[3] proporciona información acerca del poder calorífico inferior, teniendo en cuenta residuos vegetales, hojas y tallos, con un valor de 9001 kJ/kg.

Por tanto, tomando la información anterior y relacionándola con la cantidad de desechos producidos por la empresa en un mes, de las 5 variedades de mayor producción (2,105 t) se podría estimar el potencial energético.

Es importante retirar la humedad que se encuentra en la biomasa residual, con el fin de que el proceso de descomposición sea más eficiente, debido a que entre más agua esté presente, es necesaria más energía para su evaporación y se obtiene menor poder calorífico.

Según la humedad presente en las variedades estudiadas, se calculó el porcentaje de biomasa seca:

Girasol: cuenta con un 52,9 % de humedad por cada kg [3]. Por tanto:

Ecuación 1

Hortensia: cuenta con un 57,2 % de humedad por cada kg [3]. Por tanto:

Ecuación 2

Aster: cuenta con un 29,7 % de humedad por cada kg [3]. Por tanto:

Ecuación 3

Stock: o flor de alhelí, pertenece a la familia de las Erysimum. De esta familia de plántulas se tiene información sobre la Eringio, la cual cuenta con una humedad del 46,4 % [3]. Es considerado este nivel de humedad, ya que son plántulas de la misma familia.

Ecuación 4

Snapdragon: no cuenta con datos literales de humedad. Al ser una plántula de gran similitud al stock y al girasol, en cuanto a forma de planta, cuidados y riego, es estimada una humedad promedio de las variedades mencionadas.

Ecuación 5

Con este valor teórico se procede a calcular el valor de la biomasa seca:

Ecuación 6

El cálculo necesario para lograr la estimación del potencial energético de los residuos se logra a partir de la siguiente ecuación:

Ecuación 7

Al conocer el promedio de biomasa seca de los residuos generados, es posible estimar el potencial energético teórico.

Ecuación 8

Ecuación 9

Ecuación 10

Ecuación 11

La biodigestión es un proceso bioquímico mediante el cual se obtiene biogás. Con el paso de los años, se ha convertido en una fuente de energía alternativa y renovable. Su componente principal es el gas metano, generado a través de la descomposición anaeróbica de la materia orgánica. En este caso, biomasa vegetal. La biodigestión es un procedimiento totalmente natural que ocurre en cualquier ámbito donde se tenga que descomponer biomasa. Todo este desarrollo se tiene que llevar a cabo en un entorno húmedo (figura 3).

Figura 3

Lo que busca este proceso de biodegradación es acelerar la oxidación de la materia orgánica, quitándole el oxígeno presente en el entorno. Este proceso genera una mezcla de diferentes gases donde predomina el metano, el cual es un gas inflamable y que, gracias a diferentes adecuaciones, puede utilizarse como fuente de energía en cualquier cocina o calefactor [4].

Para este tipo de aplicación de flujo semicontinuo se eligió un biodigestor de tipo bolsa, ya que, al comparar factores como el costo, la instalación y el mantenimiento, es más viable que otros tipos de biodigestores, como tipo campana fija o flotante, que, a pesar de ser usados usualmente en este tipo de sistemas de aprovechamientos, no logran satisfacer estos factores (figura 4).

Figura 4

El tiempo de retención indica cuánto se tiene que dejar la biomasa en fermentación dentro de la cámara y está directamente relacionado con la temperatura ambiente.

Se sabe que la temperatura promedio del municipio de Sesquilé es de 18 ºC, así que se interpola para este dato y se obtiene que el tiempo de retención para la fermentación de la biomasa son 51 días (tabla 1).

tabla 1

Existen cinco parámetros para tener en cuenta en el diseño de un biodigestor [5]:

• Volumen del digestor.

• Volumen de la cámara de fermentación.

• Volumen de la campana.

• Volumen de carga.

• Tiempo de retención.

Para el cálculo del volumen del digestor es utilizada la siguiente expresión empírica:

Ecuación 12

Donde Tr es el tiempo tomado por las bacterias para la degradación de la materia (tiempo de retención). Por tanto:

Ecuación 13

Así, la cantidad de materia orgánica disponible es de 70 kg diarios, el tiempo de retención es 51 días, y debido al trabajo con residuos vegetales, se tomará el promedio de una relación 1:3,5 de biomasa/agua [7].

El volumen de la cámara de fermentación está constituido por un 75-80 % del volumen del digestor; por tanto, dicho volumen sería:

Ecuación 14

El volumen de la campana está constituido por un 2025 % del volumen del digestor; por tanto, dicho volumen sería:

Ecuación 15

De lo planteado, se obtiene que el volumen total del digestor será la suma del volumen de la cámara de fermentación y el volumen de la campana .

Otros parámetros constructivos también son la altura de la cámara de fermentación y su diámetro.

Empleando la fórmula del volumen de un cilindro para el cálculo del volumen de la cámara de fermentación, se obtiene la siguiente expresión:

Ecuación 16

De la cual es posible despejar el valor del diámetro de la cámara de fermentación:

Ecuación 17

De [7] se obtienen las longitudes y los diámetros aproximados de un biodigestor tipo bolsa. Con estos datos se iteraron varias longitudes hasta obtener las dimensiones de una bolsa comercial de 10 m × 1,2 m (tabla 2).

tabla 2

En cuanto al llenado de biomasa para el biodigestor, se escogió un modelo semicontinuo, donde semanalmente se abastecerá el biodigestor con la materia orgánica disponible (aproximadamente 490 kg).

