Diseño de una planta de producción de biogás - Centro@Ciencia ...

Centro Azúcar 32(1): 50-56, enero-marzo, 2005
Diseño de una planta de producción de
biogás
José Antonio Fabelo Falcón,* Vicente González Rodríguez, Alfredo
Curbelo Sánchez, Yailety Bello Rosa; Facultad de Química y
Farmacia, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Recibido: febrero/2004 Aprobado: agosto/2004
Con los datos obtenidos en la Granja Estatal “Remate Ariosa”, que pertenece
a la “Empresa Porcina Villa Clara”, se realizó este trabajo que aquí se expone.
El objetivo principal fue el diseño de una Planta de Producción de Biogás
utilizando como materia prima parte del estiércol generado en el centro y
ampliar este estudio por medio de la simulación del proceso a otras
capacidades hasta emplear toda la materia prima disponible. En el estudio
realizado se parte de la documentación preparatoria para el proyecto y se
realiza un balance entre la capacidad de producción y el mercado. Además,
contiene la selección, dimensionamiento y los balances de masa, los
resultados obtenidos de la disposición en planta de los equipos y el diagrama
de flujo. En este trabajo también se pueden encontrar los costos de inversión
y de producción y el cálculo de la ganancia y el período de pago, tanto para
la capacidad fijada como para otras capacidades de producción obtenidas
por la simulación.
Palabras claves: Biogás, proceso anaeróbico, digestores
Designing a Biogas Production Plant
The present work has been carried out with the data obtained from the “State
Farm Remate Ariosa”, belonging to the “Empresa Porcina Villa Clara”. The
main objective of the study was the design of a Plant of Production of Biogas
using as raw material part of the manure generated in the center; and to
extend this study to other capacities by means of the simulation of the
process until the whole raw material available is used. The carried out study
starts with the preparatory documentation for the project and is achieved a
balance between the production capacity and the market. It also contains
the selection, dimensioning and the balances of mass, as well as the obtained
results of the disposition of the equipment in the plant and the flowchart. In
this work also the investments costs and of production are included, and
the estimation of the profit and payback period, both for the capacity fixed
as for other production capacities obtained by the simulation.
Key words: Biogas, Process, Anaerobic, Digesters
*Dr. de la Facultad de Química y Farmacia de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara,
Villa Clara. E-mail: fabelo@qf.uclv.edu.cu.
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INTRODUCCIÓN
Los desechos porcinos pueden ser tratados por digestión
anaerobia para obtener biogás, el que se emplea
como combustible. El biogás que se producirá
estará destinado a satisfacer las necesidades energéticas
de parte de la población de la localidad.
Las plantas de producción de biogás pueden utilizar
diferentes alternativas tecnológicas, entre las que se
encuentran: 1,2.3,4
a) Utilizar un biodigestor anaerobio de cúpula fija.
b) Utilizar un biodigestor anaerobio de campana flotante.
c) Utilizar un biodigestor anaerobio tubular de bolsa
de polietileno.
d) Utilizar un biodigestor UASB.
e) Realizar el proceso en un solo digestor en donde
ocurra la acidogénesis y la metanogénesis.
f) Realizar el proceso en dos digestores de forma
que estas dos etapas no se afecten mutuamente.
El digestor que brinda mayor eficiencia es el UASB,
pero se utiliza solo para la digestión de residuales líquidos.
El biodigestor de campana flotante es adecuado
para estas plantas y brinda buenos valores de producción,
calidad y eficiencia. Los reactores de cúpula
fija son difíciles de operar por las altas presiones que
alcanzan y requieren un control estricto y la especialización
de los operarios para que no se produzcan
accidentes fatales. 3
DESARROLLO
En este trabajo se analiza el diseño de una planta de
producción de biogás utilizando como materia prima
el estiércol de cerdos de una empresa porcina. La descripción
de las etapas del proceso se realiza a partir de
los balances de masa en las etapas fundamentales.
En esta etapa se realiza una dilución de la DQO, DBO,
SST y SSV para facilitar la acción de los microorganismos
sobre la materia orgánica (ver figura 1).
Figura 1
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En la digestión ocurre la conversión anaerobia (ver
figura 2) de un material orgánico en metano y dióxido
de carbono, en reacciones en que están implicadas
un número considerable de especies bacterianas.
En la primera, la acidogénica, las bacterias degradan
la materia orgánica formando ácidos de bajo
peso molecular, y en la segunda, la metanogénica,
donde se produce la mayor parte del metano. 8,9
Figura 2
La etapa de purificación del biogás se realiza para
eliminar el H 2 S (g) , por resultar muy agresivo para
los materiales de construcción, el hombre y el medio
ambiente (ver figura 3).
Figura 3
La selección del equipamiento se realizó a partir de
los resultados del balance de materiales y de las
características de las sustancias a procesar. Como
resultado se seleccionaron dos bombas centrífugas,
ya que se van a tratar fluidos poco viscosos, poco
corrosivos y que pueden tener sólidos en suspensión.
Para el disolutor se escogió un tanque de fondo
cilíndrico, ya que son menos costosos y se ajustan
a las exigencias del proceso. 10,11,12,13
Se seleccionó el agitador de paletas que es clásico
en la industria química, que produce agitación moderada
y cubre un amplio rango de viscosidades,
por lo que es adecuado para esta planta.
Los digestores anaerobios pueden ser de cúpula fija
y de campana flotante, entre otros. En la tabla 1 se
muestran las principales características de dos tipos
de estos reactores.

