parameters is required:

Quantity of daily generated biomass (Bmd);
Daily volume of material (it mixes manure and it dilutes) (Vdm);
Volume of the biodigestor (Vbiodig);
Volume of the camera of fermentation (Vcf);
Volume of the cylinder (V1);
Volume of contention of the biogas (V2);
Volume of the cone bases (V3);
Volume of the compensation (Vtc) tank.

On the other hand, for the determination of the contribution energy potential to obtain in function of the quantity of available animals the determination of the following parameters is required:

Biogas productivity (AND);
Daily volume of biogas (G).

In the system of production poultry study object, for their operability, they are used a group of means energy consumers, those that are related in the Table 2.

TABLE 2. Means energy consumers installed in the system of poultry production

Means energy consumers (Quantity)	Power, kW	Time of Operation , h	Consumed energy / day , kWh/day
System of production of hens White Leghorn
Tubes LED 20W (10)	0.20	14	2.80
Tubes LED 40W (18)	0.72	14	10.08
System of production of turkeys of wide chest
Tubes LED 20W (79)	1.58	14	22.12
Extractor I (1)	0.01	24	0.24
Extractor II (1)	0.02	24	0.48
Heater III (1)	0.01	24	0.24
Heater IV (1)	0.03	24	0.72
	0.06	24	1.44
	0.03	24	0.72
Heater V (1)	0.15	24	3.60
System of production of country hens
Tubes LED 40W (10)	0.40	14	5.60

Methodology for the sizing and installation of biodigesters anaerobes

⌅

As Guardado (2007)GUARDADO, C.J.A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2007. and Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022, Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., for the calculation of the parameters of design of a biodigester anaerobe, it is necessary to know the entrance data, and those that should be determined (Table 3).

The daily quantity of material (Bmd) is in direct function with the quantity of biomass that is generated, be already domestic, agricultural residuals or of animal origin. Also, he/she should take into account the maximum quantity that one obtains and the plans of productive increments.

TABLE 3. Entrance data and exit required for the design of a biodigester anaerobe

Parameters	Unit
Entrance data
Quantity of daily generated biomass (Bm_d)	kg day^-1
Proportion excrete-water (N)	kg L ^-1
Biogás yield (Y)	m³ kg^-1
Time of hydraulic retention (TRH)	day
*Exit data*
Daily volume of material (it mixes manure and it dilutes) (Vdm)	kg day^-1
Volumen del biodigestor, (V_biodig)	m³
Volumen diario de biogás producido (G)	m³ day^-1
Daily volume of produced biogas ( $V_{2}$ )	m³
Volume of the compensation tank (Vtc)	m³

The quantity of daily generated (Bmd) biomass, is determined through the following expression:

B m_{d} = C a \times C e \times R p \times R t, k g . d a y^{- 1}

(1)

where: Ca - Quantity of animals; Ce-quantity of it excretes for animal, kg / day; Rp - Relationship between the animal population's weight alive average and the equivalent tabulated alive weight; Rt - Fraction among the time of estabulación regarding the duration of the day, h / day

B m_{d} = C a \times C e \times (\frac{P V p}{P V e}) \times (\frac{T e}{24 h}), k g \cdot d a y^{- 1}

(2)

where: PVp- Weigh lives the animal population's average, kg; PVe - I Weigh I live equivalent tabulated; You-hours of the day that the animal stabled, h / day remains

The daily volume of material (it mixes manure and it dilutes) (Vdm), is not more than the sum of the residual one and the dilution of the biomass (residual and it dilutes).

Vdm = (1 + N) \cdot B m d, m^{3} \cdot d a y^{- 1}

(3)

where: N: Proportion excrete-water, kg L^-1, it is required to know that the density of the water is: 1000 kg/m³.

While, the volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated being kept in mind the value of the volume of material (it mixes manure and it dilutes) Vdm that TRH enters at the biodigester and the time of retention.

V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}

(4)

Later on you proceeds to the calculation of the daily volume of produced biogas (G):

G = Y \times B_{m d}, m^{3} \cdot d a y^{- 1}

(5)

where: Y - biogas Yield, m³ kg^-1

The biogás (Y) yield, is determined by means of the expression:

Y = \frac{X}{C_{e}}, m^{3} \cdot k g^{- 1}

(6)

where: X - coefficient of energy conversion of it excretes it taken place daily that is to say the daily production of biogas in function of the type of organic residual, m³/day.

For all the biodigesters types, the volume of the compensation (Vtc) tank is equivalent to the volume of produced gas that is to say it oscillates among 25.30% of the volume of the biodigester.

In the specific case of the calculations for the sizing of a biodigester of fixed dome (characterized by their three parts: conical, cylindrical and spherical cap, represented in the Figure 1), they think about next.

The steps that should be continued for their employment are the following ones:

The total volume of the biodigester ( $V_{b i o d i g}$ ) is calculated, about the base of the volume of the mixture water-manure and the time of retention, just as it is shown in the expression 4 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .

The radio of the defaulted (R) volume is calculated.

FIGURE 1. Main parts in those that a biodigester of fixed dome is divided. Source: .

