Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 31, No. 3, July-September, 2022, ISSN: 2071-0054
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ORIGINAL ARTICLE

Energy Potential of the biodigestor Installed in the Santa Barbara Farm, Sumapaz Province, Colombia

 

iDYanoy Morejón-MesaIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.*✉:ymorejon83@gmail.comymm@unah.edu.cu

iDVilma Moreno-MeloIIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Colombia.

iDDiego Andrés Abril-HerreraIIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Colombia.


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

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

 

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

ABSTRACT

This research is oriented towards determining the energy potential of a biodigester installed on the Santa Bárbara farm, which is located in the Sumapaz province, Colombia. For this, the existing animal species in the scenario is determined, which will contribute 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, with the purpose of establishing the sizing of the appropriate biodigester technology and knowing the behavior of the energy parameters. Among the main results obtained, it was evidenced that the biodigester installed by the producer is not capable of assimilating the biomass generated daily, due to the number of existing animals; noting that despite the fact that only approximately 35% of the energy potential is used, due to the dimensioning of the anaerobic digestion technology (tubular polyethylene biodigester) installed in the Santa Bárbara farm, despite this it is shown that it contributes to saving energy and the conservation and preservation of the environment. However, if the biodigester designed in the research were installed, the energy potential would be used 100%, validating that the adequate dimensioning of the anaerobic digestion technology is proportional to the energy savings to be obtained in agricultural units.

Keywords: 
renewable energy, pig production, anaerobic digestion, energy feasibility, environmental impact

Received: 10/1/2022; Accepted: 24/6/2022

Yanoy Morejón-Mesa, Profesor Titular, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: ymm@unah.edu.cu

Vilma Moreno Melo, Profesora, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad de Cundinamarca, Sede Fusagasugá, Colombia, e-mail: vilma@ucundinamarca.edu.co .

Diego Andrés Abril Herrera, Profesor, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad de Cundinamarca, Sede Fusagasugá, Colombia, e-mail: adiego@ucundinamarca.edu.co

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: Morejón Mesa Y. Data curation: Morejón Mesa Y.. Formal analysis: Morejón Y., Moreno Melo, V., Abril Herrera, D.A Investigation: Morejón Mesa Y., Moreno Melo, V., Abril Herrera, D.A Methodology: Morejón Mesa Y., Moreno Melo, V., Abril Herrera, D.A Supervision: Morejón Mesa Y., Validation: Morejón Mesa Y., Moreno Melo, V. Roles/Writing, original draft: Morejón Mesa Y. Writing, review & editing: Morejón Mesa Y., Moreno Melo, V., Abril Herrera, D.A.

The authors of this work declare no conflict of interests.

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

CONTENT

INTRODUCTION

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It is currently known that the high rate of consumption of non-renewable resources is a worrying issue worldwide, due to the exploitation and consumption of fossil fuels (oil, coal, natural gas, liquefied petroleum gas and uranium) and the high level of pollution and environmental impact they generate. The current world faces two basic problems for the existence and future progress of humanity: stopping the growing environmental pollution and finding and obtaining new sources of energy (Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2006.; Varnero, 2011VARNERO, M.: “Manual de biogás”, Santiago de Chile: FAO, 2011.). The only way to have a secure energy future is to find an environmentally sustainable way to produce and use energy. If society's concerns about energy and the natural environment are not addressed, the steady and secure energy supply on which economies depend will be jeopardized (Priddle, 1999PRIDDLE, R.: “Energía y desarrollo sostenible”, IAEA Bulletin, 41(1): 2-6, 1999.). It is necessary to take advantage of renewable energy sources based on the best use of local resources which, through the best use of appropriate technologies contribute to saving conventional fuel and serve to return the nutrients it needs to the soil and preserve the environment from contamination (Santos et al., 2012SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MARTÍN, S.T.; MACHADO, M.Y.: La Educación Agropecuaria en la Escuela Cubana Actual, Editorial “Félix Valera Morales”., Centro de Estudio de la Educación Ambiental, Santa Clara, Villa Clara, Cuba, Centro de Estudio de la Educación Ambiental, 2012.).

