Mariño_Parada_Daniela_2019

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DESARROLLO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN 
UN BIODIGESTOR DE FLUJO DISCONTINUO EN CONDICIONES 
MEDIOAMBIENTALES DE CAMPUS CHÍA, UNIVERSIDAD EL BOSQUE 
 
 
 
 
 
 
 
 
DANIELA MARIÑO PARADA 
LAURA VALENTINA RIVERA DUARTE 
ANGIE MELISSA VILLANUEVA OSPINA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD EL BOSQUE 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
PROGRAMA DE BIOINGENIERÍA 
BOGOTA D.C. 
2021 
 
 
 
 
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN UN 
BIODIGESTOR DE FLUJO DISCONTINUO EN CONDICIONES 
MEDIOAMBIENTALES DE CAMPUS CHÍA, UNIVERSIDAD EL BOSQUE 
 
 
 
 
 
 
DANIELA MARIÑO PARADA 
LAURA VALENTINA RIVERA DUARTE 
ANGIE MELISSA VILLANUEVA OSPINA 
 
 
 
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de: 
BIOINGENIERO 
 
 
Tutor: 
Diana Astrid Fajardo Sua 
 
 
Cotutor: 
Yudtanduly Acuña Monsalve 
 
 
 
Modalidad: 
Desarrollo de Producto enmarcado en proyectos de la Facultad de Ingeniería 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD EL BOSQUE 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
PROGRAMA DE BIOINGENIERÍA 
BOGOTA D.C. 
2021 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Nota de aceptación: 
 _______________________________ 
 _______________________________ 
 _______________________________ 
 _______________________________ 
 _______________________________ 
 
 
 
 
 _______________________________ 
 Director del trabajo de grado 
 
 
 
 _______________________________ 
 Jurado 1 
 
 
 
 
 _______________________________ 
 Jurado 2 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A nuestros padres por guiarnos, acompañarnos durante todo el proceso formativo. 
Por ser los promotores de nuestros sueños, creer y querer siempre lo mejor para 
nosotras. 
 
A Dios por permitirnos terminar esta etapa de crecimiento académico. También, por 
brindarnos la sabiduría, paciencia y serenidad para culminar el proyecto. 
 
Agradecemos a nuestras tutoras por creer en nosotras y acompañarnos durante 
todo este proceso. 
 
A nuestros demás familiares, amigos y demás conocidos que nos han motivado y 
aconsejado durante nuestro crecimiento personal y académico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 TABLA DE CONTENIDO 
 
 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 15 
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ....................................................................... 17 
1.1 ÁRBOL DEL PROBLEMA ....................................................................... 18 
2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 19 
3. OBJETIVOS .................................................................................................... 21 
3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 21 
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 21 
4. MARCO REFERENCIAL ................................................................................. 22 
4.1 MARCO TEORICO ................................................................................... 22 
4.1.1 Residuos sólidos orgánicos .................................................................................. 22 
4.1.2 Biodigestores .......................................................................................................... 25 
4.1.3 Caracterización fisicoquímica en afluente y efluente ....................................... 35 
4.1.4 Sensores .................................................................................................................. 37 
4.1.5 Control de roedores ............................................................................................... 42 
4.1.6 Modelo matemático de los biodigestores ............................................................. 43 
4.1.7. Modelamiento matemático de la digestión Anaerobia ...................................... 47 
4.2 MARCO LEGAL ....................................................................................... 50 
4.3 ESTADO DEL ARTE ................................................................................ 51 
5 LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS ................................................... 56 
5.1 Requerimientos operacionales .............................................................. 56 
5.2 Requerimientos de calidad .................................................................... 57 
5.3 Requerimientos de Seguridad ............................................................... 57 
5.4 Requerimientos de funcionamiento biológico ..................................... 57 
6 METODOLOGÍA PROPUESTA ....................................................................... 58 
6.1 Desarrollo del sistema de monitoreo de variables fisicoquímicas .... 60 
6.1.1. Diseño del sistema de monitoreo. ............................................................................ 60 
6.1.2 Construcción y pruebas del sistema ......................................................................... 65 
 
 
 
 
6.1.3. Conexiones del módulo Wifi y construcción de la interfaz. .................................. 68 
6.2 Construcción e implementación de biodigestores .............................. 72 
6.3 Pruebas de AGV/Alcalinidad en afluente y efluente ............................ 75 
6.4 Determinación de la producción de biogás .......................................... 77 
6.5 Configuración del experimento ............................................................. 79 
7 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 81 
7.1 Sistema de monitoreo ............................................................................ 81 
7.2 Construcción de biodigestores ............................................................. 92 
7.3 Pruebas de Ácidos Grasos Volátiles y Alcalinidad ........................... 106 
7.4. Resultados y análisis de Varianza de los datos. ................................ 111 
7.4.1. Resultados del ANOVA de la temperatura interna Superior. ............................ 111 
7.4.2. Resultados del ANOVA de la temperatura interna Inferior. ................................ 112 
7.4.3. Resultados del ANOVA del pH. ............................................................................ 112 
7.4.4. Resultados del ANOVA de la concentración de metano. ................................. 113 
7.4.5. Resultados del ANOVA del volumen de Biogás. ................................................ 114 
7.4.6. Análisis de la determinación de producción de biogás. ................................. 114 
8 CONCLUSIONES .......................................................................................... 119 
9 RECOMENDACIONES ................................................................................. 120 
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 121 
ANEXOS ..............................................................................................................134 
Anexo 1. Sistema de Monitoreo Remoto. ..................................................... 134 
Anexo 1.1. Cálculos del consumo de energía. ................................................................ 134 
Anexo 1.2. Diseño Esquemático del circuito electrónico ............................................... 135 
Anexo 1.3. Código empleado en el proyecto. .................................................................. 136 
Anexo 2. Construcción de Biodigestores ..................................................... 165 
Anexo 2.1. Control de roedores ......................................................................................... 165 
Anexo 2.2. Planos de los diseños CAD ............................................................................ 166 
Anexo 3. Carta de solicitud de ingreso a Laboratorio de la Institución 
Educativa Simón Bolívar. ............................................................................... 169 
Anexo 4. Resultados Análisis de varianza. .................................................. 170 
 
 
 
 
 
LISTADO DE TABLAS 
Tabla 1. Valor del pH según la etapa de la digestión anaerobia (Veiga, 2015) (Llamas, 
2015) (Martí, 2019). ......................................................................................................... 31 
Tabla 2. Variación del tiempo de retención a partir de las variaciones en la 
temperatura (Martí, 2019, p. 37). ................................................................................... 32 
Tabla 3. Características de las propuestas de sensores de pH ................................. 38 
Tabla 4. Características de las propuestas de los sensores de temperatura ............ 39 
Tabla 5. Características de propuestas de sensores de temperatura exterior .......... 39 
Tabla 6. Características de las propuestas de los sensores de metano .................... 40 
Tabla 7. Matriz de decisión de los sensores de pH .................................................... 61 
Tabla 8. Matriz de decisión de los sensores de temperatura ..................................... 61 
Tabla 9. Matriz de decisión de los sensores de temperatura ambiente ..................... 62 
Tabla 10. Matriz de decisión de los sensores de metano. ......................................... 63 
Tabla 11. Producción de Biogás según la temperatura y tiempo de retención ......... 78 
Tabla 12. Sensores seleccionados para la medición de las variables ....................... 81 
Tabla 13. Comprobación de lectura de sensores de temperatura DS18B20 ............. 82 
Tabla 14. Comprobación de lectura de sensores de temperatura DS18B20 con 
modulo ........................................................................................................................... 82 
Tabla 15. Comprobación de lectura de sensores de pH SEN0169 ............................. 83 
Tabla 16. Comprobación de lectura de sensor HY-SRF05 .......................................... 86 
Tabla 17. Exactitud y precisión de los sensores. ........................................................ 91 
Tabla 18. Media inferior y superior de cada biodigestor. .......................................... 106 
Tabla 19. Resultados del ANOVA para la temperatura Interna superior según las 
horas del día para cada biodigestor. .......................................................................... 111 
Tabla 20. Resultados del ANOVA para la temperatura Interna inferior según las 
horas del día para cada biodigestor. .......................................................................... 112 
Tabla 21.Resultados del ANOVA para el pH según las horas del día para cada 
biodigestor. .................................................................................................................. 113 
Tabla 22. Resultados del ANOVA para la concentración de metano según las horas 
del día para cada biodigestor. .................................................................................... 113 
Tabla 23.Resultados del ANOVA para la concentración de metano según las horas 
del día para cada biodigestor. .................................................................................... 114 
Tabla 24. Consumo de energía eléctrica del circuito electrónico por biodigestor.. 134 
Tabla 25. Matriz de decisión de control de roedores ................................................ 165 
 
 
 
 
 
 
 