To calculate the radio of the defaulted (R) volume, he/she thinks about the expression:

R = \sqrt[3]{\frac{V_{b i o d i g}}{(π \times 1,121)}}

(7)

where: R- radiate basic, m

Being had the radio of the defaulted (R) volume, you proceed to determine the unit in meters (U = R/4).

where: U-Proportional unit

This proportional unit allows to determine the rest of the denominations, substituting U in the following proportions:

R c = 5 \times U

(8)

D = 8 \times U

(9)

h c = 2 \times U

(10)

h p = 3 \times U

(11)

h t = 0,15 \times D

(12)

where: $R c$ radiate of the dome, m; D -Diameter, m; $h c$ -Height of the dome, m; $h p -$ Height of the cylinder, m; $h t$ -Height of the cone bases, m

Starting from the determination of the geometric main parameters you proceed to determine the volumes corresponding to the cone it bases, cylinder and spherical segment of the dome:

V_{1} = V o l u m e n c i l i n d r o = R^{2} \times h p \times π

(13)

V_{2} = V o l u m e n c ú p u l a = \frac{π \times h_{c}^{2}}{3} (3 R - h_{c})

(14)

V_{3} = V c o n o = R^{2} \times π \times (\frac{h t}{3})

(15)

RESULTS AND DISCUSSION

⌅

Technician-economic valuation of the introduction of a biodigester under the conditions of the system of poultry production of the University Farm "Guayabal"

⌅

For the determination of the technology of appropriate biodigester to install under the conditions of the system of poultry production, belonging to the University Farm "Guayabal", one had in consideration the sizing and constructive cost of the technologies of biodigester of fixed and tubular dome of polyethylene, it stops starting from that analysis to determine which of the two technologies it would be of more feasibility on the base of the constructive costs or of acquisition of materials in the market.

Before proceeding to the mentioned determinations, one should know the flock movement in the productive system that propitiates to obtain in a direct way the excrement, which is reflected in the Table 4.

TABLE 4. Flock movement in the productive system of egg-laying Hens Leghorn White during the period of investigation

Mov. of Flock	Initial Existence	Existence Final	Animals/day	Animals / day, kg
Egg-laying hens Leghorn White	2872	2872	2872	1,40

The obtained results of each one of these sizing parameters are represented in the Table 5, these values are obtained starting from the movement of the lot of birds, conceived by the address of the farm during the period January-September/2023, represented in the previous chart.

Taking in consideration the basics settled down by Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022, Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., that for each 1,4 kg of bird, 0,18 kg is obtained of it excretes, being generated 0,11 m³ biogas / day, with a proportion of 1:1-8 of excrete-water (taking a proportion of 1:1) and with a time of advisable retention of 30 days, then it is possible to determine the sizing of the biodigester of fixed dome for that species and quantity of animals.

TABLE 5. Sizing of the biodigester of fixed dome

Matter source prevails	Animal / day	Mass Average , kg	Bm, kg/día	Vdm, m³/d	V_biodig, m³	V₁, m³	V₂, m³	V₃, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Egg-laying hens Leghorn White	2 872	1,4	361,872	0,70	22	14,70	7	0,20	7,00	7,00

FIGURE 2. Main dimensions of the proposed biodigestor of fixed dome.

Starting from the values obtained in the sizing of the biodigester of fixed dome, he/she intends that this biodigester possesses a volume of 22 m³, with the purpose of facilitating the installation process and acquisition of the necessary materials.

For the determination of the energy contribution, it is considered the quantity of biomass generated daily, the biogas yield and the daily volume of biogas (Table 6).

TABLE 6. Contribute energy of the animal population

Matter source prevails	Animal/day	Mass Average, kg	Bmd, kg/day	Y, m³/kg	G, m³/día
Egg-laying hens Leghorn White	2 872	1,40	361,90	0,61	220,76

As it is represented in the Table 6, the biogas yield to obtain according to the species is of 0,61 m³/kg and for that quantity of animal stabled it is possible to obtain a daily volume of biogas of 220,76 m³/day.

To have a dear of the cost of the constructive process and of installation of the system of biodigester of fixed (without considering the manpower) dome, in the Table 7, they are related the materials required for the construction and installation of the technology.

TABLE 7. Listing of materials for the construction and installation of the biodigester of fixed dome of 22 m³ proposed to install and cost

Materials	UM	Quantity	Price unitary **, peso/u	Cost, peso*
Cement	Bags	99	183	18117
Sand	m³	6,60	160	1056
Gravel (38 mm)	m³	7,70	200	1540
Block 15 cm	u	528	10	5280
Solid bricks	u	715	8	5720
Steel 3/8	kg	178,20	10	1782
Steel ¼	kg	26,40	12.50	330
Narrow lace edgings	kg	3,30	50	165
Wire of tying cabillas	kg	5,50	25	137.50
Wood for encofrar	m³	0,33	120	39.6
Excavation	m³	41,80	25	1045
Filler	m³	19,80	20	396
Pipes for reception and biogas conduction	Accessories: Unions, elbows, cleaner and paste PVC, closing valves (the quantity varies in function of the distance until the ships)		1 550	1 550
Pipes for supply of it excretes	Tubes of 110 mm (4") (2): 5m/cu		300	300
Total				37 458.10

*peso: he/she refers to the national (MN) currency, it is considered the rate of change 25 MN = 1 USD

** Prices of the materials of the construction settled down by the Ministry of Trade Interior (MINCIN) in Cuba

In the case of the variant of the tubular biodigester of polyethylene they are related the materials required for the construction and installation of the technology, in the Table 8, to have a dear of the cost of the constructive process and of installation (without considering the manpower), to have bigger accuracy in the economic values, the main dimensions were determined for a biodigester of 22 m³, these they are reflected in the Figure 3.

FIGURE 3. Main dimensions of the gutter and the biodigester of tubular of proposed polyethylene.