A clear example of renewable energy sources is biomass, a term that refers to all the organic matter generated from photosynthesis or produced by the food chain. And as a raw material for recycling processes: its origin is the recently expelled feces and urine (animal excrement), which are made up of the leftover food already digested, but not used by the body, apart from waste such as beds, food residue or added material (Grundey & Juanos, 1982GRUNDEY, K.; JUANOS, C.B.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ediciones GEA, Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

The use of biomass in different alternative forms, to provide a response to energy demands is a satisfactory option. Biomass for its use as an energy material, requires an adaptation that facilitates the application of the selected process, to obtain the required fuel. According to Fonte (2004)FONTE, A.: Biogás: energía, medio ambiente y clima, [en línea], Revista Cubasolar, La Habana, Cuba, 2004, Disponible en: .https://eyt.cubasolar.cu/energia/Energia20/H, [Consulta: 15 de octubre de 2004].; Arauzo et al. (2014)ARAUZO, J.; BIMBELA, F.; ÁBREGO, J.; SÁNCHEZ, J.; GONZALO, A.: “Introducción a las tecnologías de aprovechamiento de biomasa”, Boletín GEC-033-A01, Universidad de Zaragoza, España, 33, 2014.; Singh et al. (2016)SINGH, A.; SINGH, K.; NAUTIYAL, O.P.; CHAVDAL, T.V.: “Biomass to fuel: Convection Techniques”, En: Energy Resources. Development, Harvesting and Management, Cap.8, India, pp. 155-194, 2016, ISBN: 978-81-211-0941-3., the processes to convert biomass into fuel are: Mechanical (sawdust, briquettes), Thermochemical (pyrolysis, gasification and incineration) and Biotechnological (alcoholic fermentation, anaerobic digestion).

Anaerobic digestion is a good alternative to treat waste with high biodegradable organic matter (Flotats et al., 2001FLOTATS, R.X.; CAMPOS, P.E.; PALATSI, C.J.; BONMATÍ, B.A.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad, 65: 51-65, 2001, ISSN: 1130-8451.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Therefore, according to Suárez et al. (2018)SUÁREZ, H.J.; SOSA, C.R.; MARTÍNEZ, L.Y.; CURBELO, A.A.; FIGUEREDO, R.T.; CEPERO, L.L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, e-ISSN: 2078-8452. this treatment is indicated for agro-industrial wastewater, with a high load of biodegradable organic matter: discharges from the production of sugar, alcohol, meat, paper, preserves and distilleries Rahayu et al. (2015)RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWATI, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.; HOKERMIN, S.; PARAMITA, V.: “Handbook POME-to-biogas project development in Indonesia”, Winrock International, United States of America, pp. 8-19, 2015.; agricultural residues, such as slurry, manure according to 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, e-ISSN: 1757-1707.; and urban waste that includes both the organic fraction of solid waste according to Biogas Association Ottawa (2015)BIOGAS ASSOCIATION OTTAWA: Biogas Association Ottawa Municipal guide to biogas, [en línea], Biogas Association, Ottawa, Canada, 2015, Disponible en:https://biogasassociation.ca/resources/municipalguidetobiogas, [Consulta: 4 de junio de 2016]. and urban wastewater treatment plant sludge (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: “People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program”, [en línea], En: Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream» Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, p. 16, 2015, Disponible en:http://communitybysesign.co.uk/.).

Precisely the biodigester is anthropogenically (produced by human activity) the technology to highlight in the biotechnological process of anaerobic digestion of biomass to obtain biogas. It is a hermetic reactor with a side inlet for organic matter, an outlet at the top through which biogas flows, and an outlet for obtaining effluents with biofertilizing properties, both products contributing to meeting the needs of producers and promoting of organic agriculture, as an economically feasible and ecologically sustainable alternative (Zheng et al., 2012ZHENG, Y.H.; WEI, J.G.L.; FENG, S.F.; LI, 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.).

