Si bien toda materia orgánica es susceptible de convertirse en metano como consecuencia de la descomposición, el proyectista debe tener en cuenta primeramente el volumen gas que se obtendrá según el tipo de materia disponible, ver la tabla:
Es evidente que las dimensiones de nuestro biodigestor responderán no sólo al espacio libre que piensa utilizarse sino también al volumen deseado de gas, de acuerdo a las necesidades y el tipo de de desecho orgánico. En caso de combinar diferentes tipos de residuos, un promedio ponderado de sus valores correspondientes en la tabla de arriba nos ayudará a cuantificar una aproximación del volumen esperado de biogas por kilogramo de residuos producidos y sobre esta base tomar la decisión final de construir o no un biodigestor.
En el caso específico de utilizar estiércol humano o animal en la producción de biogas, tenemos una tabla especial:
Si la producción de biogas es inferior a la demanda (P menor que D), entonces no hay razón para instalar una planta. Hay sin embargo muchos otros factores que deben tenerse en cuenta, como un estudio costo-beneficio de la producción, evaluación de riesgos potenciales, etc. Es posible cuantificar aproximadamente el consumo dependiendo del tipo de dispositivo empleado y del tiempo. La tabla de abajo nos dará otra referencia:
Considerando todo esto pasamos a dimensionar nuestro biodigestor. Véase el esquema para tener un referente de lo que se hace: Un modelo básico (instalado bajo tierra para aminorar los cambios bruscos de temperatura) que puede servir de base para uno más sofisticado, con agitación y temperatura fija que se describirá más adelante. 
a. Volumen de la cámara colectora de gas = Vcb. Volumen de la cámara de almacenamiento de gas = Vgs
c. Volumen de la cámara de fermentación = Vf
d. Volumen de la cámara hidráulica = Vh
e. Volumen de capa de lodos = Vs
Volumen total: V = Vc + Vgs + Vf + Vh + Vs
El volumen total del biodigestor viene dado por la fórmula siguiente:V = 1,25(TR)x Sd
Donde “TR” es la abreviatura de “Tiempo de Retención” (en dias), que es aquel tiempo de permanencia de los residuos dentro del biodigestor. Hay diferentes criterios para determinar este tiempo (aunque de manera más empírica). Es mejor utilizar el criterio de la relación “temperatura vs. Tiempo” cuya gráfica puede verse debajo.
Naturalmente que la temperatura asumida (si no es regulada artificialmente) debe ser la más desfavorable del año (sumando 1 ó 2°C a la temperatura del suelo). La temperatura óptima promedio es 30°C.“Sd” es la cantidad (en volumen) de Sustrato, esto es, la mezcla de biomasa y agua. De esta forma:
Sd = Biomasa + Agua (en metros cúbicos por dia)
La cantidad de biomasa es simplemente el número de kilogramos o metros cúbicos por día de residuos producidos (en promedio). La cantidad total de sólidos orgánicos (no olvidemos que los residuos orgánicos constan de una fracción líquida y una sólida) contenidos deben bordear el 8% del total de sustrato para óptimos resultados en la fermentación. El cálculo se hará entonces, por regla de tres simple: Para 100 kg de sustrato (Sd) necesitamos 8 Kg de sólidos orgánicos, luego, para 1 kg de sólidos requerimos de (100/8) kg de sustrato.
La cantidad de sustrato (Sd) se obtendrá multiplicando la cantidad de biomasa por la cantidad porcentual de sólidos totales contenidos (TS) por la fracción (100 / 8).
Para determinar aproximadamente estos valores, las tablas abajo consignadas nos serán de muchísima utilidad:
La cantidad de agua se obtiene por diferencia (Agua = Sd – biomasa)
El producto (TR)x Sd es el volumen de trabajo del biodigestor :
(TR)x Sd = Vgs + Vf
Una vez que se ha calculado el volumen total, pasaremos a dimensionar nuestro biodigestor (independientemente de los materiales empleados en su manufactura). con las fórmulas consignadas abajo, obtendremos los diámetros y radios de curvatura :
La constante K, es la relación volumen de biogas producido al dia por el volumen del biodigestor. Como el volumen de almacenamiento Vgs suele estar entre el 40 y 60% de la producción diaria en volumen, tenemos K = (0,4 - 0,6). En Bangladesh se considera K = 0,4 pero es posible asumir K = 0,5 ó 0,6 haciendo un estimado “a priori” de consumo.
EJEMPLO DE CÁLCULO:
Tenemos un establo donde criamos 6 vaquitas lecheras (cows) con un peso promedio de 200 kg. c/u. Deseamos diseñar una planta de biogas sencilla (biodigestor y cámara hidráulica):
Solución:
Basándonos en las dos primeras tablas y el gráfico tenemos:
Tiempo de retención (HRT) : 40 dias (T = 30°C)
Deposición total en promedio: 10 x 6 = 60 kg/dia
Contenido total de sólidos (TS): 60 x 0,16 = 9,6 kg/dia
Total de sustrato en kg (Sd) = 100 x 9,6/8 = 120 kg/dia
La cantidad de agua que se agregará para lograr el 8% de sólidos totales = 120 – 60 = 60kg/dia x (1 metro cúbico/ 1000 kg) = 0,06 metros cúbicos/dia. (recuérdese que para el agua 1 metro cúbico = 1000 kg)
El volumen de nuestro biodigestor según la fórmula indicada más arriba será:
V = 1,25(120kg/dia)(1metro cúbico/1000kg)(40dias) = 6 metros cúbicos.