LISTADO DE FIGURAS 
 
 
Figura 1. Árbol del problema. Fuente: Elaboración propia ......................................... 18 
Figura 2. Biodigestor de domo fijo. (Corona, 2007). .................................................... 26 
Figura 3. Adaptación de los biodigestores a condiciones climáticas de la meseta 
andina (Garfi, Martí, Velo & Ferrer, 2016) ..................................................................... 52 
Figura 4. Optimización de biodigestor tubular en clima frío ...................................... 53 
Figura 5. Optimización de biodigestor modelo chino en Cusco (Amusquivar, 2015).
 ........................................................................................................................................ 54 
Figura 6. Interfaz del usuario creada para la investigación ........................................ 55 
Figura 7. Diagrama general de la metodología a realizar. ........................................... 59 
Figura 8. Diseño de la ubicación de los sensores dentro del biodigestor ................ 64 
Figura 9. Verificación de medición de sensor de Temperatura Interna. .................... 66 
Figura 10. Verificación de medición de sensor de temperatura externa ................... 66 
Figura 11. Verificación de la medición del sensor de pH y el pH metro .................... 67 
Figura 12. Diagrama de la calibración de los sensores MQ-4. ................................... 67 
Figura 13. Diseño en 3D de la placa con el circuito electrónico de la tarjeta ESP8266, 
el multiplexor y los sensores. ....................................................................................... 69 
Figura 14. Archivo de Excel donde se almacenan los datos. ..................................... 70 
Figura 15. Diagrama del desarrollo del sistema de monitoreo. .................................. 71 
Figura 16. Diagrama de la implementación de los biodigestores .............................. 74 
Figura 17. Diagrama de la práctica en el laboratorio de las pruebas en afluente y 
efluente, metodología .................................................................................................... 77 
Figura 18. Diagrama de la evaluación de producción de biogás................................ 79 
Figura 19. Diagrama de la configuración del experimento ......................................... 80 
Figura 20. Grafica del comportamiento del sensor de pH. ......................................... 84 
Figura 21. Curva de calibración de los sensores MQ-4. ............................................. 84 
Figura 22. Interfaz de visualización de monitoreo ....................................................... 87 
Figura 23. a. Pruebas de alarma de la aplicación cuando se desconecta la lectura de 
la tarjeta con la aplicación y b. cuando se encuentra fuera del rango de temperatura
 ........................................................................................................................................ 88 
Figura 24. Pruebas de almacenamiento de datos de los sensores del biodigestor 2 
en el archivo de Google Drive ....................................................................................... 89 
Figura 25. Seudocódigo general del programa. .......................................................... 89 
Figura 26. Seudocódigo del envío de datos a drive. ................................................... 90 
Figura 27. Diseño CAD del proyecto. ........................................................................... 93 
Figura 28. Diseño CAD del proyectoen el Laboratorio de Experimentación Agro-
técnica y Energías Renovables .................................................................................... 93 
Figura 29. Diseño CAD de la tubería de los biodigestores ......................................... 94 
Figura 30. Construcción de los biodigestores ............................................................. 95 
 
 
 
 
Figura 31. a. Tanque de 210 L con Thermolon y botellas PET con paja; b. 
Construcción del invernadero ...................................................................................... 96 
Figura 32. Montaje de los biodigestores con sus sistemas de aislamiento y cerco 
perimetral ....................................................................................................................... 96 
Figura 33. Ubicación de los sensores dentro del biodigestor .................................... 97 
Figura 34. Ubicación de los sensores dentro del biodigestor .................................... 98 
Figura 35. Alimentación del biodigestor y ubicación de sensores .......................... 100 
Figura 36. Diseño, construcción e instalación de la caja de protección. ................ 100 
Figura 37. Diseño del sistema para la medición del biogás ..................................... 101 
Figura 38. Montaje del sistema de medición de biogás ............................................ 102 
Figura 39. Resultado general de instalación de biodigestores. ............................... 103 
Figura 40. Graficas del comportamiento de la temperatura interna inferior (T1) y 
temperatura interna superior (T2) durante los meses de monitoreo en diferentes 
horarios ........................................................................................................................ 104 
Figura 41. Gráfica de AGV en el tiempo ..................................................................... 107 
Figura 42. Medición de pH de cada uno de los biodigestores en el tiempo. ........... 108 
Figura 43. Gráfica de Alcalinidad total en el tiempo.................................................. 109 
Figura 44. Gráfica de la relación de Ácidos grasos volátiles/Alcalinidad en tiempo.
 ...................................................................................................................................... 110 
Figura 45. Diseño esquemático de la conexión de la tarjeta ESP8266 y los sensores 
MQ-4, DS1B20, SEN0169 y HY-SRF05. ....................................................................... 135 
Figura 46. Diseño del circuito electrónico en la PCB ................................................ 136 
Figura 47. Planos CAD de la distribución de los biodigestores en la zona designada.
 ...................................................................................................................................... 166 
Figura 48. Plano técnico de casa de protección para los reservorios. .................... 167 
Figura 49. Caja de protección de PCB y conexiones. ............................................... 168 
Figura 50. Tabla de ANOVA para la temperatura inferior evaluada en el horario de 
2am, 6am y 10am ......................................................................................................... 170 
Figura 51.Tabla de múltiples rangos para la temperatura inferior en los 
biodigestores evaluada en el horario de 2am, 6am y 10 am. .................................... 170 
Figura 52. Gráfica de las medias y 95% de Fisher LSD ............................................. 171 
Figura 53. Resumen estadístico temperatura inferior evaluada en el horario de 2am 
a 10 am ......................................................................................................................... 171 
Figura 54. Tabla de medias para la temperatura inferior por biodigestor evaluada a 
las 2am, 6am y 10 am .................................................................................................. 172 
Figura 55. Gráfico de caja y bigotes parala temperatura inferior evaluada a las 2am, 
6 am y 10am ................................................................................................................. 172 
Figura 56. Tabla ANOVA para valores de T. Interna superior medidos a las 2 a.m a 
10a.m. ........................................................................................................................... 173 
Figura 57. Pruebas de múltiples rangos para T. Interna superior de las 2a.m- 10a.m.
 ...................................................................................................................................... 173 
 
 
 
 
Figura 58. Tabla de Medias para valores de T. Interna inferior medidos a las 2 a.m.
 ...................................................................................................................................... 174 
Figura 59. Gráfica de las medias y 95% de Fisher LSD ............................................. 175 
Figura 60. Tabla de resumen estadístico para valores de T. Interna superior medidos 
a las 2 a.m a 10a.m ...................................................................................................... 175 
Figura 61. Gráfico de caja y bigotes de la temperaturas inferiores evaluadas en el 
horario de 2am, 6am y 10am. ...................................................................................... 176 
Figura 62. Tabla de medianas de los grupos. ............................................................ 176 
Figura 63. Tabla ANOVA para la temperatura inferior por biodigestor .................... 178 
Figura 64. Pruebas de Múltiple Rangos de temperatura inferior por Biodigestor ... 178 
Figura 65. Diagrama de medias de los biodigestores ............................................... 179 
Figura 66. Resumen Estadístico para Temperatura inferior evaluada de 2pm a 10pm
 ...................................................................................................................................... 179 
Figura 67. Gráfico de caja y bigotes de la temperaturas inferiores evaluadas en el 
horario de 2pm, 6pm y 10pm. ..................................................................................... 180 
Figura 68. Tabla ANOVA para valores de T. Interna superior medidos a las 2 p.m a 
10p.m ............................................................................................................................ 180 
Figura 69. Pruebas de múltiples rangos para T. Interna superior de las 2a.m- 10a.m
 ...................................................................................................................................... 180 
Figura 70. Tabla de medias para valores de T. Interna superior medidos a las 2 p.m. 
a 10p.m. ........................................................................................................................ 181 
Figura 71. Gráfica de las medias y 95% de Fisher LSD ............................................. 182 
Figura 72. Tabla del resumen estadístico para valores de T. Interna superior 
medidos a las 2 p.m a 10p.m ....................................................................................... 182 
Figura 73. Gráfico de caja y bigotes de la temperaturas inferiores evaluadas en el 
horario de 2pm, 6pm y 10pm. ..................................................................................... 183 
Figura 74. Tabla de medianas de los grupos. ............................................................ 183 
Figura 75. Tabla de ANOVA para concentración de metano por Biodigestor ........ 184 
Figura 76. Resumen estadístico para la concentración de metano ......................... 185 
Figura 77. Media y 95% de Fisher LSD ...................................................................... 185 
Figura 78. Tabla de medias para la concentración de metano por biodigestor ...... 186 
Figura 79. Tabla de Múltiples rangos para la concentración de metano por 
biodigestor ...................................................................................................................186 
Figura 80. Gráfico de caja y bigotes de la concentración de metano en el horario de 
2am a 10 am ................................................................................................................. 187 
Figura 81. Mediana de la concentración de metano en los biodigestores en el 
horario de 2am a 10am ................................................................................................ 187 
Figura 82. Tabla ANOVA para valores de concentración de metano medidos a las 2 
p.m a 10p.m .................................................................................................................. 188 
Figura 83. Pruebas de múltiples rangos para T. Interna superior de las 2a.m- 10a.m.
 ...................................................................................................................................... 188 
 
 
 