TABLA 8. Lists of costs of the installation of the tubular biodigester of polyethylene

Materials	UM	Quantity	Price unitary, peso/u	Cost, peso
Polyethylene module	m³	22	6 250 (for each 10 m³)	13 750
Excavation	m³	5,60	25	140
Pipes for reception and biogas conduction	Accessories: Unions, elbows, cleaner and paste PVC, closing valves (the quantity varies in function of the distance until the ships)		1 550	1 550
Pipes for supply of it excretes	Tubes of 110 mm (4") (2): 5m/cu		300	600
Total				16 040

As you it can appreciate in the Table 7 and 8, the cost of these technologies is not high, although they are appreciated difference among both, to achieve a better understanding of the aspects related with the sizing of both technologies, as well as the energy contribution to obtain with the biogas taken place by the introduction of these technological variants, in the Table 9, summary these so much values of design, as energy.

TABLE 9. Sizing and energy contribution of the biogás to obtain with the installation of the biodigestion technology

Sizing parameters	Biodigester Fixed Dome	Tubular Biodigester of Polyethylene
V_biodig, m³	22,00	22,00
V_cf, m³	7,00	-
V_tc, m³	7,00	7,00
V_gas, m³	7,00	7,00
Wide of the roll (polyethylene), m	-	2,00
Long of the roll (polyethylene), m	-	7,00
Base superior it settles, m	-	0,90
Base inferior it settles, m	-	0,70
Height of the Gutter, m	-	1,00
Parameters of energy
Y, m³/kg	0,61
G, m³/day	220,76
Save Energy Potential starting from the Energy Potential of 1 m³ of methane (CH₄)
Electric power, kWh	397,36
Natural gas, m³	132,45
Vegetable coal, kg	66,22
Wood, kg	596,05
Gasoline, L	176,60
Alcohol, L	264,91
Oil fuel, L	154,53
Biofertilizers Production, kg/día	11,60

In the case of the biodigester of fixed dome, if it is considered the investment required by concept of materials of the construction, which ascends at a cost of 37 458.10 peso and if this is analyzed in function of the energy saving to be obtained, for example, for concept of gasoline with an equivalent daily production of 176,60 L, starting from the price of this fuel that is equal to 25 peso, one would have a saving of 4 daily 415.20 peso, therefore in one year (being considered 365 days) this saving would be equal to 1 611 548 peso, what evidences that in so single 8,5 days of operation he/she recovers the investment for concept of materials required for the construction and a gain of 1 574 is obtained 018.80. peso in what subtracts of year.

Of equal it forms if he/she is carried out the same analysis, but being considered the electric power saving, starting from potential generation to obtain with the employment of the biogas that ascends daily to 397,36 kWh and taking the rate settled down by the Electric Company in Cuba:

From 0 kWh up to 100 kWh: 0,33;
From 101 kWh up to 150 kWh: 1,07;
From 151 kWh up to 200 kWh: 1,43;
From 201 kWh up to 250 kWh: 2,46;
More than 250 kWh: 3,12 for each kWh.

Then one would have a saving monthly average of 37 170 peso, what means an annual equivalent saving to 446 400 peso, being evidenced that in so alone approximately a month and half of operation he/she recovers the investment for concept of materials required for the construction, so 19,8 years of gain they would be had, being kept in mind that the lifespan of a biodigester of fixed dome ascends to the 20 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the analyzed proposal.

For the tubular biodigester of polyethylene, the investment required by concept of materials of the construction ascends at a cost of 16 040 peso and if this is analyzed in function of the energy saving to be obtained, alone for concept of gasoline with an equivalent daily production of 176,60 L, starting from the price of this fuel that is equal to 25 peso, one would have a saving of 4 daily 415.20 peso, therefore in one year (being considered 365 days) this saving would be equal to 1 611 548 peso, what evidences that in so single 4 days of operation he/she recovers the investment for concept of materials required for the construction and a gain of 1 595 508 peso is obtained in what subtracts of year; this element demonstrates the economic feasibility of the proposal.

From 0 kWh up to 100 kWh: 0.33;
From 101 kWh up to 150 kWh: 1.07;
From 151 kWh up to 200 kWh: 1.43;
From 201 kWh up to 250 kWh: 2.46;
More than 250 kWh: 3.12 for each kWh.

Then one would have a saving monthly average of 37 200 peso, what means an annual equivalent saving to 446 400 peso, being evidenced that he/she recovers the investment for concept of materials required for the construction in so single two weeks of operation, so they would be been approximately 5 years of gain old, being kept in mind that the lifespan of a tubular biodigester of polyethylene ascends to the 5 years. These elements demonstrate the economic feasibility of the analyzed proposal.

It is valid to point out that the correct sizing of this type of technologies propitiates the maximum use of the wastes obtained in the productive scenarios.

As it is evidenced in the Table 9, the biodigesters installation in poultry units constitutes an option energetically viable, to that which he/she would be necessary to add the contribution to the conservation and care of the environment.

So to adopt the biodigestion technology in the system poultry study object it is advisable from the economic point of view the introduction of a tubular biodigester of polyethylene.

With the introduction of this technology it would be possible:

To generate electric power for the supply and working of: stars, heating and extraction of humid air, for what is required of the acquisition of a generator of biogas of 2 kW of power,
According to the company China Shenzhen Teenwin Environment Co, the price of these biogas generators oscillates among 550. 1250 USD (13 750.31 250 peso MN)
Also, it is possible to obtain 11,6 kg / day of biofertilizer that represent a contribution economic newspaper of 145 peso/day (5.8 USD/day), starting from the price of the biofertilizer in the international market that reaches a value of 500 USD/t (12 500 peso/t).

CONCLUSIONS

⌅

To cover the energy demand of the system of poultry production settled down in the Farm "Guayabal" he/she intends the installation of a tubular biodigester of polyethylene due to their low installation costs.
With the installation of a tubular biodigester of polyethylene of 22 m³ it is possible to take place 11.60 kg/day of biofertilizers that represent a contribution economic newspaper of 145 peso/day (5.80 USD/day) that constitute an added value.
With the introduction of the technology of biodigestion proposed anaerobia it is possible to generate electric power for the supply and working of: stars, heating and extraction of humid air.
The total investment of the proposed technology recovers in a maximum period of 14 days without considering the acquisition of the generator of biogas of 2 kW of power and if it is considered the acquisition of this team, the period of recovery of the investment it would ascend to 32 days.

