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Universidad Tecnológica del Perú

Facultad de Ingeniería

Carrera de Ingeniería Industrial

ESTUDIO DE VIABILIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE Y OTROS DERIVADOS DE

LA TUNA EN LA CIUDAD DE AREQUIPA

Trabajo final de la asignatura: FISICA II

INTEGRANTES:

CARPIO PEREZ ANDREE

QUISPE HUARCAYA ANA MARÍA

yojenes4@gmail.com

Docente:

ING. ALBERTO PACCI – apacci@utpaqp.edu.pe

Arequipa – Perú

2015

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PRESENTACION

El presente trabajo se basa en la obtención de Biogás a partir de la cascara de tuna

obtenido como un desecho en los mercados. Este proyecto se enfoca principalmente en

tratar de lograrla conversión del desecho en biogás. Por estos motivos el enfoque básico

del trabajo es lograr el mayor beneficio posible a este nuevo modo de obtener una

energía renovable la cual proveerá energía. Con este proyecto no solamente se

obtendrán beneficios en el ahorro de energía, sino que también se obtiene un beneficio

extra importante como es la futura exportación. A continuación se detallan las partes del

proyecto elaborado.

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RESUMEN

En las ciudades rurales con climas fríos, el problema para obtener combustible para

generar calor era cada vez más difícil debido a que la deforestación ha reducido las

fuentes para conseguir madera; una alternativa para solucionar este problema fue, el uso

del biodigestor, donde a través de la descomposición delas cascaras de fruta se producía

el llamado biogás, el cual está compuesto principalmente de metano. Éste es un

combustible que se quema y puede ser utilizado como gas en las cocinas o para mover

turbinas y producir energía eléctrica.

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INDICE

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INTRODUCCIÓN

La tuna (Opuntia ficus-indica (L.) Mill.) es una planta de gran importancia en los

sistemas agro-pastoriles de los andes peruanos. Esta cactácea se encuentra ampliamente

distribuida en el país, especialmente en los valles interandinos donde ha encontrado

condiciones adecuadas para su establecimiento. Sus frutos son consumidos en forma

natural tanto por campesinos como por pobladores locales y son comercializados en los

principales mercados del país.

Con éstos también se elaboran productos derivados como mermeladas y bebidas. Sus

tallos se utilizan como forraje para el ganado, especialmente en épocas de sequía,

igualmente son útiles en el establecimiento de cercos vivos y cuando la planta muere,

sus restos se usan para la elaboración de fertilizantes orgánicos. Pero el uso más

frecuente que se le da a esta planta es como hospedera para la crianza de un insecto

conocido como cochinilla (Dactylopius coccus Costa), en cuyo interior se produce el

carmín, pigmento natural usado en la industria alimenticia, textil y farmacéutica. El

Perú sigue siendo el primer productor de carmín a nivel mundial, aportando entre el 85

y el 90% de la demanda internacional, y la actividad productiva se basa en la

recolección artesanal de estos insectos, principalmente en la zona de Ayacucho.

Actualmente el consumo del fruto de la tuna viene creciendo continuamente en todo el

mundo por sus valores nutricionales, como también por sus características sensoriales,

proporcionados por el aroma y sabor características de la especie, siendo importante

hacer extensivo el consumo de frutos y hojas de tuna por sus propiedades antioxidantes

cuyo potencial ha sido reconocido por la FAO para el desarrollo de las regiones áridas y

semi áridas, especialmente en los países en desarrollo.

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CAPITULO I:

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En vista de lo que se vive actualmente con respecto al uso de combustibles fósiles,

debido al aumento del costo del petróleo por la reducción del abastecimiento del mismo,

se hace necesario realizar estudios que propongan soluciones alternativas de producción

de combustibles que favorezcan la economía industrial y la provisión de energía.

A esto se le puede sumar la necesidad de crear combustibles limpios, que no propaguen

el problema del efecto invernadero, ya que se ha demostrado que este incremento se

debe principalmente a la oxidación de carbono orgánico (producto de la combustión de

combustibles fósiles) y la deforestación, esto ha provocado que la concentración de

CO2 actual sea mayor en los últimos 650.000 años.

El biocombustible se puede obtener a partir de aceites vegetales o de grasa animal, por

lo que al considerar estos recursos y el problema actual, resulta interesante aprovechar

lo que es visto un desperdicio para producir lo que es considerado el “combustible del

futuro”, ya que en menos de una década, vehículos y maquinas serán impulsadas por

medio de este combustible.

Actualmente Perú posee un gran potencial, para construir una gran industria de los

biocarburantes. Pero limita su obtención a partir de productos agrícolas, ya que como

país tropical presenta suelos aptos para el cultivo. Por esta razón los estudios se han

fundamentado en la obtención de biocombustible a partir de productos agrícolas sin

difundir estudios sobre la obtención de biocombustible a partir de la tuna, la cual es una

alternativa tentativa para la obtención de este producto.

1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA

Hoy en día existen muchos desechos los cuales son arrojados al mar, torrenteras etc.

Causando así un sinfín de enfermedades en la población nadie en la población se siente

concientizado con este problema es por ello que:

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Se requiere entonces de un perfeccionamiento e integración de nuestra sociedad para

nuestras futuras generaciones y que mejor forma de transformar estos desechos en

fuentes de energía aprovechables.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Indagar cómo se desarrolla la producción de biogás  a partir de la cascara de tuna, para

la reducción de la contaminación ambiental; dirigiéndonos principalmente a personas

que estudien y se desempeñen en campos del saber cómo: Biología, Ingeniería de

Petróleos, Ingeniería Ambiental e Industrial, Microbiología, Química y estudios afines,

además a aquella gama de empresas que hacen uso diario de los combustibles, para que

tengan una nueva visión orientada al beneficio del hombre y medio ambiente.

1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO

Presentar al biodiesel como nueva opción de combustible, ayudando a la

reducción de las emisiones de compuestos que contaminan y maltratan la

atmósfera.

Mostrar de forma clara y concisa el proceso para la producción de

Biocombustible.

Participar en la motivación de la cultura de la no contaminación a partir del uso

del biocombustible.

Dar a conocer los grandes beneficios de la utilización de dicho biocombustible.

1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

El biogás radica específicamente en dos aspectos fundamentales son: la fácil obtención

de la materia prima (desperdicios de cáscaras de frutas o plantas,  orina humana) y el

bajo costo de elaboración del  biodigestor. 

Además es una temática de nuestra actualidad, que ofrece la apertura de una nueva línea

de investigación que nos permitirá crecer intelectualmente como académicamente. 

Tomando en cuenta que de este modo protegeríamos nuestro medio ambiente, podemos

destacar otros beneficios como: 

- Mejora las condiciones higiénicas. 

- Uso del gas metano como fuente alternativa. 

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- Protección del medio ambiente y salud. 

- Uso del biobono. 

Con el uso de biodigestores se resolverán una serie de problemas que enfrenta nuestro

país tanto en el sector rural como urbano.

El país necesita tecnologías amigas del medio ambiente, la unidad de producción

agropecuaria, requieren maximizar el uso dos recursos, este tipo de tecnología es una

muestra clara de que nada en el mundo puede considerarse como desecho inutilizable.

Son muchas las bondades de éste proyecto, además los requerimientos económicos para

inversión son relativamente bajos, cuando los comparamos con los beneficios que se

puede obtener al usar estas tecnologías. 

CAPITULO II

2.1 ANTECEDENTES

En las ciudades rurales con climas fríos, el problema para obtener combustible para

generar calor era cada vez más difícil debido a que la deforestación ha reducido las

fuentes para conseguir madera; una alternativa para solucionar este problema es, el uso

del biodigestor, donde a través de la descomposición de cascaras de frutas como la tuna

que producirá el llamado biogás, el cual está compuesto principalmente de metano. Éste

es un combustible que se quema y puede ser utilizado como gas en las cocinas o para

mover turbinas y producir energía eléctrica.

2.2 MARCO TEORICO

2.2.1 HISTORIA DEL BIOGÁS

Las primeras menciones sobre Biogás se remontan al 1.600 identificados por varios

científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica. En el

año 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India y ya en 1896 en

Exeter, Inglaterra, las lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas

recolectado de los digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad. Tras las

guerras mundiales comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas productoras

de Biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la época. En todo el

mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el tratamiento de aguas

cloacales colectivas. El gas producido se lo utilizó para el funcionamiento de las propias

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plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades se lo llegó a inyectar en la red

de gas comunal. Durante los años de la segunda guerra mundial comienza la difusión de

los biodigestores en el ámbito rural tanto en Europa como en China e India que se

transforman en líderes en la materia.

Esta difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los combustibles fósiles y recién

en la crisis energética de la década del 70 se reinicia con gran ímpetu la investigación y

extensión en todo el mundo incluyendo la mayoría de los países latinoamericanos. Los

últimos 20 años han sido favorables en cuanto a descubrimientos sobre el

funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico gracias al nuevo material de

laboratorio que permitió el estudio de los microorganismos intervinientes en

condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno). Estos progresos en la comprensión del

proceso microbiológico han estado acompañados por importantes logros de la

investigación aplicada obteniéndose grandes avances en el campo tecnológico.

2.2.2 ¿QUÉ ES EL BIOGÁS? 

El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos

específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la

acción de microorganismo y otros factores, en ausencia de oxígeno (esto es, en un

ambiente anaeróbico).

2.2.3 ¿CUÁL ES EL POTENCIAL ENERGÉTICO DEL BIOGÁS?

El biogás es una fuente de energía renovable, compuesta principalmente por metano y

dióxido de carbono, generados a partir de la biodegradación de materia orgánica en

ausencia de oxígeno. Cumple una importante función medioambiental ya que se obtiene

a partir del tratamiento y la valorización energética de residuos orgánicos de origen

animal, vegetal, agroindustrial, forestal y acuático.

Como otros combustibles, el biogás cuenta con múltiples aplicaciones, desde generación

de electricidad o calor, hasta carburante en vehículos adaptados para ello.

Múltiples beneficios para el medio ambiente 

Este biocombustible contribuye a la mitigación del Cambio Climático debido a las

siguientes razones:

No emite dióxido de azufre, que además es el principal causante de la lluvia ácida

Disminuye la concentración de partículas en suspensión de monóxido de carbono y de

hidrocarburos, respecto a otros carburantes

Permite reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles

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Otro de los beneficios del biogás frente a otras fuentes de energía renovable, es que

proporciona una mayor seguridad en cuanto al abastecimiento energético pues su

producción no está limitada por las condiciones climáticas.

2.2.4 ¿QUÉ SON LOS BIÓDIGESTORES?

Son contenedores que producen abono natural y biogás a partir de desechos orgánicos,

tanto excrementos de origen animal y humano como restos vegetales. Estos residuos se

reciclan convirtiendo se en energía y en fertilizantes para su uso en las tareas del campo,

por lo que es un método de ahorro energético ideal para zonas rurales o para países en

vías de desarrollo. 

Los contenedores se utilizan sobre todo en el tratamiento de excrementos de ganado

bovino y porcino, ya que ambos generan biogás en una mayor medida. Se pueden usar

tanto para emitir energía térmica como eléctrica. En principio, la inversión en estas

máquinas es alta, debido a los costes de instalación y puesta en marcha, pero en los

últimos años ha ido disminuyendo gracias al abaratamiento de los materiales de

construcción de los mismos, que suelen ser plástico y polietileno. Es por ello, que en

este tipo de máquinas la variedad de modelos es muy amplia, llegándose a conocer en

torno a unas setenta, lo que da amplio margen a la hora de instalarlas y poder hacer

frente a los costes.

2.2.5 ¿CÓMO SE CONSTRUYEN LOS BIODIGESTORES?

El biogás se obtiene a partir de la fermentación bacteriológica de las cáscaras frescas de

tuna y piña. En la producción de biogás las cáscaras de piña y tuna brindan la fuente de

carbono. Como fuente de urea se usó orina humana. Las bacterias existentes en las

cáscaras se multiplican y fermentan generando gas metano. Un primer grupo de

microorganismos hidroliza los biopolímeros y los lípidos en unidades estructurales

como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados. Un

segundo grupo de bacterias anaerobias, acidógenas, fermenta los productos

descomponibles del primer grupo en ácidos orgánicos simples, como el ácido acético.

Un tercer grupo de microorganismos, metanogénicos, convierte el hidrógeno y el ácido

acético en gas metano y dióxido de carbono. El biogás que sirve como biocombustible

es el metano. 

2.2.6 CONSTRUCCIÓN DE UN BIODIGESTOR CASERO

El biodigestor se construirá de la siguiente manera utilizando como fuente de biogás la

fruta que haya producido más gas en nuestros experimentos preliminares:

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1. Cortar 20 cm de la tubería de cobre. Ligar los lados

2. El globo para helio contiene una válvula para evitar que se salga el helio cuando esté

lleno. Esto va evitar que se salga el biogás del globo, insertar el tubo de cobre dentro del

globo más o menos 2 cm.

3. Probar que el gas no se vaya a escapar del tubo, soplar un poco de aire para

comprobar que no se escape.

4. Asegurar silicón

5. Hacer una perforación de 4mm en el corcho, añadir unas gotas de pegamento e

insertar en conector T. Debajo del corcho pegar la tapa.

6. Ajustar los conectores de gas uno en cada lado de la válvula de estanque.

7. Cortar en 2 secciones de 25 cm el tubo de PVC, usarlos para conectar el globo con el

adaptador T, luego a la válvula de estanque y de ahí al mechero de bunsen.

FIGURA 1

NOTA:

El metano comienza a producirse una vez que las bacterias hacen respiración

anaeróbica, que es cuando se termina el oxígeno disponible. El pico de gas que se

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observa en los primeros días de producción, se puede deber al dióxido de carbono y no

al gas metano. Se estima que el contenido de metano vaya aumentando a medida que

pasan los días, debido a la fermentación bacteriológica anaerobia.

2.2.7 DESARROLLO EXPERIMENTAL.

MATERIALES  Y SUSTANCIAS 

180 gramos de cascara de tuna.

1 Litro de orina humana. 

1 Contenedor de capacidad de 5 litros

1 botella plástica de capacidad de 1 litro

1 Corcho o tapón.             

1 Pegamento y plastilin

1 m Manguera de plástico delgada

1  litro de agua destilada y agua de chorro

2.2.8 PROCEDIMIENTO 

1. Cortar y picar las cascara de tuna u otros.

2- pesar 180 gramos de cada una de las cascaras de tuna.

3. Introducir los 180 gramos de la fruta picada en el contenedor de 5 litros. (Repetir el

procedimiento para cada una de las cascaras de fruta)

4. Obtener una muestra de 1 litro de orina humana e introducirla en el contendor de 5

litros junto con las cascaras.

3. Agregar agua destilada al contendor hasta alcanzar los 3 litros de capacidad. 

4. Hacer un orificio al corcho donde se colocara la manguera de plástico.

5. colocar la manguera de plástico en el orificio y con cera de candela cubrir por dentro

del corcho.

6. Tapar la entrada de aire del contenedor, colocando un corcho con la manguera de

plástico, que desemboca en la botella de 1 litro de capacidad invertida, llena de agua,

encima de la bandeja o contendor de agua de chorro.

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7. Registrar el volumen de agua desplazada por el gas producido cada 24 horas

aproximadamente.

3 ESTUDIO DE MERCADO

Dicho estudio que se presenta a continuación se basa en la construcción de un análisis del mercado de Biogás en el ámbito nacional y regional. Por el motivo de que es un producto que está en plena difusión. Dentro del país existen muy pocas construcciones del tipo presentado en este proyecto o más grande.

También se analizara el mercado de energía eléctrica en el país para analizar su funcionamiento, organización y actualidad del mismo junto con un futuro previsible.

Analizando todas estas variables, obtendremos la información suficiente para lograr insertar nuestro producto en el mercado y saber cuáles son los posibles demandantes.

3.1 ANÁLISIS DEL MERCADO A NIVEL NACIONAL

Al analizar el Biogás a nivel nacional nos encontramos con muy poca información con respecto a la obtención del mismo a partir de la cascara de tuna, ya sean construcciones en funcionamiento como también proyectos a futuro.

3.1.1 FUNCIONAMIENTO, ORGANIZACIÓN Y ACTUALIDAD DEL MERCADO ELÉCTRICO.

La transformación del sector eléctrico en la República Argentina debe observarse en el marco general de un profundo cambio en el ámbito económico, con una participación creciente de la actividad privada, en que el Estado pasa a ejercer la función reguladora y orientadora para que las nuevas actividades se desarrollen en forma armónica y equilibrada.

Es decir, el Estado transfiere sus funciones de empresario al sector privado y mantiene sus funciones de regulador de las actividades a efectos de evitar prácticas monopólicas.

3.2 ANÁLISIS DEL MERCADO A NIVEL REGIONAL

Con respecto al este análisis del mercado a nivel regional de lo que es el Biogás, en la región no se encuentra en la actualidad que exista una instalación, de las características presentadas en este proyecto, en funcionamiento. De allí la importancia de poder insertar este producto en el mercado regional ya que prácticamente no existe competencia, sumado a que es una de las cuencas productoras de tunas más importantes del país donde converge mucho que se puedan adaptar a la instalación de este tipo de planta de Biogás.

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3.3 ENCUESTA PARA FUTUROS CONSUMIDORES

3.4 RESULTADOS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

30

abcde

Estos fueron los resultados obtenidos al realizar la encuesta, se pudo apreciar que la

población consume gas propano en un 90% a un precio por el momento adecuado y en

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su mayoría siempre con una calidad excelente, pero a su vez les agradaría que su precio

disminuyera, muchas de las personas compran sus balones en la misma planta ya que su

ahorro oscila entre 2 a 3 soles dependiendo de la cantidad de balones que adquieran y su

satisfacción es moderada por el consumo y también depende del tiempo y cantidad de

consumo por día.

Por otro lado su importancia es máxima ya que es el medio más económico por el

momento, en cuanto a la atención ofrecido por otras empresas es moderada y su

economía al momento de elegir la marca es importante ya que muchos consumidores

buscan el ahorro.

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ANEXO

Tabla 1

ITEN ACTIVIDAD

SEMANA

1 2 3 4 5 6 7 8 910

11

12

13

14

15

16

17

18

19

1 Elección del proyecto

2Entrega de caratula con el tema e integrantes de grupo

3 Presentación del primer avance

4

Subsanación de observaciones(planteamiento del problema, planificación de objetivos, marco teórico)

5

Desarrollo del proyecto( creación del biodigestor, aplicación de encuestas, fermentación prueba 1,envio de proyecto)

6

Subsanación de errores (análisis de fermento, análisis de resultados ,aplicación de un nuevo método para una mayor obtención de metanol)

FIGURA 1

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FIGURA 3

FIGURA 4

FIGURA 5

FIGURA 2

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FIGURA 6

FIGURA 7

FIGURA 8

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FIGURA 9

FIGURA 10

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FIGURA 12

FIGURA 13

FIGURA 14

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FIGURA 15

FIGURA 16

FIGURA 17

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FIGURA 18

FIGURA 19

FIGURA 20

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POSIBLE SOLUCION CUANDO ESTÁ EN LOS DESECHOS Con un equipo de bajo costo y residuos orgánicos que abundan en el campo, es posible

dar una solución las deficiencias del actual sistema energético. La producción de biogás,

poco difundida en la actualidad, pero de gran valor estratégico; puede ser una rentable y

viable alternativa para los problemas generados por la crisis energética.

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BIBLIOGRAFIA

BRITO LUVIANO, ANA KAREN; HERNÁNDEZ BARRAGÁN, DIANA Y

URBANO MEDINA, ANDREA .2011. Chispa Orgánica. Centro Universitario Anglo

Mexicano de Morelos, S. C.

TEXO JUAN PABLO, BENTANCUR CARLOS IGNACIO.2009.perspectivas de

desarrollo de biocombustible en Uruguay. Facultad de ciencias económicas y

administrativas.

EDNA ABAD MEDINA, ALBERTO ACOSTA PALACIOS, ANA BURGOS

ARRASCUE, BRUNO CRISANTO PALACIOS, JUAN EYZAGUIRRE YAÑEZ,

JOAQUÍN RIVERA LÓPEZ.2013. Análisis y diseño de un sistema de recolección y

tratamiento de aceites domésticos usados para la producción de biodiesel en la ciudad

de Piura y Castilla .Facultad de ingeniería Área Departamental de Ingeniería Industrial

y de Sistemas.

MARÍA DEL PILAR DORADO PÉREZ. Desarrollo y ensayo de nuevos

biocombustibles para motores diesel procedentes de diversas semillas oleaginosas y de

grasas vegetales usadas. Universidad de córdoba escuela técnica superior de ingenieros

agrónomos y de montes departamento de ingeniería rural.

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