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como relaizar un biodigestor casero a partir de estiercol de caballoTRANSCRIPT
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS
CARRERA DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
DISEÑO DE BIORREACTORES
OBTENCIÓN DE BIOGÁS CASERO
INTEGRANTES:FREDY BAYAS
CARMEN COLCHAMARÍA JOSÉ GAVILÁNEZ
ANDRÉS LÓPEZNICOLE MORA
HENRY REALORENA RODRÍGUEZ
PAUL YUQUILEMA
NOVENO SEMESTRE
1. INTRODUCCIÓN
Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en ausencia
de oxigeno) de las bacterias que habitan en el estiércol, para transformar éste en biogás
y fertilizante.
El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, o iluminación, y en
grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad.
En las grandes urbes, los residuos sólidos orgánicos son un gran problema ya que éstos
son dispuestos en rellenos sanitarios los cuáles rompen el ciclo natural de
descomposición porque contaminan las fuentes de agua subterránea debido al lavado del
suelo por la lixiviación y también porque favorece la generación de patógenos.
Los residuos orgánicos al ser introducidos en el biodigestor son descompuestos de modo
que el ciclo natural se completa y las basuras orgánicas se convierten en fertilizante y
biogás el cual evita que el gas metano esté expuesto ya que es considerado uno de los
principales componentes del efecto invernadero.
La utilización de biogás puede sustituir a la electricidad, al gas propano y al diesel como
fuente energética en la producción de electricidad, calor o refrigeración.
En el sector rural el biogás puede ser utilizado como combustible en motores de
generación eléctrica para autoconsumo de la finca.
2. OBJETIVOS
2.1. GENERAL:
Obtener el biogás mediante experimentación casera con estiércol vacuno y
porcino.
2.2. ESPECÍFICOS:
Determinar las ventajas y desventajas de la producción de biogás casero.
Dimensionar el biodigestor mediante la utilización de Autocad 2014.
Identificar el nombre del gas que emana el sistema y determinar el volumen final
del este.
Identificar los factores más importantes que influyen en el proceso
metanogénico
.
3. MARCO TEÓRICO
El fenómeno de biodigestión ocurre porque existe un grupo de microorganismos
bacterianos anaeróbicos (ausencia de oxígeno) presentes en el material fecal que, al
actuar sobre los desechos orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de
gases con alto contenido de metano (CH4) llamado biogás, que es utilizado como
combustible. Como resultado de este proceso genera residuos con un alto grado de
concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizantes) que pueden
ser aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la
proliferación de moscas. Una de las características más importantes de la biodigestión
es que disminuye el potencial contaminante de los excrementos de origen animal y
humano, disminuyendo la Demanda Química de Oxigeno DQO y la Demanda Biológica
de Oxígeno
DBO hasta en un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y operación).
Se deben controlar ciertas condiciones pH, presión y temperatura a fin de que se pueda
obtener un óptimo rendimiento. Los principales componentes del biogás son el metano
(CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varía de
acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación:
COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS
Componentes Porcentaje
Metano 60 – 70 %
CO2 30 – 40 %
Hidrógeno 0.5 %
Nitrógeno 0.1 %
Oxígeno 0.1 %
Ácido Sulfhídrico 0.1 %
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características
combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado
por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 –
38MJ/m3 para el gas natural.
También el biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a
gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un
generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80%
del acpm o diesel (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la
totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión).
Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:
Generar 1.25 kw/h de electricidad.
Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.
Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.
Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.
Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas
La digestión de lodos e sun proceso de descomposicion anaeróbica, que consiste en la
degradación de la amteria orgánica en ausencia de oxígeno. Elproceso ára producir
metano (CH4), dioxido de carbono y otros compuestos implica la realización de una
serie de reacciones bioaqu+imicas, donde aprticipan una gran variedad de
microorganismos, los cuales a una parte del carbono lo oxidan completamente formando
CO2 y a la otra reduce en alto grado para formar metano, siendo químicamente estables
ambos compuestos.