REFERENCES

⌅

CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.

FLOTATS, X.; CAMPOS, E.; PALATSI, J.; BONMATÍ, X.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad, 65: 51-65, 2001.

FRANKIEWICZ, T.: People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program, [en línea], Inst. Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and “Kitchen” Waste from the Municipal Solid Waste Stream” Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, 16 p., 2015, Disponible en: http://communitybysesign.co.uk/.2015.

GRUNDEY, K.: El tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ed. Ediciones GEA Barcelona, Ediciones GEA ed., Barcelona, España, 278-280 p., 1982.

GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2006.

GUARDADO, C.J.A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2007.

HERNÁNDEZ, J.; PÉREZ, J.; BOSCH, I.; CASTRO, S.: Clasificación de los suelos de Cuba 2015, Ed. Ediciones INCA, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 93 p., 2015, ISBN: 978-959-7023-77-7.

MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022, Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6.

PARRA, D.; BOTERO, M.; BOTERO, J.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingeniería, 18(1): 149-160, 2019.

PRIDDLE, R.: “Energía y Desarrollo Sostenible”, En: Conferencia Nacional Italiana sobre la Energía y el Medio Ambiente, noviembre de 1998, Italia, 1998.

RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWON, H.; TRISNAWA, I.; MULYASAR, S.; RAHARDJO, S.: Handbook Pome-to-Biogas. Project development in Indonesia. Jakarta, Ed. Winrock International, Jakarta, Indonesia, 2015.

SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MACHADO, M.Y.; MARTÍN, S.T.M.: La Educación Agropecuaria en la Escuela cubana actual, Ed. Editorial “Félix Valera Morales, Centro de Estudio de la Educación Ambiental. Villa Clara, Cuba, 2011.

SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical. La Habana: Instituto de Investigaciones Porcinas 2017, La Habana, Cuba, 2017.

SUÁREZ, J.; SOSA, R.; MARTINEZ, Y.; CURBELO, A.; FIGUEREDO, T.; CEPERO, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, versión On-line ISSN 2078-8452.

ZHENG, Y.H.; WEI, J.G.; LI, F.S.F.; JIANG, G.M.; LUCAS, M.; WU, M.; NING, T.Y.: “Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7): 4588-4596, 2012, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.061.201.

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 4, October-December, 2024, ISSN: 2071-0054

ARTÍCULO ORIGINAL

Determinación de la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada para un sistema de producción avícola

^iDYanoy Morejón-Mesa*✉:ymorejon83@gmail.com ymm@unah.edu.cu

^iDGeisy Hernández-Cuello

^iDDarielis Vizcay-Villafranca

^iDYordan Oscar Amoros-Capdesuñer

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

^*Autor para correspondencia: Yanoy Morejón-Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com o ymm@unah.edu.cu

RESUMEN

La presente investigación tiene como objetivo determinar la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada a introducir en un sistema de producción avícola, para producir biogás y biofertilizantes, en la Granja Universitaria “El Guayabal”, perteneciente a la Universidad Agraria de la Habana, teniendo en cuenta la factibilidad económica, ambiental y energética. Para ello se determinan las especies animales existentes (gallinas Leghorn, pavos de pecho blanco y gallinas camperas) en el escenario, dado que estas especies aportarán 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 económicos y energéticos. Entre los principales resultados obtenidos, se evidenció que la instalación de un biodigestor tubular de polietileno resulta más factible que la instalación de un biodigestor de cúpula fija, significando un ahorro económico de 21 418,1 peso por concepto de selección de la tecnología; el volumen necesario de esta tecnología debe ser de 22 m³, siendo posible producir 11,6 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico diario de 145 peso/día (5.8 USD/día) constituyendo un valor agregado, unido a los beneficios energéticos y económicos a obtener. Por otro lado, con la introducción de la tecnología de biodigestión anaerobia seleccionada es posible generar energía eléctrica para luminarias, la calefacción y la extracción de aire húmedo, para lo que se requiere de la adquisición de un generador de biogás de 2 kW de potencia.

Palabras clave:

energía renovable, factibilidad energética, impacto ambiental, biodigestor

INTRODUCCION

⌅

La energía derivada de biomasa es aquella que surge a partir de los seres vivos o sus desechos, y representa un interesante potencial de aprovechamiento para su conversión en biocombustible, que puede mitigar el uso de combustibles fósiles no renovables como el petróleo.

Los biodigestores son instalaciones en la que un determinado residuo orgánico se descompone por la acción de poblaciones de bacterias anaeróbicas, en ausencia de oxígeno y producen como resultado de ese proceso gases con alto porcentaje de metano y por ende una buena capacidad de generación de energía (Grundey, 1982GRUNDEY, K.: El tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ed. Ediciones GEA Barcelona, Ediciones GEA ed., Barcelona, España, 278-280 p., 1982.; Priddle, 1998PRIDDLE, R.: “Energía y Desarrollo Sostenible”, En: Conferencia Nacional Italiana sobre la Energía y el Medio Ambiente, noviembre de 1998, Italia, 1998.; Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2006.; Santos et al., 2011SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MACHADO, M.Y.; MARTÍN, S.T.M.: La Educación Agropecuaria en la Escuela cubana actual, Ed. Editorial “Félix Valera Morales, Centro de Estudio de la Educación Ambiental. Villa Clara, Cuba, 2011.; Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program, [en línea], Inst. Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and “Kitchen” Waste from the Municipal Solid Waste Stream” Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, 16 p., 2015, Disponible en: http://communitybysesign.co.uk/.2015.; Rahayu et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWON, H.; TRISNAWA, I.; MULYASAR, S.; RAHARDJO, S.: Handbook Pome-to-Biogas. Project development in Indonesia. Jakarta, Ed. Winrock International, Jakarta, Indonesia, 2015.; Suárez et al., 2018SUÁREZ, J.; SOSA, R.; MARTINEZ, Y.; CURBELO, A.; FIGUEREDO, T.; CEPERO, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, versión On-line ISSN 2078-8452.).

