UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUMICA

OPTIMIZACIN DE LA PRODUCCIN DE BIOGS INCORPORANDO ANILLOS CERAMICOS EN EL INTERIOR DE UN BIODIGESTOR DE CPULA FIJA.

PLAN DE TESISPara optar el Ttulo Profesional de Ingeniero QumicoPresentado por:

BALDEON CARHUAMANTA Elias GodofredoHUANCAYO - PERU

2013I. IDENTIFICACION DEL PLAN DE TESIS

1.1. TITULO DEL TEMAOPTIMIZACIN DE LA PRODUCCIN DE BIOGS INCORPORANDO ANILLOS CERAMICOS EN EL INTERIOR DE UN BIODIGESTOR DE CPULA FIJA.1.2. EJECUTOR:

BALDEON CARHUAMANTA Elias Godofredo1.3. LUGAR DE EJECUCIONLaboratorio LOPU la facultad de Ingeniera Qumica de la Universidad Nacional del Centro del Per.II. RESUMEN:En este proyecto de tesis se estudian las condiciones de operacin bajo las cuales un proceso de digestin anaerbica de desechos slidos orgnicos, en rango mesoflico, presentan la mxima productividad y calidad en cuanto a la obtencin de biogs. Inicialmente se tiene ya un proceso de operacin, en el cual variables como temperatura, proporciones de mezcla entre materia orgnica y agua, agitacin y pH se encuentran establecidos y deben mantenerse dentro de rangos especficos y lo ms constantes posibles, por lo que se tiene principal inters en la carga orgnica que se realiza al proceso, ya que gracias a la misma se podr incrementar tanto la produccin de biogs y reducir los tiempos de residencia.

En este proyecto de tesis se estudia la estrategia de cmo se puede optimizar la produccin de biogs en un biodigestor de cpula fija o tipo chino, que se instalara en el Laboratorio de la faculta de ingeniera Qumica - UNCP, utilizando como materia prima los residuos slidos orgnicos del distrito en mencin. Uno de los problemas que se presenta en la descomposicin de la materia orgnica son las bacterias anaerbicas que se descomponen muy lentamente debido a que la actividad de estos dependen de la temperatura obtenindose como resultado una baja productividad de biogs.

Entonces se pretende incorporar materiales con alta superficie especfica (anillos cermicos) en el interior del biodigestor en el cual los microorganismos se adhieren a la superficie del relleno y crecen entre los orificios formando biopelculas, por lo cual se mantiene una gran cantidad de microorganismos en el bioreactor. Esto es importante porque las bacterias metangenicas tienen un largo ciclo de multiplicacin ya que gracias a la misma se podr incrementar tanto la produccin de biogs y la calidad de fertilizante orgnico (biol) aumentando el tiempo de retencin celular en el interior del biodigestor.Las variables independientes son la temperatura, el tiempo de retencin hidrulico y la cantidad de anillos cermicos, los cuales influirn en la produccin de biogs, la metodologa a usar ser el de mtodo experimental, el diseo de investigacin es el factorial con dos niveles (mnimo y mximo) y tres factores, las cuales nos dan ocho pruebas que se tienen que realizar, el costo del proyecto es S/ 3150.00 nuevos soles los cuales sern autofinanciados.III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA3.1. FORMULACION DEL PROBLEMA.

El problema que motiva a esta investigacin es el desconocimiento de cmo se puede mejorar u optimizar la produccin de biogas en un biodigestor de cpula fija incorporado con anillos cermicos el cual ser instalado en el Laboratorio de la faculta de ingeniera Qumica - UNCP.

Uno de los factores ms importantes que condiciona su espontaneidad de este proceso es la temperatura ambiente del lugar que condiciona a la temperatura dentro del biodigestor donde ocurre el proceso de digestin anaerbica obteniendo como resultado un bajo rendimiento de la produccin de biogs con altos tiempos de residencia hidrulica.IV. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVOS GENERALES Optimizar la produccin de biogs incorporando anillos cermicos en el interior de un biodigestor de cpula fija