Casi todas las materias orgánicas pueden emplearse para la fermentación. El hombre en
la producción de biogás utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas
residuales de la industria liviana y alimenticia,los dsechos municipales y diversos
subproductos agricolas (residuos de cultivos y excrementos humanos y de animales),
además se aprovechan algunos cultivos energeticos. Estos compuestos son desdoblados
fundamentalmente por bacterias que descomponen los amteriales prgánicos, algunos de
los cuales producen gas metano y otros no producen ningún gas. También se han
encontrado en los aislamientos protozoarios y hongos. La cooperacion e interacción
entre estos microorganismos es lo que produce la tranformacion y degradacion de los
diversos materiaales, de allí que el conocimiento de la micrbiología de la fermentación
metnaogenica sea la base fundamental para eldiseño el equipo, la organización del
proces,lapolitica tecnologica e laproduccion y el control de las condiciones técnicas.
Se reconoce cuatro grupos de bacterias que poseen diferentes funciones catabolicas
sobre el carbono, en el proceso de degradación de la materia orgánica hasta el metano,
estos grupos son:
GRUPO I. Bacterias hidrolíticas, catabolizan sacáridos, proteínas,lípidos y otros
constituyentes menores de la biomasa.
GRUPO II. Bacterias acetanogénicas, productoras de hiddrógeno, catabolizan ciertos ácidos grasos y productos finales
neutros.
GRUPO III. Bacterias homoacetanogénicas, catabolizan compuestos monocarbonados,
y/o hirolizan compuestos multicarbonos hacia la producción de ácido acético.
GRUPO IV. Bacterias metanogénicas, catabolizan acetato compuestos
monocarbonatos para producir metano; contemplándose solo cuatro
generos=Metanobacterium Methanococcus, Methanospirillum y Methanosercina.
Actualmente se considera que el proceso es mejor explicado bajo un esquema de tres
etapas, como se observa:
Grafica 1: Etapas de la Fermentación Metanogénica
Periodo de Produccion intensiva de ácidos (acidificación).Se inicia con la
materia orgánica y compuestos de mas fácil descomposición (grasas) existe
gran producción de dióxidos de carbono,producción de ácido sulfidrico,ácidos
orgánicos, bicarbonatos. ElpH se encuentra en la zona ácida 5.1 a 6.8.
Periodo de digestión de ácidos /Regresión, licuefacción). Atque a los ácidos
orgánicos y compuestos nitrosos, producción de bicarbonatos y de compuestos
amoniacales,mal olor causado por el ácido sulfihidrico. Gran parte de los sólidos
flotan y el pH se encuentra entre 6.6 y 6.8.
Periodo de digestión intensiva o de fermentación alcalina,digestión de materias
resistentes,proteínas aminoacidos, celulosa, producción de amoníaco, sales de
ácidos orgánicos y grandes volúmenes de gas,pricipalemente metano y
cantidades menores de dioxido de carbono y nitrógeno,olor a alquitran.
Pequeñas cantidades de sólidos flotantes. El pH pasa a la zona alcalina 6.9 a 7.4.
Normalmente en un digestor se cumplen las tres etapas. Para que un proceso de
ermentación se realice en forma normal y vital es preciso contar con la acción conjunta
y combinada de bacterias y su función más o menos activa o inactiva, tienden a destruir
el equilibrio cinético lo que lleva a la anormalidad o incluso al fracaso del proceso de
fermentación.
FACTORES A CONSIDERAR EN EL PROCESO METANOGÉNICO
Existen muchos facores que influyen directamente en la fermentación metanogénica y
son capaces de modificar la rapidez de la descomposición, entre ellos tenemos:
Material de carga para la fermentación.
Elmaterial de carga es (residuos de los cultivos, excretas de animales) y se dividen en
dos grupos, las materias ricas en nitrógeno y las materias ricas en carbono,el nitrogeno y
las materias primas ricas en carbono, elnitrogeno se utiliza como constituyente para la
formacion de la estructura celular y el carbono como fuente de energía.