La digestión anaerobia constituye una buena alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (Flotats et al., 2001FLOTATS, X.; CAMPOS, E.; PALATSI, J.; BONMATÍ, X.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad, 65: 51-65, 2001.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical. La Habana: Instituto de Investigaciones Porcinas 2017, La Habana, Cuba, 2017.).

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. Esta tecnología consiste en 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., 2012ZHENG, Y.H.; WEI, J.G.; LI, F.S.F.; JIANG, G.M.; LUCAS, M.; WU, M.; NING, T.Y.: “Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7): 4588-4596, 2012, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.061.201.).

El empleo de la biomasa, mediante un proceso de digestión anaerobia, también es una fuente de energía renovable utilizada en algunas granjas avícolas. La biomasa puede ser utilizada como combustible para calentar las instalaciones y proporcionar electricidad a través de la generación de energía térmica. Los residuos de la granja, como el estiércol y las sobras de alimento, pueden ser utilizados como biomasa para la generación de energía.

Además de proporcionar energía, la utilización de energías renovables en las granjas avícolas también tiene otros beneficios; por ejemplo, la utilización de energías renovables reduce la dependencia de los combustibles fósiles y contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. También puede ayudar a las granjas avícolas a reducir sus costos de energía a largo plazo y mejorar su sostenibilidad (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

A estos aspectos habría que agregar los elevados 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 que posibiliten la producción de energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (Parra et al., 2019PARRA, D.; BOTERO, M.; BOTERO, J.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingeniería, 18(1): 149-160, 2019.).

Considerándose los criterios anteriormente descritos, en la Granja Universitaria “El Guayabal” perteneciente a la Universidad Agraria de la Habana (UNAH), localizada en San José de las Lajas, de la provincia Mayabeque, Cuba, se realizó el estudio de la factibilidad, con el objetivo de determinar la tecnología de biodigestión anaerobia adecuada a introducir en un sistema de producción avícola, para producir biogás y biofertilizantes.

MATERIALES Y METODOS

⌅

La Granja Universitaria "El Guayabal", perteneciente a la Universidad Agraria de La Habana (UNAH), se encuentra ubicada a los 23°00'12,5" latitud Norte, y 82°09'57,9" longitud Oeste en el municipio San José de Las Lajas, provincia Mayabeque, Cuba. El suelo existente en la misma, se clasifica como Ferralítico Rojo Típico según Hernández et al. (2015)HERNÁNDEZ, J.; PÉREZ, J.; BOSCH, I.; CASTRO, S.: Clasificación de los suelos de Cuba 2015, Ed. Ediciones INCA, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 93 p., 2015, ISBN: 978-959-7023-77-7. en toda su extensión. Tiene un relieve llano, altura sobre el nivel del mar de 120 m e insolación anual de 1825 kWh/m². Las variables meteorológicas registradas en la Estación Meteorológica Tapaste, San José de las Lajas, durante el periodo enero-septiembre/2023, mostraron que las temperaturas máximas alcanzadas en la región superaron los 32 ºC entre los meses de junio a septiembre y las más frías descendieron como promedio hasta 21,1 ºC en enero. Las precipitaciones manifestaron incrementos a partir de junio, e indicaron los valores medios más elevados en mayo y agosto con 72 y 77 mm, respectivamente. La humedad relativa varió entre 47% (mínimo, en marzo) y 84% (máximo, en septiembre), mientras que la velocidad del viento alcanzó un valor máximo de 3,6 km/h durante el mes de agosto. El comportamiento de estas variables climáticas permite desarrollar satisfactoriamente producción avícola. Dentro de sus instalaciones se encuentra un sistema de producción avícola, el cual se conforma por tres áreas productivas, una de estas áreas se destina a la producción de huevos con el empleo gallinas ponedoras de la raza White Leghorn, esta área cuenta con una capacidad máxima de 2 872 animales; otra es el área destinada a la producción de pavos cuya capacidad varía en función de la época del año 1 500 animales (verano) y 3 000 animales (invierno) y finalmente el área destinada a las gallinas camperas destinadas también a la producción de huevos con una capacidad de 700 animales. En la Tabla 1 se muestran los datos obtenidos en cuanto al movimiento de la masa animal en el sistema de producción avícola, durante el periodo de observación.

TABLA 1. Movimiento del sistema avícola en el periodo de investigación en la Granja “El Guayabal”

Mov. de Rebaño	Existencia Inicial	Existencia Final	Animales/día	Masa Promedio, kg
Gallinas ponedoras Leghorn White	2872	2872	2872	1,40
Pavos blancos de pecho ancho	3000	1500	2250	6,50
Gallinas camperas	700	700	700	2.20

En este estudio solamente se considera el sistema tecnológico destinado a la producción de huevos con gallinas White Leghorn, dado que es el único de los sistemas establecidos en el escenario que brinda la posibilidad de obtener de manera directa las excretas, debido a que las otras especies se desarrollan y manejan en piso con camadas de zeolita y cabecilla de arroz lo que impide el uso de estas excretas en biodigestores.

