Characterization of Experimental Areas

The research was carried out in six livestock production systems, four of them belonging to private producers and two to the University of Cundinamarca. Of these systems, five are located in the Sumapaz Province and one in the Ubaté Province. In all scenarios, Biodigesters with different capacities were installed with the aim of producing biogas and biofertilizers.

The diet of this pig herd was composed of concentrated flour feed, made with raw materials such as American corn, soybean cake, palm oil, wheat byproducts, molasses, calcium carbonate and Nuclei (commercial amino acids with vitamins) and in the case of cattle, their diet was basically made up of pastures and forages.

According to Cardona (2012)CARDONA, M.J.: Módulo Pastos y especies forrajeras: Pastos y especies forrajes como sustento alimenticio más abundante y barato para bovinos., Ed. Fedegan, 2012, ISBN: 978- 958-8498-42-3., the most common and used grasses in Colombia, in the low tropics, are angleton, pangola and bracharias grasses depending on soil fertility and acidity, while for the high tropics the most common are kikuyu, ryegrass, orchard grass and canary-grass. Pastures in the low tropics are rich in energy, therefore, the supplement that should be given to the animal must be rich in protein, while, in the high tropics, the forages contain more protein for which it is necessary to opt for products with high energy content.

Native grasses in general terms have low nutritional value and do not provide the amount of adequate nutrients to maintain sustained production in cattle farms. In this situation, the producer, in order to continue producing (milk), would have to complement the forage deficiencies with the use of feeds that provide protein to the cattle, such as soybean paste, flour, fish or alfalfa meal, which are products that have high prices in the market, but that are essential to obtain good production of meat and/or milk, so it is necessary to look for other alternative sources that allow maintaining production at a reasonable cost (Bonilla et al., 2014BONILLA, J.A.; BUSTAMANTE, G.J.J.; VIDAL, D.M.L.: Manual de producción de Ganado lechero en el estado de Nayarit, Ed. Centro Nacional de Investigación Regional Pacifico, primera ed., México, Publicación Especial No. 1., 2014, ISBN: 978-607-37- 0387-1.).

The quality and quantity of forage during the summer season in the low and high tropics is drastically reduced, causing a decrease in milk production, hence, farmers have decided to implement strategies using supplements. In the case of the low tropics, they are choosing to use forage crops such as silage to reduce production costs of forage crops and increase milk production in the dry season by 15%, resulting in greater profitability and competitiveness of dual-purpose systems (Castro et al., 2016CASTRO, R.E.; SIERRA, A.A.M.; MOJICA, R.E.; CARULLA, F.J.; LASCANO, A.C.: “Uso múltiple de leguminosas como abono verde, en rotación con maíz, y heno, para producción de leche”, Ciencia y Tecnología Agropecuaria, 17(1): 17-29, 2016, ISSN: 0122-8706.). While in the high tropics, golden fodder oats are being used because they are ideal for farms located between 2,200 and 3,000 meters above sea level, offering cattle the energy they need to withstand the dry season (Villegas & Llanos, 2014VILLEGAS, P.; LLANOS, C.: Cultivar avena para ensilas, opción para predios lecheros especializados, [en línea], Contextoganadero, 2014, Disponible en:http://www.contextoganadero.com/reportaje/cultivar-avena-para-ensilar-opcionpara-predios-lecheros-especializados.).

Another way managed by ranchers to increase the productivity of the cattle herd is to use the paddock rotation grazing system, which is based on adequately alternating the period of using with the rest time of the paddock, allowing the forage of each paddock has a recovery period and natural reseeding increasing forage production to facilitate weed control (Ruiz, 2013RUIZ, E.: Guía Técnica: Manejo de pastos y rotación de Potreros, [en línea], Ed. Agrobanco, Perú, Agrobanco. Perú. 2013, Disponible en: http://www.agrobanco.com.pe/data/uploads/ctecnica/034-c-pasturas.pdf.).