El volumen de trabajo será :
Vf + Vgs = (120kg/dia)(1 metro cúbico/1000kg)(40 dias) = 4,8 metros cúbicos.
Ahora reemplazando V en la fórmula respectiva tenemos:
D = 2,376 m ≈ 2,4 m
Luego calculamos las demás cotas:
f1 = 0,480 m.
R1 = 1,74 m.
V1 = 1,143 metros cúbicos
f2 = 0,3 m
R2 = 2,55 m
Vc = 0,3 metros cúbicos.
Gráficamente nuestro biodigestor tendrá las sgtes. dimensiones:
H se calcula igualando las fórmulas:
Poniendo H en función de D, tenemos: H = 0,96m ≈ 1 m.
Dimensionado de la cámara hidráulica:
Vc = 0,05 V = 0,3 metros cúbicos
Vgs = 0,5 (Vgs + Vf + Vs )K ……….(Asumiendo K = 0,4)
Vgs = 0,5 x 5,7 x 0,4 = 1,14 metros cúbicos.
Por otro lado se recomienda:
Vgs = 50% de la tasa de producción diaria de biogas
Vgs = 0,5 x TS x (nivel de gas producido por kg de sólidos totales (TS), ver tabla 3)
De este modo calculamos:
Vgs´ = 0,5 x 9,6 x 0,26 = 1,344 metros cúbicos.
Siendo Vgs´ mayor que Vgs, elegimos el primero.
Luego:
Vc + Vgs = 0,3 + 1,344 = 1,644 metros cúbicos.
De los gráficos se observa que:
Reemplazando datos y despejando, se tiene que H1 = 0,110 m.
Establecemos la presión atmosférica como : h = 800 mm de columna de agua (1mm = 10 Pa).
Del gráfico de la planta hemos indicado:
h = h3 + f1 + H1
Reemplazando datos y despejando obtenemos: h3 = 0,210 m
Y como Vgs = VH:
De donde DH = 2,85 m.
Finalmente tenemos la cámara hidráulica dimensionada:
Hay otros dos parámetros de operación del biodigestor, que son de importancia relevante para el óptimo funcionamiento y deben ser necesariamente medidas para ser comparadas con los valores calculados o recomendados en las tablas respectivas.
El primero de ellos es simplemente la constante “K” arriba mencionada y se denomina “PRODUCCIÓN ESPECÍFICA DE GAS” definida por Gp, donde:
Gp = G / Vd (metros cúbicos de gas al dia / metros cúbicos del biodigestor)
El segundo parámetro es la “CARGA DEL BIODIGESTOR”: Ld, que es la entrada de sólidos totales (TS) ó volátiles (VS):
Ld = Kgs. De TS ó VS / metros cúbicos del biodigestor.
Materiales para biodigestores:
El material más económico, y tal vez, el más utilizado en la mayoría de países para los biodigestores rurales es el polietileno tubular transparente (espesor entre 200 a 250 micras). En este caso, el dimensionado se reduce a calcular el volumen general “V” y sobre la base aproximada de un cilindro se determinan la longitud (L) y el diámetro (D).
En el caso de los depósitos de acero se utilizarán planchas de acero inoxidable a partir de 1mm de espesor, según las dimensiones finales obtenidas más arriba y teniendo en cuenta aspectos estructurales y de seguridad cuando se vayan a construir instalaciones de grandes dimensiones, como las utilizadas en la industria.
Conocido el volumen general y en caso de que trabajemos con materiales de mampostería (ladrillos, cemento, etc.) podemos basarnos en la tabla siguiente para tener un dimensionado más rápido, desde luego que debemos “acoplar” nuestro volumen al entero más próximo entre 4 y 10 metros cúbicos:
La necesidad me obliga una vez más a dividir el tema en capítulos, por ello este primer artículo responde a sólo dos aspectos que son elementales pero muy importantes en el diseño de los biodigestores: El dimensionado y los materiales recomendados. En los siguientes artículos seguiremos con las especificaciones las plantas de biogas.
Cuando transcurre el mes que más visitas ha tenido este pequeño rincón del ciberespacio, anuncio que desde algunas semanas ya contamos con un grupo de Facebook, donde se pueden hacer sugerencias, comentarios y discusiones en torno a los artículos. Sean todos bienvenidos y hasta el mes que viene.
Referencias:
1) Bangladesh Biogas Technology (Renewable Energy & Environmental in Formation Network - www.reein.org)
2) Manual para Producción de Biogas (Ing. Jorge A. Hilbert - Instituto de Ingeniería Rural - Castelar)
3) Tecnología del Biogas (Juan Pablo Silva Vinasco - Universidad del Valle - Facultad de Ingeniería Ambiental - Colombia).