Relacion C/N
Se reconoce una relación C/N de 20-30:1. La excreta de animales tiene una relacion
C/N inferior a 25:1, durante la fermentación tienen una mejor velocidad de
biodegradación y de generación de gas.
Concentración de la carga
No se recomienda que la carga a degradar este muy concentrada ni muy diluida, es
conveniente una concentración de 5-10 %.
La Temperatura
Material de carga para la fermentación.
La Temperatura.
Concentración de la carga.
Relacion C/N.
Valor del pH.
Promotores e inhibidores de la fermentación.
Define laszonas en donde el proceso puede llevarse a cabo ya sea por la latitud y/o
altura. Afecta el tiempo de retención para la digestión y degradación del material dentro
del digestor, la degradación se incrementa en forma geométrica con lso aumentos de la
temperatura de trabajo, además se incrementa la producción de gas.
Valor del pH
El valor óptimo es de 6.5 – 7.5, cuando baja de 5 o sube de 8 puede inhibir elproceso de
fermentación o incluos detenerlo.
Promotores e inhibidores de la fermentación.
Los promotores son materiales que pueden fomentar la degradación de la materia
orgánica y aumenta la producción de gas; entre ellos tenemos enzimas, sales orgánicas,
urea, carbonato de calcio.
Los inhibidores son aquellos factores que inhiben la actividade vital de los microbios;
entre ellos tenemos los iones metálicos.
4. PARTE EXPERIMENTAL
4.1. EQUIPOS Y MATERIALES:
2 termómetro
Equipo de venoclisis
Papel aluminio
2 botellas de cinco litros
Ph-metro
Silicona
2 probetas de 1000 ml
4.2. REACTIVOS
1,7 kg estiércol de vaca
1,7 kg estiércol de cerdo
3400 ml de agua
3000 ml lactosuero
5. DIMENSIONAMIENTO
6. Tipo Cant. Cabezas
PVP(kg) PVE(kg) Cant. Excreta(kg/día)
TE(horas/día)
Cerdo 1 1,7 50 2,25 24Vaca 1 1,7 350 10 6
Calculo para los cerdos:
¿¿ cabezas∗PVpPVe
∗Cant . Excreta∗Te24
¿
1∗1,750
∗10∗24
24
¿0,34 Kgestiercol /dia
Conociendo que previamente para los caballos los solidos suspendidos se estiman en alrededor del 20% su valor en Kg será:
SS=0,34∗0.2
SS=0,068KgSS /dia
Calculo para las vacas:
¿¿ cabezas∗PVpPVe
∗Cant . Excreta∗Te24
¿
1∗1,7350
∗10∗6
24
¿0,012 Kgestiercol/dia
Conociendo que previamente para los caballos los sólidos suspendidos se estiman en alrededor del 20% su valor en Kg será:
SS=0,012∗0.2
SS=2,43 x 10−3 KgSS /d ia
Entonces:Estiercol total
dia=0,34+0,012=0,352 kg/dia
Una vez determinada la cantidad de excreta se calcula el volumen total teniendo en cuenta la dilución recomendada.
De esta manera el volumen de mezcla por día en el digestor será:
Vt=0,352 Kgestiercoldia
+(2∗3 Kgdeaguadia )
Vt=6,352 Kgmezcladia
Vt=6,352 x 10−3m 3dia
Considerando 23 días de retención para la estabilización de la materia orgánica el volumen total de digestión será:
Vt=6,352 x 10−3m 3dia
∗23dias
Vt=0,146m3
Se diseña un biodigestor para 0,01m3 para que la carga orgánica no rebase los 2kg/m3/día.