Regarding the behavior of climatic variables, in the case of Sumapaz Province, the behavior of temperature and humidity varies depending on the time of year, obtaining the following values according to climate variability: in warm climate: 24 °C to 28 °C (9,21%), in temperate climate: 18 °C to 23 °C (54%), in cold climate: 12 °C to 18 °C (32,2%) and in the case of Ubaté Province, the warm season lasts 3,7 months (December - April), and the average daily high temperature is over 19°C. The warmest month of the year in Ubaté is May, with an average maximum temperature of 18 °C and a minimum of 10 °C. The cool season lasts 2.4 months, (June-September), and the average daily maximum temperature is less than 18 °C. The coldest month of the year in Ubaté is January, with an average minimum temperature of 7 °C and a maximum of 19 °C, the relative humidity ranges between 75…90% throughout the year.

Methodology for Dimensioning and Installation of Polyethylene Tubular Biodigesters

To calculate the design parameters of a tubular polyethylene biodigester, it is necessary to know the input data, and those that must be determined (Table 2).

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 considered.

The amount of daily biomass generated (Bmd), is determined through the following expression $B{m}_d=Ca\times Ce\times Rp\times Rt,kg{day}^{-1}$ :

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 stabling time with respect to the duration of the day, h/day

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 manure and water) (Vdm) is the sum of the residual and the dilution of the biomass (residual and water).

where:

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

Meanwhile, the volume of the biodigester (Vbiodig) is calculated considering the value of the volume of material (mixture of manure and water) Vdm that enters the biodigester and the retention time TRH.

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

where:

Y- Biogas yield, m³· kg^-1

The biogas yield (Y), is determined by the expression $Y=\frac{X}{C_e},m^3·{kg}^{-1}$ :

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.

Dimensioning of the Biodigester

For the correct dimensioning of the biodigester, it is necessary to determine the following parameters:

The obtained results 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

In order to determine the potential energy supply to be obtained based on the number of animals available, the following parameters must be determined:

To determine the energy contribution of the animal population in each production system, it is necessary to consider that for every 50 kg of swine, 2,25 kg of excreta are obtained, generating 0,10 m³ of biogas/day, and for every 350 kg of cattle (specifically dairy cows) 10 kg of excreta are obtained, generating 0,36 m³ of biogas/day, for the mixture a ratio of 1:1 excreta-water is established (for both species) and with a retention time recommended 40 days (Table 3).

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 dimensioning 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 in the farms: La Meseta, el Tibar and Santa Bárbara, the volume of the installed biodigester is not used to the maximum, in the case of the first two farms the number of animals does not cover the potential of the installed biodigester and in the case of the third, the installed digester only uses approximately 35 % of the energy potential to be obtained. In La Esperanza Agro-Environmental Unit, it can be seen that the installed biodigester is also not capable of assimilating the amount of biomass generated daily, so it could be considered to reduce the amount of bovine excreta supplied or to install a biodigester with greater capacity.

Based on the results obtained and shown in Table 4, the design of the appropriate biodigester for each production system was carried out, these results can be seen in Table 5.

As shown in Table 5, the biodigesters installed in the production systems: La Meseta and El Tibar, are oversized by 4,8 and 1,6 times, respectively; this element evidences the need to increase the daily biomass generated, which is achievable with the increase of animals in the herds, whether they are pigs or cattle. On the other hand, in the case of the biodigesters installed in the production systems: Santa Bárbara, El Mirador, La Saucita and La Esperanza, a sub-dimensioning is observed, showing that the biodigesters installed in these production systems have dimensions smaller than those that could potentially be installed, finding inferiority values ​​of 2,9; 1,97; 1,49; 2,04 times; these results indicate that in these scenarios, the number of animals used for biomass production is greater than that required with respect to the installed biodigester or that the installed biodigesters cannot take advantage of the biomass generated daily due to their capacity. In the specific case of the Santa Bárbara farm, it is evident that the volume of the biodigester installed is well below what should be installed, based on the number of existing animals and the amount of matter generated daily; this element considerably limits the energy potential, only in this specific case, the daily volume of biogas increases considerably and therefore, the potential energy savings would increase.

Caracterización de las áreas experimentales

La investigación se realizó en seis sistemas de producción ganaderos, cuatro de ellos perteneciente a productores privados y dos a la Universidad de Cundinamarca, de estos sistemas, cinco se localizan en la provincia Sumapaz y uno en la provincia Ubaté, en todos los escenarios se instalaron biodigestores con diferentes capacidades, con el objetivo de producir biogás y biofertilizantes.