To these aspects should be added the high prices of fuels and the high local rates of electricity, being factors to consider for the introduction of biodigesters or biogas plants at the national and regional level that produce energy from the use of waste of agricultural production (Parra et al., 2019PARRA, O.D.L.; BOTERO, L.M.A.; BOTERO, L.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, DOI: 10.18273/revuin.V18No.2-2019013.).

Considering the previously described criteria, in the Santa Bárbara farm located in the capital Fusagasugá, of the Sumapaz province, Colombia, a biodigester was installed with the objective of producing biogas and biofertilizers, for which the objective of the present investigation was oriented in determining the energetic potentialities of the use of this technology in this productive system.

MATERIALS AND METHODS

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Characterization of the Santa Bárbara Farm

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The Santa Bárbara farm is located in the capital Fusagasugá, Sumapaz province, Colombia, it is a private property, and has a total area of ​​5,5 ha, where cattle and pigs are raised, in the specific case of the pig cattle, has a total of 992 animals, broken down into the following categories: 106 breeders, 22 suckling pigs, 808 fattening and 56 pre-fattening. The main pig crosses are: F1 (Landrace x Large withe) x PIC 337; Pietran x PIC 337. The diet of these cattle is made up of: Concentrated flour feed made with raw materials such as: American corn, soybean cake, palm oil, Mogolla wheat, Molasses, Calcium carbonate and Nuclei (commercial amino acids with vitamins). The behavior of temperature and humidity varies depending on the time of year, obtaining the following values ​​according to climate variability: in climates: Warm: 24 °C to 28 °C (9.21%), in Temperate climate: 18 °C to 23 °C (54%) Cold: 12 °C to 18 °C (32.2%).

Methodology for the sizing and installation of tubular polyethylene biodigesters

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For the calculation of the design parameters of a polyethylene tubular biodigester, it is necessary to know the input data, and those that must be determined (Table 1).

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

TABLE 1.  Input and output data required for the design of an anaerobic biodigester.
Parameters Unit
Input data
Daily amount of material (Bmd) kg day-1
Excreta-water ratio (N) L kg-1
Biogas yield(Y) m3 kg-1
Hydraulic retention time (TRH) day
output data
Daily volume of material (mixture of excreta and water)(Vdm) kg day -1
Biodigester volume, (Vbiodig) m3
Daily volume of biogas produced (G) m3 day -1
Biogas holding volume (V2) m3
Compensation tank volume(Vtc) m3

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

B m d = C a × C e × R p × R t , k g . d a y - 1  (1)

where: 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 lairage time with respect to the duration of the day, h/day

B m d = C a × C e × P V p P V e × T e 24 h , k g . d a y - 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 (mixture of excreta and water) (Vdm), is nothing more than the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

V d m = 1 + N ∙ B m d , m 3 . d a y - 1  (3)

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

While, the volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated taking into account the value of the volume of material (mixture of manure and water) Vdm that enters the biodigester and the retention time TRH.

V b i o d i g = V d m ∙ T R H , m 3  (4)

Subsequently, the daily volume of biogas (G) produced is calculated:

G = Y × B m d , m 3 . d a y - 1  (5)

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

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

Y = X C e , m 3 . k g - 1  (6)

where: X- energy conversion coefficient of the excreta produced daily, that is, the daily production of biogas depending 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, that is, it ranges between 25…30% of the volume of the biodigester.

RESULTS AND DISCUSSION

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Biodigester sizing.

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

  • Amount of daily biomass generated (Bmd);

  • Daily volume of material (mixture of excreta and water) (Vdm);

  • Volume of the biodigester (Vbiodig);

  • Volume of the compensation tank (Vtc).

The results obtained from each of these parameters are represented in Table 2, these values ​​are obtained from the herd movement conceived by the owner of the farm during the month of April 2022.

Potential energy input

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To determine the potential energy, supply to be obtained based on the number of animals available, the determination of the following parameters is required:

  • Biogas yield (Y);

  • Daily volume of biogas (G).

TABLE 1.  Herd movement at the Santa Bárbara farm in the month of April/2022
Herd movement Initial Existence Final Existence Animals/day Average Mass, kg
Breeders 106 110 108 177
suckling pigs 22 48 34 110
fattening pigs 808 820 814 90
Pre-Fattening pigs 56 14 36 22
Total 992 992 992 99

Referring to Table 1, where it is shown that for every 50 kg of pig, 2,25 kg of excreta are obtained, generating 0,10 m3 of biogas/day, with a ratio of 1:1-3 of excreta-water (taking a ratio of 1:1) and with a recommended retention time of 40 days, the sizing of the biodigester required for that number of animals (Table 2) and the energy contribution of the animal population (Table 3) were determined.

TABLE 2.  Sizing of the biodigester designed based on the number of animals
Raw material source Animal / day Average Mass, kg Bmd, kg/day Vdm, m3/day Vbiodig, m3 Vtc, m3
Breeders 108 177 860,2 1,72 68,8 22,7
suckling pigs 34 110 168,3 0,34 13,6 4,4
fattening pigs 814 90 3296,7 6,59 263,6 86,9
Pre-Fattening pigs 36 22 35,64 0,07 2,8 0,92
Total 992 99 4 360,84 8,72 348,8 115,10

As evidenced in Table 2, the largest amount of daily biomass generated is obtained in the fattening category, representing 75,5% of the total amount of daily biomass generated. This result is mainly due to the number of animals in this category.

On the other hand, it is evident that the fattening category is the one that most influences the sizing of the biodigestion system, since it represents the highest representative percentage with respect to the volumes of the biodigester and compensation tank.

TABLE 3.  Energy contribution of the animal population
Raw material source Animal / day Average Mass, kg Bmd, kg/day Y, m3/kg G, m3/day
Breeders 108 177 860,2 0,044 37,8
suckling pigs 34 110 168,3 7,5
fattening pigs 814 90 3296,7 145
Pre-Fattening pigs 36 22 35,6 1,5
Total 992 99 4 360,8 191,8

As shown in Table 3, the biogas yield to be obtained according to the species is 0,044 m3/kg (if the total number of animals is considered, 43,6 m3/kg is obtained) and for that number of stabled animals it is possible obtain a daily volume of total gas production of 191,8 m3/day.

However, a 120 m3 biodigester was installed on the farm (Figure 1), showing that it is less than the one that should be installed based on the number of existing animals and the amount of matter generated daily; This element considerably limits the energy potential of the scenario under study, which can be seen in Table 4.

FIGURE 1.  Biodigester installed at Santa Bárbara Farm.
TABLE 4.  Comparison between installed biodigester and biodigester designed according to the herd
Sizing Parameters Installed biodigester Biodigester designed Difference
Vbiodig, m3 120 348,8 218
Vtc, m3 39,2 115,1 75,5
Vgas, m3 39,2 115,1 75,5
Energy parameters Installed biodigester Biodigester designed Difference
Y, m3/kg 0,044 0,044 0
G, m3/día 71,2 191,8 120,6
Potential Energy Savings Installed biodigester Biodigester designed Difference
Electric power, kWh 128,6 345,2 216,6
Natural Gas, m3 42,7 115 72,3
Charcoal, kg 21,4 57,5 36,1
Wood, kg 192,2 517,8 325,6
Gasoline, L 56,9 153,4 96,5
Fuel Alcohol, L 85,4 230,2 114,8
Fuel oil, L 49,8 134,3 84,5

As evidenced in Table 4, the installation of biodigesters in agricultural production units constitutes an energetically viable option, to which the contribution to the conservation and care of the environment should be added.

It is valid to point out that the correct sizing of this type of technology favors the maximum use of the waste obtained in the productive scenarios, this criterion is based on the differences represented in the aforementioned table, evidencing that the farm does not take full advantage of the volume of waste from pig production. When carrying out a percentage analysis, it is obtained that with the digester installed by the producer, only approximately 35% of the energy potential to be obtained is used.

CONCLUSIONS

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  • Despite the fact that only approximately 35% of the energy potential is used, due to the dimensioning of the anaerobic digestion technology (tubular polyethylene biodigester) installed in the Santa Bárbara farm, it is shown that it contributes to energy savings and conservation and preservation of the environment.

  • The design of the polyethylene tubular biodigester suitable for the farm is carried out, considering for this the number of animals (pigs) existing in it, the herd movement conceived by the producer and the amount of daily biomass generated.

  • It is evident that the proper dimensioning of the anaerobic digestion technology is proportional to the energy savings to be obtained in agricultural units.

REFERENCES

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 31, No. 3, July-September, 2022, ISSN: 2071-0054
 
ARTÍCULO ORIGINAL

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

 

iDYanoy Morejón-MesaIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.*✉:ymorejon83@gmail.comymm@unah.edu.cu

iDVilma Moreno-MeloIIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Colombia.

iDDiego Andrés Abril-HerreraIIUniversidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Sede Fusagasugá, Colombia.


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

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

 

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

RESUMEN

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

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

INTRODUCCIÓN

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En la actualidad se conoce que el alto índice de consumo de recursos no renovable es un tema preocupante a nivel mundial, debido a la explotación y consumo de los combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural, gas licuado del petróleo y uranio) y el alto nivel de contaminación e impacto ambiental que estos generan. El mundo actual enfrenta dos problemas básicos para la existencia y el progreso futuro de la humanidad: La detención de la creciente contaminación ambiental y la búsqueda y obtención de nuevas fuentes de energía (Guardado, 2006GUARDADO, C.J.A.: Manual del Biogás, Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2006.; Varnero, 2011VARNERO, M.: “Manual de biogás”, Santiago de Chile: FAO, 2011.). La única forma de contar con un futuro energético seguro es hallar una vía ambientalmente sostenible para producir y utilizar la energía. Si no se da respuesta a las preocupaciones de la sociedad sobre la energía y el medio ambiente natural, peligrará el suministro energético constante y seguro del que dependen las economías (Priddle, 1999PRIDDLE, R.: “Energía y desarrollo sostenible”, IAEA Bulletin, 41(1): 2-6, 1999.). Resulta necesario aprovechar las fuentes renovables de energía basadas en la mejor utilización de los recursos locales que, mediante la mejor utilización de las tecnologías apropiadas contribuyan al ahorro de combustible convencional y sirvan para devolver al suelo los nutrientes que este necesita y preserven el medio ambiente de la contaminación (Santos et al., 2012SANTOS, A.I.; MEDINA, M.N.; MARTÍN, S.T.; MACHADO, M.Y.: La Educación Agropecuaria en la Escuela Cubana Actual, Editorial “Félix Valera Morales”., Centro de Estudio de la Educación Ambiental, Santa Clara, Villa Clara, Cuba, Centro de Estudio de la Educación Ambiental, 2012.).

Un claro ejemplo de las fuentes de energía renovable es la biomasa, término que se refiere a toda la materia orgánica generada a partir de la fotosíntesis o bien producida por la cadena trófica. Y como materia prima para procesos de reciclaje: tiene como origen las heces y orines recién expulsados (excremento animal), los cuales están constituidos por el sobrante del alimento ya digerido, pero no utilizado por el organismo, aparte se le suman desperdicios como camas, residuos de comida o material añadido (Grundey & Juanos, 1982GRUNDEY, K.; JUANOS, C.B.: Tratamiento de los residuos agrícolas y ganaderos, Ediciones GEA, Barcelona, España, 278-280 p., 1982, ISBN: 84-7287-025-1.).