Para el correcto dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija 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 de la cámara de fermentación (V_cf);
Volumen del cilindro (V₁);
Volumen de contención del biogás (V₂);
Volumen del cono base (V₃);
Volumen del tanque de compensación (Vtc).

Por otro lado, 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).

En el sistema de producción avícola objeto de estudio, para su operatividad, se emplean un grupo de medios consumidores de energía, los que se relacionan en la Tabla 2.

TABLA 2. Medios consumidores de energía instalados en el sistema de producción avícola.

Portadores energéticos (Cantidad)	Potencia, kW	Tiempo de Operación, h	Energía consumida/día, kWh/día
Sistema de producción de gallinas White Leghorn
Tubos LED 20W (10)	0.20	14	2.80
Tubos LED 40W (18)	0.72	14	10.08
Sistema de producción de pavos de pecho ancho
Tubos LED 20W (79)	1.58	14	22.12
Extractor I (1)	0.01	24	0.24
Extractor II (1)	0.02	24	0.48
Calentador I (1)	0.01	24	0.24
Calentador II (1)	0.03	24	0.72
Calentador III (1)	0.06	24	1.44
Calentador IV (1)	0.03	24	0.72
Calentador V (1)	0.15	24	3.60
Sistema de producción de gallinas camperas
Tubos LED 40W (10)	0.40	14	5.60

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores anaerobios

⌅

Según Guardado (2007)GUARDADO, C.J.A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2007. y Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022, Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6. , para el cálculo de los parámetros de diseño de un biodigestor anaerobio, es necesario conocer los datos de entrada, y los que deben ser determinados (Tabla 3).

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 3. Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio

Parámetros	Unidad
*Datos de entrada*
Cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d)	kg dia^-1
Proporción excreta-agua (N)	kg L ^-1
Rendimiento de biogás (Y)	m³ 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, (V_biodig)	m³
Volumen diario de biogás producido (G)	m³ dia^-1
Volumen de contención del biogás ( $V_{2}$ )	m³
Volumen del tanque de compensación (Vtc)	m³

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

B m_{d} = C a \times C e \times R p \times R t, k g . d i 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} = C a \times C e \times (\frac{P V p}{P V e}) \times (\frac{T e}{24 h}), k g \cdot d i a^{- 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).

Vdm = (1 + N) \cdot B m d, m^{3} \cdot d i a^{- 1}

(3)

donde: N: Proporción excreta-agua, kg L ^-1, 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.

V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}

(4)

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

G = Y \times B_{m d}, m^{3} \cdot d i a^{- 1}

(5)

donde: Y- Rendimiento de biogás, m³ kg^-1

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

Y = \frac{X}{C_{e}}, m^{3} \cdot k 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.

En el caso específico de los cálculos para el dimensionamiento de un biodigestor de cúpula fija (caracterizado por sus tres partes: cónica, cilíndrica y casquete esférico, representado en la Figura 1), se plantean a continuación.

Los pasos que se deben seguir para su empleo son los siguientes:

Se calcula el volumen total del biodigestor ( $V_{b i o d i g}$ ), sobre la base del volumen de la mezcla agua-estiércol y el tiempo de retención, tal como se muestra en la expresión 4 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .
Se calcula el radio del volumen predefinido (R).

FIGURA 1. Principales partes en las que se divide un biodigestor de cúpula fija. Fuente: (.

Para calcular el radio del volumen predefinido (R), se plantea la expresión:

R = \sqrt[3]{\frac{V_{b i o d i g}}{(π \times 1,121)}}

(7)

donde: $R -$ Radio básico, m

Teniéndose el radio del volumen predefinido (R), se procede a determinar la unidad en metros (U = R/4).

donde: $U -$ Unidad proporcional

Esta unidad proporcional permite determinar el resto de las denominaciones, sustituyendo U en las proporciones siguientes:

R c = 5 \times U

(8)

D = 8 \times U

(9)

h c = 2 \times U

(10)

h p = 3 \times U

(11)

h t = 0,15 \times D

(12)

donde: $R c -$ Radio de la cúpula, m; $D -$ Diámetro, m; $h c =$ Altura de la cúpula, m; $h p =$ Altura del cilindro, m; $h t =$ Altura del cono base, m

A partir de la determinación de los principales parámetros geométricos se procede a determinar los volúmenes correspondientes al cono base, cilindro y segmento esférico de la cúpula:

V_{1} = V o l u m e n c i l i n d r o = R^{2} \times h p \times π

(13)

V_{2} = V o l u m e n c ú p u l a = \frac{π \times h_{c}^{2}}{3} (3 R - h_{c})

(14)

V_{3} = V c o n o = R^{2} \times π \times (\frac{h t}{3})

(15)

RESULTADOS Y DISCUSION

⌅

Valoración técnico-económica de la introducción de un biodigestor en las condiciones del sistema de producción avícola de la Granja Universitaria “El Guayabal”

⌅

Para la determinación de la tecnología de biodigestor adecuada a instalar en las condiciones del sistema de producción avícola, perteneciente a la Granja Universitaria “El Guayabal”, se tuvo en consideración el dimensionamiento y costo constructivo de las tecnologías de biodigestor de cúpula fija y tubular de polietileno, para a partir de ese análisis determinar cuál de las dos tecnologías resultaría de mayor factibilidad sobre la base de los costos constructivos o de adquisición de materiales en el mercado.

Antes de proceder a las determinaciones antes mencionadas, se debe conocer el movimiento de rebaño en el sistema productivo que propicia obtener de forma directa el excremento, el cual se refleja en la Tabla 4.

TABLA 4. Movimiento de rebaño en el sistema productivo de Gallinas ponedoras Leghorn White durante el periodo de investigación.