Para diseñar el biodigestor y sus componentes, es importante estimar cuánto biogás produce este proceso de digestión. Para lograr el cálculo se puede aplicar una fórmula química aproximada, donde es importante conocer la composición elemental a los residuos (tabla 3).

tabla 3

Teniendo en cuenta las características físicas y químicas de los residuos pertinentes a este estudio, considerado perteneciente al componente de los residuos sólidos urbanos orgánicos o residuos de jardín, los cálculos se obtuvieron tomando los valores de porcentaje en peso de C, H, O, N, S y cenizas citados en la tabla 3.

Los residuos de jardín se consideran rápidamente biodegradables, ya que sus tiempos de degradación son inferiores a un año. Para este cálculo es necesario hacer una sumatoria de todo el peso húmedo y seco de toda la biomasa (tabla 4).

tabla 4

Con estos datos se encuentra la composición en kilogramos de los elementos que componen la biomasa, como se observa en la tabla 5.

tabla 5

Con la composición de las masas obtenidas, se calcula la composición molar de cada uno de los elementos, exceptuando la ceniza, como se ilustra en la tabla 6.

tabla 6

Luego, con esta información, es posible hacer una relación molecular de las masas orgánicas y la biomasa en su base seca, como se muestra en la tabla 7.

tabla 7

Posterior a esto, se halla la masa molar presente en la biomasa. Es importante destacar que este cálculo se obtiene sin el azufre, para poder aplicar un balance de masa:

Ecuación 18

que correspondería a una masa molar de

Ecuación 19

Con estos datos se aplica el balance de masa, para posteriormente poder calcular el volumen del biogás [8]:

Ecuación 20

Donde a = 16; b = 24; c = 10; d = 1

Ecuación 21

Una vez realizado el balance de masa se necesita determinar el volumen del metano y de dióxido de carbono con la siguiente ecuación [8], para poder dar un valor teórico al volumen del biogás:

Ecuación 22

Ecuación 23

Ahora, para determinar el volumen de biogás generado por kilogramo:

Ecuación 24

Al conocer la cantidad de materia orgánica desechada diariamente (70 kg), es posible calcular la cantidad de biogás producido en un día, de la siguiente manera:

Ecuación 25

Para el diseño del biodigestor es importante un método de filtración que permita retirar el azufre presente en la mezcla (figura 5). Para esto se desarrolla un filtro que funciona a partir de absorción con limadura de hierro, la que se encarga de absorber el azufre en una columna de purificación [9].

Figura 5

Por otra parte, en cuanto al sistema para la deshidratación del gas, se selecciona también un sistema de absorción. La deshidratación por absorción consiste en remover el vapor de agua del gas a través del contacto íntimo con un desecante líquido. El contacto tiene lugar en una torre empacada o de platos (figura 6). Los glicoles son los desecantes líquidos más efectivos, siendo el trietilenglicol el más efectivo de todos, debido a que logra mayor depresión del punto de rocío y tiene bajos costos de operación [10].

Figura 6

Se comparó el biogás obtenido con el gas utilizado (propano) para determinar si el biogás producido cumple en su totalidad con la demanda de la empresa con la utilización de los calefactores.

En la tabla 8 se puede observar la comparativa del biogás con otros gases, como el gas natural, propano, metano e hidrogeno, haciendo énfasis en su valor calorífico.

tabla 8

Como se puede observar, el gas propano posee un valor calorífico 3,7 veces superior al biogás, por lo que, al utilizarlos en la misma aplicación, en este caso, calefactores de gas, es necesaria una cantidad de biogás 3,7 veces mayor al propano, para el mismo funcionamiento de los quemadores.

Se conoce que el consumo de gas propano de un calefactor es 0,108 m³/h. Así se puede saber el valor teórico del consumo de biogás en estos artefactos:

Ecuación 26

Con este dato, se calcula el volumen diario de propano que se necesita para el funcionamiento de los invernaderos:

Ecuación 27

La época de heladas se compone en promedio de 20 días en el año, donde los calefactores necesitarían 1036,4 Nm³ de gas propano:

Ecuación 28

Debido a que son necesarios 3,7 veces más biogás para el mismo trabajo, los quemadores necesitarían (1036,43,7) = 3836,16 de biogás para el mismo funcionamiento en el periodo de la helada.

Conociendo la cantidad de biogás producida diariamente y la cantidad de biogás necesaria para los 20 días de helada (3836,16 Nm³) se pueden saber los días necesarios para la obtención de dicho biogás:

Ecuación 29

Puesto que el biogás producido diariamente (67,2 Nm³) supera la necesidad diaria, no es necesaria la selección de un tanque de almacenamiento para biogás. Por otra parte, se piensa en la utilización de una bolsa auxiliar para el almacenamiento del combustible sobrante, para diferentes procesos, como la cocción y la calefacción de alimentos.