0,068 Kg(cerdos) + 2,43 x10−3Kg(vacas) = 0,07043KgSS /dia
Por lo tanto, la carga orgánica diaria en el volumen del digestor será:
(0,07 kg SS/día)/0,01 m3 = 7,043 kg SS/m3/día
7. RESULTADOS
pH inicial de las muestras:
Biodigestor 1: 7
Biodigestor 2: 6.90
Temperatura y Volumen del biogás obtenido en los 2 biodigestores:
Dias Temperatura 1(°C)
Volumen 1 (mL)
Temperatura 2 (° C)
Volumen 2 (mL)
1 22
0 21
0
2 22
0 21
0
3 18
0 21
0
4 18
0 19
0
5 19
0 19
0
6 20
0 20
0
7 20
0 21
0
8 21
0 22
0
9 22
0 22
0
10 22
0 23
0,5
11 22
0 23
0,5
12 23
0,4
24
1,3
13 24
1,2
24
1,4
14 24
1,3
25
2,1
15 25
2 25
2,3
16 25
2,2
26
3,4
17 25
2,3
26
3,5
18 26
3,6
27
4,1
19 26
3,5
27
4,2
20 27
4,1
27
4,2
21 27
4,5
28
5,3
22 28
5,3
28
5,2
23 28
5,2
28
5,5
T 3 4
OTAL
5,6
3,5
8. DISCUSIÓN:
El pH obtenido en las muestras iniciales fueron de 7 y 6.9 respectivamente, mismas que
se tomaron mediante un pH-metro al inicio del proceso, es decir cuando se realizó la
mezcla.
En un clima frio el material en el biodigestor debe permanecer por más tiempo para
lograr un buen rendimiento de gas, esto quiere decir que nuestro biodigestor requería
más tiempo para la producción de biogás, así como implementar un sistema que provea
de una temperatura constante al biodigestor para que el tiempo de retención disminuya y
por ende la producción se agilite. Este tiempo de retención también es determinado por
el tiempo en el que el estiércol se demorará en fermentarse ya que según bibliografía es
de 115 días para el estiércol vacuno y porcino.
Por lo tanto la actividad biológica y la producción de gas aumenta con la temperatura
por lo que se debió tener en cuenta que al no generar calor al proceso, la temperatura
debía ser lograda y mantenida mediante energía exterior. Esto podría explicar que no
existió una gran cantidad de volumen obtenido de biogás, ya que la temperatura del
biodigestor no se elevó a la adecuada puede ser por los cambios drásticos de clima en la
ciudad, esta se reporta en el biodigestor 1 de 22° C a 28°C y en el biodigestor 2 de 21°C
a 28°C con una baja de temperatura al tercer y cuarto día del experimento, lo cual
después se estabilizó pero no se podía medir la presencia de biogás, por lo que después
se añadió 1 litro de lactosuero en cada biodigestor notándose un incremento leve de
temperatura y una leve producción de biogás a partir de los 23°C
En los datos reportados en el biodigestor 1 desde el día 1 al 11 no se reportó presencia
de biogás y desde el día 12 se reportó un volumen de 0.4 mL hasta l día 23 que se
obtuvo 5.2 mL con un total de biogás de 35.6 mL.
En el biodigestor 2 se reportó a partir del día 10 con 0.5 mL hasta el 23 con 5.5 mL y un
total de 43,5 mL.
Con esto se puede realizar una comparación que el biodigestor 2 fue más efectivo en
cuanto a obtención de biogás porque reporta un mayor volumen total.
También podemos añadir que en la operación de los biodigestores solo existió la
presencia de bacterias psicrófilas porque la temperatura solo llegó a los 28°C por lo que
se puede decir que no hubo un desarrollo óptimo del proceso.
9. CONCLUSIONES
Obtuvimos el biogás mediante experimentación casera con estiércol de cerdo y
vaca, donde el uso del biogás para la generación de electricidad y de energía
térmica da un valor adicional al empleo de biodigestores en
las empresas agropecuarias.
Determinamos las ventajas y desventajas de la producción de biogás casero
donde la ventaja más importante es que su producción es renovable, pueden
emplearse puros o combinados con otros combustibles, es menos irritante para la
epidermis humana y entre las desventajas más importantes tenemos que tienen
problemas de fluidez a bajas temperaturas, escasa estabilidad oxidativa.