Mov. de Rebaño	Existencia Inicial	Existencia Final	Animales/día	Masa Promedio, kg
Gallinas ponedoras Leghorn White	2872	2872	2872	1,40

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros de dimensionamiento se representan en la Tabla 5, estos valores se obtienen a partir del movimiento del lote de aves, concebido por la dirección de la granja durante el periodo enero-septiembre/2023, representados en la tabla anterior.

Tomándose en consideración los fundamentos establecidos por Morejón et al. (2022)MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022, Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6., que por cada 1,4 kg de ave, se obtienen 0,18 kg de excreta, generándose 0,11 m³ biogás/día, con una proporción de 1:1-8 de excreta-agua (tomándose una proporción de 1:1) y con un tiempo de retención recomendable de 30 días, entonces es posible determinar el dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija para esa especie y cantidad de animales.

TABLA 5. Dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija

Fuente de materia prima	Animal / día	Masa Promedio, kg	Bm, kg/día	Vdm, m³/día	V_biodig, m³	V₁, m³	V₂, m³	V₃, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Gallinas ponedoras Leghorn White	2 872	1,4	361,872	0,70	22	14,70	7	0,20	7,00	7,00

FIGURA 2. Principales dimensiones del biodigestor de cúpula fija propuesto.

A partir de los valores obtenidos en el dimensionamiento del biodigestor de cúpula fija, se propone que este biodigestor posea un volumen de 22 m³, con el propósito de facilitar el proceso de instalación y adquisición de los materiales necesarios.

Para la determinación del aporte energético, se considera la cantidad de biomasa generada diariamente, el rendimiento de biogás y el volumen diario de biogás (Tabla 6).

TABLA 6. Aporte energético de la población animal

Fuente de materia prima	Animal/día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Y, m³/kg	G, m³/día
Gallinas ponedoras Leghorn White	2 872	1,40	361,90	0,61	220,76

Como se representa en la Tabla 6, el rendimiento de biogás a obtener según la especie es de 0,61 m³/kg y para esa cantidad de animales estabulados es posible obtener un volumen diario de biogás de 220,76 m³/día.

Para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación del sistema de biodigestor de cúpula fija (sin considerar la mano de obra), en la Tabla 7, se relacionan los materiales requeridos para la construcción e instalación de la tecnología.

TABLA 7. Listado de materiales para la construcción e instalación del biodigestor de cúpula fija de 22 m³ propuesto a instalar y costo

Materiales	UM	Cantidad	Precio unitario**, peso/u	Costo, peso*
Cemento	Bolsas	99	183	18117
Arena	m³	6,60	160	1056
Gravilla (38 mm)	m³	7,70	200	1540
Bloque 15 cm	u	528	10	5280
Ladrillos macizos	u	715	8	5720
Acero 3/8	kg	178,20	10	1782
Acero ¼	kg	26,40	12.50	330
Puntillas	kg	3,30	50	165
Alambre de amarrar cabillas	kg	5,50	25	137.50
Madera para encofrar	m³	0,33	120	39.6
Excavación	m³	41,80	25	1045
Relleno	m³	19,80	20	396
Tuberías para captación y conducción de biogás	Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, válvulas de cierre (la cantidad varía en función de la distancia hasta las naves)		1 550	1 550
Tuberías para suministro de excreta	Tubos de 110 mm (4”) (2): 5m/cu		300	300
Total				37 458.10

*peso: se refiere a la moneda nacional (MN), se considera la tasa de cambio 25 MN = 1 USD

**Precios de los materiales de la construcción establecidos por el Ministerio de Comercio Interior (MINCIN) en Cuba

En el caso de la variante del biodigestor tubular de polietileno se relacionan los materiales requeridos para la construcción e instalación de la tecnología, en la Tabla 8, para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación (sin considerar la mano de obra), para tener mayor exactitud en los valores económicos, se determinaron las principales dimensiones para un biodigestor de 22 m³, estas se reflejan en la Figura 3.

FIGURA 3. Principales dimensiones de la zanja y el biodigestor de tubular de polietileno propuesto.

TABLA 8. Lista de costos de la instalación del biodigestor tubular de polietileno

Materiales	UM	Cantidad	Precio unitario, peso/u	Costo, peso
Módulo de polietileno	m³	22	6 250 (por cada 10 m³)	13 750
Excavación	m³	5,60	25	140
Tuberías para captación y conducción de biogás	Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, válvulas de cierre (la cantidad varía en función de la distancia hasta las naves )		1 550	1 550
Tuberías para suministro de excreta	Tubos de 110 mm (4”) (2): 5m/cu		300	600
Total				16 040

Como se puede apreciar en las Tablas 7 y 8, el costo de estas tecnologías no resulta elevado, aunque se aprecian diferencia entre ambas, para lograr una mejor comprensión de los aspectos relacionados con el dimensionamiento de ambas tecnologías, así como el aporte energético a obtener con el biogás producido por la introducción de estas variantes tecnológicas, en la Tabla 9, se resumen estos valores tanto de diseño, como energéticos.