El empleo de la biomasa en diferentes formas alternativas, para brindar respuesta a las demandas energéticas es una opción satisfactoria. La biomasa para su empleo como material energético, requiere de una adecuación que facilite la aplicación del proceso seleccionado, para la obtención del combustible requerido. Según Fonte (2004)FONTE, A.: Biogás: energía, medio ambiente y clima, [en línea], Revista Cubasolar, La Habana, Cuba, 2004, Disponible en: .https://eyt.cubasolar.cu/energia/Energia20/H, [Consulta: 15 de octubre de 2004].; Arauzo et al. (2014)ARAUZO, J.; BIMBELA, F.; ÁBREGO, J.; SÁNCHEZ, J.; GONZALO, A.: “Introducción a las tecnologías de aprovechamiento de biomasa”, Boletín GEC-033-A01, Universidad de Zaragoza, España, 33, 2014.; Singh et al. (2016)SINGH, A.; SINGH, K.; NAUTIYAL, O.P.; CHAVDAL, T.V.: “Biomass to fuel: Convection Techniques”, En: Energy Resources. Development, Harvesting and Management, Cap.8, India, pp. 155-194, 2016, ISBN: 978-81-211-0941-3.. Los procesos para convertir la biomasa en combustible son: mecánico (aserrín, briquetas), termoquímico (pirolisis, gasificación e incineración) y biotecnológico (fermentación alcohólica, digestión anaerobia).

La digestión anaerobia constituye una alternativa para tratar residuos con elevada materia orgánica biodegradable (Flotats et al., 2001FLOTATS, R.X.; CAMPOS, P.E.; PALATSI, C.J.; BONMATÍ, B.A.: “Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria”, Porci; Monografías de actualidad, 65: 51-65, 2001, ISSN: 1130-8451.; Sosa, 2017SOSA, R.: “Indicadores ambientales de la producción porcina y ganadera”, En: VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, VII Seminario Internacional de Porcicultura Tropical, Instituto de Investigaciones Porcinas, La Habana, Cuba, 2017.). Por lo tanto, según plantea y cita Suárez et al. (2018)SUÁREZ, H.J.; SOSA, C.R.; MARTÍNEZ, L.Y.; CURBELO, A.A.; FIGUEREDO, R.T.; CEPERO, L.L.: “Evaluación del potencial de producción del biogás en Cuba”, Pastos y Forrajes, 41(2): 85-92, 2018, ISSN: 0864-0394, e-ISSN: 2078-8452. este tratamiento está indicado para aguas residuales agroindustriales, con alta carga de materia orgánica biodegradable: vertidos procedentes de la producción de azúcar, alcohol, cárnicos, papel, conservas y destilerías según Rahayu et al. (2015)RAHAYU, A.S.; KARSIWULAN, D.; YUWONO, H.; TRISNAWATI, I.; MULYASARI, S.; RAHARDJO, S.; HOKERMIN, S.; PARAMITA, V.: “Handbook POME-to-biogas project development in Indonesia”, Winrock International, United States of America, pp. 8-19, 2015.; residuos agropecuarios, como purines, estiércol según 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, e-ISSN: 1757-1707.; y residuos urbanos que comprenden tanto la fracción orgánica de los residuos sólidos de acuerdo con Biogas Association Ottawa (2015)BIOGAS ASSOCIATION OTTAWA: Biogas Association Ottawa Municipal guide to biogas, [en línea], Biogas Association, Ottawa, Canada, 2015, Disponible en:https://biogasassociation.ca/resources/municipalguidetobiogas, [Consulta: 4 de junio de 2016]. como los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas (Frankiewicz, 2015FRANKIEWICZ, T.: “People’s Republic of China Urban Municipal Waste and Wastewater Program”, [en línea], En: Technology, Process and Evaluation Best Practices for Utilizing Organic and «Kitchen» Waste from the Municipal Solid Waste Stream» Workshop. Global Methane Initiative, Ningbo, China, p. 16, 2015, Disponible en:http://communitybysesign.co.uk/.).

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

A estos aspectos habría que agregar los altos precios de los combustibles y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica, siendo factores a considerar para la introducción de biodigestores o plantas de biogás a nivel nacional y regional que produzcan energía a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria (Parra et al., 2019PARRA, O.D.L.; BOTERO, L.M.A.; BOTERO, L.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, DOI: 10.18273/revuin.V18No.2-2019013.).

