Capitulo I.- El Objeto de estudio

“El conquistador, por cuidar su conquista, se convierte en esclavo de lo que

conquistó. Es decir que, jodiendo, se jodió” 

―Facundo Cabral

1.1.- Introducción

La producción mundial de energía constituye uno de los grandes retos de la

comunidad industrial y energética mundiales, esto ocurre por el constante

aumento del precio de los combustibles fósiles esto a raíz del escaseo y baja

calidad del mismo lo cual los hace un poco más ineficientes.

La combustión del metano es la más limpia de todos los combustibles fósiles, lo

cual ayuda a mejorar la calidad del aire y del agua es muy amigable con el

ambiente. Esto se debe a que su combustión produce un 25% menos de CO2 que

los productos petrolíferos y un 40% menos de CO2 que la combustión del carbón

por unidad de energía producida. Se atribuye al CO2 el 65% de la influencia de la

actividad humana en el efecto invernadero.

En dicha combustión se produce menor cantidad de emisión de gases de efecto

invernadero lo cual nos ayuda por el lado ecológico y económico de la comunidad.

La mayor parte del Dióxido de carbono (CO2) emitido (75% - 90%) es producido

por la combustión combustibles fósiles.

Por tratarse de un gas, su mezcla con aire y posterior combustión es más fácil que

con otros combustibles fósiles y la ausencia de partículas y compuestos corrosivos

de azufre, facilitan la recuperación del calor residual y, por tanto, las eficacias de

su utilización. Además, las reservas de gas natural son abundantes, y su

transporte y distribución mediante tuberías enterradas hacen que su impacto sobre

el paisaje sea mínimo.

Por su rendimiento y baja emisión de contaminantes, el gas natural es

especialmente apropiado para la generación de electricidad y cogeneración, uso

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de calderas y hornos industriales, automoción, climatización y otros usos en los

sectores comercial y doméstico.

El gas natural es un combustible que tiene un impacto medioambiental mínimo

comparado con el resto de los combustibles fósiles y cuya utilización contribuye a

reducir la emisión de gases de efecto invernadero.

Este proceso se lleva a cabo con la descomposición de materiales orgánicos que

van desde desechos animales (estiércol) animales muertos, basura, aguas negras,

hierbas (pastizales podridos generalmente) entre otros el proceso es simple y de

bajo costo relativamente.

Este proceso se lleva a cabo en ranchos haciendas o comunidades retiradas

donde el gas de línea o repartidor de gas L.P. no tiene acceso, es de fácil

construcción y bajo costo el cual es una inversión a plazo dependiendo de la

demanda del mismo.

Este sistema de proceso para desechos orgánicos además de producir biogás

(metano “CH4”) también produce lodos los cuales son perfectos fertilizante como

sub-producto, estos lodos salen ricos en gases nitrogenados.

Este proyecto está basado en la responsabilidad ambiental dentro de la

agroindustria por dos razones, contribuir a mejorar la problemática medioambiental

relacionada con el uso de energías no renovables y la otra razón es el

aprovechamiento de residuos y efluentes para producir energía transformando así

un problema grave de contaminación en un recurso provechoso y limpio en

términos ambientales de la energía biomasa.

El biogás generado generalmente tiene un poder calorífico de 23MJ (5500 Kcal)

por cada metro cubico de gas.

Este trabajo tiene como finalidad realizar un estudio técnico y practico sobre cómo

aprovechar distintos residuos procedentes de la agroindustria.

2

1.2.- Planteamiento del problema

En la actualidad producir energía para el consumo mundial se está volviendo un

problema debido a que cada vez hay menos petróleo, los precios están cada vez

más a la alza y nos estamos acabando nuestro entorno debido a la contaminación

que se produce debido a este tipo de energía. Por otro lado el agua se está

acabando, debido a estos problemas para producir energía eléctrica se requieren

fuentes alternativas para saciar la demanda mundial de energía que va en

aumento año con año. En estas alternativas de fuentes de energía alternas se

busca que sean amigables con el medio ambiente ya que cada vez más se ve

deteriorado debido al uso de combustibles fósiles que a su vez en su producción

suele contaminarse el entorno debido a los desechos de las plantas que producen

la energía como por ejemplo la planta nuclear.

Con las energías que provee la naturaleza se busca producir energía eléctrica

siendo amigable con el medio ambiente, ejemplo la energía eólica, energía solar,

etc., estas energías buscan proveer a los hogares y empresas producir su propia

energía mediante la instalación de equipos que a largo plazo remuneren la

inversión hecha a un costo mucho menor al de comprar la energía misma a una

compañía externa. Esta sería una solución amable para el bolsillo de los hogares y

empresas y a su vez amigable con el medio ambiente y ayudar a la conservación

de los recursos naturales.

El problema es la contaminación ambiental que se produce al extraer el gas

metano ya que en este proceso se ocupan grandes áreas al realizar cientos de

pozos e inyectar en ellos millones de litros de agua cargados con un coctel

químico y toxico para extraerlo. Este proceso conlleva una serie de impactos

ambientales, algunos de los cuales aún no están plenamente caracterizados o

comprendidos, entre ellos contaminación de las aguas subterráneas,

contaminación atmosférica, emisión de gases de efecto invernadero (metano),

terremotos (sismicidad inducida), contaminación acústica e impactos paisajísticos.

3

Además de estos impactos, también se debe tener en cuenta los relacionados con

el tráfico de camiones para transportar el gas extraído, el consumo de agua y la

ocupación del territorio.

1.2.1.- Formulación del problema

Debido a los grandes problemas de contaminación ambiental que se generan con

las emisiones de dióxido de carbono con la quema de combustibles fósiles, el

presente proyecto se sustenta con el planteamiento del problema a través de la

siguiente pregunta: ¿Es posible producir metano a través de un biodigestor?, si

bien, esta no es la solución absoluta, representa una alternativa de producción de

energía limpia y así reducir la contaminación ambiental.

1.2.2.- Formulación de preguntas de investigación

¿Qué tan limpia es la combustión del biogás en comparación con otros

hidrocarburos?

¿Es costeable la producción de la energía biogás?

