Solving the proto-entrepreneurial problem

Los sustratos típicos de un digestor rural son los residuos de las actividades agropecuarias y agrícolas: excretas animales, residuos agrícolas, rastrojos vegetales, paja, heno, hierba, algas y otras plantas acuáticas, granos y semillas averiadas, residuos de mataderos, residuos de actividades productivas y transformativas, residuos orgánicos domésticos. Puede usarse la AD también para tratar las aguas residuales. La composición química del sustrato influencia las características de la AD [Tabla 4-4].

Tabla 4-4 Influencia de diferentes compuestos sobre la digestión anaeróbica [72].

Los digestores realizados en Yanaoca utilizan excrementos vacunos como sustrato principal, pudiendo recibir también excrementos de otros animales y excretas humanas (en un caso se ha instalado una letrina conectada al digestor). Por excretas se entiende el conjunto de las heces y de la orina producidas por el animal. En la mayoría de los casos los establos de las zonas andinas carecen de sistema para recolectar la orina, infiltrándose en el subsuelo. La orina influye mínimamente sobre la cantidad de biogás producida, por su

bajo contenido en materia orgánica. Puede pero ser útil como fuente de nitrógeno, y otros microelementos catalizadores de la AD. Recolectar la orina además permite ahorrar parte del agua necesaria a la dilución de los excrementos.

Ilustración 4-9 Productividad de varios residuos animales, útil para una primera estimación de la producción de biogás de un digestor [73].

Cada sustrato usado en la AD tiene una parte liquida y una sólida. La cantidad de sólidos presente es determinada secando el sustrato a una temperatura de 103-105º C: el residuo representa la cantidad de sólidos totales (TS). Quemando ulteriormente este residuo a una temperatura de 550 ± 50º C se puede determinar la cantidad de sólidos volátiles (VS) y sólidos fijos (cenizas) [12]. Una alternativa para medir el % TS en el campo es a través de un hidrómetro, como se describe en [74]. Se inserta el hidrómetro en el lodo, homogeneizado con agua, y se convierte la gravedad específica en % TS mediante una tabla empírica [Ilustración 4-10].

Ilustración 4-10 Relación empírica entre gravedad especifica (Baume) medida mediante un hidrómetro, y el %TS en la mezcla [74].

La cantidad de VS es generalmente usada como indicación de la cantidad de materia orgánica en el sustrato, por lo tanto de la parte del sustrato que en principio puede convertirse en biogás. Los TS comprenden también los inertes (cenizas) y entonces la cantidad de TS, respecto a los VS, puede servir como indicación de la tendencia del sustrato a crear sedimentos no biodegradables al interior del digestor. Otros parámetros (COD, BOD) se usan para describir la carga orgánica del sustrato, sobretodo en el tratamiento de aguas residuales donde es importante controlar la calidad del efluente, pero no verán utilizados en este trabajo. Una relación empírica [75] reporta: 1 g VS = 1.2 g COD +/- 0.1.

La composición y la cantidad de los excrementos dependen de la especie animal, de su raza, de su edad, del tipo y la cantidad de la alimentación, de la eficiencia con la cual el animal utiliza los alimentos para el crecimiento y la producción (leche, huevos…), del tipo de cría, de la recolección de los excrementos [76][77]. En las excretas se encuentran los alimentos y los metabolitos que no han sido absorbidos, y microorganismos digestivos vivos y muertos. Salo (1965, citado en [78]) reporta que hasta la tercera parte de la heces bovinas está compuesta por células bacterianas. Los componentes principales son: carbohidratos, lignina, proteínas, lípidos [Tabla 4-5].

%VS (g/g TS)

VFA Proteínas Lípidos Carbohidratos (incluye celulosa y emicelulosa) Lignina B0 (lCH4/kg VS) Biodegradabilidad % (B0/Bu) Vaca lechera 89.5 % 36 150 69 625 120 148 32% Porcino 84.8 % 72 228 137 512 49 275 69% Paja de trigo 95.9 % 0 38.4 24 859 78 195 45%

Tabla 4-5 Composición, en g/kg VS, de los excrementos vacunos, porcinos y de la paja de trigo. Según Molller (2004, [77]).

A partir de la composición química exacta se puede determinar la cantidad teórica de metano que el sustrato puede producir (Bu), mediante la formula de Buswell [77]. Lípidos y proteínas presentan una producción potencial de metano mayor que los carbohidratos (respectivamente: 1014 l/kg, 496 l/kg, 415 l/kg [77]). El potencial bioquímico B0 (llamado también rendimiento último) es pero diferente: no toda la materia orgánica es efectivamente biodegradable por las bacterias (en particular la lignina y la celulosa en forma cristalina). Es posible determinar el potencial bioquímico del sustrato en laboratorio, conduciendo la AD en condiciones óptimas de temperatura, sin efectos inhibitorios y con un largo tiempo de retención (hasta que se anule la producción de metano). El procedimiento de laboratorio es descrito en [79].

En la práctica la conversión a metano del sustrato es todavía inferior a B0, por una serie de razones [79]:

• En los digestores sin retención de la biomasa, como el PTD, una fracción del sustrato es utilizada para sintetizar nueva biomasa bacteriana, típicamente el 5-10% del sustrato degradado.

• Operando con un tiempo de retención limitado, por razones económicas de la instalación, una parte del sustrato se pierde en el efluente, típicamente el 10%. A bajas temperaturas el efecto puede ser mayor. Según Wellinger (1985, citado en [80]), a temperaturas psicrofílicas el rendimiento ultimo del estiércol vacuno es del 30% inferior respecto a temperaturas mesofílicas.

• Una parte del sustrato no es inmediatamente accesible a los microorganismos, ya que es presente en partículas o aglomerados con reducida superficie específica para el ataque microbiano.

Con sustratos extremamente líquidos y solubles, se pueden obtener valores de conversión de hasta el 90% de Bu; en el caso de sustratos con partículas y compuestos no degradables, como el caso de los excrementos vacunos, la conversión baja a 30 – 60 % [79].