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Tabla 1
Se seleccionó el digestor de campana flotante porque ofrece una mayor seguridad en la operación y un
manejo fácil y razonable. En la figura 4 aparece el diagrama de flujo de la planta.
Figura 4. Diagrama de flujo de la Planta de Producción de
Biogás
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Dimensionamiento de los equipos
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En la tabla 2 se puede ver un resumen de los resultados del dimensionamiento de los equipos y al final de
la misma la designación de cada equipo que se ha dimensionado.
Tabla 2. Resumen de los resultados del dimensionamiento de los equipos
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Tabla 2. Continuación ...
El proceso de simulación permite conocer
cómo se comporta la producción
de biogás, el costo de cada kilogramo
de biogás, el costo del equipamiento,
el costo total de producción, la ganancia
y el período de pago de la planta si
se cambia considerablemente su capacidad
al aumentar la cantidad de materia
prima a procesar. 6,7 En las tablas 3
a), b), c) y d) se muestran los resultados
de la simulación realizada.
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Tabla 3 b)
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Tabla 3 a)

Tabla 3 c)
Del análisis de la simulación se puede apreciar que
al aumentar la cantidad de materia prima a procesar
aumenta la producción de biogás de forma equitativa,
lo que permitiría abastecer una mayor cantidad
de núcleos familiares.
Para aumentar la capacidad de producción de la
planta es necesario aumentar el número de digestores
y de tanques colectores, así como la capacidad de
los demás equipos de la planta, aumentando con
esto su costo de inversión. Al aumentar la producción
aumenta la ganancia y el costo por kilogramo
de biogás se mantiene constante. Al analizar la ganancia
en función del ahorro de los combustibles
que el biogás sustituye no se obtienen ganancias.
Si se analiza la ganancia como la suma del ahorro,
más el valor de la producción, menos el costo de
producción, es necesario vender el biogás a 0,9 $/
kg para obtener ganancias y que el período de pago
para cualesquiera de las capacidades estudiadas,
menos para el procesamiento del estiércol de menos
de 800 cerdos, sea menor de cinco años.
Si se quiere que una planta procese los desechos
de menos de 800 cerdos, el período de pago será
de seis años o más, o tendría que aumentarse el
precio de venta para recuperar en menor tiempo.
Si se analiza la ganancia como el valor de la producción
menos el costo de producción, sin tener en
cuenta el ahorro, para que la planta recupere la
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Tabla 3 d)
inversión en cinco años, es necesario vender el
biogás a 1,25 $/kg, lo que corresponde a que una
familia de tres personas debe pagar por su cuota
del mes $ 51,00. En cualquiera de los dos casos en
que se analiza la ganancia el precio de venta del
kilogramo de biogás para recuperar la inversión en
menos de cinco años es superior al precio de venta
del gas embotellado que es de 0,77 $/kg.
CONCLUSIONES
1) Para una población que tenga como promedio
tres personas por núcleo con el biogás producido
con los desechos de 800 cerdos se pueden
abastecer 61 núcleos, disminuyendo el consumo
en 115 L de alcohol y 549 L de kerosén,
que equivalen a un ahorro de 7 954,28 $/año.
2) Si se disminuye la capacidad de la planta a menos
de 1 600 kg/d de estiércol procesado para
un precio de venta de 0,9 $/kg, y analizando el
ahorro, el período de pago aumenta por encima
de cinco años.
3) Si se disminuye la capacidad de la planta a menos
de 1 600 kg/d de estiércol procesado, para
un precio de venta de 1,25 $/kg, y no analizando
el ahorro, el período de pago es menor de
cinco años.
4) Para los aumentos de capacidad estudiados,
con cualesquiera de los dos estudios, el período
de pago es menor de cinco años.

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FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS
1) Anónimo: El biogás: construcción de unidades perfeccionadas, Roma, 1986.
2) Anónimo: El biogás: producción y utilización, Roma, 1983.
3) Conde Díaz, Y. A.: “Estudio técnico económico de la planta de biogás de la destilería
‘Heriberto Duquesne’”, 2001.
4) Fernández Santana, Elina: “Metodología de bajo costo para disminuir la concentración
de H 2 S (g) en el biogás”, tesis doctoral, 1999.
5) González Rodríguez, V. y otros: Análisis de inversiones y proyectos en la
ingeniería química. Primera parte, Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, Santa Clara, 1987.
6) http://europa.eu.int/comm/energy_transport/atlas/htmlu/adint.html
7)http://www.elhabanero.cubaweb.cu/2003/septiembre/nro763_03sept/
econ_03sep200.html
8) Kasatkin, A. G.: Operaciones básicas y aparatos en tecnología química, t. I y
II, Ed. Pueblo y Educación, Ciudad de La Habana, Cuba, 1986.
9) Levenspiel, O.: Ingeniería de las reacciones químicas, Ed. Pueblo y Educación,
1985.
10) Perry, R.: Chemical Engineering Handbook, Edición Revolucionaria, Cuba, 1970.
11) Rosabal, J. M.: Hidrodinámica y separaciones mecánicas, t. I y II, Ed. Pueblo
y Educación, Cuba. 1990.
12)Tiunderjj, H.: “Producción de biogás siempre más atrayente”, Agro-Holanda IBVL
6, 1981.
13)Treybal, R. E.: Operaciones con transferencia de masa, t. II, Ed. Pueblo y
Educación, Cuba, 2002. l
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