¿Qué porcentaje de gas metano se produce (Ejemplo: cuanto gas metano se

produce por cada 1000kg de estiércol)?

¿Es posible combinar la biomasa con otras energías renovables?

¿Se obtiene algún subproducto al final del proceso?

¿Qué tan eficiente es el biogás (ejemplo: cuantos KwhKg produce cada unidad de

masa de gas metano en comparación con otros hidrocarburos?

¿Cómo se producirá el gas metano?

1.3.- Objetivos generales y específicos

1.3.1.- Objetivo General:

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Construir un biodigestor capaz de producir Biogás.

1.3.2.- Objetivos Específicos:

Contribuir a la producción de energía renovable para un desarrollo

sostenible.

Producir gas metano de forma sustentable.

Reducir las emisiones a la atmosfera de gases de efecto invernadero CO2.

Aprovechar el poder calorífico del Metano.

Aprovechar los desechos orgánicos que darán paso a la producción de

biogás.

Apoyo a la economía produciendo energía autónomamente.

Reciclar residuos Orgánicos.

Usar el biogás como un apoyo a la demanda doméstica del gas Metano.

Obtener Bio-abono.

Hacer un uso responsable de los recursos energéticos que nos brinda la

naturaleza.

Aminorar la degradación del suelo.

1.4.- Hipótesis

Al construir un biodigestor se aprovechara la mayor parte de la basura o desechos

orgánicos, ayudando en la disminución de la contaminación ya que se podría

utilizar no solo para desechos de estiércol sino que otro de igual forma otro tipo de

desechos orgánicos producidos por el hombre, y como un sub-producto del biogás

se obtiene fertilizante agrícola.

1.5.- Justificación

En muchos países en el mundo en vía de desarrollo tercermundista el precio y

escaseo de combustibles fósiles ha ido en acenso en las últimas décadas lo cual

nos ha orillado a tomar un nuevo rumbo con respecto a los combustibles fósiles.

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Esto empieza con los bio-combustibles, mucha gente no los conoce por su

reciente impacto desde el calentamiento global. Estos combustibles

biodegradables son más amigables con el medio ambiente al no producir tantos

gases invernadero (CO2 generalmente) y al tener una mejor combustión y mayor

poder calorífico son más duraderos.

De muchos biocombustibles está el biogás el cual es producido por medio de

descomposición y/o fermentación de materia biodegradable, generalmente

excremento humano y animal (Ganado vacuno, ovino, porcino, equino, caprino

entre otros).

Todo esto se lleva a cabo por medio un biodigestor, en este se deposita la materia

biodegradable y se deja reposar para su previa descomposición, el tiempo varía

dependiendo el tamaño, tipo de biodigestor y condiciones climáticas.

Los productos finales de este proceso son 2:

Biogás

Biol (fertilizante)

Este proceso es benefactor tanto para el consumidor como para el medio

ambiente, es un proceso sin químicos ni pesticidas, su costo varía dependiendo de

su demanda y tamaño. Esto se usa mucho para beneficiar las comunidades

campesinas muy alejadas y en ciertos casos con índices de pobreza. Esto los

ayuda a su economía lo cual no tiene mucha inversión pues usa excremento

animal y produce 2 beneficios a la vez.

1.6.- Alcances y Limitaciones del estudio

1.6.1.- Alcances del estudio

En esta investigación el fin es recabar la información necesaria para poder

fundamentar la realización del prototipo (Biodigestor) y de esta manera probar su

funcionamiento y efectividad.

1.6.2.- Limitaciones del estudio.

La principal limitación para la realización de esta investigación es que no se

cuenta con la principal fuente para crear la energía, esto sería excremento animal

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(vacuno, equino, porcino) principalmente, por el hecho de su mayor potencial para

crear una digestión anaerobia.

Esta es la principal limitación del proyecto ya que la realización del prototipo es

viable debido a que se cuenta con el espacio, equipo, tiempo y dinero necesario.

Además existe la suficiente información y esta se encuentra disponible para su

uso.

1.7.- Impacto social, tecnológico, económico, ambiental

1.7.1.- Impacto Social

La presente investigación no tendrá un impacto social muy relevante, por el hecho

de que no está automatizado, y no se espera el auge necesario para causar

impacto debido a la cultura de la sociedad mexicana.

1.7.2.- Impacto tecnológico

El proyecto que se lleva a acabo no tendrá el suficiente impacto tecnológico por el

hecho de que no está automatizado, todo se maneja manualmente, y aun así

siendo un equipo automatizado tendría que intervenir la mano del hombre.

1.7.3.- Impacto económico

Un biodigestor tiene un impacto económico a largo plazo si es doméstico, por el

hecho de que el gas que se crea es el mismo que se consumirá, este ahorro con

el tiempo paga la inversión del biodigestor y a su vez significara un gasto menos

en el hogar.

1.7.4.- Impacto ambiental

Si no se cuenta con biodigestores se tendría que cuantificar los daños generados

al ambiente ya sea en forma de deforestación, emisiones de gases o

contaminación de mantos acuíferos para obtener estimaciones podemos utilizar

índices que nos proporciona la literatura.

Emisiones de gases: De energías contaminantes a energías limpias. Estamos

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interesados en disminuir o evitar por eficiencia energética las emisiones de CO2.

Si se estima que el uso de biogás genera un ahorro en las emisiones de 0,43 Kg.

Co2/Kwh.11 y que cada familia consume 350 KW. Se estaría evitando 150,5 Kg.

de emisiones de CO2, a lo largo del año serian 1.806 Kg. de CO2.

Se debe mencionar que el gas obtenido con el biodigestor si no se quema es

contaminante. De aquí la importancia de adecuar el tamaño a las necesidades de

la economía doméstica. Si se prevé que no se va a utilizar, o quemar, todo el

biogás que se es capaz de producir dadas las excretas y el tamaño del biodigestor

es mejor no introducir más boñiga en el biodigestor. Existe la posibilidad de

combinar el biodigestor con el lombricompost y así se puede dar solución para dar

tratamiento a las excretas sin contaminar el medio ambiente.

1.8.- Viabilidad de la investigación

Es viable debido a que se cuenta con el espacio, equipo, tiempo y dinero

necesario. Además existe la suficiente información y esta se encuentra disponible

para su uso.

Si bien actualmente el uso de estas fuentes alternas de energía se ha desarrollado

fundamentalmente en el sector industrial, su viabilidad técnica ya ha sido

demostrada en sus aplicaciones en los procesos productivos del sector

agropecuario como también en la aplicación de biogás e los hogares como gas

butano para encender calentones y estufas.

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Capítulo II.- Bosquejo de Fundamento

“Cuando hay una tormenta los pajaritos se esconden, pero las águilas vuelan más

alto”

-Mahatma Gandhi

2.1.- Introducción

En este capítulo se abordara la teoría del problema; búsqueda detallada y

concreta donde la temática de nuestro objeto a investigar tiene su sustento teórico.

Incluye teorías, investigaciones y antecedentes que se consideran válidos para su

encuadre.

2.2.- Antecedentes de la investigación

El comienzo de la historia del biogás se puede fijar en unos 5.000 años atrás.

Fuentes muy antiguas indican que el uso de desechos y los “recursos renovables”

para el suministro de energía no son conceptos nuevos, pues ya eran conocidos y

utilizados mucho antes del nacimiento de Cristo.

El uso desmedido de los combustibles fósiles en las actividades humanas,

continúan generando impactos cada vez más drásticos por las emisiones de

Gases contaminantes, mismos que se ven reflejados en los efectos negativos del

Cambio Climático.

Ante este escenario, se han buscado oportunidades de mitigación y adaptación al

Cambio Climático, con el uso alternativo de fuentes de energía renovable para

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satisfacer las necesidades energéticas de diversos procesos productivos o

domésticos.

Si bien actualmente el uso de estas fuentes alternas de energía se ha desarrollado

fundamentalmente en el sector industrial, su viabilidad técnica ya ha sido

demostrada en sus aplicaciones en los procesos productivos del sector

agropecuario como también en la aplicación de biogás e los hogares como gas

butano para encender calentones y estufas.

En el sector industrial puede ser utilizada ya que este sector produce una

demanda energética bastante grande, se busca solventar la demanda energética

de manera solventarle y amigable para el medio ambiente ya que el uso de

combustibles fósiles es un problema en aumento y que al medio ambiente lo

comienza a desgastar.

Detrás de la técnica y la ingeniería aplicada a un biodigestor, hay una función

destacada que el mismo puede cumplir: satisfacer las necesidades de

comunidades rurales.

Los motivos y procedimientos que justifican y que permiten alcanzar dicho

propósito, respectivamente, encuentran su representación en el accionar de la

Fundación Energizar.

Una de las grandes cuestiones que se plantea a la hora de hablar de energías

alternativas es que en la teoría todo parece ideal pero en la práctica comienzan a

aparecer las dificultades  sin embargo , a diferencia de las energías limpias, los

biodigestores se presentan como una alternativa de inserción práctica, económica

y funcional mente satisfactoria “El biogás resulta ser una fuente energética de bajo

costo para cocinar o calentar agua supliendo así las necesidades básicas del

hogar”, expresa Diego Muso , ingeniero, cofundador y director del Área de

Capacitaciones de la fundación energizar.

2.3.- Sustento Teórico y 2.4 Investigaciones recientes sobre el tema

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El comienzo de la historia del biogás se puede fijar en unos 5.000 años atrás.

Fuentes muy antiguas indican que el uso de desechos y los “recursos renovables”

para el suministro de energía no son conceptos nuevos, pues ya eran conocidos y

utilizados mucho antes del nacimiento de Cristo.

El uso desmedido de los combustibles fósiles en las actividades humanas,

continúan generando impactos cada vez más drásticos por las emisiones de

Gases contaminantes, mismos que se ven reflejados en los efectos negativos del

Cambio Climático.

Ante este escenario, se han buscado oportunidades de mitigación y adaptación al

Cambio Climático, con el uso alternativo de fuentes de energía renovable para

satisfacer las necesidades energéticas de diversos procesos productivos o

domésticos.

Si bien actualmente el uso de estas fuentes alternas de energía se ha desarrollado

fundamentalmente en el sector industrial, su viabilidad técnica ya ha sido

demostrada en sus aplicaciones en los procesos productivos del sector

agropecuario como también en la aplicación de biogás e los hogares como gas

butano para encender calentones y estufas.

En el sector industrial puede ser utilizada ya que este sector produce una

demanda energética bastante grande, se busca solventar la demanda energética

de manera solventarle y amigable para el medio ambiente ya que el uso de

combustibles fósiles es un problema en aumento y que al medio ambiente lo

comienza a desgastar.

Detrás de la técnica y la ingeniería aplicada a un biodigestor, hay una función

destacada que el mismo puede cumplir: satisfacer las necesidades de

comunidades rurales.

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Los motivos y procedimientos que justifican y que permiten alcanzar dicho

propósito, respectivamente, encuentran su representación en el accionar de la

Fundación Energizar.

Una de las grandes cuestiones que se plantea a la hora de hablar de energías

alternativas es que en la teoría todo parece ideal pero en la práctica comienzan a

aparecer las dificultades  sin embargo , a diferencia de las energías limpias, los

biodigestores se presentan como una alternativa de inserción práctica, económica

y funcional mente satisfactoria “El biogás resulta ser una fuente energética de bajo

costo para cocinar o calentar agua supliendo así las necesidades básicas del

hogar”, expresa Diego Muso lino, ingeniero, cofundador y director del Área de

Capacitaciones de la fundación energizar.

Que es el biodigestor.

Es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia que ya habitan en el

estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante.

Funcionamiento de un biodigestor.

El biodigestor procesa los residuos orgánicos utilizando la descomposición

anaerobia controlada. Una digestión anaerobia continua de material orgánico es

un proceso biológico en el cual la materia orgánica se descompone en una

atmosfera deficiente en oxígeno. El producto de este proceso anaerobio tiene

como resultado la producción de gas metano, bióxido de carbono y material

orgánico que puede utilizarse como abono orgánico.

En este proceso de biodigestion puede llevarse a cabo utilizando diferentes tipos

de contenedores dependiendo de los materiales existentes en la región, así como

la cantidad de recursos financieros disponibles para su construcción.

Para que este biodigestor funcione apropiadamente debe empezarse por llenar un

tanque con mescla de residuos orgánicos y estiércol. El más metano tardara 28

días aproximadamente en formarse en el caso del estiércol o excreciones

humanas. En el caso de residuos orgánicos, los cuales son casi siempre celulosa,

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el proceso de formación del gas es más lento. Después de que el tiempo haya

transcurrido, empieza a llenarse el biodigestor de gas metano y bióxido de

carbono y esta mezcla de gases asciende a la parte superior del contenedor.

Para el uso del gas se abre el tornillo- mordaza un poco y encienda con un cerillo

cerca del tubo de salida. Es posible que al principio no encienda. Se deja

reposado una semana aproximadamente, para captar más gas.

Emisiones de gases: De energías contaminantes a energías limpias. Estamos

interesados en disminuir o evitar por eficiencia energética las emisiones de CO2.

Si se estima que el uso de biogás genera un ahorro en las emisiones de 0,43 Kg.

Co2/Kwh.11 y que cada familia consume 350 Kwh. se estaría evitando 150,5 Kg.

de emisiones de CO2, a lo largo del año serian 1.806 Kg. de CO2.

Se debe mencionar que el gas obtenido con el biodigestor si no se quema es

contaminante. De aquí la importancia de adecuar el tamaño a las necesidades de

la economía doméstica. Si se prevé que no se va a utilizar, o quemar, todo el

biogás que se es capaz de producir dadas las excretas y el tamaño del biodigestor

es mejor no introducir más boñiga en el biodigestor. Existe la posibilidad de

combinar el biodigestor con el lombricompost y así se puede dar solución para dar

tratamiento a las excretas sin contaminar el medio ambiente.

Clasificación de los biodigestores.

Biodigestor Discontinuo:

Se cargan de una sola vez y se retira ya que ha dejado de producir gas, solo

entonces se renueva la carga de materia orgánica. Se usa cuando la

disponibilidad de materia es limitada o intermitente.

Biodigestor semi-continuo

Se cargan en lapsos cortos de 12 horas, 1 vez al día, o cada 2 días, se utiliza

cuando la disponibilidad de materia orgánica es constante en los días. Los

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principales son, el hindú, el chino, y el taiwanés, cada uno con ventajas y

desventajas como si se quiere aprovechar más el gas.

Biodigestor Continuo:

Se cargan continuamente, y principalmente tienen la finalidad de tratamiento de

aguas negras así como de producción a gran escala así como el uso de alta

tecnología para el control, es sobre todo tipo industrial

Biodigestor chino:

El modelo más extendido, debido a su durabilidad, fácil manejo, funcionabilidad y

seguridad. Este diseño se originó en China y está ampliamente difundido ahí. Se

trata de una cámara cerrada con sus respectivas cámaras de carga y descarga. La

estructura puede ser construida de concreto armado,  ladrillos, piedra u hormigón

y las paredes internas permeabilizadas con diferentes métodos (como aplicación

de cemento mezclado con porcelana) para evitar fugas de líquido. Su larga vida

útil, mayor a 15 años con un buen mantenimiento a veces no compensa su relativo

alto costo, por eso que no se haya difundido tanto fuera de china (como

Latinoamérica), donde su construcción es apoyada por política nacional.

Esta clase de digestor (de cúpula o campana fija) almacena solamente un

pequeño volumen del gas generado en el interior, por lo que necesita de un

contenedor diferente construido para este gas producido (gasómetro).

El techo y el fondos son hemisféricos (o al menos el techo) y las paredes rectas.

La superficie interior se sellada con muchas capas delgadas de mortero para

conseguir firmeza. La tubería de la entrada es recta y extremos nivelados.  Se

guarda el gas producido durante la digestión bajo y dentro del domo, ello crea

fuerzas bastante altas y es por ello que la estructura debe hacerse hemisférica en

la base y techo, ya que esta distribuye la presión en una mayor área. Se necesita

materiales de muy buena calidad y recursos humanos costosos. Solo en China

existen más de 5 millones de biodigestores y han funcionado perfectamente.

Volvemos a destacar la larga vida de estos biodigestores (15-20 años) claro, con

una limpieza sistemática. (Anexo tipo chino)

Biodigestor Hindú:

Este diseño consiste en una estructura vertical que dispone de:

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-Reactor propiamente dicho, cuya estructura sea de ladrillo tanto paredes como

fondo, aunque a veces se usa refuerzo en hormigón

-Una campana o cúpula flotante (flotando en el líquido debido al biogás que

retienen en su interior) de metal (como acero) o material resistente a la corrosión

como plásticos reforzados, esta campana sube y baja dependiendo del volumen

de gas que se va produciendo y se almacena es esta interface, por ello requiere

de una varilla guía central o rieles laterales que eviten el rozamiento contra las

paredes del reactor.

-Dos zonas definidas conectadas al reactor: una para la carga de materia orgánica

y otra para la descarga de biogás.

-Una cámara hermética en la cual se genera condiciones de degradación

anaeróbicas de la materia orgánica formando biogás y bio-abono (Biol). Para

permitir el ingreso de la materia orgánica y la salida del bio-abono, se dispone de

dos tubos PVC conectados al tanque de almacenamiento (reactor) con la zona de

carga y descarga funcionales gracias al principio de vasos comunicantes.

Un punto a favor es que no necesita de un contenedor externo (gasómetro) para

almacenar el gas generado, y el gas se mantiene a una presión relativamente

constante gracias al movimiento vertical del domo conforme la presión aumenta o

disminuye, ello (estabilidad de presión entre 4 a 8 cm de agua) es muy ventajoso. 

Otro punto a favor sería una modificación del modelo en la cual se sustituye la

campana flotante por una película de polietileno flexible y resistente, haciendo con

esto que el costo baje y por ende sean más accesibles a la sociedad. El remplazo

puede darse también por fibra de vidrio reforzado en plástico (FRP) que es

resistente a la corrosión.

El reactor se alimenta semi-continuamente como el biodigestor chino, a través de

la tubería de entrada periódicamente cada 12 o 24 horas por ejemplo. (Anexo

hindú).

Biodigestor tipo salchicha:

La alta inversión que pedía construir un biodigestor de estructura resultaba una

grave limitante para los pequeños granjeros por sus bajos ingresos. Esto motivó a

unos ingenieros Taiwaneses en los años sesenta a diseñar biodigestores con

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materiales flexibles más baratos, locales y accesibles. Primero se utilizó  nylon y

neopreno, sin embargo; estos demostraron ser algo costosos. Un paso mayor en

los setenta era combinar PVC con el residuo de las refinerías de aluminio

produciéndose así "el barro rojo PVC", y de ahí fue reemplazado por polietileno

más barato y es el que se usa mayormente en América Latina, África y Asia.

Desde 1986, el Centro para la Investigación en Sistemas Sustentables de

Producción Agrícola (CIPAV), ha estado recomendando biodigestores de plástico

económico como la tecnología apropiada por optimizar el uso de excrementos

pecuarios, reduciendo con ello presión en otros recursos naturales. 

En este digestor, el gas se va acumulando en la parte superior de la bolsa-reactor,

parcialmente llena con materia orgánica en fermentación, la bolsa se va inflando

lentamente con una presión baja.

Reactor/Fermentador/bolsa de almacenamiento: Es el principal componente del

biodigestor, el reactor, una bolsa en la que se almacena la materia orgánica y se

dan los procesos de fermentación. Su tamaña varía dependiendo de la cantidad

de material a fermentar, sin embargo este no puede ser muy grande, si hay

necesidad de procesar mucho material, se procederá a conectar cámaras

múltiples ya que no se pierde el área superficial eficiente necesaria, aunque puede

resultar más costoso quitándole a este modelo su atractivo económico. El

biodigestor debe estar aislado y contener un sistema de calentamiento y agitación.

Para calentarse se recubre por encima de 60 cm con una estructura simple de

plástico a modo de invernadero, ello prevendrá de cambios drásticos de

temperatura y la mantendrá en el nivel deseable, así como también la construcción

de una pared de tierra a los costados para evitar el enfriamiento del biodigestor, o

semi-enterrarlo para el mismo fin, dependiendo de las condiciones del suelo. El

gas producido por el digestor puede almacenarse en un espacio añadido al

digestor o conducirse independientemente a otra instalación de almacenamiento,

cerca de la cocina, calefactor a usarse.

Tubo del afluente: el diámetro de este tubo plástico debe ser entre 10 a 15 cm,

localizado por debajo del tubo de entrada en el lado opuesto del digestor,

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generando así una pendiente que proporcione el gradiente necesario para que

fluya naturalmente y con facilidad a la hora de descargar el producto digerido, y

también sumergido por debajo de 15 cm del fermentador, para así prevenir el

escape de gas a la hora de descarga.

Tubo de metano: este tubo, se ubica en la parte superior de la bolsa de

almacenamiento de metano, de 5 cm de diámetro, se utiliza para transportar el

biogás a su lugar de uso, el tubo debe estar conectado a una salida sumergida en

agua para que absorba la humedad condensada producto de la Metano génesis y

también es importantísimo que se conecte a un filtro absorbente de sulfuro de

hidrógeno (producto también de la Metano génesis) que puede ser de virutas de

hierro y u otros materiales. 

Dispositivo de seguridad: se utiliza para prevenir la ruptura del fermentador

ocasionada por  las presiones altas del gas generado de la fermentación

anaeróbica. Consiste en una botella plástica de al menos 10 cm de profundidad

insertada la tubo de salida, cuando la presión del digestor es mayor a la del agua

(ósea, la presión mayor a 10cm de agua), se liberará el gas. 

Tubo de limpieza: el lodo sedimentado en el fondo del biodigestor debe ser

removido cada dos años,  está la tubería sirve para evacuar estos lodos por

bombeo.

Biodigestor de ferro cemento:

El biodigestor o tanque de construcción con ferro cemento es aquel que utiliza

como material de construcción varillas de metal y cemento. Esto es, las cuatro

paredes se forran con ferro cemento y se diseña una tapa, ya sea de metal o de

tabique colado. Este biodigestor es realmente caro si se utiliza para cantidades

pequeñas de estiércol y residuos orgánicos sería mucho mejor utilizarlo en una

granja en donde exista una gran producción de estiércol, puesto que sería una

gran oportunidad para producir mayores cantidades de abono orgánico o

mejorador suelos (fertilizante).

Conceptos en el diseño de un biodigestor.

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El diseño de un biodigestor depende directamente de varios parámetros tales

como la temperatura ambiente media del lugar donde se valla a instalar. La

temperatura marcara la actividad de las bacterias que digieren el estiércol, y

cuanto menor temperatura, menor actividad tendrán estas, y por tanto será

necesario que el estiércol este más tiempo en el interior del biodigestor. De esta

forma la temperatura marca el tiempo de retención.

Por otro lado, la carga diaria de estiércol determinará la cantidad de biogás

producido por día. La carga de estiércol diaria junto con el tiempo de retención

(determinado por la temperatura), determinaran el volumen del biodigestor.

Una cualidad de esta tecnología es adaptable a muchas situaciones, y su diseño

puede considerar diferentes criterios:

Criterios de necesidad de combustible.

Criterios de necesidades medioambientales

(cuando se desea tratar todo el estiércol generado).

Criterios de fertilizante natural.

Criterios de límite de estiércol disponible.

Ventajas del biodigestor: Evita los malos olores entre el 90 y 100%.

Se evita en un 100% la contaminación de suelos y agua.

Se evita la corta de árboles

Producción de fertilizante orgánico

No se produce humo

No se da la proliferación de insectos

Desventajas del biodigestor: Necesita acumular los desechos orgánicos cerca del biodigestor.

El digestor debe encontrarse cercano a la zona donde se recoge el sustrato

de partida y a la zona de consumo. 

Debe mantenerse una temperatura constante y cercana a los 35ºC. Esto

puede encarecer el proceso de obtención en climas fríos.

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Es posible que, como subproducto, se obtenga SH2, el cual es tóxico y

corrosivo, dependiendo del sustrato de partida y de la presencia o no de

bacterias sulfato reductoras. La presencia de SH2 hace que se genere

menos CH4, disminuyendo la capacidad calorífica del biogás y encarece el

proceso por la necesidad de depurarlo.

Riesgo de explosión, en caso de no cumplirse las normas de seguridad

para gases combustibles.

Requiere de un trabajo diario y constante, sobre todo para la carga de la

materia orgánica.

Digestión anaerobia.El estiércol fresco contiene bacterias que continúan digiriéndolo y producen

metano, dióxido de carbono y otros gases. Si esta digestión se hace en ausencia

de aire (digestión anaerobia) se produce biogás, que es uno de los intereses de un

biodigestor. Realmente hay una producción en cadena de diferentes tipos de

bacterias. Unas inicialmente producen hidrolisis del estiércol generando ácidos

orgánicos. Otro tipo de bacterias digieren estos ácidos orgánicos a través de una

des-hidrogenación y acetogénesis dando como resultado ácido acético e

hidrogeno. Y finalmente otras bacterias, llamadas metano génicas, digieren el

hidrógeno y ácido acético para transformarlo en metano, que es el gas más

importante del biogás y el que permite la combustión.

Véase anexo 2.

¿Cuáles son los riesgos? El principal riesgo de un biodigestor hecho en casa es de explosión, ya que en

caso de no cumplirse las normas de seguridad para gases combustibles.

Temperatura y tiempo de retención.

En el proceso de digestión anaerobia son las bacterias metano génicas las que

producen en la parte final del proceso, metano. Existen diferentes poblaciones de

bacterias metanos génicos y cada una de ellas requiere una temperatura para

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trabajar de forma óptima. Existen poblaciones metano génicas que tienen su

mayor rendimiento a 70℃ de temperatura, pero para ello habría que calentar el

lodo interior del biodigestor. Hay otras poblaciones que tienen su rango óptimo de

trabajo de 30 a 35℃.

Estas temperaturas se pueden alcanzar en zonas tropicales de forma natural. La

actividad de las bacterias desciende si estamos por encima o por debajo del rango

de temperaturas optimas de trabajo.

En biodigestores sin sistema de calefacción se depende de la temperatura

ambiente que en muchas regiones es inferior al rango de temperaturas óptimas. A

menores temperaturas se sigue produciendo biogás, pero de manera más lenta.

Estiércol disponible.

La materia prima para la producción de biogás es el estiércol fresco, se pueden

considerar otro tipo de residuos orgánicos. Pero en ningún casi residuos duros

(con cascara dura) o de larga duración de descomposición (como vísceras). El

estiércol que mayor cantidad de gas produce es el de chanco y el humano, pero el

fertilizante que producen es muy acido. El estiércol más equilibrado es el de vaca,

además que por animal se produce gran cantidad de estiércol, y por tanto es fácil

de recoger.

De manera general, hay que calcular cuánto estiércol se dispone por día. Para ello

hay que considerar la cantidad de ganado que se realiza, ya que si es de

pastoreo, el ganado duerme en un corral cercano a la vivienda, y solo se podrá

recoger el 25% de estiércol producido por animal a lo largo del día.

En el anexo 4 se muestra la producción de estiércol fresco diario para diferentes

animales por cada 100 kg de peso animal.

Biogás El biogás es incoloro, inodoro e insípido, por lo que es difícil detectarlo; pero, por

tener una densidad menor que el aire es un peligroso asfixiante y explosivo. Esta

peligrosidad disminuye con la ventilación.

20

El gas metano se puede utilizar de diferentes formas, ya que sea para la

producción de energía calorífica, mecánica o eléctrica.

Para decidir en qué forma se utilizara este gas se deben tomar en cuenta los

siguientes factores:

1. Condiciones de purificación.

2. Condiciones de compresión.

3. Volumen de producción.

4. Almacenaje del gas.

El biogás tiene una composición de un 60 a 70% de metano, 30 a 40% de bióxido

de carbono, 5 a 10%de hidrogeno y 4 a 6 % de nitrógeno. Al respecto del bióxido

de carbono, es necesario tratar al gas con solución de sosa o cal para reducirlo.

Esto aumentara su poder calorífico, pero no es aconsejable en sentido económico,

puesto que la relación costo-beneficio de la ganancia del poder calorífico contra el

consumo de reactivos, agua y energía llevaran, sin ninguna duda, a utilizar el gas

con el bióxido de carbono.

Características

- Hermético, para evitar fugas del biogás o entradas de aire.- Térmicamente

aislado, para evitar cambios bruscos de temperatura.

- El contenedor primario de gas deberá contar con una válvula de seguridad.

- Deberán tener acceso para mantenimiento.

- Deberá contar con un medio para romper las natas que se forman

Poder calorífico.Los combustibles son reacciones exotérmicas consideradas como las fuentes

principales de energía para la humanidad, tanto en los procesos químicos

implicados en la obtención de energía química por los organismos vivos, como en

las reacciones de combustión de las materias primas fósiles, como el carbón o los

derivados de petróleo.

21

De esta forma, considerando a los reactivos y a los productos de reacción a través

de sus energías únicas, resulta que:

Energia quimicadel sistemaReaccion exotermica→

energia en formade calor .

En relación con el valor energético de un combustible se define:

Poder calorífico, p, de un combustible es igual a la cantidad de energía

transmitida al medio exterior en forma de calor en la combustión de 1 kg de

combustible, si este es sólido o líquido, o de 1m3si es gas.

El poder calorífico se relaciona con la reacción de calor de combustión mediante:

P=−Qcombustion∙ 1000

M

O P=−Qcombustion ∙ 1000

V m

En el primer caso, es el poder calorífico de un combustible sólido o líquido, donde

M es su masa molar y se expresa en KjKg . En el segundo caso, es el poder

calorífico de un gas, donde V m es su volumen molar en las condiciones de presión

y temperatura utilizadas y su unidad es Kjm3 . El valor numérico 1000 es el valor de

conversión de g

Kg en el primer caso o de Lm3 en el segundo. Se introduce el signo

menos en la fórmula del poder calorífico para utilizar cantidades positivas, pues el

interés de este concepto reside en poder medir la eficacia del combustible

utilizado.

Se distinguen dos tipos de poder calorífico, el poder calorífico superior (PCS) y el

poder calorífico inferior (PCI).

Poder calorífico superior (PCS) es la cantidad de calor que se desprende en

la combustión completa una unidad de masa o de volumen de gas cuando los

productos de la combustión son enfriados hasta la condensación del vapor de

agua que contienen.

22

Poder calorífico inferior (PCI) es la cantidad de calor que se desprende en

la combustión completa de una unidad de masa o de volumen de gas cuando los

productos de la combustión son enfriados sin que se llegue a producirse la

condensación del vapor de agua.

Se expresan por las siguientes unidades:

Por unidad de masa: MJKg

, KwhKg

,o KcalKg .

Por unidad de volumen: MJm3 ,

Kwhm3

Kcalm3

Véase el anexo tabla de comparaciones de poderes caloríficos con respecto a

otros combustibles.

2.5.- Definición de términos y conceptos

Biodigestor: es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia que ya

habitan en el estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante.

Hidrolisis: descomposición de sustancias orgánicas por medio del agua.

Ácido acético: el ácido acético es un líquido higroscópico, que se solidifica a 16,6

℃, incoloro y de olor punzante (a vinagre). Es soluble en agua, etanol, éter,

glicerina, acetona, benceno, y tetracloruro de carbono. Es insoluble en sulfuro de

carbono. Se obtiene por oxidación, a partir de alcohol etílico.

Este acido ocupa dentro de la química orgánica un lugar preponderante, similar al

que posee el ácido sulfúrico en la industria química pesada.

Acetogénesis: es el proceso a través del cual las bacterias anaerobias producen

acetato a partir de diversas fuentes de energía (por ejemplo, el hidrogeno) y de

carbono (por ejemplo, dióxido de carbono). Las diferentes especies bacterianas

que son capaces de realizar la acetogénesis se denominan colectivamente

acetógenos.

23

Metano génesis: es la formación de metano por medio de microbios. Es una forma

de metabolismo microbiano muy importante y extendido. En la mayoría de los

entornos, es el paso fina de la descomposición de la biomasa.

Biol:

El Biol, es elaborado a partir del estiércol de los animales. El proceso se lo realiza

en un biodigestor, es un poco lento, pero da buen resultado; a más de obtener un

abono orgánico natural, es un excelente estimulante foliar para las plantas y un

completo potenciador de los suelos.

2.6.- Descripción de variables

Las variables a considerar son las siguientes.

Desechos de estiércol:

Estiércol es el nombre con el que se denomina a los excrementos de animales que

se utilizan para fertilizar los cultivos. En ocasiones el estiércol está constituido por

más de un desecho orgánico, como por ejemplo excrementos de animales y restos

de las camas, como sucede con la paja. El lugar donde se vierte o deposita el

estiércol es el estercolero.

En agricultura se emplean principalmente los desechos de oveja, de ganado

vacuno, de caballo, de gallina (gallinaza). Antaño, también el de paloma

(palomina). Actualmente se usa también el de murciélago. El estiércol de cerdo

proveniente de granjas o de bovino proveniente de lecherías tiene consistencia

líquida y se denomina purín.

Otro tipo de desecho orgánico producido por el hombre

Son los restos de comida y jardín, como: pan, tortilla, huesos, cáscaras de huevo,

frutas y verduras, café, pasto, ramas, flores, hojas, etc. También se consideran

orgánicos los residuos como servilletas, bolsitas y empaques de té, filtros de café

y el papel de estraza (el de las bolsas de pan). Entre 40% y 50% de los residuos

de un hogar son orgánicos.

24

Capítulo III.- Bosquejo del método

“Si tienes un gran sueño debes estar dispuesto a un gran esfuerzo para

concretarlo porque solo lo grande alcanza a lo grande”

-Facundo Cabral

3.1.- Método y tipo de investigación

Los métodos de investigación utilizados fueron: El Método Experimental debido a

que se elaboró el prototipo, y será de tipo Deductivo Directo por lo mismo de que

solo es un prototipo, y su proceso dura alrededor de 40 días a una temperatura no

muy variable.

3.2.- Técnicas, procedimientos e instrumentos de acopio de información

El acopio de información se llevó a cabo utilizando sitios Web principalmente,

además de libros.

En mi caso se utilizó más los sitios Web debido a que no hay suficientes libros

acerca de este tema a nuestro alcance.

3.3.- Técnicas de análisis y procesamiento de la información

Debido a que el proyecto no incluirá experimentos repetitivos que arroje distintos

resultados no será necesario el utilizar técnicas de análisis y procesamientos.

25

Capítulo IV.- Cronograma

“La distancia, que es el impedimento principal del progreso de la humanidad, será

completamente superada, en palabra y acción. La humanidad estará unida, las

guerras serán imposibles, y la paz reinara en todo el planeta.”

-Nikola Tesla

26

Capitulo V.- Presupuesto

Fecha adquisición Material Costo (pesos)

14 Mayo 2015 Recipiente 80

14 Mayo 2015 Válvula para gas 350

14 Mayo 2015 Válvula para agua 80

14 Mayo 2015 Válvula reguladora de

nivel ( dren)

70

14 Mayo 2015 Tuberías 50

14 Mayo 2015 Línea de tubo para salida

de gas

40

El recurso humano es de una persona, su servidor Diego Rodríguez

27

Capítulo VI.- Resultados

“El misterio es la cosa más bonita que podemos experimentar. Es la fuente de todo arte y ciencia verdaderos”

-Albert Einstein

Se elaboró el prototipo a escala y los resultados fueron los siguientes:

Un diseño hermético ligero el cual a tamaño escala también genera gas a

una temperatura de 10 a 20 grados Celsius.

Capacidad total del recipiente de 25 litros, de los cuales el 50%

(aproximadamente) tiene que ser excremento animal, 15% de agua.

Producción del modelo a escala .00875m³ (8750 cm³) este resultado puede

variar dependiendo las condiciones climáticas (en mi caso el frio afecta la

producción).

Como es modelo a escala se deja a la intemperie en el día para aprovechar

la luz solar.

28

Capítulo VII.- Conclusiones y recomendaciones

“Nunca discutas con un estúpido, te hará descender a su nivel y ahí te vencerá

por experiencia”

-Mark Twain

7.1.- Conclusiones

Gracias a la construcción de este modelo se comprende que hoy en día no se

necesita de una gran industria para poder crear un hidrocarburo, el cual es creado

por el reposo (fermentación) del material, en este caso heces fecales vacunas y

porcinas, así también se comprendió su funcionamiento así como el de distintos

tipos de biodigestor uso y mantenimiento de los mismos.

7.2.- Recomendaciones

Al momento de hacer uno de mayor tamaño para uso doméstico regular, ver bien

donde será instalado pero primero, ver las condiciones climáticas anuales de la

localidad y así fijar su ubicación si será solo expuesto al sol o será mayormente

bajo tierra

29

GlosarioBiodigestor: es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia que ya

habitan en el estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante.

Hidrolisis: descomposición de sustancias orgánicas por medio del agua.

Ácido acético: el ácido acético es un líquido higroscópico, que se solidifica a 16,6

℃, incoloro y de olor punzante (a vinagre). Es soluble en agua, etanol, éter,

glicerina, acetona, benceno, y tetracloruro de carbono. Es insoluble en sulfuro de

carbono. Se obtiene por oxidación, a partir de alcohol etílico. Este acido ocupa

dentro de la química orgánica un lugar preponderante, similar al que posee el

ácido sulfúrico en la industria química pesada.

Acetogénesis: es el proceso a través del cual las bacterias anaerobias producen

acetato a partir de diversas fuentes de energía (por ejemplo, el hidrogeno) y de

carbono (por ejemplo, dióxido de carbono). Las diferentes especies bacterianas

que son capaces de realizar la acetogénesis se denominan colectivamente

acetógenos.

Metano génesis: es la formación de metano por medio de microbios. Es una forma

de metabolismo microbiano muy importante y extendido. En la mayoría de los

entornos, es el paso fina de la descomposición de la biomasa.

30

Biol:

El Biol, es elaborado a partir del estiércol de los animales. El proceso se lo realiza

en un biodigestor, es un poco lento, pero da buen resultado; a más de obtener un

abono orgánico natural, es un excelente estimulante foliar para las plantas y un

completo potenciador de los suelos.

Bibliografía

Libros;

ANDRES DULCE MARIA, ANDRES JUAN LUIS Y LARRIO JAVIER: Física y

Química, Edit. Mc Graw Hill, Estado de México, México, 2008

CENGEL YUNUS A., Y BOLES MICHAEL A.: Termodinámica, Edit. Editex S.A.,

Madrid, España, 2008

HERRERO J. MARTI: Biodigestores Familiares, GTZ-Energía Bolivia, La Paz,

Bolivia, 2008

OLLE RAFOLS JOSEP M., COLAS ROSO CARLOS, ALABERN MORERA

XAVIER: Instalaciones de Gas Domesticas y Comerciales, Edit. UOC, Barcelona

España, 2003

Páginas Electrónicas:

WEB: http://www.forbes.com.mx/energia-la-proxima-crisis-en-la-ciudad-de-mexico/

WEB:http://vivienda.inecc.gob.mx/index.php/residuos/el-manejo-de-los-residuos/

residuos-organicos

WEB: https://es.wikipedia.org/wiki/Esti%C3%A9rcol

31

WEB: https://es.wikipedia.org/wiki/Digesti%C3%B3n_anaer%C3%B3bica

WEB: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20922/Capitulo2.pdf

WEB: http://bio-digestores.blogspot.mx/2012/06/tipos-de-biodigestores.html

WEB: http://bio-digestores.blogspot.mx/2012/06/impacto.html

WEB: http://www.irrimexico.org/programa-de-biogas/

Anexos

Anexo 1

Diagrama de fases de producción de biogás.

Componentes en una digestión anaerobia.

32

Anexo 2

Formulación del Biol

33

Rendimientos y retención para la producción de biogás.

34

Anexo 3

Producción de estiércol por unidad de masa.

35

Anexo 4

Propiedades de algunos combustibles e Hidrocarburos.

36

Anexo 5

Equivalencias energéticas del biogás.

37

Anexo 6

Tabla de componentes y porcentajes de Biogás.

38

Anexo 7

Biodigestor (componentes y forma).

39

Anexo 8

Prototipo Biodigestor México

40

Anexo 9

Tamaño del recipiente y salida dren de biol.

41

Anexo 10

Modelo prototipo a escala, salida de gas superior, dren de Biol inferior, para su

recarga se remueve la tapa hermética.

42

43

Anexo 11

Válvula salida gas

Fichas bibliográficas

Ficha Bibliográfica

44

Título: Biodigestores Familiares

Autor: Jaime Martí Herrero

Lugar y año de edición: La paz, Bolivia, 2008

Editorial: GTZ- Energía

Numero de Reimpresión: Primera

Ficha Bibliográfica

Título: Biodigestores Familiares

Autor: Jaime Martí Herrero

Lugar y año de edición:

Editorial:

Numero de Reimpresión:

Ficha Bibliográfica

Libro: Instalaciones de gas domésticas y comerciales

Autor(es): Josep M. OLE Rafols, Carlos Colas Rasco, Xavier Alabern Mores.

Edición: Primera

Publicación: Barcelona, España

Editorial: UOC

Año: 2003

Páginas: 145

45

Ficha Bibliográfica

Libro: Biodigestores familiares

Autor: J. Martí Herrero

Edición: Única

Publicación: La paz, Bolivia.

Editorial: GTZ-Energía Bolivia

Año: 2008

Páginas: 85

Ficha Bibliográfica

Libro: Física y química.

Autor: Dulce María Andrés, Juan Luis Andrés, Javier Larrio.

Edición: segunda

Publicación: Estado de México, México

Editorial: Mc. Graw Hill

Año: 2008

Páginas: 394

Ficha Bibliográfica

46

Libro: Termodinámica.

Autores: Yunus A. Çengel, Michael A. Boles.

Edición: sexta

Publicación: Madrid, España

Editorial: Editex S.A

Año: 2008

Páginas: 394

 

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