 
Figura 84. Tabla de medias para valores de concentración de metano medidos a las 
2 p.m a 10p.m ............................................................................................................... 189 
Figura 85. Gráfica de las medias y 95% de Fisher LSD. ............................................ 189 
Figura 86. Tabla de resumen estadístico para valores de concentración de metanos 
medidos a las 2 p.m a 10p.m ....................................................................................... 190 
Figura 87. Gráfico de caja y bigotes de la concentración de metano evaluadas en el 
horario de 2pm, 6pm y 10pm. ..................................................................................... 191 
Figura 88. Tabla de medianas de los grupos ............................................................. 191 
Figura 89. Tabla ANOVA para valores de producción de biogás. ............................ 192 
Figura 90. Pruebas de múltiples rangos para la producción de biogás. ................. 192 
Figura 91. Tabla de medias para la producción de biogás ....................................... 193 
Figura 92. Gráfica de las medias y 95% de Fisher LSD. ............................................ 194 
Figura 93. Tabla del resumen estadístico para la producción de biogás. ............... 194 
Figura 94. Gráfico de caja y bigotes de la producción de biogás. .......................... 195 
Figura 95. Tabla de medianas de los grupos ............................................................. 195 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTADO DE ECUACIONES 
 
Ecuación 1. Transformación de reactivos a productos: .................................................... 43 
Ecuación 2. Crecimiento de microorganismos y formación de productos (Valladares, 
2017): .............................................................................................................................. 44 
Ecuación 3. Síntesis de producto: .................................................................................... 44 
Ecuación 4. Mortalidad de los microorganismos: ............................................................. 44 
Ecuación 5. Calcular producción de biogás por Buswell y Mueller: .................................. 45 
Ecuación 6. Calcular la producción de biogás por Boyle: ................................................. 45 
Ecuación 7. Relación del tiempo y la temperatura: .......................................................... 45 
Ecuación 8. Ecuación de Van’t Hoff: ................................................................................ 46 
Ecuación 9. Efecto de la temperatura en la cinética del proceso: ................................... 46 
Ecuación 10. Ecuación de Monod: ................................................................................... 47 
Ecuación 11.Ecuación de Arrhenius: ............................................................................... 47 
Ecuación 12. Bioconversión de los carbohidratos: ........................................................... 48 
Ecuación 13. Bioconversión de los carbohidratos en la acidogénesis: ............................. 48 
Ecuación 14. Bioconversión de los carbohidratos en la acetogénesis: ............................. 48 
Ecuación 15. Bioconversión de los carbohidratos en la acetogénesis: ............................. 48 
Ecuación 16. Bioconversión de los carbohidratos en la acetogénesis: ............................. 48 
Ecuación 17 . Bioconversión de los carbohidratos en la acetogénesis: ............................ 49 
Ecuación 18. Descomposición del trioleato de glicerina: .................................................. 49 
Ecuación 19 . Descomposición del trioleato de glicerina: ................................................. 49 
Ecuación 20. Descomposición del oleato: ........................................................................ 49 
Ecuación 21. Descomposición del oleato: ........................................................................ 49 
Ecuación 22. Hidrolisis de las proteínas: ......................................................................... 49 
Ecuación 23. Descomposición de aminoácidos: .............................................................. 50 
Ecuación 24. Descomposición del Valerato: .................................................................... 50 
Ecuación 25. Alcalinidad Total: ........................................................................................ 76 
Ecuación 26. Ácidos grasos volátiles: .............................................................................. 76 
Ecuación 27. Cantidad de Biogás esperado: ................................................................... 78 
Ecuación 28. Ecuación de la curva: ................................................................................. 85 
Ecuación 29. Calcular Ro: ............................................................................................... 85 
Ecuación 30. Calcular Rs: ................................................................................................ 85 
Ecuación 31. Concentración de metano en ppm: ............................................................. 85 
Ecuación 32 Volumen de la mezcla: ................................................................................ 98 
Ecuación 33 Cantidad de estiércol: .................................................................................. 99 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTADO DE ANEXOS 
 
 
Anexo 1. Sistema de Monitoreo Remoto. 134 
Anexo 2. Construcción de Biodigestores 165 
Anexo 3. Carta de solicitud de ingreso a Laboratorio de la Institución Educativa 
Simón Bolívar. 169 
Anexo 4. Resultados Análisis de varianza. 170 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
La digestión anaeróbica es un proceso biológico que permite la degradación de 
residuos orgánicos transformándolos en productos como efluente y biogás con altos 
contenidos de metano (Gómez, 2012). El rendimiento de este proceso de digestión 
depende de parámetros tales como pH, ácidos grasos volátiles y temperatura, 
teniendo este último una alta influencia en el aumento de la actividad de las 
bacterias que actúan en las etapas de hidrolisis, acidogénesis, acetogénesis y 
metanogénesis. 
 
Considerando estas variables, se propone el desarrollo de un sistema de producción 
de biogás en un biodigestor de flujo discontinuo monitoreando variables 
fisicoquímicas en tres diferentes tipos de aislamiento. Este proyecto fue desarrollado 
en el Laboratorio de Experimentación Agro Técnica y Energías Renovables 
(LEATYER), Campus Chía en la Universidad El Bosque. 
 
Para esto, la metodología se dividió en cuatro fases: La primera, el desarrollo de un 
sistema de monitoreo remoto de las variables fisicoquímicas importantes en el 
proceso de digestión anaeróbica. La segunda, la implementación de los tres 
diferentes tipos de aislamiento para los biodigestores:invernadero, botellas PET 
con paja y Thermolon y el tercer, sin sistema de aislamiento. En la tercera, se 
determinó la relación de Ácidos grasos volátiles-AGV y alcalinidad del afluente y en 
el efluente con el fin de evaluar el funcionamiento del biodigestor. Por último, se 
realizó un ANOVA con el objetivo de determinar las variables que afectaron la 
producción de biogás en cada uno de los biodigestores. 
Los resultados obtenidos se basan en que el biodigestor con recubrimiento de 
thermolon y botellas PET con paja fue el que mayor producción de biogás y 
concentración de metano tuvo. También se encontró un valor de la relación de 
Ácidos Grasos Volátiles y Alcalinidad superior al rango del valor ideal. Por otro lado, 
a partir del ANOVA se pudo observar que el valor de p se encontraba <0,05 en cada 
una de las variables medidas lo que representó una diferencia significativa entre 
cada uno de los grupos de biodigestores. 
PALABRAS CLAVES: Estiércol bovino, variables fisicoquímicas, sistema de 
aislamiento, monitoreo remoto, producción de biogás. 
15 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
Un biodigestor es un depósito herméticamente cerrado que permite la producción 
de biogás, metano y fertilizante orgánico, esto a partir de materiales orgánicos 
mezclados con agua que se fermentan gracias a la actividad de bacterias en 
ausencia parcial o total de oxígeno (Pacelli & Fanelli, 2020). Con el fin de que se 
lleve a cabo el proceso de digestión anaeróbica con ayuda de las bacterias ya 
mencionadas, se debe cumplir con parámetros en las variables de pH y temperatura 
dado que un cambio abrupto de estas condiciones en las etapas de digestión 
anaerobia puede conllevar a resultados irreversibles, como la inhibición de las 
bacterias presentes (Arenas, 2019; Santa Fe, 2019). 
 
Desde hace un siglo se empezó a fomentar el uso de tecnologías que permitan el 
empleo de materia orgánica para la generación de energía. El primer biodigestor fue 
instalado en India en el año 1890, a partir de la necesidad de obtener energía (Ávila, 
2016). Seguido de ello, se imitó esta tecnología en otros países asiáticos y de la 
Latinoamérica. Donde, se estima que hay 30 millones de biodigestores en China, 
3.8 millones en India, 0.2 millones en Nepal y 60.000 en Bangladesh, igualmente se 
han instalado en países como México, Costa Rica y Colombia con fines 
investigativos (Arrieta, 2016). 
 
Sin embargo, se encontró la limitación de implementar biodigestores en ambientes 
con temperaturas inferiores a 15°C en vista de que se alteraba la velocidad de las 
reacciones que ocurren en el proceso anaerobio (Deublein & Steinhauser, 2008). 
Por esta razón, se empezaron a indagar acerca de las diferentes maneras para 
aislar los biodigestores de la temperatura exterior a la que se ve expuesta. El primer 
país en emplear materiales aislantes para paredes y fondos de los biodigestores y 
en diseñar invernaderos para generar aislamiento de la temperatura fue India en el 
año 1985. Por otra parte, en Latinoamérica la primera experiencia se dio en el año 
2003 donde Jaime Martí Herrero propuso y construyó un invernadero para el 
aislamiento de la temperatura en biodigestores tubulares a 4100 m.s.n.m. (Martí 
Herrero, 2007).En la actualidad se han seguido estudiando nuevas tecnologías que 
garanticen el proceso de digestión anaerobia con el control de las variables de pH 
y temperatura, como es el caso de la Universidad Técnica de Ambato de Ecuador 
donde se investigó el tiempo de retención para biodigestores instalados en zonas 
con temperaturas entre 7,8°C a 18,7°C monitoreando la temperatura interna y 
externa de los biodigestores además del pH (Palacios, 2020). 
16 
 
 
 
Este proyecto busca desarrollar tres biodigestores con diferentes tipos de 
aislamiento en el Laboratorio de Experimentación Agro-técnica y Energías 
Renovables que se encuentra ubicado en el campus Chía de la Universidad el 
Bosque. Teniendo en cuenta las investigaciones anteriormente mencionadas y 
además, que el municipio de Chía se encuentra a 2560 m.s.n.m., con temperaturas 
máximas de 27.5°C, mínimas de – 2.5°C y un promedio de 14°C (Alcaldía de Chía, 
2012), el presente proyecto se realiza con el fin de dar respuesta a la carencia de 
la implementación de sistemas basados en la digestión anaerobia bajo las 
condiciones climáticas de campus Chía para el aprovechamiento del estiércol 
bovino generado en la Sabana de Bogotá. 
 
17 
 
 
 
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 
 
En América Latina se han implementado biodigestores desde el año 1970 debido a 
una crisis energética. Actualmente, se presentan diversas experiencias acerca de 
esta tecnología, aunque, el número de biodigestores instalados en este lugar es 
menor a comparación de los ubicados en el continente asiático; algunas de las 
razones por las cuales sucede este acontecimiento es debido a la carencia de apoyo 
institucional y la escasez de subsidios financieros (Garfí, Martí, Garwood &amp; 
Ferrer, 2016). 
 
Colombia al ser un territorio que posee varios pisos térmicos, puede presentar 
diversas temperaturas dependiendo la altura sobre el nivel del mar a la que se 
encuentra cada municipio (Aguirre, 2013). La Sabana de Bogotá al ser una región 
ubicada en el altiplano cundiboyacense puede presentar condiciones climáticas 
frías con temperaturas que oscilan entre -5°C y 26°C lo que hace que la actividad 
biológica del biodigestor se vea afectada, debido a que los biodigestores por medio 
de la digestión anaeróbica degradan la materia orgánica por la acción de 
microorganismos; como resultado de este proceso se genera Biogás (mezcla de 
metano, dióxido de carbono y otros compuestos) y una solución acuosa rica en 
elementos minerales considerada fertilizante (Virginia & amp; Estevan, 2015). El 
proceso anteriormente mencionado requiere de determinadas condiciones del 
medio en el que se encuentra, como temperatura, pH y sustancias inhibidoras al ser 
realizado por entes biológicos (Perrigault, Weatherford, Martí, &amp; Poggio, 2012). 
 
Siendo más específicos, en el caso de la temperatura se encuentra que esta 
variable afecta la velocidad y la estabilidad de la reacción del proceso, por lo cual 
los biodigestores se construyen normalmente en lugares que cuentan con un clima 
tropical donde la temperatura brinda el ambiente favorable para que se lleve a cabo 
el proceso de digestión anaeróbica (Perrigault, Weatherford, Martí, &amp; Poggio, 
2012). Este tipo de tecnología necesita materia prima renovable para funcionar, por 
lo que se puede disponer del estiércol generado por el sector ganadero; debido a 
que este sector es una de las actividades económicas que mayor presencia tiene 
en el campo colombiano, siendo como ejemplo el municipio de Chía donde se 
dispone de un 28.69% de los suelos rurales para uso agropecuario semi-intensivo. 
 
Considerando lo antes citado, se ha encontrado como limitante la implementación 
de este tipo de procesos en lugares que se encuentran a bajas temperaturas (Ferrer, 
Garffi, Uggetti, Ferrer, Calderon &amp; Velo, 2011). 
18 
 
 
 
Según lo planteado anteriormente se establece como problema central la carencia 
en la implementación de Biodigestores como alternativa para la disposición de 
excrementos generados en fincas cercanas al campus Chía, teniendo en cuenta las 
condiciones climáticas de la Sabana de Bogotá. 
 
 
1.1 ÁRBOL DEL PROBLEMA 
 
 
Figura 1. Árbol del problema. Fuente: Elaboración propia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
 
 
2. JUSTIFICACIÓN 
 
En América Latina se encuentran implementados únicamente 69 biodigestores a 
comparación de los 510.200 biodigestores que están instalados en el continente 
asiático, esto debido a diferentes razones socioeconómicas (Martí,2017). Así 
mismo, se ha encontrado insuficiencia en el monitoreo de las variables que se ven 
implicadas en el proceso de digestión anaerobiapresente en los biodigestores ya 
que en los estudios realizados acerca de los biodigestores se ha hallado como única 
investigación “Low cost digester monitoring under realistic conditions: Rural use of 
biogas and digestate quality”, en el que se realiza monitoreo manual de variables 
como: potencial de biometano, ácidos grasos volátiles, concentración de metano, 
entre otras (Castro, Escalante, Jaimes, Díaz, Vecino, Rojas & amp; Mantilla et 
al.,2017). 
 
Los biodigestores hacen uso del estiércol como materia prima, ya que por medio de 
la digestión anaeróbica del estiércol se producen diferentes gases relevantes para 
la generación de biogás, tales como el metano (60%), dióxido de carbono (39%) y 
óxido nitroso (0.2%). Además, el estiércol presenta una gran cantidad de nutrientes 
(Nitrógeno, fósforo y potasio) que permiten que los microorganismos posean un 
ambiente en el que puedan trabajar en óptimas condiciones (Ruiz, 2017). En el 
proceso de la digestión anaerobia es necesario contemplar a la temperatura como 
un factor importante, puesto que este factor aumenta la velocidad y eficiencia de las 
reacciones hasta un límite de temperatura de 65°C (Lorenzo & Obaya,2005), debido 
a que de la producción total de un biodigestor el 35% depende de la conservación 
de la temperatura (Ramirez, 2016), por lo que se encuentra imprescindible 
garantizar la temperatura necesaria para la digestión anaeróbica ocurrida en 
biodigestores que se puedan localizar en el municipio de Chía, siendo este el fin 
principal del proyecto. 
 
El laboratorio (LEATYER) de Campus Chía se enfoca en la implementación de 
Fuentes no Convencionales de Energía Renovable, en las que se incluye Eólica y 
Solar. Este lugar se podría complementar introduciendo la generación de energía a 
partir de la biomasa, debido a que se puede aprovechar el estiércol bovino generado 
por las fincas aledañas a la Universidad y, además, servir como herramienta en los 
futuros proyectos de investigación. Así mismo, el desarrollo de este proyecto 
permitirá tener conocimiento acerca de la mejor manera en que se puede 
implementar este tipo de tecnología para que los pequeños granjeros puedan 
replicarlo, emplear estiércol generado por 5.957 vacas situadas en las fincas del 
20 
 
 
 
municipio de Chía (ICA,2021) y también, aprovechar de los productos generados al 
finalizar el proceso. 
 
El desarrollo de la generación de esta energía por medio de biodigestores se puede 
encontrar como una tarea de un Bioingeniero puesto que pone en práctica uno de 
los focos misionales del programa, en el cual se proveen soluciones en la 
producción y conservación de energías utilizando materia prima renovable. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
 
 
3. OBJETIVOS 
 
3.1 OBJETIVO GENERAL 
Desarrollar un sistema de producción de biogás en un biodigestor de flujo 
discontinuo monitoreado con tres condiciones diferentes de aislamiento en el 
Laboratorio de Experimentación Agro-técnica y Energías Renovables (LEATYER), 
Campus Chía en la Universidad El Bosque. 
 
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
-Desarrollar un sistema de monitoreo remoto de variables fisicoquímicas 
(temperatura, pH, concentración de metano y cantidad de biogás) durante el 
proceso de digestión anaeróbica. 
- Implementar tres biodigestores piloto dos de ellos con diferentes condiciones de 
aislamiento en el Laboratorio de Experimentación Agrotécnica y Energías 
Renovables (LEATYER), Campus Chía. 
- Realizar mediciones de las variables fisicoquímicas (Ácidos Grasos Volátiles 
(AGV) y Alcalinidad) del afluente y efluente que puede inhibir la producción de 
metano. 
- Determinar la producción de biogás de cada uno de los biodigestores por medio 
de un método estadístico. 
 
 
 
 
 
 
22 
 
 
 
4. MARCO REFERENCIAL 
 
4.1 MARCO TEORICO 
4.1.1 Residuos sólidos orgánicos 
 
Los residuos sólidos orgánicos son los que proceden de restos de productos 
orgánicos, estos residuos pueden desintegrarse o degradarse de forma rápida, para 
así transformarse en otra forma de materia orgánica (Jaramillo & Zapata, 2008). En 
estos residuos se puede encontrar: 
• Residuos putrescibles son aquellos que proceden de la producción de 
materiales naturales sin transformación natural significativa, y por esta razón 
su grado de humedad permite que se pueda mantener un alto grado de 
biodegradabilidad, en este grupo se encuentran los residuos forestales o de 
jardín, residuos de animales, residuos de comida, heces animales, residuos 
agropecuarios y agroindustriales entre otros. 
• Residuos No putrescibles son los que sus características biológicas han sido 
modificadas hasta el punto de que en ciertas condiciones pierde su 
biodegradabilidad, entre estos se encuentran los combustibles (Galvis, 
2016). 
Dentro de los residuos putrescible se encuentran los residuos generados por la 
actividad agropecuaria, cabe resaltar que en Colombia para el 2017 el 23% de su 
territorio usaba el suelo en actividades agropecuarias, en el cual el 10% era agrícola, 
el 6% en ganadería, 4% agroforestal y 3% en forestal de producción (Ministerio de 
Educación Nacional, 2019). 
 
Por otro lado, en el sector agropecuario se consideran como principales 
componentes las actividades en agricultura y ganadería, esto por el aporte en 
productos indispensables para la economía y la alimentación (Linero, 2017). 
 
4.1.1.1 Residuos de la Industria agropecuaria 
 
La industria agropecuaria es una actividad en la cual la producción primaria agrícola, 
pecuaria o forestal es combinada con el proceso industrial para generar alimentos 
o materias primas semielaboradas al mercado. (Cury et al., 2017). 
23 
 
 
 
Ganadería. Los seres humanos han domesticado a especies de mamíferos, aves, 
reptiles, peces y artrópodos para cumplir demandas en alimentos o para trabajar 
encontrándose en ellos principalmente la producción de vacas y porcino. La 
ganadería es una actividad que se basa en la crianza y cuidado de animales con el 
fin de obtener alimento (Myers, 2012); siendo esta actividad una de las principales 
fuentes de materia para los biodigestores por los desechos que generan estos 
animales. 
 
En Colombia se encuentra un aproximado de 23,8 millones de cabezas de ganado 
(FEDEGAN, 2018), mientras que el departamento de Cundinamarca presenta un 
aproximado de 1´288.570 (Gobernación de Cundinamarca, 2016) y a su vez el 
municipio de Chía tiene un total de 2284 cabezas de bovinos, dado que la ganadería 
es una de las principales actividades agropecuaria en el país y que Chía cuenta con 
un suelo destinado a la productividad agrícola y pecuaria (Guzmán, 2018); siendo 
esta actividad una de las principales fuentes de materia para los biodigestores por 
los desechos que generan estos animales. 
 
La actividad ganadera deja residuos sólidos orgánicos los cuales es posible 
reutilizar, recuperar o reciclar, por lo cual es necesario conocer el manejo que se le 
da a estos respectivos residuos (Galvis, 2016). 
 
• Actividades para el manejo y degradación de los residuos ganaderos 
 
Entiéndase como residuos ganaderos el resultado de la cría intensiva o extensiva 
de ganado bovino, ovino, caprino, porcino o aves. Estos residuos pueden ser 
estiércoles y purines, residuos zoosanitarios o subproductos de origen animal no 
destinados al consumo humano (Agencia Extremeña de la Energía, 2018). 
 
Corrales fijos o móviles. En este proceso el ganado está limitado en un lugar 
cerrado con el fin de que los excrementos se almacenen en ese espacio específico 
y sirvan para abonar los terrenos pobres de nutrientes, estos suelos pueden ser 
usadas posteriormente para agricultura; por esta razón los corrales pueden ser fijos 
o móviles dependiendo la zona que necesite de este beneficio (Arellano, Rosales & 
Giraldo, 2014). 
 
Lagunas de fermentación. Mediante esta técnica el materialorgánico en la fase 
líquida se degrada en sus elementos minerales por medio de microorganismos que 
no dependen del aire, para posteriormente pasar a ser riego del campo; en este 
proceso es importante garantizar que el material orgánico no contenga 
agroquímicos o medicamentos veterinarios (Arellano, Rosales & Giraldo, 2014). 
 
24 
 
 
 
Abono orgánico. Existen diferentes formas de procesamiento del estiércol para 
obtener un producto con nutrientes que sirve como abono para el suelo (Arellano, 
Rosales & Giraldo, 2014), entre estas técnicas se encuentran: 
 
- Composteo: Mediante este proceso el estiércol se degrada por medio 
del empleo de microorganismos que dependen del aire (aeróbicas), esto se 
realiza por medio de la mezcla de estiércol, residuos de cosecha, agua, cal 
agrícola y suelo para posteriormente ser amontonado, cubierto con un 
plástico y volteado cada semana para conseguir una descomposición 
homogénea; el resultado es obtenido a los 2 o 3 meses cuando evidencie un 
aspecto de suelo negro poroso (Arellano, Rosales & Giraldo, 2014). 
 
- Bocashi: En este método se cuecen al vapor los materiales para el 
abono dando provecho al calor que se genera por medio de la fermentación 
aeróbica de estos; para ello se usará carbón vegetal, estiércol, salvado de 
arroz, cascarilla de arroz, ceniza de fogón, miel de caña de azúcar, levadura 
para pan, agua y suelo. 
 
En un principio se mezcla la melaza, el agua y la levadura y posteriormente 
se le agregan el resto de los ingredientes echando un monto de un lado a 
otro para finalmente dejar la preparación del abono extendido y protegido por 
la lluvia y el sol. La humedad que llevan los materiales de la mezcla interviene 
en la regulación de la temperatura que influye en el desarrollo de las bacterias 
que actúan en el proceso (Ministerio de Agricultura y Ganadería de El 
Salvador, 2007). 
 
- Lombricomposta: En esta técnica para la producción de abono se 
usa la lombriz de tierra “coqueta o roja californiana” o “lombriz roja” (Eisenia 
foetida). La lombriz se alimenta de los desechos orgánicos y da como 
excremento algo más de la mitad de lo alimentado ya convertido en abono; 
este proceso se deja por unos seis meses para obtener un resultado que 
aumente la capacidad de retención de agua en el suelo y promueva la 
actividad microbiana del mismo (Arellano, Rosales, Giraldo, 2014). 
 
Sumado a esto, los residuos de estiércol bovino además de contener materia 
orgánica son una fuente de inoculo al contar con un alto recuento de grupos tróficos 
adecuados para que se de el proceso de digestión anaerobia (Castro, Escalante, 
Gómez and Jimenéz, 2016). Al igual que en el caso de los residuos porcinos los 
cuales además de contener materia orgánica, se consideran como una fuente de 
inoculo para la producción del metano (Chávez, Gárcia, Sandoval and Trejo, 2015). 
 
En el caso de los residuos vegetales como fuente para los biodigestores, se ha 
encontrado que poseen un alto contenido de humedad el cual favorece la fase inicial 
de la digestión anaerobia que es la hidrólisis (Parra, 2014). 
25 
 
 
 
 
4.1.2 Biodigestores 
 
En la actualidad se están promoviendo los sistemas de producción de biogás donde 
se disponen los residuos orgánicos a través de diferentes métodos; el más conocido 
es por medio del uso de Biodigestores, que ha visto su promoción gracias a el alto 
costo de los fertilizantes orgánicos y la producción de alternativas no 
convencionales de energía (Moreno, 2011). 
 
Los Biodigestores son, brevemente, un tanque cerrado que puede ser cilíndrico, 
rectangular, esférico o semiesférico, donde los residuos orgánicos mezclados con 
agua permanecen un periodo de tiempo para lograr la digestión anaerobia que da 
como resultado biogás (Corona, 2007; Olaya & González, 2009). Gracias a su 
estructura, este tipo de sistema presenta ventajas como la obtención de energía que 
puede ser utilizada para el cocimiento de alimentos o combustible para motores, así 
como la contribución al medio ambiente ya que se disminuyen los residuos y de 
igual forma la carga contaminante; además, se genera el efluente que sirve como 
abono para cultivos (Biometrans, 2016). 
 
Por lo tanto, la digestión anaerobia se entiende como la interacción de 
microorganismos con los compuestos orgánicos que se encuentran en los 
desechos; estos microorganismos se encargan de degradar los compuestos 
orgánicos dando como resultado Metano y Dióxido de Carbono en mayor 
proporción. Adicionalmente, los nutrientes que poseen los desechos, permiten dar 
un ambiente para que los microorganismos trabajen en óptimas condiciones (Ruiz, 
2017) y así dar lugar a la degradación de la fracción orgánica inestable, siendo esta 
la contaminante, hasta una forma estable en la que se obtiene Biogás y Biol (Orrico, 
Orrico, & Junior, 2010). 
 
4.1.2.1 Tipos de Biodigestores 
 
Los biodigestores se pueden clasificar según su uso, para ello, se decidió tomar 
como referencia el modo de operación con relación a la carga (Moreno, 2011): 
 
- Los biodigestores discontinuos, son llamados así porque la carga se 
realiza de forma discontinua, esto quiere decir que el biodigestor se vuelve a 
cargar con residuos frescos una vez finalizada la fermentación y se descarga 
el producto (Nogués, Galindo & Rezeau, 2010). 
 
- Los biodigestores continuos, son aquellos que se cargan de forma 
continua, es decir, se cargan grandes cantidades aproximadamente todos los 
26 
 
 
 
días (Rodríguez & García, 2017); esto permite que la producción de biogás 
sea de forma uniforme en el tiempo. Debido a esto, es comúnmente usado 
en aplicaciones industriales (Moreno, 2011). 
 
- Los biodigestores semi-continuos son los más usados en zonas 
rurales, su carga puede ser diaria y con un volumen del cual dependerá el 
tiempo de fermentación, permitiéndose así una producción constante de gas 
(Sosa, Chao & del Río, 1999). 
 
En las zonas rurales de Latinoamérica existen tres tipos de biodigestores que se 
encuentran en mayor proporción, estos son los biodigestores de domo fijo, de 
tambor flotante y tubular, los cuales pueden operar con residuos de animales o de 
cosecha y llegan a presentar volúmenes entre 5 a 20 aproximadamente; 
adicionalmente, su producción de biogás puede tardar de 40 a 45 días dependiendo 
de las condiciones ambientales en las que se encuentren (Parra, Botero & Botero, 
2018). 
 
● Biodigestor de domo fijo: 
 
Este tipo de biodigestor consiste en un recipiente tipo tambor que es inmóvil y va 
construido bajo suelo con diferentes materiales como ladrillos, arena y metal que 
tienen la finalidad de darle sostén (Parra, Botero & Botero, 2018). 
 
 
Figura 2. Biodigestor de domo fijo. (Corona, 2007). 
 
Este biodigestor presenta tanto ventajas como desventajas; dentro de las ventajas 
se incorporan los costos de su construcción que son evidentemente bajos, 
igualmente, esta obra permite que haya protección al digestor con relación a 
cambios de temperatura; por otro lado, hay desventajas como lo son los problemas 
de permeabilidad para los gases del recipiente (Corona, 2007). 
 
● Biodigestor de tambor flotante: 
 
27 
 
 
 
Esta clase de biodigestor tienen su singularidad en el hecho de que es subterráneo 
y usualmente es construido a base de hierro, adicionalmente, presenta una tapa 
flotante o móvil que permite entrampar el gas que se produce, así mismo, se 
alimenta de forma semi continua por medio de una entrada hecha de tubería; 
convergentemente, el tambor presenta diferentes movimientos (arriba y abajo) 
dependiendo de la cantidad de gas que se almacena (Ecocosas, 2011). 
 
Como consecuencia de su estructura, se pueden apreciar ventajas como su fácil 
operación y la sencilla forma de percibir el gas que se almacena; por otro lado, 
presenta como desventajas los costos elevados de su fabricación y manutención y 
el hecho de que su vida útil es más corta a comparación a el domo fijo(Corona, 
2007). 
 
● Biodigestor tubular: 
 
Este tipo de biodigestor está conformado por polietileno, una salida y una entrada 
por medio de tubos PVC y comúnmente es sumergido dentro de una zanja 
realizada; su trabajo depende del clima donde se vaya a ubicar ya que si el clima 
es caliente su producción varía entre 20 y 60 días, por el contrario, si es frío varía 
entre 60 y 90 días (Parra, Botero & Botero, 2018). 
 
Cabe destacar que este biodigestor es ideal para comunidades que se encuentran 
en la parte rural ya que presenta ventajas como su bajo costo y su fácil utilización, 
además, no necesitan métodos complejos de calentamiento como el uso de 
invernaderos; por otro lado, su principal desventaja es el tiempo útil ya que se estima 
una duración de entre 2 y 5 años si es de plástico y máximo 10 años si es de 
geomembrana (Parra, Botero & Botero, 2018). 
4.1.2.2 Digestión Anaerobia 
 
La digestión anaerobia es una degradación microbiológica en ausencia parcial o 
total de oxígeno, en donde se obtiene como resultado principal el biogás; el cual, es 
una mezcla gaseosa de metano (50%-70% de la composición), dióxido de carbono 
(30%-50% de la composición) y con pequeñas cantidades de otros componentes 
como el nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y sulfuro de hidrógeno. Durante los procesos 
de degradación los microorganismos trabajan en serie o grupo para llevar a cabo el 
proceso de degradación, que se lleva a cabo a través de etapas sucesivas cada una 
desencadenando la siguiente; estas etapas son denominadas hidrólisis, 
acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (Corrales et al., 2015). 
28 
 
 
 
Para que las bacterias puedan ejecutar los procesos de manera adecuada, se ven 
condicionadas por factores físicos y químicos, como son: cargas de materia 
orgánica, ácidos grasos volátiles, la temperatura, alcalinidad, nutrientes y presencia 
de N y P, entre otros (Corrales et al., 2015). Entre estos factores, la presencia de 
materia orgánica y la temperatura son primordiales para el metabolismo de las 
bacterias; la temperatura, es un factor que condiciona las interacciones biológicas y 
de supervivencia que forman las bacterias. 
Etapas del proceso. 
 
Hidrólisis: Es un proceso que radica en la hidrolización de moléculas complejas 
como las proteínas, lípidos y carbohidratos, por medio de reacciones de 
oxidorreducción y enzimas celulares (celulasas, amilasas y lipasas) generadas por 
las bacterias Hidrolíticas (Reyes, 2017). 
 
En el caso de los carbohidratos, se pueden encontrar dos tipos importantes de 
polisacáridos: la celulosa y la hemicelulosa con enlaces β 1-4 y la pectina y el 
almidón con enlaces α 1-4. La ruptura de los enlaces de la celulosa (β 1-4) es llevada 
a cabo por la acción de enzimas extracelulares, que rompen el enlace al introducir 
una molécula de agua; generando como productos la celobiosa (disacárido) y la 
glucosa (monosacárido). Mientras que la ruptura de los enlaces α 1-4, se hidrolizan 
por medio de la acción de las amilasas y pectinasas (Deublein & Steinhauser, 2008). 
 
Con respecto a la hidrólisis de los lípidos, estas moléculas se encuentran 
constituidas por ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol; en este caso la 
hidrolisis depende de la solubilidad del ácido, que depende a su vez del pH. Por lo 
cual, a altos valores de pH la solubilidad aumenta y a bajos valores disminuye. Al 
producirse la hidrolisis de estas moléculas se generan ácidos grasos, glicerol, 
galactosa, colina, entre otros (Deublein & Steinhauser, 2008). 
 
Por otro lado, en la hidrólisis de las proteínas por medio proteasas, se generan como 
producto proteasas, peptonas, péptidos y aminoácidos; estos aminoácidos al ser 
degradados dan lugar a productos como los ácidos grasos volátiles, dióxido de 
carbono, hidrógeno, amonio y sulfuro (Cámara & Laines, 2011). 
 
En el proceso de la hidrolisis los microorganismos facultativos adquieren el oxígeno 
disuelto en el agua y generan un bajo potencial redox necesario para los 
microorganismos anaeróbicos estrictos (Deublein & Steinhauser, 2008). 
 
La hidrolisis se da por microorganismos estrictos y facultativos por medio de la 
síntesis de enzimas hidrolíticas denominadas lipasas, enzimas proteolíticas 
llamadas proteasas (Díaz, 2016), que son capaces de solubilizar la materia orgánica 
en presencia de agua, en esta etapa se encuentran los Peptostretococcus sp, 
29 
 
 
 
Propinibacterium sp, Bacteroides sp, Micrococcus, sp, Clostridium sp., Lactobacillus 
sp., Sphingomonas sp., y Bifidobacterium sp (Morales, 2020). 
 
Acidogénesis: En este proceso las moléculas orgánicas solubles pasan por un 
proceso de fermentación y se generan como productos el acetato, ácidos grasos de 
cadena corta, alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono para obtener los productos 
que se mencionan anteriormente, es necesario que ocurran los procesos de 
fermentación alcohólica, láctica y acética. 
 
● Fermentación alcohólica: Es un proceso biológico que ocurre en 
ausencia de oxígeno. Este es llevado a cabo por microorganismos que tienen 
la capacidad de procesar los hidratos de carbono convirtiéndolos en etanol y 
dióxido de carbono (Corrales et al., 2015). 
 
● Fermentación láctica: Es un proceso que es llevado a cabo por 
bacterias facultativas. Este consiste en la obtención de ácido láctico, fórmico, 
entre otros, a partir de la degradación de piruvato (Corrales et al., 2015). 
Existen dos tipos de fermentaciones lácticas, las cuales son: 
 
a. Fermentación heteroláctica: En este tipo de fermentación actúan 
bacterias del género Bifidobacterium. Estas generan productos como 
ácido acético, ácido fórmico y ácido láctico (Corrales et al., 2015). 
 
b. Fermentación homoláctica: En este proceso actúan bacterias de los 
géneros Streptococcus, Lactococcus y Pediococcus. En este se genera 
mayormente ácido láctico y una pequeña cantidad de alcohol, anhídrido 
carbónico y acetoína; esto varía dependiendo la disponibilidad de oxígeno 
(Corrales et al., 2015). 
 
● Fermentación acetona-Butanol: En este tipo de fermentación se 
generan productos tales como el ácido propiónico, ácido acético, ácido 
succínico y dióxido de carbono; para generar estos productos es necesaria 
la presencia de bacterias del género Propioniobacterium, Veillonella y, 
además, Clostridium propinicum. 
 
● Fermentación del ácido butírico: En este proceso se presentan 
bacterias del género Clostridium y se generan productos como el butanol, 
ácido acético, acetona, alcohol isopropílico y gases (Hidrogeno y Dióxido de 
Carbono) (Corrales et al., 2015). 
 
La cinética del proceso en esta etapa es relativamente rápida y el pH óptimo para 
el crecimiento de los microorganismos es bajo (Llamas, 2015). 
 
30 
 
 
 
Acetogénesis: En esta fase ocurre la oxidación del butirato y propionato con ayuda 
de los organismos acetógenos que actúan como productores obligados de 
hidrógeno con el fin de obtener como productos el acetato, el dióxido de carbono y 
el hidrógeno. Del mismo modo, en esta etapa las bacterias homoacetogénicas 
presentan una gran función, ya que catalizan la generación del acetato a partir del 
dióxido de carbono e hidrógeno (Corrales et al., 2015). 
 
En el género de las bacterias homoacetogénicas se incluyen los Clostridrium 
aceticum, Acetobacterium wooddi, entre otros (Cámara & Laines, 2011). 
 
Hasta este punto del proceso se generaron ácidos que producen una baja del pH 
medio, sin embargo, a medida que esta etapa va pasando a la fase de la 
metanogénesis los ácidos comienzan a ser consumidos y genera una subida del pH 
(Llamas, 2015). 
 
Metanogénesis: Durante esta fase se genera la formación del metano que se 
produce debido a la presencia de microorganismos del dominio Archaea, las 
especies más comunes en esta etapa son Methanobacterium sp., Methanosarcina 
y Methanothix (Morales, 2020). 
 
Las reacciones para estos microorganismos en esta etapa se encuentran en dos 
diferentes procesos; el primero,la conversión de acetato en metano por medio de 
las archaeas metanogénicas acetoclásticas lo cual es llevado a cabo por los 
géneros Methanosarcina y Methanotrix. Por último, la formación de metano a partir 
del dióxido de carbono e hidrógeno por las archaeas homoacetogénicas (Reyes, 
2017). 
En el primero de los procesos mencionados anteriormente ocurre la 
descarboxilación del acetato y a su vez la reducción del grupo metilo, generando 
como resultado metano y dióxido de carbono; por otra parte, en el segundo, ocurre 
la formación metano a partir de la conversión de dióxido de carbono e hidrógeno, 
donde este beneficia al biodigestor debido a que controla el potencial de 
oxidorreducción en la fermentación (Reyes, 2017). 
 
Las bacterias Arqueas Metanogenicas cuentan con coenzimas exclusivas, entre 
estas se encuentra la coenzima la cual permite reducir el dióxido de carbono en 
metano, las coenzimas F420 y F430 las cuales contienen niquel y son portadoras 
de hidrogeno (López, 2016). 
 
Las bacterias metanogénicas son más estrictas en comparación a las bacterias 
fermentativas con respecto al pH, puesto que las primeras son sensibles a las 
variaciones de pH fuera de su rango óptimo (Milquez, 2017). 
 
31 
 
 
 
Las bacterias en estos procesos se ven condicionados por algunos factores 
químicos y físicos, que permiten el correcto desarrollo como son: El pH y la 
temperatura. En la tabla 1 podemos ver los rangos de pH y temperatura que influyen 
en cada una de las etapas. Con respecto al pH, interviene en el crecimiento 
bacteriano, la mayoría de las bacterias pueden conseguir un desarrollo óptimo en 
un intervalo de pH de 6,3 – 7,6 (Acosta, 2019). Por otro lado, la temperatura 
interfiere en las interacciones biológicas y de supervivencia que desarrollan las 
bacterias. 
Tabla 1. Valor del pH según la etapa de la digestión anaerobia (Veiga, 2015) 
(Llamas, 2015) (Martí, 2019). 
 
 
 
 
 
 
4.1.2.3 Factores determinantes en el proceso de digestión anaerobia 
 
El proceso de digestión anaerobia se puede ver afectado por condiciones 
ambientales del biodigestor, uno de estos factores es la temperatura, en la que 
existen tres rangos óptimos para que se dé la fase de metanogénesis, en 5-15°C 
para psicrófilos, 35-40°C mesófilos y 50-60°C para termófilos (RedBioCol, & 
RedBioLAC, 2018). 
 
Por esta razón, es importante mantener los rangos óptimos para cada tipo de 
microorganismos, puesto que si la temperatura disminuye más del límite mínimo 
puede causar en la bacteria una gelificación de la membrana lo que causa que el 
transporte sea tan lento que no ocurra el crecimiento; si ocurre lo contrario, situación 
en la que se subiopera el límite máximo de temperatura, la bacteria puede sufrir 
desnaturalización proteica causando el colapso de la membrana; mientras que si se 
promueve estar entre el rango o valor óptimo habrá una reacción enzimática a la 
máxima velocidad posible hasta llegar a una velocidad con constante aumento 
(Madigan, Martinko, & Parker, 2004). Conforme a lo planteado, se puede entender 
que el aumento de la velocidad de reacción de los procesos depende de la velocidad 
de crecimiento de los microorganismos y estos a su vez dependen de la temperatura 
(Moreno, 2011). 
 
 Parámetro 
Etapa 
pH 
Hidrólisis 5,5 – 6,5 
Acidogénesis 5,0 – 6,0 
Acetogénesis 5,5 – 6,5 
 Metanogénesis 6,6 - 7,5 
32 
 
 
 
Otro factor determinante radica en la velocidad en la que las bacterias trabajan el 
estiércol, ya que este define el tiempo de retención, este tiempo hace referencia al 
periodo de tiempo en el que la materia se encuentra en el biodigestor hasta 
conseguir la degradación (Olaya & González, 2009); lo que hace referencia a que 
ante la presencia de mayor velocidad, menor será el tiempo que necesita el estiércol 
dentro del biodigestor para tener como resultado todo el potencial de biogás de la 
carga (Martí, 2019, p. 37), esta relación se muestra en la Tabla 2. El biodigestor se 
debe encontrar en un rango de temperatura óptima 25-35°C (Guerrero, 2012). 
 
Tabla 2. Variación del tiempo de retención a partir de las variaciones en la 
temperatura (Martí, 2019, p. 37). 
Temperatura Tiempo de retención 
35°C 25-30 días 
30°C 30-40 días 
25°C 35-50 días 
20°C 50-65 días 
15°C 65-90 días 
10°C 90-125 días 
 
Adicionalmente, el proceso se ve afectado por el pH, ya que las bacterias que actúan 
en las diferentes fases de la digestión anaerobia tienen unos rangos óptimos para 
su máxima actividad; en el caso de las hidrolíticas tienen un rango óptimo de 7,2 a 
7,4, acetogénicas entre 7,0 a 7,2 y la metanogénicas entre 6,5 a 7,5; siendo un 
rango entre 6,5 a 7,5 el valor óptimo del biodigestor (Guerrero, 2012). 
 
Es decir, las consecuencias de tener un valor de pH menor a 6 radican en que el 
producto de biogás tendrá concentraciones de metano bajas, puesto que las 
bacterias que actúan en la metanogénesis son sensibles a las variaciones en pH; 
además, la baja actividad en los microorganismos metanogénicos causa 
acumulación de ácido acético y al aumentar la presión de las bacterias que 
degradan el ácido propiónico son inhibidas dando una acumulación de ácidos 
grasos volátiles, disminuyendo la producción de ácido acético y disminuyendo el pH 
(Moreno, 2011). 
 
De manera conclusiva, en caso de que el pH aumente a más de 8, se da un cambio 
de NH4+ a NH3, esto teniendo en cuenta que concentraciones superiores a 1500 
mg/L de amoniaco pueden llegar a inhibir la fase de metanogénesis, ya que la 
molécula no ionizada del nitrógeno puede entrar a la célula a través de la membrana 
33 
 
 
 
celular y en concentraciones muy altas puede producir la muerte celular (RedBioCol 
& RedBioLAC, 2018). 
 
4.1.2.4 Biogás 
 
El Biogás es un producto de la digestión anaerobia de materiales orgánicos sólidos, 
esta es una mezcla gaseosa que contiene principalmente metano y dióxido de 
carbono, además de diferentes compuestos (Cvetkovski, I., & Litonjua, R. 2012). 
 
Las concentraciones en las que se encuentra los compuestos del biogás depende 
de la composición de la biomasa que se usa en el biogás, el metano (𝐶𝐻4) se 
encuentra en un 35%-75%, el dióxido de carbono (𝐶𝑂2) en un 15%-60%, vapor de 
agua (𝐻2𝑂) 5%-10%, sulfuro de hidrógeno (𝐻2𝑆) 0,005%-2%, el amoniaco (𝑁𝐻3) se 
encuentra en menos de 1%, oxígeno (𝑂2) 0%-1%, monóxido de carbono (𝐶𝑂 ) en 
menos del 0,6% y el nitrógeno (𝑁2) de 0%-2% (Arellano et al., 2017). 
 
La producción de Biogás a partir del estiércol y lodo animal permite disminuir las 
emisiones de gases invernadero principalmente el amoniaco y metano (Holmn, 
Seadi, & Oleskowicz, 2009); este producto permite que se use como energía 
renovable, puesto que el metano puede ser usado como reemplazo de combustibles 
fósiles para generación de calor, energía eléctrica y combustible para vehículos 
(Weiland, 2010). 
 
El biogás puede ser empleado de diferentes maneras, en lo que se incluye la 
producción de calor o vapor, generación de electricidad e iluminación. La primera 
se basa en utilizar el biogás para la generación de energía térmica, el segundo está 
basado en la utilización del biogás para la electricidad y generación de calor. Por 
otra parte, en la iluminación se transforma el biogás generado en luz o calor 
(Moreno, 2011). 
 
4.1.2.5 Biol/Efluente 
 
El biol o Efluente se le considera al producto dado en la digestión anaerobia además 
del biogás, este contiene materia orgánica rica en elementos minerales que permite 
que sea usado como fertilizante en el suelo (Moreno, 2011); es la fracción liquida 
que resulta del fango proveniente del biodigestor, este es sedimentado obteniendo 
de esta manera la parte liquida a la cual se le llama Biol (Canales, Rivas, & Sorto, 
2010). 
 
Es preciso señalar que el biol está compuesto en promedio por un 8.5% de materia 
orgánica, 2.6% nitrógeno, 1. 5% fósforo, 1.0% de potasio y un pH de 7.5; este se 
34 
 
 
 
puede usar deforma líquida en cantidades controladas o de forma sólida una vez 
este se ha deshidratado (Bautista, 2010). 
 
El uso del Biol se da principalmente como fortalecedor y fomentador del crecimiento 
de las raíces y frutos de las plantas; dado que, contiene materia orgánica, N, P, K, 
hormonas de crecimiento, vitaminas y aminoácidos; además, el Biol se puede usar 
para fertilizar los cultivos o puede añadirse al compostaje usado. 
 
- Ventajas: 
 
• El Biol permte un mejor intercambio catiónico en el suelo, ya que ayuda a 
ampliar la disponibilidad de nutrientes del suelo. 
• Ayuda a mejorar la resistencia a plagas y enfermedades, debido a que mejora 
la actividad de los microorganismos benéficos del suelo. 
• Mejora la floración y activa el vigor y la germinación de las semillas, lo que 
aumenta las cosechas. 
• Ayuda a desarrollar mayor tolerancia a condiciones climáticas adversas. 
• Contribuye a mantener el N, P, K, Ca debido al proceso de descomposición 
anaerobia que permite el aprovechamiento de los nutrientes de manera 
completa (Saldaña, 2019). 
 
El uso del Biol para el follaje de las plantas no debe de hacerse de forma pura sino 
en diluciones del 25% al 75%, para estas diluciones se puede realizar: 
 
- Disolución sencilla 
 
• El Biol obtenido de la DA filtrar por cedazos o filtros de alambre 
• Filtrar en tela para que pase por un embudo 
• Diluir un 25% agregando 15 L de agua a 5 L de Biol, o diluir un 75% 
agregando 5 L de agua a 15 L de Biol (Guanopatín, 2012). 
 
- Preparación del Biol bovino con urea y 18-46 
 
• Filtrar 200 L de Biol (separación de solidos) 
• A una caneca de 200L. Agregar 100 L de Biol 
• En una cubeta con 5 L de Biol disolver 1,5 Kg de urea 
• En una cubeta con 10 L de Biol disolver 1 Kg de 18-46 dejando por 20 minutos 
hasta que se disuelva la mayor parte 
• Se mezcla todo en la caneca inicial y se complementa con los 100 L de Biol 
restante (Sistema Bio Bolsa, 2018). 
 
35 
 
 
 
4.1.3 Caracterización fisicoquímica en afluente y efluente 
 
Con el propósito de asegurar una eficiente producción de biogás se debe realizar 
un dimensionamiento del sistema de biodigestión, para esto se puede analizar 
características físicas, químicas y biológicas del afluente y efluente; entre las 
principales características encontramos: Contenido de Sólidos (Sólidos Totales, 
Sólidos Volátiles), pH, relación carbono-nitrógeno, AGV, demanda bioquímica y 
química de oxígeno y alcalinidad (SEMARNAT & SAGARPA, 2010). 
 
▪ Nutrientes. Para lograr el alcance de un correcto desarrollo de la flora 
bacteriana se hace necesaria la existencia de nutrientes como nitrógeno, 
fósforo, sulfuro, potasio, calcio, magnesio y otros elementos como 
manganeso, hierro, molibdeno, zinc, selenio y níquel; de manera análoga el 
sustrato debe mantener concentraciones determinadas de estos elementos. 
 
Altas concentraciones de estos elementos causan efectos inhibidores como 
es el caso de la elevación del contenido de nitrógeno que causa problemas 
por formación de amonio y este a su vez el aumento de la presencia de AGV 
disminuyendo la producción de biogás y causando reducción en el pH, por lo 
cual se hace necesario un análisis del sustrato para garantizar las 
concentraciones de estos elementos (Pérez, 2011). 
 
▪ Sólidos totales (ST). Los sólidos totales hacen referencia al porcentaje o 
peso de solidos secos presentes en estiércol, orín o material orgánico 
(Navarro, 2017). Así mismo, los sólidos totales y solidos volátiles se 
interpretan como un % en peso húmedo de muestras y sus unidades son % 
masa (López, 2016), de esta forma un valor del 10% de ST significa un bajo 
contenido en sólidos, del 15–20% representa un contenido medio y del 22-
40% representa un alto contenido en sólidos (Pérez, 2011). 
 
▪ Solidos Volátiles (SV). Los sólidos volátiles son tomados en cuenta como la 
materia que en realidad es transformada por las bacterias (Reyes, 2017), 
estos son la porción orgánica de los sólidos y se volatizan a temperaturas de 
550 ± 50°C (Gonzales & Vargas, 2018). 
 
▪ Relación carbono-nitrógeno (C/N). Las bacterias que se encuentran en el 
proceso de digestión anaerobia dentro de biodigestor deben tener un 
correcto contenido de carbono y nitrógeno para su crecimiento (Palau, 2016). 
El carbono les da energía y el nitrógeno es importante para la creación de 
nuevas bacterias (Cortés, 2019). Sin embargo, la relación C/N debe 
mantenerse 30/1, puesto que una relación C/N puede generar un incremento 
de amonio y este a su vez inhibir la producción de metano (Palau, 2016). 
 
36 
 
 
 
▪ Demanda bioquímica y química de oxígeno. La demanda bioquímica de 
oxígeno (DBO) indica la cantidad de oxígeno disuelto que en el proceso de 
oxidación bioquímica de la materia es consumido por los microorganismos 
(Quispe, 2019). Mientras que la demanda química de oxígeno (DQO) mide la 
cantidad de un oxidante especifico que reacciona con una muestra en 
condiciones controladas, esta es expresada en mg𝑂2/L (Paredes, 2019). 
 
▪ Ácidos grasos volátiles (AGV). Son ácidos orgánicos con cadenas 
carbonadas que cuentan con una cantidad de carbonos inferior a seis, entre 
estos se puede encontrar el ácido fórmico, acético, propiónico, butírico, 
isobutírico, valérico e isovalérico (Herrera, 2020). Conocer la concentración 
de ácidos grasos volátiles es usado como un indicador de control en la 
digestión anaerobia, puesto que una acumulación de ellos indica si el proceso 
de metanogénesis no se está realizando total o parcialmente, su 
concentración se expresa en mg/L (López, 2016). 
 
 Los principales productos de la acidogénesis y acetogénesis son los AGV 
que sirven como intermediarios degradativos, como es el ácido propiónico, 
alcoholes, ácido butírico, valérico, capriónico y lácticos; además son 
precursores directos que permiten la formación de metano, tales como el 
ácido fórmico, metilaminas, ácido acético, metano, hidrogeno y 𝐶𝑂2 (Reyes, 
2017). 
 
▪ Alcalinidad. La alcalinidad está vinculada con el pH puesto que esta 
cuantifica la capacidad de un medio para neutralizar ácidos y de esta forma 
mantener el pH lo más estable posible (Martínez, 2019). Al realizar el análisis 
de alcalinidad se puede definir tres indicadores, el primero es la alcalinidad 
total (AT), seguido esta la alcalinidad parcial (AP), y por último la alcalinidad 
intermedia (AI) que está vinculada a la concentración de ácidos y bases 
débiles, su unidad es mg𝐶𝑎𝐶𝑂3/L (López, 2016). 
 
▪ Relación Ácidos grasos volátiles/Alcalinidad. La cuantificación de la 
alcalinidad debida a los AGV y la alcalinidad total es usada para el control de 
la estabilidad del proceso de digestión (Pérez & Torres, 2008), la alcalinidad 
permite medir la capacidad tampón del digestor, por lo cual, si la acidez volátil 
aumenta la alcalinidad debe contrarrestar este aumento (Llamas, 2015). 
 
Durante la fase inicial de la digestión la producción de AGVs causa la disminución 
del pH, sin embargo, la reacción del 𝐶𝑂2 permite formar 𝐻𝐶𝑂3 y así recuperar la 
neutralidad del proceso, a esta acción se le llama Capacidad tampón (Parra, 2014). 
 
37 
 
 
 
4.1.4 Sensores 
 
El primer elemento que tiene contacto con lo que va a ser medido es el sensor; por 
lo tanto, es sensible y responde a las variaciones de las magnitudes que se miden. 
Los componentes de medición además de tener un elemento sensible tienen un 
transductor que permite la conversión de la variación fisicoquímica detectada como 
entrada en una señal eléctrica como salida (Granda & Mediavilla, 2010). 
 
4.1.4.1 Sensor de pH 
 
El sensor de pH (potencial de hidrógeno) es un transductor entre la acidez de una 
solución y la señal eléctrica de la misma que permite conocer el grado de acidez y 
alcalinidad de las sustancias (Abarca, Corona & Carreño, 2014); esta medición es 
usada para garantizar la calidad de los procesos, como en el caso de los alimentos 
para saber si es apto para el consumo o