Dimensionamos el biodigestor mediante la utilización de Autocad 2014 ya que
al utilizar Autocad nos dimos cuenta del dimensionamiento del biodigestor
Identificamos el nombre del gas que emana el sistema que es el metano aunque
su composición varía de acuerdo a la biomasa utilizada y determinamos el
volumen final del gas
Identificamos los factores que influyen en el proceso metanogénico se ve
afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias
intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a
esos cambios no es posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta
cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa. Entre los factores más
importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes: tipo de sustrato
(nutrientes disponibles), temperatura del sustrato; la carga volumétrica, tiempo
de retención hidráulico, nivel de acidez (pH), relación Carbono/Nitrógeno,
concentración del sustrato; el agregado de inoculantes y el grado de mezclado.
10. RECOMENDACIONES
Tener el biogás a una temperatura ambiente para que el biogás pueda producirse
de manera efectiva y en el tiempo requerido. Se debe tener en cuenta que la
temperatura optima de operación de los microorganismos metanogénicos está
comprendida entre 25°C y 40°C
Evitar que las excretas sean de animales enfermos o que estén en tratamiento
médico con antibióticos o que tengan ya una edad muy avanzada ya que si este
sería el caso la obtención del biogás sería difícil.
El digestor casero debe ser llenado máximo ¾ de su volumen
Es importante dar a conocer la tecnología de sistemas de tratamiento de excretas
de ganado porcino utilizando biodigestores en las comunidades que lo requieran,
ya que en la mayoría de nuestros países se conoce muy poco de los beneficios
que tiene el tratar adecuadamente las excretas.
11. APLICACIONES:
En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseñado para
uso con gas natural. El gráfico que se encuentra a continuación resume las posibles
aplicaciones.
En el cuadro se han listado los principales artefactos que utilizan biogás juntamente a su
consumo medio y su eficiencia.
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60
Lámpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50
Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30
Motor a gas 0,5 m 3 /kWh o Hph 25 - 30
quemador de 10 kW 2 m 3 /h 80 - 90
Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99
Co generador 1 kW elect.
0,5 m/kwh
2kW térmica
hasta 90
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como
diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo
cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de
compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido. El biogás
puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El
gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo
hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión,
por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.
En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un
mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen funcionando
con un 100% de biogás con una merma de la potencia máxima del 20% al 30%.
Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el
bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área
rural. El otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores de
electricidad.
El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace
bastante tiempo. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas tales
como:
12. BIBLIOGRAFÍA:
a. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- SARDÓN, José María. Energías Renovables para el desarrollo. Segunda
edición, 2012. Pág. 251-253.
- GUEVARA VERA Antonio. 2010. Fundamentos Básicos para el Diseño de
Biodigestores Anaeróbicos Rurales. Lima.
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf
- VARNERO MORENO María Teresa. 2011. FAO PNUD. Santiago de Chile.
http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf
- FONTE HERNÁNDEZ Aramís. Biogás: energía, medio ambiente y clima
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo03.htm
b. CITAS BIBLIOGRÁFICAS
- SARDÓN, José María. Energías Renovables para el desarrollo. Segunda
edición, 2012. Pág. 251-253.
c. INTERNET
A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión
(200 a 300 bar.); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.
La conversión de los motores es cara (instalación similar a la del GNC) y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de
los vehículos.
Por último la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la compresión a gran escala de este tipo de
uso.
- GUEVARA VERA Antonio. 2010. Fundamentos Básicos para el Diseño de
Biodigestores Anaeróbicos Rurales. Lima.
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf
- VARNERO MORENO María Teresa. 2011. FAO PNUD. Santiago de Chile.
http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf
- Aramís Fonte Hernández. Biogás: energía, medio ambiente y clima
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo03.htm
13. ANEXOS: