Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 35, January-December 2026, ISSN: 2071-0054

Cu-ID: https://cu-id.com/2177/v35e15

Original article

Dimensioning of Artisanal Biodigester for Food Cooking at the Humberto Hernandez Cooperative

^iDYanoy Morejón Mesa¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu ^*✉:ymorejon83@gmail.com

^iDYusimí Pérez López¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDHeriberto Vargas Rodríguez¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDFabienne Torres Menéndez¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDOmar Hernández Cruz²Cooperativa de Producción Agropecuaria “Humberto Hernández”, Güines, Mayabeque, Cuba. CP: 33900

¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

²Cooperativa de Producción Agropecuaria “Humberto Hernández”, Güines, Mayabeque, Cuba. CP: 33900

^{^*}Author for correspondence: Yanoy Morejón Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com

Abstract

This research focused on the design of a homemade biodigester, taking into account the local availability of the required materials and the energy potential of the system once installed at the “Humberto Hernández” Agricultural Production Cooperative, located in the municipality of Güines, Mayabeque province, Cuba. To this end, the existing animal species were identified, as these would provide the organic waste for the biodigester. The number of animals was also determined, considering herd movement, which would allow for the calculation of the daily biomass generated. This information was used to establish the appropriate biodigester size and understand the behavior of the energy parameters. Among the main results obtained, a homemade biodigester (12 m3) suitable for the farm under study was designed, considering the potential number of animals, herd movement based on the farm's layout, and the amount of daily biomass generated. It is demonstrated that the installation of the proposed technology contributes to energy savings and the conservation and preservation of the environment, and that the materials required for the construction of the installation are locally available, an aspect that does not limit the execution of the engineering project.

Keywords:

renewable energy, biogas production, anaerobic digestion, energy feasibility, environmental impact

Received: 21/11/2025; Accepted: 28/3/2026

Conflict of interests: The authors of this work declare no conflict of interests.

Author Contributions: Conceptualization: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López, Heriberto Vargas Rodríguez. Data curation: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López. Investigation: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López, Heriberto Vargas Rodríguez, Fabienne Torres Menéndez, Omar Hernández Cruz. Methodology: Yanoy Morejón Mesa. Supervision: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López, Heriberto Vargas Rodríguez. Writing - original draft: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López. Writing - review & editing: Yanoy Morejón Mesa, Yusimí Pérez López.

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

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

CONTENT

Introduction

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Biodigestion technology is the leading anthropogenic technology in the biotechnological process of anaerobic digestion of biomass to obtain biogas. This technology consists of a sealed reactor with a side inlet for organic matter, an outlet at the top through which the biogas flows, and an outlet for obtaining effluents with biofertilizer properties. Both products contribute to meeting the needs of producers and promoting organic agriculture as an economically viable and ecologically sustainable alternative (Zheng et al., 2012ZHENG, Y.; WEI, J.; LI, J.; FENG, S.; LI, Z.; JIANG, G.; LUCAS, M.; WU, G.; NING, T.: “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, ISSN: 1364-0321, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.061.2012.; Cortez & Serrano, 2023CORTEZ, M.A.; SERRANO, C.W.: “Diseño de biodigestor casero para producción de biogás y fertilizante”, Revista Multidisciplinaria de Investigación-REMI: 65-71, 2023, ISSN: 3006-7715.).

Anaerobic digestion is a good alternative for treating waste with high levels of biodegradable organic matter (Flotats, 2001FLOTATS, X.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad: 65, 2001.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Therefore, this treatment is suitable for agro-industrial wastewater with a high load of biodegradable organic matter: effluents from sugar, alcohol, meat, paper, canning, and distillery production (Rahayu, et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWA, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.: Handbook Pome-to-Biogas, vol. Handbook Pome-to-Biogas. Project development in Indonesia. Jakarta: Winrock International, Indonesia. Jakarta, 2015.; Suárez et al., 2018SUÁREZ, J.; SOSA, R.; MARTÍNEZ, Y.; RIVERA, A.L.; FIGUEREDO, T.; CEPERO, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 1, 2018, ISSN: 2078-8452.); agricultural waste, such as slurry and manure Bansal et al., (2017)BANSAL, V.; TUMWESIGE, V.; SMITH, J.U.: “Water for small‐scale biogas digesters in Sub‐Saharan Africa”, GCB Bioenergy, 9(2): 339-357, 2017, ISSN: 1757-1693.; and municipal solid waste, including both the organic fraction of solid waste Biogas Association (2016)BIOGAS ASSOCIATION: Municipal guide to biogas. Ottawa, Canada, [en línea], Biogas Association, Ottawa, Canada, 2016, Disponible en:https://biogasassociation.ca/resources/municipalguide_tobiogas. and sewage sludge (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program. Proceeding of “Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream” Workshop., [en línea], Inst. Workshop. Global Methane Initiative. Ningbo, China, Ningbo, China, 16 p., 2015, Disponible en:http://communitybysesign.co.uk/. ).

In the current context, one of the most feasible ways to prevent increasing environmental pollution is the search for and development of new energy sources (Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Editorial CUBASOLAR, 2006.). The only way to ensure a secure energy future is to find an environmentally sustainable way to produce and use energy (Priddle, 1998). It is essential to take advantage of renewable energy sources. This implies better use of local resources and the application of appropriate technologies that contribute to saving conventional fuel, returning nutrients to the soil, and preserving the environment (Santos et al., 2011SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MACHADO, M.Y.; MARTIN, S.T.: “La educación agropecuaria en la escuela cubana actual”, 2011.).

To these aspects, we must add the high prices of fuels and the high local electricity rates, factors to consider for the introduction of biodigesters or biogas plants that produce energy from agricultural waste (Parra et al., 2019PARRA, D.L.; BOTEROO, M.A.; BOTERO, J.M.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingenierías, 18(1): 149-160, 2019, ISSN: 2145-8456.).

The functioning of biodigestion technology will depend largely on the type and quality of the biomass, a term that refers to all organic matter generated from photosynthesis or produced by the food chain. And as raw material for recycling processes: it originates from freshly expelled feces and urine (animal excrement), which are made up of the leftover digested food not used by the organism, plus waste such as bedding, food scraps, or other added material (Grundey, 1982GRUNDEY, K.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ed. Ediciones GEA Barcelona, Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

Based on the criteria described above, the “Humberto Hernández” Agricultural Production Cooperative (APC), located in Güines, Mayabeque Province, Cuba, required the design of a homemade biodigester to produce biogas for cooking and to obtain biofertilizers. Therefore, the objective of this research was to determine the dimensions and energy potential of using this technology in that production system.

Materials and methods

⌅

Scenario Characterization

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The “Humberto Hernández” Agricultural Production Cooperative (APC) is located in the municipality of Güines, Mayabeque province, Cuba, and has a total area of 1,030 hectares. These lands are dedicated to sugarcane production, various crops (grains, root vegetables, greens, and fruit), and include grazing areas and other areas designated for forage production. This cooperative also develops livestock production: pigs, cattle, sheep and goats, poultry, and rabbits.

This APC, situated on a plain with unique morphological and morphometric characteristics, has a gentle slope and karst influence, with an elevation ranging from 5 to 31 meters above sea level.

The predominant soils in this APC are Brown soils with carbonates (41.5%), Red Rendzinas (25.1%), and, to a lesser extent, Vertisols and Alluvial soils. The first two occupy 66.6% of the cultivated sugarcane soils in the cooperative, being present in the highest areas with slopes reaching 2 to 3% and the most extensive plains of the entity. (According to the soil map (1/25000).

Vertisols are located to the south and east of the APC. The existing subtypes are typical and therefore soils with poor drainage, occupying a total of 18.37%. Alluvial soils occupy the smallest area (15.03%), and their subtypes are typical and differentiated. They are located to the west of the APC and on the banks of the straightened Mayabeque River, which borders the APC from north to south, and to a lesser extent on the banks of waterways that feed into or branch off from the Mayabeque, such as the Agua Emulos River and the Zanja Amarilla (Hernández et al., 2019HERNÁNDEZ, A.; PÉREZ, J.M.; BOSCH, D.; SPECK, N.C.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos tropicales, 40(1), 2019, ISSN: 0258-5936.).

For the design of the biodigestion technology to process the workers' food and obtain effluent from the system for agricultural work, a study was conducted of the materials and resources available at the APC itself, as well as the demand for Biogas for the intended purpose: Based on these elements, a biogas technology proposal was developed that would be most feasible according to the entity's conditions and budget.

Methodology for Biodigester Sizing

⌅

To calculate the design parameters of a homemade biodigester, it is necessary to know the input data and the parameters that must be determined (Table 1).

The daily amount of material (Bmd) is directly related to the amount of biomass generated, whether domestic, agricultural, or animal waste. In addition, the maximum yield and production increase plans must be taken into account.

Table 1. Input and output data required for the design of a homemade anaerobic biodigester

Parameters	Unit
Input data
Daily biomass generation (Bmd)	kg day^-1
Excreta-water ratio (N)	L kg^-1
Biogas yield (Y)	m³ kg^-1
Hydraulic retention time (HRT)	día
Output data
Daily volume of material (manure and water mixture) (Vdm)	kg day^-1
Volume of the biodigester, (Vbiodig)	m³
Volume of the fermentation chamber, (Vcf)	m³
Volume of the cylinder, (V1)	m³
Volume of the biogas containment (V_2)	m³
Volume of the compensation tank (Vtc)	m³

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

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

(1)

here: Ca- Number of animals; Ce- Amount of excreta per animal, kg/day; Rp- Ratio between the average live weight of the animal population and the tabulated equivalent live weight; Rt- Fraction between the time of stabling with respect to 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 . d i a^{- 1}

(2)

Where: PVp-Average live weight of the animal population, kg; PVe- Tabulated live weight equivalent; Te-Hours of the day that the animal remains stabled, h/day

The daily volume of material (manure and water mixture) (Vdm), is nothing more than the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

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

(3)

Where: N: Excreta-water ratio, L/kg. It is required to know that the density of water is 1000 kg/m³.

Meanwhile, the biodigester volume (Vbiodig) is calculated taking into account the volume of material (manure and water mixture) Vdm entering the biodigester and the retention time (TRH).

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

(4)

Once the biodigester volume is predetermined, the design volume is calculated, with two possible scenarios:

Treating all the waste and obtaining the resulting byproducts.
Treating only the portion of the waste that guarantees the required energy.

The fundamental expressions used for sizing a homemade biodigester (characterized by its three main parts: anaerobic fermentation chamber, biogas containment chamber, and compensation chamber (effluent outlet)) are presented below.

The steps to follow for their use are:

The total volume of the biodigester (V_biodig) is calculated based on the volume of the water-manure mixture and the retention time, as shown in equation 4 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .
Subsequently, the daily volume of biogas (G) produced is calculated:

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

(5)

where: Y - Biogas yield, m3. kg^-1

The biogas yield (Y) is determined by the expression:

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

(6)

Where: X - energy conversion coefficient of the excreta produced daily, i.e., the daily biogas production based on the type of organic waste, m³/day.

For all types of biodigesters, the volume of the compensation tank (Vtc) is equivalent to the volume of gas produced, i.e., it ranges between 25% and 30% of the biodigester volume.

Results and discussion

⌅

Biodigester Sizing

⌅

For the correct sizing of the homemade biodigester, the following parameters must be determined:

Daily biomass generation (Bmd);
Daily volume of material (manure and water mixture) (Vdm);
Biodigester volume (Vbiodig);
Fermentation chamber volume (Vcf);
Biogas containment volume (Vcg);
Compensation tank volume (Vtc).

The results obtained for each of these parameters are shown in Table 2, considering that the APC's own warehouse has 2 m³ PVC tanks available, which could be used for the fermentation chamber. Therefore, considering that available capacity, the other parameters and the number of animals (bovines) required for the production of excreta for the operation of the proposed biodigestion system were determined.

Table 2. Sizing of the proposed artisanal biodigester

Source of raw material	Animal/day	Average Mass,kg	Bmd, kg/day	Vdm, m³/día	V_biodig , m³	V_cg, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Bovine manure	50	350	125	0,25	12	4	12	4

Potential Energy Contribution

⌅

To determine the potential energy contribution based on the number of animals available, the following parameters must be determined:

Biogas productivity (Y);
Daily biogas volume (G).

Table 3 shows that for every 350 kg of live weight of cattle, 10 kg of wet manure are obtained per day, generating 0.36 m³ of biogas/day. Considering a manure-to-water ratio of 1:1 and a retention time of 40 days, the biodigester dimensions were determined (Table 2) and the energy contribution of the animal population (Table 3).

Table 3. Energy contribution of the animal population

Source of raw materials	Animal per day	Average Mass (kg)	Bmd, kg/day	Y, m³/kg	G, m³/day
Cows	50	350	125	0.036	4.5

As shown in Table 3, the biogas yield for each species is 0.036 m³/kg, and for that number of animals housed, a total daily gas production volume of 4.5 m³/day is possible. Based on the values shown in Table 4, the installation of a 12 m³ homemade biodigester is proposed (Guardado, 2007GUARDADO, C.J.A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial CUBASOLAR, 2007.).

Table 4. Energy contribution of the biogas to be obtained with the installation of the proposed technology

Sizing parameters	Proposed Biodigester
V_biodig, m³	12
V_cf, m³	12
V_tc, m³	4.0
V_cg, m³	4.0
Energy parameters	Proposed Biodigester
Y, m³/kg	0.036
G, m³/day	4.5
Potential Energy Savings	Proposed Biodigester
Electricity, kWh	8.4
Natural Gas, m³	2.7
Charcoal, kg	1.35
Wood, kg	12.15
Gasoline, L	3.6
Fuel Alcohol, L	5.4
Fuel Oil, L	3.15

As shown in Table 4, the installation of biodigesters in agricultural production units is an energy-efficient option, in addition to contributing to environmental conservation and protection.

To estimate the cost of the construction and installation of the proposed biodigestion system (excluding labor). Table 5 lists the materials required for its construction and installation.

Table 5. List of materials for the construction and installation of the proposed 12 m³ biodigester

Materials	MU	Quantity
P-350 Cement	Bags	24
Sand	m³	5
Gravel (38 mm)	m³	5
15 cm Block	u	100
110 mm (4 in) Pipe	m	100
14 mm (1/2 in) Pipe	m	120
PVC Tank (2 m³)	u	6
Polyethylene Bag (5 m³)	u	1
Shut-off Valves	u	8
Excavation	m³	24
Accessories: Connectors, elbows, PVC cleaner and glue, plastic cable ties

It should be noted that the correct sizing of this type of technology promotes the maximum use of waste obtained in production scenarios.

Conclusions

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A small-scale biodigester was designed for the workers' dining hall at the "Humberto Hernandez" Agricultural Production Cooperative (APC), determining the required number of cattle based on the fermentation chamber volume.
It is evident that the installation of the proposed technology contributes to energy savings and environmental conservation and preservation.
It is evident that the materials required for the construction of the installation are locally available, which does not limit the execution of the engineering project.

References

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 35, January-December 2026, ISSN: 2071-0054

Original article

Dimensionamiento de biodigestor artesanal para la cocción de alimentos en la Cooperativa Humberto Hernández

^iDYusimí Pérez López¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDHeriberto Vargas Rodríguez¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDFabienne Torres Menéndez¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

^iDOmar Hernández Cruz²Cooperativa de Producción Agropecuaria “Humberto Hernández”, Güines, Mayabeque, Cuba. CP: 33900

¹Universidad Agraria de la Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yusimi@unah.edu.cu, vargas@unah.edu.cu, fabienne@unah.edu.cu

²Cooperativa de Producción Agropecuaria “Humberto Hernández”, Güines, Mayabeque, Cuba. CP: 33900

^{^*}Autor para correspondencia: Yanoy Morejón Mesa, e-mail: ymorejon83@gmail.com

Resumen

Esta investigación se orientó a la proyección de un biodigestor artesanal, teniendo en cuenta la disponibilidad local de los materiales requeridos y el potencial energético a obtener del sistema, una vez instalado en la Cooperativa de Producción Agropecuaria “Humberto Hernández”, ubicada en el municipio Güines, provincia Mayabeque, Cuba. Para ello se determinan las especies animales existentes en el escenario, dado que estos 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 energéticos. Entre los principales resultados obtenidos, se realizó el diseño de un biodigestor artesanal (12 m³) adecuado para la granja objeto de estudio, considerándose para ello la cantidad potencial de animales a establecer en la misma, así como el movimiento de rebaño concebido por la dirección del área y la cantidad de biomasa diaria generada; se demuestra que con la instalación de la tecnología propuesta se contribuye al ahorro energético y a la conservación y preservación del medioambiente y que los materiales requeridos para la construcción de la instalación se encuentran localmente disponibles, aspecto que no limita la ejecución del proyecto de ingeniería.

Palabras clave:

energía renovable, producción de biogás, digestión anaerobia, factibilidad energética, impacto ambiental

Introducción

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La tecnología de biodigestión es antropogénicamente la tecnología destacada 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.; WEI, J.; LI, J.; FENG, S.; LI, Z.; JIANG, G.; LUCAS, M.; WU, G.; NING, T.: “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, ISSN: 1364-0321, DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.061.2012.; Cortez y Serrano, 2023CORTEZ, M.A.; SERRANO, C.W.: “Diseño de biodigestor casero para producción de biogás y fertilizante”, Revista Multidisciplinaria de Investigación-REMI: 65-71, 2023, ISSN: 3006-7715.).

La digestión anaerobia constituye una buena alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (Flotats, 2001FLOTATS, X.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad: 65, 2001.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Por lo tanto, este tratamiento está indicado para aguas residuales agroindustriales, con alta carga de materia orgánica biodegradable: vertidos procedentes de la producción de azúcar, alcohol, cárnicos, papel, conservas y destilerías (Rahayu, et al., 2015RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWA, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.: Handbook Pome-to-Biogas, vol. Handbook Pome-to-Biogas. Project development in Indonesia. Jakarta: Winrock International, Indonesia. Jakarta, 2015.; Suárez et al., 2018SUÁREZ, J.; SOSA, R.; MARTÍNEZ, Y.; RIVERA, A.L.; FIGUEREDO, T.; CEPERO, L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 1, 2018, ISSN: 2078-8452.); residuos agropecuarios, como purines, estiércol Bansal et al., (2017)BANSAL, V.; TUMWESIGE, V.; SMITH, J.U.: “Water for small‐scale biogas digesters in Sub‐Saharan Africa”, GCB Bioenergy, 9(2): 339-357, 2017, ISSN: 1757-1693.; y residuos urbanos que comprenden tanto la fracción orgánica de los residuos sólidos Biogas Association (2016)BIOGAS ASSOCIATION: Municipal guide to biogas. Ottawa, Canada, [en línea], Biogas Association, Ottawa, Canada, 2016, Disponible en:https://biogasassociation.ca/resources/municipalguide_tobiogas. como los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program. Proceeding of “Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream” Workshop., [en línea], Inst. Workshop. Global Methane Initiative. Ningbo, China, Ningbo, China, 16 p., 2015, Disponible en:http://communitybysesign.co.uk/. ).

En el contexto actual una de las vías más factibles para evitar la creciente contaminación ambiental, es la búsqueda y obtención de nuevas fuentes de energía (Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Editorial CUBASOLAR, 2006.). La única forma de contar con un futuro energético seguro es hallar una vía ambientalmente sostenible para producir y utilizar la energía (Priddle, 1998). Es necesario aprovechar las fuentes renovables de energía. Esto implica una mejor utilización de los recursos locales y la aplicación de tecnologías apropiadas que contribuyan al ahorro de combustible convencional, devuelvan nutrientes al suelo y preserven el medio ambiente (Santos et al., 2011SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MACHADO, M.Y.; MARTIN, S.T.: “La educación agropecuaria en la escuela cubana actual”, 2011.).

A estos aspectos habría que agregar los altos precios de los combustibles y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica, siendo factores a considerar para la introducción de biodigestores o plantas de biogás que produzcan energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (Parra et al., 2019PARRA, D.L.; BOTEROO, M.A.; BOTERO, J.M.: “Biomasa residual pecuaria: revisión sobre la digestión anaerobia como método de producción de energía y otros subproductos”, Revista UIS Ingenierías, 18(1): 149-160, 2019, ISSN: 2145-8456.).

El funcionamiento de la tecnología de biodigestión dependerá en gran medida del tipo y calidad de la biomasa, término que se refiere a toda la materia orgánica generada a partir de la fotosíntesis o bien producida por la cadena trófica. Y como materia prima para procesos de reciclaje: tiene como origen las heces y orines recién expulsados (excremento animal), los cuales están constituidos por el sobrante del alimento ya digerido, pero no utilizado por el organismo, aparte se le suman desperdicios como camas, residuos de comida o material añadido (Grundey, 1982GRUNDEY, K.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ed. Ediciones GEA Barcelona, Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

Partiendo de los criterios anteriormente descritos, en la Cooperativa de Producción Agropecuaria (CPA) “Humberto Hernández”, localizada en Güines, provincia Mayabeque, Cuba, se realizó requiere de la proyección de un biodigestor artesanal, con el objetivo de producir biogás para la cocción de alimentos y a su vez obtener biofertilizantes, por lo cual el objetivo de la presente investigación se orientó a determinar el dimensionamiento y las potencialidades energéticas del uso de esta tecnología en ese sistema productivo.

Materiales y Métodos

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Caracterización del escenario

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La CPA “Humberto Hernández” se localiza en el municipio Güines, provincia Mayabeque, Cuba, y dispone de una superficie total de 1 030 ha, las cuales se dedican a la producción cañera, a los cultivos varios (granos, viandas, hortalizas y frutales) y cuenta con áreas de pastoreo y otras destinadas a la producción de forrajes, esta cooperativa también desarrolla la producción ganadera: porcina, bovina, ovino-caprino, avícola y cunícula.

Esta CPA, ubicada en una llanura con peculiaridades morfológicas y morfométricas, presenta pendiente suave e influencia cársica; con una elevación comprendida entre los 5 y 31 m sobre el nivel del mar.

Los suelos predominantes en esta CPA son los Pardos con carbonatos (41,5%), las Rendzinas rojas (25,1%) y en menor escala los Vertisuelos y Aluviales. Los dos primeros ocupan el 66,6% de los suelos cultivados de caña de azúcar en la cooperativa estando presentes en las zonas más elevadas con pendientes que alcanzan del 2 al 3% y las llanas más extensas de la entidad. (Según el mapa de suelos (1/25000).

Los suelos Vertisuelos se encuentran ubicados al Sur y Este de la CPA, los subtipos existentes son típicos y por tanto son suelos con problemas de mal drenaje y ocupan en su totalidad el 18,37 %.

Los suelos Aluviales ocupan la menor superficie (15,03%) y como sub-tipos los Típicos y Diferenciados, localizándose al Oeste de la CPA y en las márgenes del río Mayabeque rectificado el cual limita de Norte a Sur la CPA y en menor escala en las márgenes de las vías de agua que alimentan o parten del Mayabeque como el rio Agua émulos y la Zanja Amarilla (Hernández et al., 2019HERNÁNDEZ, A.; PÉREZ, J.M.; BOSCH, D.; SPECK, N.C.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos tropicales, 40(1), 2019, ISSN: 0258-5936.).

Para el diseño de la tecnología de biodigestión con el propósito de procesar los alimentos de los trabajadores y a su vez obtener efluentes del sistema para las labores agrícolas, se realizó un estudio de los materiales y recursos disponibles en la propia CPA, así como la demanda de biogás para el propósito concebido, partiendo de estos elementos se proyectó la propuesta de la tecnología de biogás que resultaría de mayor factibilidad en correspondencia con las condiciones de la propia entidad y a su economía.

Metodología para el dimensionamiento de biodigestores

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

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

Tabla 1. Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio artesanal

Parámetros	Unidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d)	kg dia^-1
Proporción excreta-agua (N)	L kg^-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 de la cámara de fermentación, (V_cf)	m³
Volumen del cilindro, (V₁)	m³
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 . 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} . d i a^{- 1}

(3)

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

Mientras, el volumen del biodigestor (V_biodig) se calcula teniendo 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)

Una vez predeterminado el volumen del biodigestor, se procede a calcular el volumen de diseño, con dos posibles partidas:

Tratar todo el residual y obtener los subproductos que de ello se derive.
Tratar solamente la parte del residual que garantice la energía que se requiera.

Las expresiones fundamentales que se emplean para el dimensionamiento de un biodigestor artesanal (caracterizado por sus tres partes principales: cámara de fermentación anaerobia, cámara de contención del biogás y cámara de compensación (salida de efluente)), 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 $V_{b i o d i g} = Vdm \cdot T R H, m^{3}$ .
Posteriormente se procede al cálculo del volumen diario de biogás (G) producido:

G = Y \times B_{m d}, m^{3} . 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} . k g^{- 1}

(6)

donde: X- coeficiente de conversión energética de la excreta producida diariamente es decir 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 es decir oscila entre el 25…30% del volumen del biodigestor.

Resultados y Discusión

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Dimensionamiento del biodigestor

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Para el correcto dimensionamiento del biodigestor artesanal 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 de contención del biogás (V_cg);
Volumen del tanque de compensación (Vtc).

Los resultados obtenidos de cada uno de estos parámetros se representan en la Tabla 2 considerando que en el almacén de la propia CPA, se dispone de tanques de PVC de 2 m³ de capacidad, los cuales podrían ser empleados para la cámara de fermentación. Por tanto, considerando esa capacidad disponible se determinaron los demás parámetros y la cantidad de animales (bovinos) requeridos para la producción de excreta para el funcionamiento del sistema de biodigestión propuesto.

Tabla 2. Dimensionamiento del biodigestor artesanal propuesto

Fuente de materia prima	Animal/día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Vdm, m³/día	V_biodig, m³	V_cg, m³	V_cf, m³	V_tc, m³
Estiércol de ganado bovino	50	350	125	0,25	12	4	12	4

Aporte energético potencial

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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).

La Tabla 3 muestra que por cada 350 kg de peso vivo de ganado bovino se obtienen 10 kg de excreta húmeda por día, generando 0,36 m³ de biogás/día. Considerando una proporción excreta-agua de 1:1 y un tiempo de retención de 40 días, se determinó el dimensionamiento del biodigestor (Tabla 2) y el aporte energético de la población animal (Tabla 3).

Tabla 3. Aporte energético de la población animal

Fuente de materia prima	Animal/día	Masa Promedio, kg	Bmd, kg/día	Y, m³/kg	G, m³/día
Vacas	50	350	125	0,036	4,5

Como se representa en la Tabla 3, el rendimiento de biogás a obtener según la especie es de 0,036 m³/kg y para esa cantidad de animales estabulados es posible obtener un volumen diario de producción de gas total de 4,5 m³/día. Considerándose los valores reflejados en la Tabla 3, se propone la instalación de un biodigestor artesanal de 12 m³ (Guardado, 2007GUARDADO, C.J.A.: Diseño y construcción de plantas de biogás sencillas, Ed. Editorial CUBASOLAR, 2007.).

Tabla 4. Aporte energético del biogás a obtener con la instalación de la tecnología propuesta

Parámetros de dimensionamiento	Biodigestor Propuesto
V_biodig, m³	12
V_cf, m³	12
V_tc, m³	4,0
V_cg, m³	4,0
Parámetros de energéticos	Biodigestor Propuesto
Y, m³/kg	0,036
G, m³/día	4,5
Ahorro Energético Potencial	Biodigestor Propuesto
Energia eléctrica, kWh	8,4
Gas Natural, m³	2,7
Carbón vegetal, kg	1,35
Madera, kg	12,15
Gasolina, L	3,6
Alcohol combustible, L	5,4
Aceite combustible, L	3,15

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

Para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación del sistema de biodigestión propuesto a instalar (sin considerar la mano de obra), en la Tabla 5, se relacionan los materiales requeridos para la construcción e instalación de la tecnología.

Tabla 5. Listado de materiales para la construcción e instalación del biodigestor de 12 m³ propuesto a instalar

Materiales	UM	Cantidad
Cemento P-350	Bolsas	24
Arena	m³	5
Gravilla (38 mm)	m³	5
Bloque 15 cm	u	100
Tubería 110 mm (4 pulg)	m	100
Tubería 14 mm (1/2 pulg)	m	120
Tanque PVC (2 m³)	u	6
Bolsa de Polietileno (5 m³)	u	1
Válvulas de Cierre	u	8
Excavación	m³	24
Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, bridas plásticas

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

Conclusiones

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Se realiza el dimensionamiento de un biodigestor artesanal para el comedor de los trabajadores de la CPA “Humberto Hernández”, considerándose para ello la cantidad de animales (ganado bovino) requeridos en función del volumen de la cámara de fermentación.
Se evidencia que con la instalación de la tecnología propuesta se contribuye al ahorro energético y a la conservación y preservación del medioambiente.
Se evidencia que los materiales requeridos para la construcción de la instalación se encuentran localmente disponibles, aspecto que no limita la ejecución de la obra ingenieril.