UNIVERSIDAD DE CIENCIAS CIENCIAS Y ARTES ARTES DEL ESTADO ESTADO DE DE CHIAPAS CHIAPAS
INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES
Biocombustibles
CATEDRÁTICO Dr. Joel Moreira Acosta
ALUMNOS JONATHAN CULEBRO RIOS PARIS HIRAM ESPINOZA LÓPEZ DANIEL EDUARDO MAALLANES CRUZ LUIS DA!ID ORDILLO UILLEN ALEJANDRO OMEZ "UCA
# $e J%&io $el '()'
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Como alumnos nuestro principal objetivo es aprender a modelar biodigestores para en un futuro futuro utiliz utilizarl arlos os como como referen referencia ciass para para su constr construcc ucción, ión, y usarlo usarloss en procesos procesos de investigación.
OBJETIVOS Objetivo general: Crear un prototipo de biodigestor rígido con fines de investigación.
Objetivos parti!lares: Dividir al biodigestor en subsistemas de acuerdo a su funcionamiento. Experimentar los beneficios entre los posibles materiales a utilizar. Aplicar el modelaje al diseo de nuevos dispositivos.
J"STI#I$A$I%N !"ara #u$% &e realizar' para tener un es#uema base de la estructura de un biodigestor rígido. !Cu'les son los beneficios% "ara armar futuros biodigestores de forma f'cil y precisa. (dentificar u omitir fallas en los subsistemas.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Como alumnos nuestro principal objetivo es aprender a modelar biodigestores para en un futuro futuro utiliz utilizarl arlos os como como referen referencia ciass para para su constr construcc ucción, ión, y usarlo usarloss en procesos procesos de investigación.
OBJETIVOS Objetivo general: Crear un prototipo de biodigestor rígido con fines de investigación.
Objetivos parti!lares: Dividir al biodigestor en subsistemas de acuerdo a su funcionamiento. Experimentar los beneficios entre los posibles materiales a utilizar. Aplicar el modelaje al diseo de nuevos dispositivos.
J"STI#I$A$I%N !"ara #u$% &e realizar' para tener un es#uema base de la estructura de un biodigestor rígido. !Cu'les son los beneficios% "ara armar futuros biodigestores de forma f'cil y precisa. (dentificar u omitir fallas en los subsistemas.
INTROD"$$I%N
)a sociedad actual genera una gran cantidad de residuos #ue afectan a los distintos vectores ambientales* aire, agua y suelo. Esta contaminación afecta tambi$n la salud de las personas, #ue contraen enfermedades por acumulación de bacterias, insectos o pe#ueos roedores. )a correcta correcta gestión gestión de los residuos y las aguas servidas, servidas, asegurando su posterior posterior tratamiento, tratamiento, es una de las claves para conseguir un ambiente sano y saludable.
MAR$O TE%RI$O
)a capaci capacida dad d de la natura naturale leza za de dota dotarse rse de un pode poderos roso o meca mecani nism smo o para para reci recicl clar ar constantemente la materia viva a trav$s del proceso de descomposición y mineralización, +a permitido #ue la vida en la ierra +aya perdurado durante millones de aos gracias a la transformación continua de la materia viva. El calcio proveniente de caracoles marinos y acumulado por millones de aos se +a convertidos en rocas y es +oy día el sustrato de muc+os bos#ues. )a actividad de los microorganismos consigue arrancar el poder vital de estas rocas y las convierte en suelo -til para el crecimiento de las plantas.
odo organismo se convierte en la fuente potencial de alimento para otro. Así se establecen lo #ue se llaman cadenas o redes tróficas. Cada organismo ocupa una posición o escalón #ue llamamos nivel trófico de acuerdo con la cantidad de materia #ue aporta y de cómo cómo esta esta mate materi ria a crece. crece. Cada Cada nive nivell tróf trófic ico o produ produce ce resid residuo uoss como como resul resulta tado do de la transformación energ$tica de los alimentos o materia nutritiva. )os residuos de las plantas y anim animale aless silv silves estr tres es no son son desec+ desec+os os in-t in-tililes es sino sino una una form forma a de mater materia ia #ue, #ue, aun#u aun#ue e energ$ticamente pobre, sirve a otros organismos, #ue la vuelven a +acer aprovec+able en el ciclo vital.
)os organismos #ue cierran y a la vez abren una red trófica son los descomponedores, los cuales se alimentan de materia org'nica muerta y #ue en el proceso metabólico la mineralizan, +aci$ndola -til de nuevo para las plantas. )ógicamente, las sustancias #ue forman un ser vivo no son las -nicas #ue se reciclan. En la naturaleza existen diversos elementos #uímicos como el agua, el oxígeno y el fósforo #ue, pese a formar parte de la estructura de los seres vivos, tambi$n describen su propio ciclo. En definitiva, la naturaleza nos muestra #ue, ayudada por la energía solar, se puede luc+ar contra la progresiva degradación de la materia, sintetizando nuevas sustancias vitales, +aciendo crecer organismos y manteniendo lleno de vida el planeta ierra. En todo este proceso la aparición de la especie +umana aporta una importante diferencia, en la medida en #ue su capacidad racional le permite sintetizar compuestos nuevos para los #ue la naturaleza no dispone de procesos f'ciles de degradación, y por tanto se acumulan sin posibilidad de reincorporarlos en ning-n ciclo natural. "or otro lado, estos compuestos m's o menos persistentes, pueden convertirse incluso en tóxicos y peligrosos para el propio desarrollo de la vida en la medida en #ue son extraos a la bio#uímica de la vida. )a capacidad de generar sustancias contaminantes por parte de la familia +umana en los -ltimos siglos, pero muy especialmente desde el siglo , se +a convertido en el principal problema para propiciar una civilización sostenible, es decir, capaz de perpetuarse en el tiempo. Actualmente, +emos creado decenas de miles de sustancias, y algunas de ellas se +an convertido en aut$nticas pesadillas por su capacidad de destrucción de la vida /cancerígenas, mutag$nicas, etc.0.
Digesti&n anaerobia' )a digestión anaerobia es un proceso de degradación de la materia org'nica en ausencia de oxígeno. Este proceso lo llevan a cabo microorganismos anaerobios /siendo por tanto un proceso biológico0 #ue act-an en el interior de un biodigestor. Este biodigestor o reactor no es m's #ue una c'mara +erm$tica al aire, en la #ue se dispone la materia org'nica sin oxígeno para #ue pueda llevarse a cabo la fermentación. )a digestión anaerobia se presenta entonces como una posibilidad de tratamiento de residuos org'nicos.
1igura2. 3epresentación de los usos en la industria de un proceso anaerobio
La Digestión Anaeróbica
Hidrólisis,
Acetato,
En el proceso anaerobio
(nfluyen muc+os aspectos dentro de estos se encuentra la
temperatura, +p /cantidad de 4 y 540 y )a cantidad bacteriana en un inoculo.
1igura 6.7 (nfluencia de temperatura, +p y inoculo en proceso anaerobio
Resi(!os a partir (e !na pro(!i&n anaerobia' )os residuos #ue podremos digerir son variados* excretas de animales, residuos de vegetales y plantas, residuos o aguas residuales agroindustriales. Aun#ue la mayoría de sustratos org'nicos ser'n adecuados, la madera o los residuos leosos son desaconsejables. A partir de la degradación de la materia org'nica se obtienen tres productos b'sicos* un fertilizante org'nico lí#uido, un fertilizante org'nico lodoso /del vaciado por mantenimiento de la planta0 y el biog's.
#ertili)antes' )os fertilizantes ayudan al e#uilibrio de los elementos, como el nitrógeno, en la naturaleza así como a mejorar el rendimiento de los cultivos, de forma respetuosa con el medio ambiente. En zonas donde se aplican fertilizantes #uímicos importados, la disponibilidad de un fertilizante org'nico ayuda a independizarse de las importaciones siendo así m's autosuficientes. )os suelos mejoran su condición, evit'ndose tambi$n la erosión.
Biog*s' Con el biog's, se consigue un combustible fiable y respetuoso con el medio ambiente. Este biog's se obtiene de la degradación de la materia org'nica, con lo #ue es considerado energía de la biomasa, y como tal una energía renovable #ue genera un balance cero de emisiones de gases invernadero. )a disponibilidad de combustible +ace tambi$n #ue las comunidades sean autosuficientes y se autoabastezcan para no depender nuevamente de los mercados internacionales energ$ticos.
En una fermentación anaerobia para la producción de biog's se pasan por tres etapas* 4idrolisis, Acidog$nesis y 8etanog$nesis. 4idrolisis* )os microrganismos 4idrolizan los polímeros org'nicos, proteínas y lípidos en 'cidos grasos, monosac'ridos y algunos amino'cidos Acidog$nesis* )as 9acterias anaerobias fermentan los productos descomponibles de la +idrolisis en 'cidos grasos m's simples, el m's com-n y abundante es el 'cido ac$tico. 8etanog$nesis* )as 9acterias anaerobias, convierten el +idrogeno y 'cido ac$tico en gas metano y dióxido de carbono donde tiene una tasa de crecimiento muy lento por eso su metabolismo es un factor limitante en el proceso anaerobio.
1igura :.7 "rocesos anaeróbicos en la obtención del gas metano El biog's est' compuesto en mayoría de 8etano pero cabe recordar por muc+os #ue se #uiera obtener un biog's completamente limpio /8etano0 es imposible. El metano, principal componente del biog's, El valor energ$tico del biog's por lo tanto estar' determinado por la concentración de metano 7 alrededor de 6; < 6= 8>?m:, comparado con :: <:@8>?m: para el gas natural. Co*+osici,& $el -io/s
METANO 0( 1 2( 3 DIÓ4IDO DE CARBONO '(5 #( 3 HIDRÓENO )5 6 3 O47ENO (.) 1 ) 3 ACIDO SUL87DRICO (.95 ) 3 NITRÓENO (.9 1 63 AUA :;aria-le<
)os factores #ue afectan la producción de biog's
suelen ser tipo de sustrato
/nutrientes disponibles0, temperatura del sustrato, la carga volum$trica, tiempo de retención +idr'ulico, nivel de acidez /p+0, relación carbono?nitrógeno, concentración del sustrato, grado de mezclado y presencia de compuestos in+ibidores del proceso
$arater+stias Energ,tias En la actualidad se es posible obtener las características energ$ticas del gas #ue depender' del contenido de metano obtenido.
n metro c-bico de biog's totalmente combustionado es suficiente para*
= = =
Benerar 2.6= F?+ de electricidad. Benerar G +oras de luz e#uivalente a un bombillo de G; Fatt. "oner a funcionar un refri erador de 2 m: de ca acidad durante 2+ora.
)as +eces de animales m's usadas para la utilización de biog's suelen ser a#uellos con alto contenido de nitrógeno donde*
Bio(igestores' Dispositivo donde se desarrolla un proceso digestivo anaeróbico en lo cual los residuos de la bacteria son productos para el ser +umano en producción de gas y materia org'nica En 26; (m+off puso en pr'ctica el primer biodigestor en Alemania. Despu$s de la &egunda Buerra 8undial se construyeron cerca de ; biodigestores, pero su desarrollo se frenó por los bajos precios de los combustibles fósiles.
)a siguiente ola de construcción de biodigestores se produjo en los aos H; por la crisis del petróleo. "ero por problemas t$cnicos, la baja producción de gas, la alta inversión y por lo tanto baja rentabilidad, este desarrollo se frenó bruscamente a fines de los aos @;. En la actualidad los países generadores de tecnología m's importantes son* C+ina, (ndia, 4olanda, 1rancia, Bran 9retaa
Proeso (e bio(igestor )a forma de un biodigestor varía de acuerdo al lugar donde #uiera desarrollarse a si como el tipo de sustrato #ue re#uiera obtenerse pero todos realizan el proceso de la siguiente figura.
8i%ra #. Proceso c>clico $e %& -io$iestor
Ciclo del bio!s"
8i%ra 9. Ciclo $el -io/s e& %& -io$iestor
Dise-o e i.ple.entai&n (e !n Bio(igestor' #!n(a.ento: El proceso principal en un 9iodigestor es la digestión anaerobia por lo cual +ay #ue considerar #ue la presencia de oxigeno debe ser mínima a si como tambi$n los tipos de materiales para evitar la corrosión por la presencia de 'cidos en el sistema El metano es un gas muy ligero en eso se basa su proceso de separación y obtención como materia principal
/erra.ientas' /erra.ientas
$anti(a( 2 /rollo0 6 2 6 2 /pliego0 2 / litro0
Cinta m$trica &egueta 1lexo7metro 8arcadores )ijas de 6=; 46; "egamento "vc
E0!ipo E0!ipo C'mara fotogr'fica Caladora aladro
$anti(a( 2 2 2
Materiales' Material' 3otoplas ramo "vc Cruz "vc ramo "vc "vc /forma de 0 apones "vc 3educción "vc Codos "vc Cople "vc ramo "vc Codos "vc 8ac+os "vc 4embra "vc M'lvula
Ta.a-o 2;;; )itros "ulgada I 2 8etro J "ulgada 28etroI J pulgada J "ulgada J "ulgada K "ulgada ;L I J "ulgada 2 K "ulgada 2 K "ulgadaI 2 8etro ;L, "ulgada "ulgadas "ulgadas J "ulgada
$anti(a( 2 2 : G 2 6 G 2 2 6 6 6 2
Proeso en la elaborai&n (e !n bio(igestor' Etapa (e al.aena.iento' En esta etapa se construye el lugar donde se lleva a cabo la fermentación anaerobia, )o cual el contenedor es el 3otoplas mismo. En el 3otoplas se realizaron perforaciones circularesI lo cual ser'n entrada de materia, salida del producto, orificio de entrada de palas y salida de subproducto /materia org'nica solida0 como se muestran a continuación.
1igura G. 3otoplas frontal y superior.
1igura H. apa
1igura @. M'lvula lateral y frontal
1igura . Etapa almacenamiento
Etapa (e entra(a 1 sali(a (e .ateria' Etapa diseada para la entrada y salida de materia donde se busca una mayor fluidez y menor escape de fluidos.
1igura 2;. Embudo "MC de GN a N
1igura 22. apa
1igura 26. Cople$ de entrada de materia "MC N
1igura 2:. Codo de =L "MC N
1igura 2. ramo de "vc perforado "MC N
1igura 2=. Etapa entrada
1igura2G. Codo de ;L "MC N
1igura 2H. Cople$ para salida de materia "MC N
1igura 2@. ramo interior "MC N
1igura 2. Etapa salida.
Etapa (e sali(a (e biog*s Diseada para evitar fugas y obtener un flujo estable de biog's.
1igura 6;. ramo de conducción de biog's "MC J O
1igura 62. M'lvula de paso "MC J O
1igura 66. Etapa de salida de biog's.
Etapa (e re.oi&n Diseada para mantener la +omogeneidad de materia dentro del sistema, como para ser un sistema de alta durabilidad.
1igura 6:. ON "MC JN
1igura 6. ramos "MC para manubrio J O.
1igura 6=. apa "MC lisa J O
1igura 6G. ramo sección media e inferior del removedor "MC J O
1igura 6=. Cruz de "MC J O
1igura 6G. ramo para las palas del removedor "MC J O.
1igura 6H. "alas con corte "MC N.
1igura 6@. apas de palas "MC N )isas
1igura 6. Cople para uniones "MC J O.
1igura :;. ramo para la base del removedor "MC J O
1igura :2. apa para base de removedor J O.
1igura :6. &istema de remoción.
Ane2os
Anexo 2.2
Anexo 2.6
Anexo 2.:
Anexo 2.
Anexo 2.=
Anexo 2.G
Anexo 2.H
Anexo 2.@
Anexo 2.
Anexo 2.2;
Anexo 2.22
Anexo 2.26
Anexo 2.2:
Anexo 2.2
Anexo 2.2=
Anexo 2.2G
Anexo 2.2H
Anexo 2.2@
Anexo 2.2
Anexo 2.6;
Anexo 2.62
Anexo 2.66
Anexo 2.66
Anexo 2.6:
