TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN.
TALLER DE INVESTIGACIÓN
PROTOCOLO: BIOGÁS
II.
EQUIPO 6. INTEGRANTES: ANTONIO LÓPEZ ANNER. GUZMÁN NÚÑEZ LUISA ANGELICA. SÁNCHEZ MARTÍNEZ JOSÉ ABIEL. MATERIA: TALLER MATERIA: TALLER DE INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN II. PROYECTO: PROTOCOLO PROYECTO: PROTOCOLO BIOGÁS. CARRERA: INGENIERÍA CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA. SEMESTRE: 7. SEMESTRE: 7.
ÍNDICE INTRODUCCIÓN……….…………………………… INTRODUCCIÓN……….………………………………………………………… ………………………………………………………… ……………………………………………….…… ………………….…………...2 ……...2 PÁG. CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE…………………………………………… ARTE……………………………………………………………………………………… …………………………………………………..………. ………..………..4 .4 PÁG. 1. LECTURA DE LA BOSTA DEL BOVINO Y SU RELACIÓN CON LA ALIMENTACIÓN…….………………………………….. ALIMENTACIÓN…….………………………………….. .. 4 PÁG. 2. TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA……………… ORGÁNICA……………………………………….… ……………………….…………………..…………… ………………..………………………………………… ………………………………….…..4 …….…..4 PÁG. 3. CIENCIA E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL DISEÑO AMBIENTAL……………..…………………………………………. AMBIENTAL……………..…………………………………………....5 ...5 PÁG. 4. TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA……………………………………………… ORGÁNICA…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………………55 PÁG. 5. CALIDAD DE BIOGÁS Y B IOL OBTENIDOS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS DOMÉSTICOS PRETRATADOS PRETRATADOS CON L A TÉCNICA DEL BOCASHI…………………..……………………………… BOCASHI…………………..…………………………………………………………… …………………………………..6 ……..6 PÁG. 6.- PRODUCCIÓN DE METANO DE ESTIÉRCOL, PAJA Y FRA CCIONES SÓLIDAS DE ESTIÉRCOL ……………………………6 ……………………………6 PÁG. 7.- PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE MAÍZ Y GANADO LECHERO-INFLUENCIA DE LA COMPOSICIÓN DE LA BIOMASA EN EL RENDIMIENTO DE METANO. ……………….…………………………………………… ……………….………………………………………………………………….. ……………………..………7 ………7 PÁG. 8.-PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE L A CO-DIGESTIÓN DE ESTIÉRCOL LÁCTEO Y RESIDUOS DE AL IMENTOS...8 PÁG. 9.- PRODUCCIÓN POTENCIAL DE BIOGÁS EMPLEANDO EXCRETAS DE GAN ADO PORCINO EN EL ESTADO DE GUANAJUATO. ……………………….……… ……………………….…………………………………… ………………………………..……………………… …..………………………………………………………. ………………………………..………9 .………9 PÁG. CAPÍTULO 2: PRODUCCIÓN DE BIOGÁS……………………….………… BIOGÁS……………………….…………………………………………………… ………………………………………………………..…… ……………..…… .10 PÁG. CAPÍTULO 3: MARCO TEÓRICO…………………………………… TEÓRICO…………………………………….……………………………. .…………………………….………………………… …………………………………….….. ………….….. 12 PÁG. 3.1 BIOGÁS…………………………………………………………………………………………………………………………………...…. 13 PÁG. 3.1.2. GENERACIÓN DE BIOGAS……………………………..... BIOGAS…………………………….................... .............................. .....................……………………… ......…………………………………… …………… ..................14 ..................14 PÁ G. 3.2: USOS………..……………………………… USOS………..…………………………………………………………… …………………………………………........… ……………........………………………………… ………………………………… … ...............17 ...............17 PÁ G. 3.2.1. APLICACIONES DEL BIOGÁS……………………………………… BIOGÁS…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………1 ……………………………1 8PÁG. 3.3: PRODUCCIÓN DE CALOR O VAPOR…………………………………………………… VAPOR……………………………………………………………………………………… ………………………………………...……1 ……...……1 8 PÁG. 3.4: GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD DE CALOR Y ELECTRICIDAD………………………………………………………...……… ELECTRICIDAD………………………………………………………...………11 9 PÁG. 3.5: COMBUSTIBLE PARA VEHÍCULOS…………………………………………… VEHÍCULOS…………………………………………………..……………… ……..…………………………………...…….. …………………...……..……..1 ……..1 9 PÁG. 3.5.1: FACTORES DETERMINANTES EN PROCESO METANO GÉNICO………………………………………………………........…. GÉNICO………………………………………………………........…. 20 PÁG. 3.5.2: TEMPERATURA……………………………… TEMPERATURA…………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………………………..…………… ………..…………… ....20 PÁG. CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA DEL TRABAJO…………………… TRABAJO……………………………………………………………… …………………………………………………………,,…… ………………,,………. …. .…..23 …..23 PÁG. 4.1CONSIDERACIONES 4.1CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN ESTIMACIÓN DE COSTOS………………………………………………………….2 COSTOS………………………………………………………….2 4 PÁG. 4.1.2 LUGAR…………………………………………… LUGAR………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………..…………. ……..………….…2 …2 4 PÁG. 4.1.3 TIPO DE BIODIGESTOR……………………………………………………………………………………………………..……….….2 4 PÁG. 4.2 TECNOLOGÍA DEL BIOGÁS: FUNCIONAMIENTO Y ESQUEMA OPERATIVO DE UN BIODIGESTOR………….…………… BIODIGESTOR………….…………… .25 PÁG. 4.2.1 CÁLCULOS DE CARGAS EN FUNCIÓN DE MATERIAS PRIMAS…...………………………………………………………. PRIMAS…...………………………………………………………...…..2 ..…..2 5 PÁG. BIOGÁS……………………………………………………………………………… ……………………………………….……..2 …….……..2 6 PÁG. 4.2.2 CAPACIDAD DE LA PLANTA DE BIOGÁS…………………………………………… 4.3 LOCALIZACIÓN Y DISEÑO DEL DIGESTOR…………………………………………………… DIGESTOR…………………………………………………………………….….… ……………….….………………… ……………… .27 PÁG. 4.4 ETAPA DE ARRANQUE…………………………………………………………………………………………….……….……………..2 8 PÁG. 4.5 ETAPA DE OPERACIÓN……………………………………… OPERACIÓN…………………………………………………………………….… …………………………….…………………………………… …………………………………….…..... ….…..... 30 PÁG. 4.6 MANTENCIÓN……………………………………… MANTENCIÓN…………………………………………………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………….……… ………………….……… 31 PÁG. 4.7 ESTUDIO DE CASO……………………………………………… CASO…………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………..….3 ..….3 2 PÁG. CAPÍTULO 5: PRE-EXPERIMENTA PRE- EXPERIMENTACIÓN…………………… CIÓN………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………….3 ………….3 3 PÁG. 5.1 RESEÑA DEL PROCESO…………………………………… PROCESO…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………..3 ………..3 4 PÁG. 5.2 DISEÑO (BIODIGESTOR)……………………………… (BIODIGESTOR)…………………………………………………………… …………………………… …………………………..………………………..3 4 PÁG. 5.2.1 ARMADO DEL PROTOTIPO…………………………… PROTOTIPO…………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………..3 …………..3 4 PÁG. 5.2.2 ELABORACIÓN DEL BIODIGESTOR………………………… BIODIGESTOR…………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………..3 ..3 5 PÁG. 5.2.3 PREPARACIÓN PREPARACIÓN DE MATERIA PRIMA……………………………………………………………………………………… PRIMA…………………………………………………………………………………………………. …………. 36 PÁG. 5.3 PRUEBA DE IGNICIÓN………………………………………… IGNICIÓN…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… ……………… ...……………...37 ...……………...37 PÁG. ………………………………………………………………………………………… ………………………... …………..….38 PÁG. CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………… ...…………..….38
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ÍNDICE INTRODUCCIÓN……….…………………………… INTRODUCCIÓN……….………………………………………………………… ………………………………………………………… ……………………………………………….…… ………………….…………...2 ……...2 PÁG. CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE…………………………………………… ARTE……………………………………………………………………………………… …………………………………………………..………. ………..………..4 .4 PÁG. 1. LECTURA DE LA BOSTA DEL BOVINO Y SU RELACIÓN CON LA ALIMENTACIÓN…….………………………………….. ALIMENTACIÓN…….………………………………….. .. 4 PÁG. 2. TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA……………… ORGÁNICA……………………………………….… ……………………….…………………..…………… ………………..………………………………………… ………………………………….…..4 …….…..4 PÁG. 3. CIENCIA E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL DISEÑO AMBIENTAL……………..…………………………………………. AMBIENTAL……………..…………………………………………....5 ...5 PÁG. 4. TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA……………………………………………… ORGÁNICA…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………………55 PÁG. 5. CALIDAD DE BIOGÁS Y B IOL OBTENIDOS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS DOMÉSTICOS PRETRATADOS PRETRATADOS CON L A TÉCNICA DEL BOCASHI…………………..……………………………… BOCASHI…………………..…………………………………………………………… …………………………………..6 ……..6 PÁG. 6.- PRODUCCIÓN DE METANO DE ESTIÉRCOL, PAJA Y FRA CCIONES SÓLIDAS DE ESTIÉRCOL ……………………………6 ……………………………6 PÁG. 7.- PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE MAÍZ Y GANADO LECHERO-INFLUENCIA DE LA COMPOSICIÓN DE LA BIOMASA EN EL RENDIMIENTO DE METANO. ……………….…………………………………………… ……………….………………………………………………………………….. ……………………..………7 ………7 PÁG. 8.-PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE L A CO-DIGESTIÓN DE ESTIÉRCOL LÁCTEO Y RESIDUOS DE AL IMENTOS...8 PÁG. 9.- PRODUCCIÓN POTENCIAL DE BIOGÁS EMPLEANDO EXCRETAS DE GAN ADO PORCINO EN EL ESTADO DE GUANAJUATO. ……………………….……… ……………………….…………………………………… ………………………………..……………………… …..………………………………………………………. ………………………………..………9 .………9 PÁG. CAPÍTULO 2: PRODUCCIÓN DE BIOGÁS……………………….………… BIOGÁS……………………….…………………………………………………… ………………………………………………………..…… ……………..…… .10 PÁG. CAPÍTULO 3: MARCO TEÓRICO…………………………………… TEÓRICO…………………………………….……………………………. .…………………………….………………………… …………………………………….….. ………….….. 12 PÁG. 3.1 BIOGÁS…………………………………………………………………………………………………………………………………...…. 13 PÁG. 3.1.2. GENERACIÓN DE BIOGAS……………………………..... BIOGAS…………………………….................... .............................. .....................……………………… ......…………………………………… …………… ..................14 ..................14 PÁ G. 3.2: USOS………..……………………………… USOS………..…………………………………………………………… …………………………………………........… ……………........………………………………… ………………………………… … ...............17 ...............17 PÁ G. 3.2.1. APLICACIONES DEL BIOGÁS……………………………………… BIOGÁS…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………1 ……………………………1 8PÁG. 3.3: PRODUCCIÓN DE CALOR O VAPOR…………………………………………………… VAPOR……………………………………………………………………………………… ………………………………………...……1 ……...……1 8 PÁG. 3.4: GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD DE CALOR Y ELECTRICIDAD………………………………………………………...……… ELECTRICIDAD………………………………………………………...………11 9 PÁG. 3.5: COMBUSTIBLE PARA VEHÍCULOS…………………………………………… VEHÍCULOS…………………………………………………..……………… ……..…………………………………...…….. …………………...……..……..1 ……..1 9 PÁG. 3.5.1: FACTORES DETERMINANTES EN PROCESO METANO GÉNICO………………………………………………………........…. GÉNICO………………………………………………………........…. 20 PÁG. 3.5.2: TEMPERATURA……………………………… TEMPERATURA…………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………………………..…………… ………..…………… ....20 PÁG. CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA DEL TRABAJO…………………… TRABAJO……………………………………………………………… …………………………………………………………,,…… ………………,,………. …. .…..23 …..23 PÁG. 4.1CONSIDERACIONES 4.1CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN ESTIMACIÓN DE COSTOS………………………………………………………….2 COSTOS………………………………………………………….2 4 PÁG. 4.1.2 LUGAR…………………………………………… LUGAR………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………..…………. ……..………….…2 …2 4 PÁG. 4.1.3 TIPO DE BIODIGESTOR……………………………………………………………………………………………………..……….….2 4 PÁG. 4.2 TECNOLOGÍA DEL BIOGÁS: FUNCIONAMIENTO Y ESQUEMA OPERATIVO DE UN BIODIGESTOR………….…………… BIODIGESTOR………….…………… .25 PÁG. 4.2.1 CÁLCULOS DE CARGAS EN FUNCIÓN DE MATERIAS PRIMAS…...………………………………………………………. PRIMAS…...………………………………………………………...…..2 ..…..2 5 PÁG. BIOGÁS……………………………………………………………………………… ……………………………………….……..2 …….……..2 6 PÁG. 4.2.2 CAPACIDAD DE LA PLANTA DE BIOGÁS…………………………………………… 4.3 LOCALIZACIÓN Y DISEÑO DEL DIGESTOR…………………………………………………… DIGESTOR…………………………………………………………………….….… ……………….….………………… ……………… .27 PÁG. 4.4 ETAPA DE ARRANQUE…………………………………………………………………………………………….……….……………..2 8 PÁG. 4.5 ETAPA DE OPERACIÓN……………………………………… OPERACIÓN…………………………………………………………………….… …………………………….…………………………………… …………………………………….…..... ….…..... 30 PÁG. 4.6 MANTENCIÓN……………………………………… MANTENCIÓN…………………………………………………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………….……… ………………….……… 31 PÁG. 4.7 ESTUDIO DE CASO……………………………………………… CASO…………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………..….3 ..….3 2 PÁG. CAPÍTULO 5: PRE-EXPERIMENTA PRE- EXPERIMENTACIÓN…………………… CIÓN………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………….3 ………….3 3 PÁG. 5.1 RESEÑA DEL PROCESO…………………………………… PROCESO…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………..3 ………..3 4 PÁG. 5.2 DISEÑO (BIODIGESTOR)……………………………… (BIODIGESTOR)…………………………………………………………… …………………………… …………………………..………………………..3 4 PÁG. 5.2.1 ARMADO DEL PROTOTIPO…………………………… PROTOTIPO…………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………..3 …………..3 4 PÁG. 5.2.2 ELABORACIÓN DEL BIODIGESTOR………………………… BIODIGESTOR…………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………..3 ..3 5 PÁG. 5.2.3 PREPARACIÓN PREPARACIÓN DE MATERIA PRIMA……………………………………………………………………………………… PRIMA…………………………………………………………………………………………………. …………. 36 PÁG. 5.3 PRUEBA DE IGNICIÓN………………………………………… IGNICIÓN…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… ……………… ...……………...37 ...……………...37 PÁG. ………………………………………………………………………………………… ………………………... …………..….38 PÁG. CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………… ...…………..….38
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INTRODUCCIÓN.
El biogás es un producto de la descomposición anaerobia de materia orgánica, el cual está compuesto principalmente por dióxido de carbono y metano y es el producto final de una serie de reacciones en distintas etapas de degradación, relacionadas con la actividad de un consorcio microbiano de diversas bacterias y arqueas (productoras de metano). Desde una perspectiva de los países desarrollados y en desarrollo, la biotecnología biotecnología anaeróbica contribuye a cumplir tres necesidades básicas: a) Mejorar las condiciones sanitarias mediante el control de la contaminación; b) Generación de energías renovables para actividades domésticas; c) Suministrar materiales estabilizados (bioabono) como un biofertilizante para los cultivos.
Por lo tanto, la biotecnología anaeróbica juega un importante papel en el control de la contaminación y para la obtención de valiosos recursos: energía y productos productos con vvalor alor agregado.
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1.LECTURA DE LA BOSTA DEL BOVINO Y SU RELACIÓN CON LA ALIMENTACIÓN Guillermo A. Bavera y Carlos H. Peñafort. 2006. Cursos de Producción Bovina de Carne, FAV UNRC.
Las heces, deposiciones fecales, estiércol o bosta del bovino están compuestas principalmente por agua y por los elementos no digeridos, ya sea por fibra lignificada indigerible o por granos con cubierta muy firme, o por otras fracciones alimenticias que podrían ser digeridas, pero que no lo son por un pasaje muy rápido por el tracto intestinal, como ser alimentos en partículas muy finas, algunos sectores de fibra del forraje, alimentos muy digestibles (tiernos, aguachentos), granos enteros, etc. Las del bovino difieren de casi todas las especies animales por su alto contenido en agua, la que está en relación directa con la cantidad de heces excretadas y con la mayor o menor aptitud para concentrarlas, como es el caso del ganado cebú, cuyas heces tienen un contenido menor de humedad que las del bovino europeo. El bovino europeo adulto defeca de 10 a 15 veces por día, el área cubierta por las heces se encuentra entre medio y un metro cuadrado diario y la cantidad total de heces eliminada es de unos 20 a 30 kg por día, pudiendo elevarse hasta 45 kg. En otoño, cuando la pastura es muy tierna, la cantidad de agua eliminada por heces puede alcanzar los 40 litros/día. En diarreas agudas, la descarga fecal es mayor que en animales en estado normal. 1. (Peñafort, 2006, pág. 1)
2.TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA. Luis Alfr edo Hernandez A.
La producción de biogás ayuda a reducir las emisiones de 4 a la atmosfera, el cual es 21 veces más dañino que el 2 como gas de invernadero, las transacciones de estas emisiones se transforman en contratos de compra-venta en los cuales la parte interesada le paga a otra por la reducción de estas emisiones de gases para mitigar el cambio climático. 2. (1, TECNOLOGIAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTION ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGANICA., 1996, pág. 1)
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3.CIENCIA E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL DISEÑO AMBIENTAL María Eugenia Castro Ramírez
El Biometano es un combustible limpio y eficiente. Contiene aproximadamente 65% de metano, dióxido de carbono alrededor de 34% y los otros gases, como sulfuro de hidrógeno y amoníaco el 1% restante. El Biometano se produce cuando los materiales orgánicos, como estiércol de ganado y residuos de cultivos se fermentan, por medio de la descomposición anaeróbica, en un Biodigestor. Aproximadamente el 65% de la población total de la India vive en zonas rurales, es por ellos que en estas regiones ya es común la utilización del biocombustible, que se genera a través de un Biodigestor popular llamado Deenabandhu (amigo de los desamparados). 3. (Ramírez, 2011)
4.TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTIÓN ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGÁNICA. Luis Alfredo Hemández A.
El gas producido en el proceso de descomposición anaeróbica, más conocido como biogás, representa la materia orgánica en proporciones que varían entre 10 Y 40%, dependiendo de las formas y sistemas de control a los cuales esté sujeta su estabilización, ya sea en condiciones naturales o activadas por el hombre. Este gas, compuesto principalmente por metano y bióxido de carbono, almacena una considerable cantidad de energía que puede ser aprovechada mediante la combustión en diferentes procesos como motores de combustión, lámparas de iluminación, quemadores domésticos e industriales, calderas y en sistemas de refrigeración, mediante tecnologías apropiadas que, además, aliviarían efectos ambientales adversos que el biogás puede producir cuando es descargado a la atmósfera sin una depuración adecuada. Aunque el desarrollo investigativo y la transferencia de tecnología no han tenido una alta resonancia a nivel nacional e internacional, se pretende, con el presente trabajo despertar el interés en estos sectores hacia la implementación de sistemas anaeróbicos con recuperación de biogás en la solución de problemas derivados de altas producciones de materiales orgánicos, principalmente en los
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sectores de tratamiento de aguas residuales domésticas, agroindustriales, de vertimientos sólidos y líquidos de mataderos o plantas de sacrificio de animales, de las basuras de plazas de mercado y de la descomposición del material orgánico en los rellenos sanitarios. 4. (1, TECNOLOGIAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTION ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGANICA., 1996)
5.CALIDAD DE BIOGAS Y BIOL OBTENIDOS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DOMÉSTICOS PRETRATADOS CON LA TÉCNICA DEL BOCASHI. Jose cardenas C.
Los biodigestores son diseñados para optimizar la producción de biogás a partir de desechos agrícolas, estiércol o efluentes industriales, entre otros, los cuales permiten la obtención de energía limpia y de bajo costo a partir de una fuente renovable. El aprovechamiento del biogás impulsa la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero como el metano, cuyo potencial de calentamiento global es de 23 veces mayor que el dióxido de carbono. 5. (C., Quipuzco U, & Meza C, 2012, pág. 1)
6.- PRODUCCIÓN DE METANO DE ESTIÉRCOL, PAJA Y FRACCIONES SÓLIDAS DE ESTIÉRCOL H.B. Mollera; , S.G. Sommera, B.K. Ahrin gb
Se determinó la productividad de metano del estiércol en términos de sólidos volátiles (VS), volumen y producción ganadera. La productividad teórica del metano es mayor en cerdos (516lkg−1VS) y siembra (530lkg−1VS) estiércol que en el estiércol de ganado lechero (469lkg−1VS), mientras que el rendimiento final
de metano en términos de VS es considerablemente mayor en cerdos (356lkg−1VS) y siembra el estiércol (275lkg−1VS) que en el estiércol de ganado lechero (148lkg−1VS). La pr oductividad del metano basada en unidades
ganaderas (LU) muestra la productividad de metano más baja para cerdas (165m3CH4LU−1), mientras que las otras categorías de animales están en el mismo rango (282-301m3CH4LU−1). El pre tratamiento del estiércol por
separación es una manera de hacer fracciones del estiércol que tienen un mayor potencial de gas por volumen. Se probaron el potencial teórico de metano y la biodegradabilidad de tres tipos de fracciones derivadas de la separación del
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estiércol. Se encontró que el rendimiento volumétrico de metano de la paja era más alto que el rendimiento del estiércol total y las fracciones sólidas de estiércol, debido al mayor contenido de VS, y por lo tanto el uso de paja como material de lecho aumentará tanto el volumétrico como el ganadero, basado en la productividad del metano. (M$llera & ∗, 2003, pág. 1)
7.- Producción de biogás a partir de maíz y ganado lecheroInfluencia de la composición de la biomasa en el rendimiento de metano. Thomas Amon.
Existe una creciente demanda mundial de cultivos energéticos y abonos animales para la producción de biogás. Para satisfacer estas demandas, este proyecto de investigación tuvo como objetivo optimizar la digestión anaeróbica de los abonos de maíz y ganado lechero. La producción de metano se midió durante 60 días en digestores de lotes de eudiómetro de 1 l a 38 °C. El estiércol recibido de vacas lecheras con rendimiento de leche mediano que fueron alimentadas con una dieta bien balanceada produjo el mayor rendimiento específico de metano de 166.3 Nl CH 4 kg VS -1. Trece variedades de maíz de maduración temprana a tardía se cultivaron en varios lugares de Austria. Las variedades de maduración tardía produjeron más biomasa que las variedades de maduración media o temprana. En lugares fértiles en Austria más de 30 Mg VS ha -1 puede producirse. El rendimiento de metano disminuyó a medida que el cultivo se acercaba a la madurez completa. Con variedades de maíz de maduración tardía, los rendimientos oscilaron entre 312 y 365 Nl CH 4 kg VS -1 (madurez de la leche) y 268-286 Nl CH 4 kg VS 1 (madurez completa). El estiércol aumentó el rendimiento de metano en un 25%, en comparación con el maíz verde, no conservado. El maíz (Zea mays L.) se cosecha de manera óptima, cuando el producto obtenido a partir del rendimiento específico de metano y del rendimiento VS por hectárea alcanza un máximo. Con variedades de maduración temprana a media (FAO 240-390), el tiempo de cosecha óptimo es al "final de la maduración de la cera". Variedades de maduración tardía pueden ser cosechadas más tarde, hacia "madurez completa". El rendimiento máximo de metano por hectárea de las variedades de maíz de maduración tardía varió entre 7100 y 9000 Nm 3 CH 4 ha -1.Las variedades de maduración temprana y media dieron 5300-8500 Nm 3 CH 4 ha 1 cuando se cultivan en regiones favorables. El mayor rendimiento de metano por hectárea se logró por la digestión de los cultivos de maíz entero. La digestión de los callos sólo o de la mezcla de mazorca de maíz dio lugar a una reducción en el rendimiento de metano por hectárea de 70 y 43%, respectivamente. A partir de los experimentos de digestión se derivó una ecuación de regresión lineal
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múltiple, el Modelo de Valor de Energía de Metano, que estima la producción de metano a partir de la composición del maíz. Es una herramienta útil para optimizar la producción de biogás a partir de cultivos energéticos. El Modelo de Valor de Energía de Metano requiere mayor validación y refinamiento. (Amon , 2013)
8.- PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE LA CO-DIGESTIÓN
DE ESTIÉRCOL LÁCTEO Y RESIDUOS DE ALIMENTOS. Hamed M. El-Mashad, Ruihong Zhang.
Se evaluó el efecto del estiércol sobre el rendimiento de biogás de estiércol lechero en digestores discontinuos en condiciones mesófilas (35 ° C). Además, el estudio determinó el potencial de producción de biogás de diferentes mezclas de estiércol lechero y residuos de alimentos sin cribar y los comparó con el rendimiento del estiércol o de los residuos de alimentos solamente. Se desarrolló un modelo de cinética de primer orden para calcular el rendimiento de metano a partir de diferentes mezclas de desechos de alimentos y estiércol lechero no cribado. Los rendimientos de metano de las fracciones fina y gruesa del estiércol y del estiércol sin cribar después de 30 días fueron 302, 228 y 241 L / kgVS, respectivamente. Aproximadamente 93%, 87% y 90% de los rendimientos de biogás se podrían obtener, respectivamente, después de 20 días de la digestión. El contenido medio de metano del biogás fue de 69%, 57% y 66%, respectivamente. Basándose en los cálculos del balance de masa, la separación de la fracción gruesa del estiércol sacrificaría aproximadamente el 32% del potencial energético. El rendimiento de metano del residuo alimentario fue de 353 L / kgVS después de 30 días de digestión. Dos mezclas de estiércol sin detectar y residuos de alimentos, 68/32% y 52/48%, produjeron rendimientos de metano de 282 y 311 L / kgVS, respectivamente, después de 30 días de digestión. Después de 20 días, aproximadamente el 90% y el 95% del rendimiento final de biogás se pudo obtener, respectivamente. Por lo tanto, un tiempo de retención hidráulica (HRT) de 20 días para un digestor continuo. El contenido medio de metano fue 62% y 59% para la primera y segunda mezcla, respectivamente. Los resultados pronosticados del modelo mostraron que la adición de los residuos de alimentos en un digestor de estiércol a niveles de hasta el 60% de los sólidos volátiles iniciales aumentó significativamente el rendimiento de metano durante 20 días de digestión. (Hamed M. El-Mashad a, 2010, pág. 1)
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9.- PRODUCCIÓN POTENCIAL DE BIOGÁS EMPLEANDO EXCRETAS DE GANADO PORCINO EN EL ESTADO DE GUANAJUATO. Miguel Martínez lozano.
El ganado porcino, a diferencia del bovino, siendo ambos los de mayor explotación y por tanto con más ventajas para el propósito energético, está mayormente concentrado en corrales y no pasta fuera de su espacio confinado, por lo que la recolección de las excretas diarias es más fácil, económica y manejable. Por ello, este trabajo considera que esta fuente de excreta animal es la más importante y viable de manejar. La implementación de los biodigestores anaeróbicos se puede ejecutar debajo de los corrales o en alguna extensión a los alrededores, como se puede visualizar en la figura 2 y, su proceso y manejo permite obtener dos subproductos clave para el futuro de este aprovechamiento: Biometano y fertilizante de alta calidad y bajo contenido microbiano.
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Problemática
En las zonas que se dedican a la crianza de ganado vacuno y porcino, se desprende un olor desagradable, este olor en parte se debe al alimento que se les da a comer al ganado, pero también proviene de las heces de los animales que se crían en dichos lugares, este olor se compone principalmente de metano (50 – 75 %) y de dióxido de carbono (25 – 50 vol. %), esto afecta a la población que se encuentra cercana a dicha área, todo esto se maximiza debido al amontonamiento de la gran cantidad de heces.
Objetivo general.
Producir biogás a partir de las heces del ganado vacuno y porcino que se encuentran en potreros y chiqueros, aprovechando la gran cantidad de heces que se llegan a tener en determinadas zonas de aquellos lugares, para así disminuir el porcentaje de Metano y Dióxido de carbono (presentes en las heces de vacunos y porcinos) productores de olores desagradables que afectan a la población de los alrededores. Objetivos específicos.
-
-
Disminuir el porcentaje de metano y dióxido de carbonos productores de olores desagrables, presentes en chiqueros y potreros que afectan a la población de los alrededores. Usar las heces de las vacas y cerdos para la producción de biogás. Reducir la cantidad de heces amontonadas en los corrales del ganado vacuno y porcino.
Hipótesis de trabajo Hipótesis (H1)
-
Las heces del ganado vacuno y porcino se pueden aprovechar en la producción de biogás debido a su alto contenido en metano.
-
Al usar las heces del ganado para biogás, el desagradable olor de los chiqueros y potreros disminuirá.
-
Se comprobó que el metano está presente en el biogás.
-
No se produjo la cantidad de gas metano esperado en el Biodigestor.
Justificación.
La producción de biogás a partir de las heces de los animales beneficia directamente a la población que se encuentra en los alrededores, esto disminuiría el porcentaje de malos olores provenientes de las heces de la zona y se utilizaría la materia el cual contiene (CH4 y CO2), el cual produce tales olores y se convertiría en un combustible natural.
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3.1. Biogás
El biogás es un producto de la descomposición anaerobia de materia orgánica, el cual está compuesto principalmente por dióxido de carbono y metano y es el producto final de una serie de reacciones en distintas etapas de degradación, relacionadas con la actividad de un consorcio microbiano de diversas bacterias y arqueas (productoras de metano). (en la tabla 3.1.1 se puede observar el rendimiento del estiércol según sea el animal). 6. (weber, rojas oropeza, torres bernal, & pampillon gonzalez, 2012, pág. 4)
Tabla 3.1.1. Rendimiento del estiércol según sea el animal.
Metano
DM
oDM
% de materia fresca
% de materia fresca
Biogás
% de
m 3/kg oDM
m 3CH4/m 3 Biogás
Estiércol de ganado bovino en base húmeda
7.5 - 13
6.4 - 10
0.17 - 0.63 (0.38)
53 -62 (55)
Estiércol de cerdo "cerdaza" en base húmeda
2.3 - 11
1.3 - 7.1
0. - 0.88 (0.42)
47 - 68 (60)
Estiércol de ganado bovino seco con paja
25
21
(0.45)
55
Estiércol de caballo sólido seco con paja
27
23
0.3 - 0.4 (0.44)
52
Estiércol de pollo de engorda "Pollinaza"
25
22
0.15 - 0.53 (0.50)
42 - 68 (55)
Estiércol de borrego seco con paja
-
-
0.4 -0.5
50 – 60
Sustrato
13
Estiércol de cerdo "cerdaza" con paja
15 – 25
Paja de trigo
12 - 20
0.45
0.25 - 0.4 (0.4)
52
Zacate de maíz Suero de leche
0.5 5
(0.75)
(53)
Hoja de cultivo de papa
0.5 - 0.6
52
Ensilado de pasto
27 – 57
25 - 46
0.21 - 0.7 (0.60)
52 – 56
Lucerna
14 – 35
12 - 31
0.55 - 0.8 (0.53)
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3.1.2 Generación de biogás.
Como el nombre lo indica, el biogás se produce en un proceso biológico. En ausencia de oxigeno (anaeróbico significa sin oxígeno), la materia orgánica se descompone formando una mezcla de gases conocida como biogás. Este proceso se encuentra ampliamente en la naturaleza y ocurre, por ejemplo, en los páramos o en el fondo de los lagos, en pozos de lodo líquido y en el rumen de los rumiantes. La materia orgánica se convierte casi enteramente en biogás gracias a la acción de una gama de distintos microorganismos (tabla 3.1.3. propiedades). También se genera energía (calor y nueva biomasa). Tabla 3.1.3. Propiedades del Biogás.
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La mezcla de gases resultantes consiste principalmente de metano (50 – 75 %) y de dióxido de carbono (25 – 50 vol. %). El biogás también contiene pequeñas cantidades de hidrogeno, sulfuro de hidrogeno, amoniaco y otros gases de traza. La composición del gas está determinada esencialmente por los sustratos, la fermentación (digestión) y los distintos diseños técnicos de las plantas [2 – 1], [2 - 2], [2 - 3], [2 - 4]. El proceso por el que se forma el biogás puede dividirse en una serie de pasos. (fig.3.1.4)
Figura 3.1.4. Proceso en la formación de biogás.
Las etapas individuales de descomposición (degradación) deben coordinarse y armonizarse entre sí de la mejor manera posible para asegurar que el proceso en conjunto se desarrolle sin tropiezos. Durante la primera etapa, la hidrolisis, los compuestos complejos del material inicial (como carbohidratos, proteínas y grasas) se dividen en compuestos orgánicos más simples (por ejemplo aminoácidos, azucares y ácidos grasos). Las bacterias hidrolíticas que participan en esta etapa liberan enzimas que descomponen el material por medios bioquímicos. Los productos intermedios formados por este proceso se dividen luego durante la acido génesis (la fase de acidificación) por medio de bacterias fermentadoras (que forman ácidos) para formar ácidos grasos más bajos (acético, prebiótico y
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butírico) junto con dióxido de carbono e hidrogeno. Además, también se forman pequeñas cantidades de ácido láctico y de alcoholes. La naturaleza de los productos formados en esta etapa es influida por la concentración del hidrogeno intermedio. En la a cetogénesis, es decir, la formación de ácido acético, estos productos se convierten luego por medio de bacterias acetogenicas en precursores de biogás (ácido acético, hidrogeno y dióxido de carbono). Al respecto, es particularmente importante la presión parcial del hidrogeno. Un contenido de hidrogeno excesivamente alto impide la conversión de los productos intermedios de la acido génesis por razones relacionadas con la energía. En consecuencia, se acumulan los ácidos orgánicos, como el ácido propiónico, el ácido isobutirico, el ácido isovalérico y el ácido hexanoico, e inhiben la formación del metano. Por esta razón, las bacterias acetogenicas (bacterias que forman hidrogeno) deben coexistir en una comunidad biótica cerrada (biocenosis) con las arqueas que consumen hidrogeno junto con dióxido de carbono durante la formación de metano (transferencia de hidrogeno entre especies), asegurando así un ambiente aceptable para las bacterias acetogenicas. Durante la fase subsiguiente, la metanogénesis, la etapa final de generación de biogás, sobre todo el ácido acético pero también el hidrogeno y el dióxido de carbono se convierten en metanos por medio de arqueas metano génicas estrictamente anaeróbicas. Los metanogenos hidrogeno tróficos producen metano a partir del hidrogeno y del dióxido de carbono, mientras que las bacterias acetoclasticas que forman metano lo producen por división del ácido acético. En las condiciones prevalecientes en las plantas de biogás agrícolas a tasas< de carga orgánica más elevadas, el metano se forma principalmente por medio de la vía de reacción que utiliza hidrogeno, aunque es solamente a tasas de carga orgánica relativamente bajas que se forma el metano por medio de la vía de reacción que involucra la división del ácido acético. De la digestión del lodo de desagüe se sabe que el 70% del metano se origina de la división del ácido acético y solamente el 30% de la utilización del hidrogeno. Sin embargo, en una planta de biogás agrícola, esto es así, efectivamente solo en los mejores casos de digestores de alta capacidad con tiempos de retención muy cortos. La investigación reciente confirma que la transferencia de hidrogeno entre especies es en efecto lo que determina la tasa de formación de metano. Esencialmente las cuatro fases de la degradación anaeróbica ocurren simultáneamente en un proceso de etapa única. Sin embargo, como las bacterias involucradas en las diferentes fases de degradación tienen distintas necesidades en términos de hábitat (respecto del valor de pH y la temperatura, por ejemplo), se tiene que encontrar una solución de compromiso en la tecnología del proceso. Ya que los microorganismos metano génicos son del eslabón más débil en la biocenosis debido a su baja tasa de crecimiento y son los más sensibles en responder a las perturbaciones, se tiene que adaptar las condiciones
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ambientales a las necesidades de las bacterias que forman metano. Sin embargo, en la práctica, cualquier intento de separar físicamente la hidrolisis y la acido génesis de la metanogénesis implementando 2 etapas distintas en el proceso (gestión del proceso en 2 fases) tendrá éxito solo limitadamente porque, a pesar del bajo valor de pH en la etapa de hidrolisis (pH < 6,5), todavía se formará algo de metano. El gas de hidrolisis resultante entonces contiene también metano además de dióxido de carbono y de hidrogeno. Por eso se tiene que utilizar o tratar el gas de hidrolisis para evitar consecuencias ambientales negativas y riesgos de seguridad. En los procesos multi-etapas, se pueden establecer diferentes ambientes en cada etapa del digestor dependiendo del diseño de la planta de biogás y de su régimen operativo, así como de la naturaleza y concentración de la masa fresca utilizada como sustrato. A su vez las condiciones del ambiente afectan la composición y actividad de la biocenosis microbiana y, de esta manera tienen una influencia directa en los productos metabólicos resultantes. 7. (e., 2013, págs. 21-22)
3.2.- Usos.
En la actualidad se ha presentado una demanda por el aprovechamiento de biogás en diversos usos y aplicaciones, además de la necesidad de resolver problemas ambientales, relacionados con la reducción de olores y vectores de transmisión de enfermedades, que conlleva este aprovechamiento. Dentro de las principales motivaciones para el consumo de biogás destacan: •
•
Su aprovechamiento directo para iluminación y uso directo para la cocción de alimentos. Su uso para la quema directa, mediante convenios con empresas dedicadas a la comercialización de los denominados “bonos de carbono”, mediante el desarrollo de proyectos bajo el Mecanis mo de
Desarrollo Limpio (MDL) a partir del estiércol. •
Su aprovechamiento para la generación de energía eléctrica y calórica en unidades productivas, tales como granjas porcinas, establos lecheros y rastros.
La potencialidad más importante es en las granjas porcinas, establos lecheros y rastros.
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Esto es así, porque cuentan con un manejo sistemático de las excretas y desechos, que son una fuente abundante de materia prima y que es necesario tratarlos para evitar impactos ambientales. Los grandes volúmenes producidos de excretas y desechos posibilitan que mediante los procesos de biodigestión y producción de gas, se genere calos y energía eléctrica.
En los tres casos, granjas porcinas, establos lecheros y rastros, la solución a los problemas ambientales y de salud pública provocada por el manejo de los desechos, es parte fundamental en las preferencias de los demandantes de los sistemas de biogás. Tanto las granjas porcinas tecnificadas, como los establos de sistemas de producción especializados, son unidades productivas que prevén una demanda para el establecimiento de sistemas de biogás integrales y que lo posibiliten dada su capacidad económica de realizar proyectos de este tipo. En este tipo de sistemas, la producción de energía eléctrica, a través de sistemas de biogás, puede ser aprovechado en la maquinaria y equipo utilizado en los procesos productivos, como es el caso en la producción de leche con sistemas tecnificados, que requieren de energía eléctrica para el funcionamiento de diversos equipos, tales como ordeñadoras, tanques de frio, bombas, etc. Otro aspecto, es que estas unidades productivas tienen la posibilidad de asociarse con empresas que comercializan bonos de carbono, con lo que pueden obtener ingresos por la quema de biogás. 8. (SECRETARIA DE AGRICULTURA, 2007, pág. 17)
3.2.1- Aplicaciones del biogás
Existen diversas opciones para la utilización del biogás. Dentro de éstas destacan la producción de calor o vapor, generación de electricidad y combustible de vehículos. 3.3-. Producci ón de calor o vapor
El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica (calor). En aquellos lugares donde los combustibles son escasos, los sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la energía calórica para actividades básicas como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña escala también se pueden utilizar para iluminación. Los quemadores de gas convencionales se pueden adaptar fácilmente para operar con biogás, simplemente cambiando la relación aire-gas. El requerimiento de calidad del biogás para quemadores es bajo. Se necesita alcanzar una presión de gas de 8 a 25 mbar y mantener niveles de H2S inferiores a 100 ppm para conseguir un punto de rocío de 150°C.
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3.4,-. Generación d e electri cidad o combin ación de calor y electr icidad
Los sistemas combinados de calor y electricidad utilizan la electricidad generada por el combustible y el calor residual que se genera. Algunos sistemas combinados producen principalmente calor y la electricidad es secundaria. Otros sistemas producen principalmente electricidad y el calor residual se utiliza para calentar el agua del proceso. En ambos casos, se aumenta la eficiencia del proceso en contraste si se utilizara el biogás sólo para producir electricidad o calor. Las turbinas de gas (microturbinas, desde 25 hasta 100 kW y turbinas grandes,> 100 kW) se pueden utilizar para la producción de calor y energía, con una eficiencia comparable a los motores de encendido por chispa y con un bajo mantenimiento. Sin embargo, los motores de combustión interna son los usados más comúnmente en este tipo de aplicaciones. El uso de biogás en estos sistemas requiere la remoción de H2S (bajo 100 ppm) y vapor de agua. Las celdas de combustible se consideran las plantas de energía a pequeña escala del futuro para la producción de electricidad y calor con una eficiencia superior al 60% y bajas emisiones.
3.5. Combu stible para vehículo s
El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace bastante tiempo. Para esto, el biogás debe tener una calidad similar a la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el funcionamiento con gas natural. La mayoría de vehículos de esta categoría han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de gas, además del sistema de gasolina normal de combustible. 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. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas: • 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 costosa (instalación similar a la del gas natural)
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. 9. (Moreno, MANUAL DE BIOGAS, 2011, pág. 30)
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3.5.1.- FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO METANOGÉNICO (PRODUCCIÓN DE BIOGÁS)
Es importante examinar algunos de los factores importantes que gobiernan el proceso metano génico. Los microorganismos, especialmente el metano génico, son altamente susceptibles a los cambios en las condiciones ambientales. Muchos investigadores evalúan el desempeño de un sistema anaeróbico en función de las tasas de producción de metano, porque la metanogénesis se considera un paso limitante del proceso. Debido a esto, la biotecnología anaeróbica requiere de un cuidadoso monitoreo de las condiciones ambientales. Algunas de estas condiciones ambientales son: temperatura (mesofílica o termofilica), tipos de materias primas, nutrientes y concentración de minerales traza, pH (generalmente cercano a la neutralidad), toxicidad y condiciones redox óptimas. Estas condiciones se discuten a continuación.
3.5.2.- Temperatura
Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores producciones de biogás. La temperatura de operación del digestor es considerada uno de los principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaeróbica. Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden gatillar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura. Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos anaeróbicos (Tabla 3.5.3): psicrófilos (por debajo de 25°C), mesófilos (entre 25 y 45°C) y termófilos (entre 45 y 65°C), siendo la velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor, conforme aumenta el rango de
temperatura. Dentro de cada rango de temperatura, existe un intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo, determinando así la temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles de operación.
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Figura 3.5.2.Tasa de crecimiento relativo de microorganismos psicrofilicos, mesofílicos y termofilicos.
Tabla 3.5.3. Rangos de temperatura y tiempos de fermentación anaeróbic a.
Hasta el momento, el rango psicrofílico ha sido poco estudiado y, en general, se plantea como poco viable debido al gran tamaño del reactor necesario. Sin embargo, presenta menores problemas de estabilidad que en los otros rangos de temperatura de operación. El régimen mesofílico de operación es el más utilizado, a pesar de que en la actualidad se está implementando cada vez más el rango termofílico, para conseguir una mayor velocidad del proceso, lo que implica, a la vez, un aumento en la eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen termofílico suele ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por la mayor toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas, como el nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga. Como regla general, la actividad biológica se duplica cada incremento en 10°C dentro del rango de temperatura óptima (Figura 3.5.4) Para un óptimo funcionamiento del digestor, se recomienda que el tratamiento anaeróbico se diseñe para que opere con variaciones de temperatura que no excedan los 0.6 – 1.2 °C /día.
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Figura 3.5.4 produccio nes de biogás en funció n de la temperatura.
Una técnica interesante es la combinación de dos fases de digestión, una primera termofilica de elevada carga orgánica y una segunda mesofílica con menor carga. Con este sistema se aprovechan las ventajas del sistema termofílico, pero se reducen los problemas de inestabilidad. La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos fisicoquímicos del mismo. La solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favoreciéndose la transferencia líquido-gas. Esto supone un efecto positivo para gases tales como NH3, H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos anaeróbicos. Una posible desventaja de este fenómeno es que el descenso de la solubilidad del CO2 provocaría un aumento del pH, lo que generaría, en lodos de elevada concentración de amonio, posibles situaciones de inhibición por NH3. Por otra parte, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta con la temperatura de manera que la materia orgánica es más accesible para los microorganismos aumentando así la velocidad del proceso. Sin embargo, si se trata de compuestos tóxicos, al aumentar su solubilidad con la temperatura serán potencialmente más tóxicos, lo que puede explicar parcialmente la mayor inhibición de determinados compuestos orgánicos en el rango termofílico, como los ácidos grasos (AG) de cadena larga. Además, la temperatura influye directamente en determinados equilibrios químicos, con gran influencia sobre el proceso anaerobio, como los del amonio-amoníaco libre o ácidos grasos volátiles (AGV) ionizados-no ionizados. En general, con la temperatura se favorecen las formas no ionizadas, que resultan más tóxicas para los microorganismos (NH3 y AGV- no ionizados). Por último, la viscosidad de sólidos y semisólidos disminuye al aumentar la temperatura lo que implica menores necesidades de agitación. 10. (MANUAL BIOGAS, 2011, pág. 39)
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4.1 Consideraciones de const rucción y estimación de costos.
La Tecnología del Biogás presenta características propias que hacen su análisis complejo, pues no sólo interviene el aspecto energético, también un importante impacto de difícil evaluación en conservación del medio ambiente, mejoramiento de suelos, alimentación de animales y en general mejoramiento de las condiciones de vida. Según (Hilbert, 2007) existen factores que se deben tener en cuenta al realizar la evaluación económica de la implementación de esta tecnología, pues pueden resultar limitantes en muchos lugares. Estos son: • Recolección de las materias primas, transporte y acondicionamiento. • Almacenamiento del biogás, transporte y uso • Almacenamiento del efluente, transporte y uso
4.1.2 Lug ar
La elección del sitio donde se ubicará el digestor es de gran importancia pues incidirá en el éxito o fracaso de la operación del sistema. Hay que tener en cuenta las siguientes premisas para escoger el lugar adecuado: a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras y las presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30 metros. b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar el acarreo que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del Biodigestor, e implicara mayores costos. c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo. d) Debe estar a por lo menos 10 – 15 metros de cualquier fuente de agua para evitar posibles contaminaciones. e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de energía solar. 4.1.3 Tipo de Biodig estor
Esta decisión debe tomarse teniendo en cuenta algunos criterios tales como: a) Inversión que se está dispuesto a realizar. b) Energía que se quiere obtener. c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor.
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d) El tamaño requerido del digestor e) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel freático o mantos rocosos.
4.2 TECNOLOGÍA DEL BIOGAS: FUNCIONAMIENTO Y ESQUEMA OPERATIVO DE UN BIODIGESTOR.
El diseño de una planta de biogás dependerá de la cantidad y del tipo de residuos disponibles en el medio rural, de las condiciones de clima, necesidades de biogás que se requiere, ubicación, materiales y técnicas de construcción de que se disponga en cada sitio. Con el objeto de minimizar los costos de la planta, ésta deberá ser adecuada a cada necesidad, construida hasta donde sea posible con materiales y mano de obra locales. Antes de proceder al diseño de una planta de biogás para el medio rural, es necesario estimar el potencial de producción de biogás, para definir su factibilidad considerando la forma de manejo del ganado y por lo tanto cual es la cantidad mínima de residuos que permita producir el biogás requerido para cubrir las necesidades planteadas. Necesidades de biogás para una familia compuesta por 5 personas. Cocinar (5 horas)......................0.30 * 5............................1.50 m3/día 3 lámparas (3 horas).................0.15 * 3 * 3.......................1.35 m3/día 1 refrigerador medio.................2.20 * 1............................2.20 m3/día Total.............5.05 m3/día Para cubrir estas necesidades se requiere disponer de un determinado número de animales. 4.2.1 Cálculos de cargas en fu nción d e materias pri mas • Si se tienen bovinos: 13 animales, o sea, 127 kg estiércol/día. • Si se tienen porcinos: 39 animales, o sea, 85 kg estiércol/día. • Si se tienen aves: 365 animales, o sea, 65 kg estiércol/día.
Otra posibilidad es establecer una combinación de estiércoles, como por ejemplo:
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Tabla 4.2.1. 3 De biogás producidos por kg de estiércol.
Si resulta favorable la comparación entre las necesidades de biogás y el potencial de generación, se puede proceder al cálculo de la planta. Se debe tener en cuenta que estos materiales se incorporan al Biodigestor diluidos en agua. La cantidad de agua a agregar dependerá de la cantidad de sólidos totales de las excretas frescas y del tipo de carga, es decir, si se opera con cargas diarias (semi continuas) o con sistemas estacionarios (discontinuos o batch). Cuando se utilizan biodigestores rurales pequeños de carga semi continúa, en forma práctica se recomiendan las siguientes mezclas:
Tabla 4.2.2. Mezclas.
El tamaño del digestor está en función de las cargas diarias y del periodo óptimo de fermentación. Este último parámetro dependerá de la temperatura media de cada región, así como de las variaciones de temperaturas diarias y estacionales.
4.2.2. Capacidad de la planta de biogás.
Suponiendo que se tiene un potencial de biogás de 5.70 m3/día, generado por la combinación de estiércoles que dan un total de 120 kg/día, se debe calcular el volumen de la mezcla de agua - estiércol. Para el ejemplo propuesto, se tiene:
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Tabla 4.2.3.1. Cantidades kg de estiércol por litros de agua.
Considerando un tiempo de residencia de 35 días y que el volumen diario de la mezcla es de 400 litros, se tiene: Volumen diario * Tiempo de residencia = Volumen digestor 400 l/día * 35 días = 14000 litros Volumen digestor = 14 m3
4.3 Localización y diseño del digesto r.
Una decisión importante es la elección del lugar donde se construya una planta de biogás. Para determinar estos sitios se deben tomar en cuenta ciertos factores: • Materia prima accesible y agua requerida suficiente para efectuar la carga diaria
en el caso de digestores semi continuo. • Cercanía del lugar de uso del biogás. • Facilidad para el empleo del bioabono o su almacenamiento en caso de ser
necesario. • Topografía del sitio, así como las características del s uelo y los niveles de las
aguas subterráneas. Como se mencionó anteriormente existen varios diseños de digestores. Un factor decisivo en la elección del diseño, además de los mencionados en la elección del lugar, es la temperatura promedio mensual atmosférica y el tipo de invierno. La velocidad de biodegradación de los residuos así como la producción de biogás, dependen en gran medida de las características de la materia prima, del tiempo de retención, del porcentaje de sólidos totales y de la temperatura a la cual se lleva a cabo el proceso. En el caso específico del medio rural, la disponibilidad de residuos agropecuarios y el rango promedio de temperatura atmosférica dentro de los límites aceptables para la actividad del metano bacterias, serán factores determinantes para definir áreas con posibilidades de implementar la tecnología del biogás.
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4.4 Etapa de arranqu e
En el caso de un proceso de carga continua, realizada en un solo depósito de digestión, correspondería a una fermentación de una sola etapa. La producción del biogás comienza después de cierto periodo (Tiempo de Retención Hidráulica) a partir de una carga inicial, en función del tipo de las materias primas y de la temperatura interna de funcionamiento del Biodigestor. Las diferentes etapas para una correcta operación del Biodigestor se pueden agrupar en: 4 a) Retir o del agua utilizada para la prueba de filt raciones
Una vez finalizada la prueba con agua para comprobar que existen filtraciones en el Biodigestor, se debe retirar parte del agua (Fig. 4.4.1), dejando sólo 1/3 de la altura del digestor. Esta agua que se deja tiene por finalidad contribuir a diluir las materias orgánicas seleccionadas, con que se cargará el digestor en la fase de carga inicial 4 b) Preparación d e la Carga Inicial o primera carga.
Este proceso se caracteriza por el llenado completo del digestor, a través de la parte superior del digestor que es removible, es decir, sin el depósito de almacenamiento de biogás. En tambores limpios de cualquier producto químico o combustible, se prepara una mezcla, en partes iguales de residuos animales y/o humanos con residuos vegetales, como pajas, tallos, previamente trozados. Es necesario incorporar esta carga de materias orgánicas diluida con agua. La proporción final de sólidos totales debe estar cercana al 10% (Figura 4.4.2) 4 c) Término de la prim era carga.
Antes de colocar la campana de gas, se debe remover la costra (material fluctuante) que suele formarse en la superficie (Figura 4.4.3)
Figura 4.4.1. Prueba de filtración y preparación de nivel de agua.
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Figura 4.4.2 preparación de carga.
Dejar abierto conexión a salida de gas, durante 5 a 7 días, con el objeto de eliminar todo el oxígeno que pueda existir como producto de las primeras fases del proceso de descomposición de las materias orgánicas. Posteriormente cerrar y dejar que se eleve la presión interna y soltar el gas. Repetir esta operación hasta completar 10 – 15 días, con lo cual se elimina todo el oxígeno remanente, junto con el anhídrido carbónico (CO2) que se genera en las primeras fases del proceso de fermentación (Figura 4.4.4), previas a la etapa de formación de metano (CH4).
Figura 4.4.3. Destruyendo costrones de la carga.
Figura 4.4.4. Eliminación de oxígeno y otros gases.
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4 d) Pruebas Inicio produ cción de biogás.
Transcurridos 15 días de la carga inicial o de arranque, se debe comenzar a verificar el inicio de producción de biogás (CO2 y CH4 en proporción similar), mediante la verificación de “quema de biogás”. Se acopla una manguera a la
salida de gas y utilizando un quemador o mechero, se prueba si el gas se enciende. Si el gas quema con una llama azulada y de buena consistencia, se puede iniciar el uso normal del biogás (Figura 4.4.5).
Figura 4.4.5. Quema o prueba de biogás, color de llama.
En caso contrario, si no enciende o quema mal, se debe eliminar todo el gas y repetir la prueba cada vez que se alcance una presión interna adecuada. Si después de 30 días (o 45 días, de acuerdo con la temperatura interna del digestor) de completada la carga de arranque, el gas que se genera, no se quema, podría existir algún problema en la fermentación. Se debe verificar que no exista una acidificación excesiva de la carga (inferior a pH 6) o variaciones bruscas de la temperatura interna del digestor, materiales contaminados con productos químicos que pudieran alterar la actividad microbiana.
4.5 Etapa de operación Carga diaria normal.
Con el tubo de entrada tapado de la caja de carga, se prepara una mezcla de residuos (animales) con agua formando un lodo, el cual, debe contener como máximo entre 8 a 12% de sólidos totales. El volumen total de esta mezcla está en función del volumen total del digestor y del Tiempo de Retención Hidráulico. Se coloca un plástico transparente encima de la caja de carga y deja reposar esta mezcla hasta el día siguiente; donde se espera la hora de mayor temperatura atmosférica, se retira el material fluctuante, se homogeniza la mezcla y se deja entrar al digestor (Fig. 4.5.1). El volumen (afluente) que entra, conlleva a que salga por el tubo de la caja de descarga igual volumen (efluente).
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Figura 4.5.1 esquema de carga diaria.
4.6 Mantención
Periódicamente se debe inspeccionar y verificar si existen filtraciones de agua o aire en los digestores de biogás, para proceder a su reparación. En los digestores de carga continua, por lo menos una vez al año, se debe vaciar completamente el digestor, retirando el lodo del fondo. Esto permite realizar lo siguiente: 1. Tratamiento de roturas: cincelar las roturas en forma de V, raspar la superficie circundante; posteriormente llenar ese agujero en forma de V con cemento (1:1), compactar y aplicar dos o tres veces un enlucido hecho de una pasta de cemento puro. 2. Cuando no se encuentran filtraciones, se debe lavar la cámara de fermentación y aplicar dos o tres capas de enlucido con una pasta pura de cemento. 3. Si el enlucido está deteriorado o está deformado, es necesario sacarlo y lavar las paredes; entonces volver a enlucir, aplicando una tras otra, distintas capas de enlucido muy fino con una cuidadosa compactación. 4. Cuando el agua freática penetra al Biodigestor, es preciso aplicar una pasta salada con agua; se tapa el hoyo y se aprieta aplicando cemento con una cubierta de cenizas durante 20 minutos y entonces se remueve la cubierta. El cemento del enlucido con material salado se vuelve a aplicar, se vuelve a apretar con la envoltura y se repite este proceso tres veces. 5. Cuando se produce una combinación de filtraciones en caños (tubos de entrada y salida) y cúpula, se cincela alrededor de la filtración y se saca el caño; entonces se vuelve a colocar cemento u hormigón de gravilla, haciendo fraguar localmente para que se fije el caño.
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6. Si el fondo se hunde o la pared se separa, se agrandará la resquebrajadura y se profundizará al máximo, rellenándose con una mezcla de hormigón con grava fina. 7. Se debe revisar frecuentemente las junturas de la manguera para asegurar que no se filtre ni el agua ni el aire. 8. Después del trabajo diario, se debe lavar el depósito donde se preparan las mezclas de materia primas con agua limpia. 9. Si el depósito de descarga permanece sin uso por un período largo, se debe exponer al ambiente para evitar su corrosión interna.
4.7 Estudio de caso
Explotación agropecuaria que dispone de 10 bovinos. Capacidad de la planta de gas: 100 kg de estiércol + 100 litros de agua = 200 litros mezcla/día Volumen diario * Tiempo de retención = Volumen digestor 200 litros * 40 días = 8000 litros Volumen digestor = 8 m3
Figura 4.7.1. Estimación de la producción de biogás y bioabono.
11. (Moreno, manual de biogas, 2011, págs. 106-113)
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5.1. Reseña del proceso. En el proceso de experimentación, se puso a prueba toda la teoría para la obtención de Biogás a base de heces fecales de ganado vacuno y porcino. Al ser este un proyecto, todo el proceso se hizo a niveles pequeños, iniciando con nuestro prototipo de Biodigestor en el cual se usaron materiales simples y fáciles de conseguir y sin un alto precio de obtención.
5.2. Diseño (Biodigestor). En lo que respecta al diseño y armado del prototipo del Biodigestor lo cual consideramos esencial, se buscó información clara y concisa para obtener una idea del posible diseño de este. Este diseño considero tener 2 pequeños tanques, el primero sería usado para la fermentación de las heces fecales y el segundo contenedor para el almacenamiento del biogás, estos contenedores deberían estar conectadas mediante tuberías de PVC, dichas tuberías tendrían 2 válvulas, 1 válvula estaría entre el contenedor fermentador y el contenedor de almacenaje, la segunda válvula estaría en el segundo contenedor (contenedor de almacenaje).
5.2.1. Armado del prototipo. En el proceso de armado se utilizaron los siguientes materiales:
3 garrafas con capacidad de 25 litros
2 metros de tubo de CPVC ½ pulgada de diámetro
2 válvulas de paso
1 pegamento (para CPVC)
1 lija
2 codos de CPVC de 90º de ½ pulgada de diámetro
1 varilla de ½ pulgada
1 palo de escoba
1 embudo
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5.2.2. Elaboración del Biodigestor.
Paso1: con la varilla de ½ pulgada se le hizo un orificio en la parte superior a dos garrafas (cerca de la tapadera de forma que no estorbe la agarradera de la garrafa). El orificio de las garrafas se hizo coincidir con el diámetro del tubo de CPVC a manera que no quedase más grande el orificio.
Paso 2: se procedió a cortar el tubo de CPCV 2 tramos de 20 cm de largo.
Paso 3: se lijaron los dos tramos de tubo y los 2 codos de 90º para proceder a pegarlos.
Pasó 4: se cortaron 2 tramos más de tubo de 25 cm cada uno.
Paso 5: nuevamente se lijaron los 2 tramos de tubo que se cortaron en el paso anterior y la válvula para proceder a pegarlos.
Paso 6: se unieron las partes mencionadas en los pasos 3 y 5 de manera que se formó la estructura por donde se transportara el biogás.
Paso 7: posteriormente se procedió a ensamblar la estructura anteriormente mencionada y se introdujeron en los orificios que se les hicieron a las 2 garrafas, entrando ligeramente a presión y con 10 cm adentro de la garrafa (por donde entrara el biogás y llegara a la otra garrafa pasando por la estructura formada con el tubo de CPVC y la válvula.
Paso 8: En la segunda garrafa se le hizo un orificio por el costado de la garrafa con la varilla de ½ pulgada.
Paso 9: Se procedió a cortar dos tramos de tubo de 15 cm.
Paso 10: Se lijaron los dos tramos de tubo cortados en el paso anterior para proceder a pegarlos con la válvula.
Paso 11: una vez unida la estructura anterior se procedió a pegarlo en la garrafa a la cual se le hizo un orificio en el costado metiendo el tubo 5 cm dentro de la garrafa.
Paso 12: a la tercera garrafa se le corto la parte superior de manera que quedase a la intemperie. Nota: la garrafa a la cual se le hizo el orificio al costado es por la cual tendrá salida el biogás.
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5.2.3. Preparación de la materia prima.
Paso 1: se obtuvo la materia prima (las heces de vaca y de porcino) 4 kilogramos de vaca y 1 kilo de porcino. Paso 2: posteriormente se vaciaron las heces en la garrafa a la cual se le corto la parte superior (tercera garrafa). Paso 3: se le agregaron 10 litros de agua. Paso 4: se procedió a mezclarlo con un palo de escoba, de forma que se formara una mezcla homogénea. Paso 5: una vez hecha la mezcla, se procedió al vaciado por medio del embudo a la garrafa. Pasó 6: una vez vaciada la mezcla, la garrafa se cerró herméticamente de forma que no hubiese fuga por donde se pudiese escapar el biogás. Paso 7: de igual forma se cerró la primera válvula de paso para que la mezcla se fermente y se dé una mejor producción del biogás.
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5.3. Prueba de ignición. Primera prueba: En la primera prueba de ignición se realizó el 13 de noviembre de 2017, se observó que había presencia de gas metano ya que al hacer la prueba con un encendedor la flama tendía a hacerse más grande, por lo cual detectamos que si había presencia del gas, también se percibió un ligero mal olor proveniente de las heces. Nota: Como la prueba se realizó con un encendedor se presentó la ligera sospecha de que existiera la posibilidad de que no hubiese gas presente, ya que en un encendedor la flama permanece ya que el combustible es constante Segunda prueba: Transcurridos En la segunda prueba de ignición hubo mayor presencia de gas y el olor que se percibió en la primera prueba disminuyo ya que en esta vez el gas se aisló de los contenedores cerrando la primera válvula de paso para que no pasara los olores y se conectó a una manguera y se hizo la prueba con un globo donde percibimos que no había mal olor de las heces como en la primera prueba.
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