TABLA 9. Dimensionamiento y aporte energético del biogás a obtener con la instalación de la tecnología de biodigestión

Parámetros de dimensionamiento	Biodigestor Cúpula Fija	Biodigestor Tubular de Polietileno
V_biodig, m³	22,00	22,00
V_cf, m³	7,00	-
V_tc, m³	7,00	7,00
V_gas, m³	7,00	7,00
Ancho del rollo (polietileno) , m	-	2,00
Largo del rollo (polietileno), m	-	7,00
Base superior zanja, m	-	0,90
Base inferior zanja, m	-	0,70
Altura de la Zanja, m	-	1,00
Parámetros de energéticos
Y, m³/kg	0,61
G, m³/día	220,76
Ahorro Energético Potencial a partir del Potencial energético de 1 m³ de metano (CH₄)
Energía eléctrica, kWh	397,36
Gas Natural, m³	132,45
Carbón vegetal, kg	66,22
Madera, kg	596,05
Gasolina, L	176,60
Alcohol combustible, L	264,91
Aceite combustible, L	154,53
Producción de biofertilizantes kg/día	11,60

En el caso del biodigestor de cúpula fija, si se considera la inversión requerida por concepto de materiales de la construcción, la cual asciende a un costo de 37 458.10 peso y si se analiza este en función del ahorro energético a obtenerse, por ejemplo, por concepto de gasolina con una producción equivalente diaria de 176,60 L, a partir del precio de este combustible que equivale a 25 peso, diariamente se tendría un ahorro de 4 415.20 peso, por tanto en un año (considerándose 365 días) este ahorro equivaldría a 1 611 548 peso, lo que evidencia que en tan solo 8,5 días de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción y se obtiene una ganancia de 1 574 018.80‬ peso en lo que resta de año.

De igual forma si se realiza el mismo análisis, pero considerándose el ahorro de energía eléctrica, a partir de generación potencial a obtener con el empleo del biogás, que asciende a 397,36 kWh diariamente y tomándose la tarifa establecida por la Empresa Eléctrica en Cuba:

Desde 0 kWh hasta 100 kWh: 0,33;
Desde 101 kWh hasta 150 kWh: 1,07;
Desde 151 kWh hasta 200 kWh: 1,43;
Desde 201 kWh hasta 250 kWh: 2,46;
Más de 250 kWh: 3,12 por cada kWh.

Entonces se tendría un ahorro promedio mensual de 37 170 peso, lo que significa un ahorro anual equivalente a 446 400 peso, evidenciándose que en tan solo aproximadamente un mes y medio de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción, de modo que se tendrían 19,8 años de ganancia, teniéndose en cuenta que la vida útil de un biodigestor de cúpula fija asciende a los 20 años. Estos elementos demuestran la factibilidad económica de la propuesta analizada.

Para el biodigestor tubular de polietileno, la inversión requerida por concepto de materiales de la construcción asciende a un costo de 16 040 peso y si se analiza este en función del ahorro energético a obtenerse, solo por concepto de gasolina con una producción equivalente diaria de 176,60 L, a partir del precio de este combustible que equivale a 25 peso, diariamente se tendría un ahorro de 4 415.20 peso, por tanto en un año (considerándose 365 días) este ahorro equivaldría a 1 611 548 peso, lo que evidencia que en tan solo 4 días de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción y se obtiene una ganancia de 1 595 508 peso en lo que resta de año; este elemento demuestra la factibilidad económica de la propuesta.

Desde 0 kWh hasta 100 kWh: 0.33;
Desde 101 kWh hasta 150 kWh: 1.07;
Desde 151 kWh hasta 200 kWh: 1.43;
Desde 201 kWh hasta 250 kWh: 2.46;
Más de 250 kWh: 3.12 por cada kWh.

Entonces se tendría un ahorro promedio mensual de 37 200 peso, lo que significa un ahorro anual equivalente a 446 400 peso, evidenciándose que en tan solo dos semanas de funcionamiento se recupera la inversión por concepto de materiales requeridos para la construcción, de modo que se tendrían aproximadamente 5 años de ganancia, teniéndose en cuenta que la vida útil de un biodigestor tubular de polietileno asciende a los 5 años. Estos elementos demuestran la factibilidad económica de la propuesta analizada.

Resulta válido señalar que el correcto dimensionamiento de este tipo de tecnologías propicia el aprovechamiento máximo de los desechos obtenidos en los escenarios productivos.

Como se evidencia en la Tabla 9, la instalación de biodigestores en unidades avícolas constituye una opción energéticamente viable, a lo cual habría que añadir la contribución a la conservación y cuidado del medio ambiente.

De modo que para adoptar la tecnología de biodigestión en el sistema avícola objeto de estudio es recomendable desde el punto de vista económico la introducción de un biodigestor tubular de polietileno.

Con la introducción de esta tecnología sería posible:

Generar energía eléctrica para el suministro y accionamiento de: luminarias, calefacción y extracción de aire húmedo, para lo que se requiere de la adquisición de un generador de biogás de 2 kW de potencia,
Según la empresa China Shenzhen Teenwin Environment Co, el precio de estos generadores de biogás oscila entre 550… 1250 USD (13 750…31 250 peso MN)
Además, es posible obtener 11,6 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico diario de 145 peso/día (5.8 USD/día), a partir del precio de los biofertilizantes en el mercado internacional que alcanza un valor de 500 USD/t (12 500 peso/t).

CONCLUSIONES

⌅

Para cubrir la demanda energética del sistema de producción avícola establecido en la Granja “El Guayabal” se propone la instalación de un biodigestor tubular de polietileno debido a sus bajos costos de instalación.
Con la instalación de un biodigestor tubular de polietileno de 22 m³ es posible producir 11.60 kg/día de biofertilizantes, que representan un aporte económico diario de 145 peso/día (5.80 USD/día), que constituyen un valor agregado.
Con la introducción de la tecnología de biodigestión anaerobia propuesta es posible generar energía eléctrica para el suministro y accionamiento de: luminarias, calefacción y extracción de aire húmedo.
La inversión total de la tecnología propuesta se recupera en un periodo máximo de 14 días sin considerar la adquisición del generador de biogás de 2 kW de potencia y si se considera la adquisición de este equipo, el periodo de recuperación de la inversión ascendería a 32 días.