4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOSLos objetivos especficos de este proyecto son: Determinar la cantidad de anillos cermicos que se debe incorporar el interior del biodigestor para mejorar la eficiencia de produccin de biogs. Determinar temperatura optima incorporando anillos cermicos en un biodigestor. Evaluar la calidad (%CH4) y observar la produccin de biogs.V. JUSTIFICACIONCon este proyecto se busca contribuir con la preservacin del ecosistema y la salud pblica mediante el tratamiento anaerbico de residuos slidos orgnicos, producto de las actividades diaria de la poblacin. Principalmente basndonos en la optimizacin en cuanto a la produccin de biogs. Al optimizar el funcionamiento del biodigestor y del proceso en general, podemos conocer los lmites bajo los cuales el proceso de digestin anaerobia se encontrar operando de forma eficiente y productiva, evitando as una sobrecarga en el proceso, una operacin ineficiente o costos innecesarios. En definitiva lo que se busca en este estudio es incrementar la alimentacin diaria de los desechos slidos orgnicos, en un proceso que transformar estos agentes contaminantes en energa de excelentes propiedades. Todo esto monitoreando y controlando los parmetros de control para conocer los lmites bajo los cuales puede operar dicho proceso.

VI. MARCO TEORICO6.1. Optimizacin de ProcesosLa palabra optimar u optimizacin se refiere a la bsqueda y el hecho de mejorar el rendimiento de un sistema operativo. En la optimizacin de un proceso se busca determinar la regin de los factores importantes que produzca la mejor respuesta posible, o en otras palabras, encontrar el conjunto de condiciones de operacin que produzcan el mejor desempeo del proceso. Por ejemplo, si la respuesta que representa mayor importancia en un proceso es el rendimiento, se buscar la regin del rendimiento mximo, mientras que si la respuesta es la variabilidad de una dimensin crtica del producto, se buscara la regin de variabilidad mnima [3].

6.2. BiogsEl biogs es una mezcla de gases, producto de la descomposicin anaerbica de la materia orgnica, realizada por la accin bacteriana. Las bacterias consumen la materia orgnica compuesta principalmente por carbono y nitrgeno y como resultado se produce una combinacin de gases, conformados mayoritariamente por metano (CH4), el cul brinda las caractersticas combustibles al biogs, y dixido de carbono (CO2) [1].

La produccin y las caractersticas del biogs, son variables y se ven directamente relacionadas con el tipo de desecho o residuo del cual provienen. Dependiendo de la composicin fisicoqumica y la cantidad de carbono degradable que contenga la materia orgnica se tendr mayor o menor produccin de biogs. El volumen de biogs producido generalmente se expresa en m3 biogs / m3 digestor o m3 biogs / kg DQO y difieren segn el tipo de residuo, la concentracin de slidos voltiles (SV), la relacin de carga, el tiempo de retencin y el diseo del digestor. Generalmente la produccin de biogs oscila entre 1 5 m3 biogs / m3 digestor [1].6.2.1.Proceso de produccin de biogsEl proceso de produccin de biogs se da por diferentes factores, y lo ms importante de su produccin es que el CH4 sea el de mayor contenido en su composicin, como se muestra en el cuadro anterior. Segun Kossmann (1989), para que se genere una optima cantidad de metano en el biogs se deben llevar a cavo los siguientes tres pasos:

1. Hidrlisis.Es el primer paso para la digestin anaerbica, es el proceso por el cual la parte donde las enzimas de los microorganismos reaccionan sobre la materia orgnica, causando una descomposicin de los carbohidratos, protenas y grasas contenidos en el medio. Durante este proceso se generan tres elementos orgnicos complejos: el acido butrico, acido propionico y acido lctico.

2. Acidificacin.

Es la etapa donde las bacterias acetogenicas convierten los sustratos orgnicos generados en la etapa de hidrolisis y los transforman en acido lctico, hidrogeno y dixido de carbono. Estas bacterias desarrollan condiciones anaerbicas, pero no son totalmente anaerbicas por lo que tiene la capacidad de generar reacciones endotrmicas.3.Formacin de metano CH4.

En este ltimo paso las reacciones bacteriolgicas se dan en ambientes totalmente anaerbicos haciendo uso de del hidrogeno, dixido de carbono y acido actico, causando finalmente la generacin de metano.

Figura 1. Fermentacin de la materia orgnica bajo condiciones anaerbicas.Fuente: Aprovechamiento energtico de residuos ganaderos (Flotats et al. 1997).

6.2.2. Propiedades del biogsAlgunas de las propiedades tpicas del biogs se presentan a continuacin:PROPIEDADESUNIDADESVALOR

Biogs% volumen60 (CH4) / 40 (CO2)

Temperatura de ignicinC650-750

Presin criticaMPa7.5-8.9

Densidad nominalKg/m31.2

Densidad relativa0.83

Contenido de oxigeno para

La explosin%volumen6-12

Tabla 1. Propiedades del biogsComo podemos observar el biogs es un poco ms liviano que el aire, posee una temperatura de ignicin de 650 750 C, su llama alcanza una temperatura de 870 C. Se debe tener mucho cuidado al manipular el biogs a altas presiones, controlando la presencia del oxgeno [6].6.2.3. Componentes del biogsLa composicin de biogs vara de acuerdo al tipo de desecho, o biomasa, utilizado y las condiciones en que se procesa [4]. Generalmente el biogs se encuentra conformado por metano (CH4), dixido de carbono (CO2) y otros gases en menor proporcin. En la Tabla 2-1 se muestra su composicin aproximada [1]:COMPUESTOFORMULAVOLUMEN (%)

MetanoCH455-70

Dixido de carbonoCO235-40

NitrgenoN20.5-5

Sulfuro de hidrogenoH2S0.1

HidrogenoH21-3

Vapor de aguaH2Otrazas

Tabla 2. Composicin promedio del biogs

6.2.4 Usos:

En principio el biogs puede ser utilizado en cualquier tipo de equipo comercial para uso de gas natural, el CUADRO IX resume las aplicaciones.

6.3. BIODIGESTORES:Un digestor de desechos orgnicos o biodigestor en su forma ms simple, es un contenedor cerrado, hermtico e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgnico a fermentar (excrementos animales, desechos orgnicos, etc.) en determinada dilucin con agua para que se descomponga por microorganismos, produciendo como producto principal el metano y como sub producto fertilizante rico en nitrgeno, fosforo y potasio.

La utilizacin de biodigestores adems de permitir la produccin de biogs ofrece enormes ventajas para la transformacin de desechos: Mejora la capacidad fertilizante del estircol. Todos los nutrientes tales como nitrgeno, fsforo, potasio, magnesio as como los elementos menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrgeno buena parte del mismo, presente en el estircol en forma de macromolculas es convertido a forma ms simples como amonio NH4, las cuales pueden ser aprovechados por la planta. El efluente no tiene olor

Control de patgenos, aunque el porcentaje de destruccin variara de acuerdo a factores como la temperatura y tiempo de retencin. 6.3.1. Caractersticas del biodigestor:Para que un biodigestor de desechos orgnicos opere en forma correcta, deber reunir las siguientes caractersticas:

Deber ser hermtico con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere en el proceso, y fugas de biogs producido.

Deber estar trmica aislado para evitar cambios bruscos en la temperatura.

Aun no siendo un recipiente de alta presin, el contenedor primario de gas deber contar con vlvula de seguridad.

Deber contar con medios para efectuar la carga y la descarga.

Los biodigestores debern tener acceso para mantenimiento. Se deber contar con un medio para romper las natas que se formen.

6.3.2. Tipos de biodigestores:

Existen diversos tipos de biodigestores, clasificado por su diseo o tipo de estructura que lo conforma, por ello se puede decir que los biodigestores mas comnmente utilizados son:6.3.2.1. De Cpula Fija

Son aquellos armados en una sola estructura que por regla general es hecha en materiales rgidos (concreto, bloques o ladrillos). Debido a la alta presin que pueden alcanzar en su interior y a la constante variacin de la misma, se recomienda su construccin en forma de domo, bajo tierra en suelos estables y firmes, y la impermeabilizacin de la parte interna de la estructura a fin de evitar el escape de lquido y gases. Estos factores hacen obligatorio el uso de mano de obra altamente calificada para su diseo y construccin

Figura 2.Biodigestor de Cpula Fija o Tipo ChinoEl modelo de cpula fija tiene como principal caracterstica que trabaja con presin variable; sus principales desventajas, son que la presin de gas no es constante y que la cpula debe ser completamente hermtica, ello implica cierta complejidad en la construccin y costos adicionales en impermeabilizantes. Sin embargo, este modelo presenta la ventaja de que los materiales de construccin son fciles de adquirir a nivel local, as como la inexistencia de partes metlicas que pueden oxidarse y una larga vida til si se le da mantenimiento, adems de ser una construccin subterrnea.6.3.2.2. De Cpula Mvil

Los biodigestores de este grupo tienen dos estructuras: la primera al igual que en los de estructura slida fija, va enterrada y hecha en concreto, bloque o ladrillo; la segunda en la mayora de los casos es una campana metlica que flota sobre la primera estructura.

Figura3. Biodigestor de Cpula MvilSe caracteriza por tener un depsito de gas mvil a manera de campana flotante. Esta campana puede flotar en la masa de fermentacin o en un anillo de agua. Las ventajas de este tipo de planta son que trabajan a presin constante y se puede determinar la cantidad de gas almacenado por el nivel de la campana; pero tiene como desventaja que est expuesto a la corrosin ya que las campanas son generalmente metlicas. ltimamente se ha experimentado con fibra de vidrio y se han obtenido buenos resultados. Adems, presenta costos altos de construccin y de mantenimiento, debido al uso peridico de pintura anticorrosiva.6.3.2.3. De Estructura Flexible

Los altos costos de inversin requeridos para la construccin de biodigestores de estructuras slidas, impiden que las personas con pocos recursos econmicos tengan oportunidad de instalar uno de estos diseos, razn que motiv en Taiwn, en los aos 60 la idea de hacer las cmaras de digestin en materiales flexibles (membranas de nylon y neopreno) que aun eran costosas. Generalmente, estos materiales tienen forma tubular o cilndrica con la entrada y la salida del material situados en los extremos opuestos y la salida de gas en el centro.

El modelo tipo baln, consiste en una bolsa o baln plstico completamente sellado, donde el gas se almacena en la parte superior, aproximadamente un 25% 30 % del volumen total. Tiene como desventajas que debido a su baja presin es necesario colocarle sobrepesos al baln para aumentarla. [7].

Figura 4.biodigestor de Estructura Flexible6.4. ANILLOS CERAMICOS

Los materiales cermicos, sirven como cama de soporte o material poroso inerte. Se hace circular el material que va a ser objeto de la digestin donde los microorganismos se adhieren a la superficie del relleno y crecen entre los orificios formando biopelculas, por lo cual se mantiene una gran cantidad de microorganismos en el reactor. Esto es importante porque las bacterias metangenas tienen un largo ciclo de multiplicacin y son muy sensibles al ambiente [2].

El material de empaque debe tener idealmente alta porosidad, de tal forma que se aumente la superficie especfica de contacto entre el sustrato orgnico a estabilizar y el material filtrante. Tambin se debe incorporar un tratamiento primario que elimine material suspendido del agua, con miras a evitar tempranas obstrucciones del filtro [2].

Figura 5. Biodigestor con materiales de alta superficie especifica en su interior.Entre los tipos de medios ms utilizados se encuentran la piedra triturada angulosa o redonda (grava sin picos, de tamao entre 4-7 cm), materiales cermicos, vidrios, ladrillos, polisteres, poliuretano. Actualmente se han estudiado otras alternativas no convencionales como son la guadua, el bamb, la cscara de coco, tejas de barro; y otros ms sofisticados como los anillos sintticos, las matrices plsticas de flujo cruzado o tubular; estos ltimos de mayores costos por ser mas eficientes. Estas nuevas alternativas han suprimido inconvenientes como atascamientos y colmatacin que se presentaban en los tratamientos con grava, sobre todo cuando esta es pequea, afectando negativamente la eficiencia con el paso del tiempo.

Figura 6. Tipos de medios de empaque (Tomado de Castao (2003))VII. HIPOTESISIncorporando anillos cermicos en un biodigestor, se optimizara la produccin de biogs.7.1.UNIDAD DE ANALISISEl Biogs

7.2 VARIABLE DEPENDIENTE7.2.1.Produccin de biogs7.3 VARIABLE INDEPENDIENTE7.3.1 Temperatura7.3.4.Tiempo de Retencin Hidrulico 7.3.3. cantidad de anillos cermicos.

VIII. METODOLOGIA.8.1.Investigacin Aplicada

8.1.1. Mtodo experimental.El mtodo de investigacin consta de dos fases principales, la primera consiste en la revisin bibliogrfica sobre la produccin de biogs, de la calidad del efluente obtenido, del porcentaje de metano obtenido, del tipo de materia orgnica utilizado como materia prima, de las reacciones qumicas involucradas en el interior del biodigestor y de los factores que afectan al proceso de digestin anaerbica en la produccin de biogs.

La segunda parte est relacionada con el mtodo experimental, aplicado a un biodigestor, como en una primera fase se opera el biodigestor ya instalado con una carga diaria de 40 kg de estircol diluida en 3 litros de agua, con un porcentaje promedio de 4% de slidos totales que entra al biodigestor.

Luego se va incorporar una determinada cantidad de anillos de plsticos de PVC al interior del biodigestor, con el propsito que exclusivamente las bacterias anaerbicas se adhieran a ello y pueda aumentar su tiempo de residencia en el biodigestor, y se pueda lograr mayor produccin de biogs.8.1.1.1. Mtodo ExplicativoIX. DISEO DE INVESTIGACION :9.1.DISEO FACTORIAL.

El nmero necesario de pruebas a realizar viene definido por la relacin:

Diseo factorial experimental simple: 23= 8 experimentos. Este diseo define el nmero de experimentos a realizar; utilizando el modelo:

Nmero de experimentos = mn

m = niveles de estudio de variable independientes

n = numero de variables independientes.VARIABLESSIMBOLONIVELES

MNIMOMXIMO

Cantidad de anillos cermicosX1200300

Tiempo de retencin de biomasa.(das)X24290

AlimentacinX3192200

m=2; n=3; Nmero de experimentos = 23 = 8 (experimentos a realizar)

NVARIABLES

Temperatura (C)X1tiempo de retencin de biomasa.(das) X2Aumentacin X3

1---

2---

3---

4---

5---

6---

7---

8---

RESPUESTA: Factor de produccin de biogs, expresada en porcentaje de metano (%CH4). Este es medido instantneamente, con instrumentacin en lnea.X. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Tiempo en meses

Actividades

Abr.MayJun.Jul.Agost.Set.Oct.NovDic.

Elaboracin del proyectoXXX

Recopilacin bibliogrficaXXXXX

Preparacin de materiales y equiposX

Recopilacin de datos X

Tratamiento de datosXX

Resultados y discusinXX

Redaccin de borrador del informe finalXX

Presentacin y defensa de la tesisX

XI. PRESUPUESTO11.1. COSTO DEL PROYECTO:CONCEPTOCOSTO (S/.)

Desplazamiento a la zona de experimentacin 100.00

Material Bibliogrfico 500.00

Servicios de cmputo e Internet 350.00

Capacitaciones 200.00

Equipo de medicin 1,000.00

Otros 1,000.00

Total 3,150.00

11.2. FINANCIAMIENTO AutofinanciamientoXII. BIBLIOGRAFIATesis:

[1] Gabriel Abelardo Proao Herrera Optimizacin en la operacin de un biodigestor a escala piloto y caracterizacin de productos y materia prima Universidad San Francisco De Quito - enero del 2011.[2] Lina Marcela Parra Rodrguez Operacin de un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA) hasta alcanzar el estado estable Universidad Nacional De Colombia - noviembre del 2006.

[3] Elmer peinado diseo de un biodigestor tipo chino UNCP-2007

[4] Lpez Mendoza Claudia diseo, construccin y puesta en operacin de un biodigestor anaerbico continuo para el laboratorio de ingeniera qumica de la facultad de ciencia qumicas de la universidad veracruzana Mxico 2009[5] Salamanca, Jairo Andrs. Diseo, Construccin y Puesta en Marcha de un Biodigestor a Escala Piloto para la Generacin de Biogs y Fertilizante Orgnico. Tesis de Grado. Universidad San Francisco de Quito. Ecuador 2009.[6] Decara, Lorena, Sandoval, Gabriela y Funes, ClaudioEl uso de biodigestores en sistemas caprinos de la provincia de Crdoba; Universidad Nacional de Ro Cuarto; 2004.

[7] Velo, E. (2006) Aprovechamiento energtico de la biomasa. En: Energa, participacin y sostenibilidad. Tecnologa para el desarrollo humano. Ed. E. Velo, J. Sneij, J. Delcls.

[8] Preston, T.R., Rodrguez, L. (2002) Low-cost biodigesters at the epicenter of ecological farming systems. Proceedings Biodigester Workshop, March 2002.Libros:[7] Jaime Mart Herrero Gua de diseo y manual de instalacin de biodigestores

Familiares calle capitn Ravelo N 2334 edificio metrobol-P6 GTZ Energa, Bolivia 2009.

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