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

MATERIALES Y MÉTODOS

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Caracterización de la finca Santa Bárbara.

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

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores tubulares de polietileno

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

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

TABLA 1.  Datos de entrada y salida requeridos para el diseño de un biodigestor anaerobio
Parámetros Unidad
Datos de entrada
Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd) kg dia-1
Proporción excreta-agua (N) L kg-1
Rendimiento de biogás (Y) 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, (Vbiodig) m3
Volumen diario de biogás producido (G) m3 dia-1
Volumen de contención del biogás (𝑉2) m3
Volumen del tanque de compensación (Vtc) m3

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

B m d = C a × C e × R p × 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 × C e × P V p P V e × 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) (Vdm), no es más que la suma del residual y la dilución de la biomasa (residual y agua).

V d m = 1 + N ∙ 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 (Vbiodig) se calcula teniéndose en cuenta el valor del volumen de material (mezcla estiércol y agua) Vdm que entra al biodigestor y el tiempo de retención TRH.

V b i o d i g = V d m ∙ T R H , m 3  (4)

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

G = Y × 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 = X C e , m 3 . 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.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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Dimensionamiento del biodigestor

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

  • Cantidad de biomasa diaria generada (Bmd);

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

  • Volumen del biodigestor (Vbiodig);

  • Volumen del tanque de compensación (Vtc).

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

Aporte energético potencial

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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).

TABLA 1.  Movimiento de rebaño en la finca Santa Bárbara en el mes de abril/2022
Mov. de Rebaño Existencia Inicial Existencia Final Animales/dia Masa Promedio, kg
Reproductoras 106 110 108 177
Lechonas 22 48 34 110
Cebas 808 820 814 90
Preceba 56 14 36 22
Total 992 992 992 99

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

TABLA 2.  Dimensionamiento del biodigestor diseñado en función dela cantidad de animales
Fuente de materia prima Animal / día Masa Promedio, kg Bmd, kg/día Vdm, m3/día Vbiodig, m3 Vtc, m3
Reproductoras 108 177 860,2 1,72 68,8 22,7
Lechonas 34 110 168,3 0,34 13,6 4,4
Cebas 814 90 3296,7 6,59 263,6 86,9
Precebas 36 22 35,64 0,07 2,8 0,92
Total 992 99 4 360,84 8,72 348,8 115,10

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

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

TABLA 3.  Aporte energético de la población animal
Fuente de materia prima Animal / día Masa Promedio, kg Bmd, kg/día Y, m3/kg G, m3/día
Reproductoras 108 177 860,2 0,044 37,8
Lechonas 34 110 168,3 7,5
Cebas 814 90 3296,7 145
Precebas 36 22 35,6 1,5
Total 992 99 4 360,8 191,8

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

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

FIGURA 1.  Biodigestor instalado en la Finca Santa Bárbara.
TABLA 4.  Comparación entre biodigestor instalado y biodigestor diseñado en función del rebaño
Parámetros de dimensionamiento Biodigestor instalado Biodigestor diseñado Diferencia
Vbiodig, m3 120 348,8 218
Vtc, m3 39,2 115,1 75,5
Vgas, m3 39,2 115,1 75,5
Parámetros de energéticos Biodigestor instalado Biodigestor diseñado Diferencia
Y, m3/kg 0,044 0,044 0
G, m3/día 71,2 191,8 120,6
Ahorro Energético Potencial Biodigestor instalado Biodigestor diseñado Diferencia
Energia eléctrica, kWh 128,6 345,2 216,6
Gas Natural, m3 42,7 115 72,3
Carbón vegetal, kg 21,4 57,5 36,1
Madera, kg 192,2 517,8 325,6
Gasolina, L 56,9 153,4 96,5
Alcohol combustible, L 85,4 230,2 114,8
Fuel oil, L 49,8 134,3 84,5

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

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

CONCLUSIONES

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

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

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