La dieta del este ganado porcino estuvo compuesta por: 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) y en el caso del ganado bovino su dieta se compuso básicamente de pastos y forrajes.

Los pastos más comunes y utilizados en Colombia según Cardona (2012)CARDONA, M.J.: Módulo Pastos y especies forrajeras: Pastos y especies forrajes como sustento alimenticio más abundante y barato para bovinos., Ed. Fedegan, 2012, ISBN: 978- 958-8498-42-3. en el trópico bajo son el angleton, pangola y los pastos bracharias dependiendo la fertilidad de los suelos y su acidez, mientras que para el trópico alto los más comunes son el kikuyo, raigrás, azul orchoro y el brasilero. Los pastos en trópico bajo son ricos en energía, por lo tanto, el suplemento que se le debe dar al animal debe ser rico en proteína, mientras que, en el trópico alto, los forrajes contienen más proteína para lo cual se necesita optar por productos con alto contenido energético.

Los pastos nativos en términos generales son de bajo valor nutritivo y no proporcionan la cantidad de nutrientes adecuados para mantener una producción sostenida en las explotaciones bovinas. En esta situación el ganadero para continuar produciendo de manera continua (leche)tendría que complementar las deficiencias de los forrajes con el uso de alimentos que proporcionen la proteína al ganado, como la pasta de soya, harinolina, harina de pescado o de alfalfa, los cuales son productos que tienen precios elevados en el mercado, pero que son indispensables para obtener buena producción de carne y/o leche, por lo que es necesario buscar otras fuentes alternativas que le permita mantener la producción a un costo razonable (Bonilla et al., 2014BONILLA, J.A.; BUSTAMANTE, G.J.J.; VIDAL, D.M.L.: Manual de producción de Ganado lechero en el estado de Nayarit, Ed. Centro Nacional de Investigación Regional Pacifico, primera ed., México, Publicación Especial No. 1., 2014, ISBN: 978-607-37- 0387-1.).

La calidad y cantidad de los forrajes durante la época de verano en el trópico bajo y alto se reduce drásticamente provocando una disminución de la producción de leche, los ganaderos han decidido implementar estrategias utilizando suplementos, en el caso del trópico bajo se está optando por utilizar cultivos forrajeros como el ensilaje para reducir costos de producción de cultivos forrajeros y aumentar la producción de leche en época seca en un 15%, repercutiendo en una mayor rentabilidad y competitividad de los sistemas doble propósito, según Castro et al. (2016)CASTRO, R.E.; SIERRA, A.A.M.; MOJICA, R.E.; CARULLA, F.J.; LASCANO, A.C.: “Uso múltiple de leguminosas como abono verde, en rotación con maíz, y heno, para producción de leche”, Ciencia y Tecnología Agropecuaria, 17(1): 17-29, 2016, ISSN: 0122-8706.. Mientras que en el trópico alto se está utilizando la avena forrajera dorada porque es ideal para los predios ubicados entre 2 200 y 3 000 metros sobre el nivel del mar, ofreciéndoles a los bovinos la energía que necesitan para soportar la temporada seca (Villegas y Llanos, 2014VILLEGAS, P.; LLANOS, C.: Cultivar avena para ensilas, opción para predios lecheros especializados, [en línea], Contextoganadero, 2014, Disponible en:http://www.contextoganadero.com/reportaje/cultivar-avena-para-ensilar-opcionpara-predios-lecheros-especializados.).

Otra forma manejada por los ganaderos para incrementar la productividad del hato ganadero está en utilizar el sistema de pastoreo por rotación de potreros, el cual se basa en alternar de forma adecuada el periodo de uso con el tiempo de descanso del potrero, permitiendo que el forraje de cada potrero tenga un periodo de recuperación y la resiembra natural aumentando la producción del forraje para facilitar el control de las malezas (Ruiz, 2013RUIZ, E.: Guía Técnica: Manejo de pastos y rotación de Potreros, [en línea], Ed. Agrobanco, Perú, Agrobanco. Perú. 2013, Disponible en: http://www.agrobanco.com.pe/data/uploads/ctecnica/034-c-pasturas.pdf.).

Respecto al comportamientos de las variables climáticas, en el caso de la provincia Sumapaz, 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%) y en el caso de la provincia Ubaté, la temporada templada dura 3,7 meses (diciembre - abril), y la temperatura máxima promedio diaria es más de 19 °C. El mes más cálido del año en Ubaté es mayo, con una temperatura máxima promedio de 18 °C y mínima de 10 °C. La temporada fresca dura 2,4 meses, (junio- septiembre), y la temperatura máxima promedio diaria es menos de 18 °C. El mes más frío del año en Ubaté es enero, con una temperatura mínima promedio de 7 °C y máxima de 19 °C, la humedad relativa oscila entre el 75…90% durante todo el año.

Metodología para el dimensionamiento e instalación de biodigestores tubulares de polietileno.

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 2).

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.

La cantidad de biomasa diaria generada (Bm_d), se determina a través de la siguiente expresión $B{m}_d=Ca\times Ce\times Rp \times Rt, kg. {dia}^{-1}$ :

donde:

Ca- cantidad de animales; Ce-cantidad de excreta por animal, kg/día; 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

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).

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 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.

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

donde:

Y- rendimiento de biogás, m³. kg^-1

El rendimiento de biogás (Y), se determina mediante la expresión $Y=\frac{X}{C_{e }},m^3. {kg}^{-1}$ :

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.

Dimensionamiento del biodigestor.

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

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

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:

Para determinar el aporte energético de la población animal en cada sistema de producción, es necesario considerar que por cada 50 kg de cerdo se obtienen 2,25 kg de excreta, generándose 0,10 m³ de biogás/día, y por cada 350 kg de ganado bovino (específicamente vacas lecheras) se obtienen 10 kg de excreta, generándose 0,36 m³ de biogás/día, para la mezcla se establece una proporción de 1:1 de excreta-agua (para ambas especies) y con un tiempo de retención recomendable de 40 días (Tabla 3).

Sin embargo, en los sistemas de producción, fueron instalados biodigestores tubulares de polietileno, sin considerar la cantidad de animales existente y la cantidad de materia generada diariamente; este elemento limita considerablemente el aprovechamiento del potencial energético a obtener en cada uno de los escenarios (Figura 1).

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 las fincas: La Meseta, El Tibar y Santa Bárbara, no se aprovecha al máximo el volumen del biodigestor instalado, en el caso de las dos primeras fincas la cantidad de animales no cubre la potencialidad del biodigestor instalado y en el caso de la tercera el digestor instalado solo aprovecha aproximadamente el 35% del potencial energético a obtener. En la Unidad Agroambiental La Esperanza, se aprecia que el biodigestor instalado tampoco es capaz de asimilar la cantidad de biomasa generada diariamente, por lo que se podría valorar disminuir la cantidad de excreta bovina suministrada o instalar un biodigestor de mayor capacidad.

En función de los resultados obtenidos y mostrados en la Tabla 4, se realizó el diseño del biodigestor adecuado para cada sistema de producción, estos resultados se pueden apreciar en la Tabla 5.

Como se observa en la Tabla 5, los biodigestores instalados en los sistemas de producción: La Meseta y El Tibar, están sobredimensionados en 4,8 y 1,6 veces, respectivamente; este elemento evidencia la necesidad de incrementar la biomasa diaria generada, lo cual es lograble con el aumento de animales en los rebaños, ya sean porcinos o bovinos. En cambio, en el caso de los biodigestores instalados en los sistemas de producción: Santa Bárbara, El Mirador, La Saucita y La Esperanza, se aprecia un sub-dimensionamiento, evidenciándose que los biodigestores instalados en estos sistemas de producción poseen dimensiones inferiores a las que potencialmente podrían instalarse, encontrándose valores de inferioridad de: 2,9; 1,97; 1,49; 2,04 veces; estos resultados indican que en estos escenarios, la cantidad de animales empleados para la producción de biomasa es superior a la requerida respecto al biodigestor instalado o que los biodigestores instalados no pueden aprovechar la biomasa generada diariamente de debido a su capacidad. En el caso específico de la finca Santa Bárbara, se evidencia que el volumen del biodigestor instalado está muy por debajo del 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, solamente en ese caso específico el volumen diario de biogás se incrementa considerablemente y por ende se incrementaría el ahorro energético potencial.