UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y EL TIEMPO DE RETENCIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

A PARTIR DEL ESTIÉRCOL DE PORCINO EN UN BIODIGESTOR ANAERÓBICO, EN EL CENTRO POBLADO DE

HUAMANMARCA, DISTRITO DE HUAYUCACHI, PROVINCIA DE HUANCAYO- JUNÍN

PRESENTADO POR:

CARMEN ROMERO, Lisseth Lidia

ÁREA DE:

INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

HUANCAYO - PERÚ

2012

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Universidad innovadora

ÍNDICE

TÍTULO: …………………………………………………………………………………………3

TEMA DE INVESTIGACIÓN…………………………………………………………………..3

PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN…………………………………………………………..4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………………….……4

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA……………………………………………………….....6

Problema general

Problemas específicos

OBJETIVOS DEL PROYECTO……………………………………………………………….7

Objetivo General

Objetivos específicos

JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………….….7

REFERENCIA TEÓRICA………………………………………………………………………9

Marco de referencia o antecedente

Marco teórico (teoría y/o modelo)

Marco conceptual

SISTEMA DE HIPÓTESIS……………………………………………………………………27

HIPÓTESIS

Hipótesis general

Hipótesis específicas

OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES………………………………………….27

DISEÑO METODOLÓGICO………………………………………………………………….28

TIPO DE INVESTIGACIÓN

MÉTODO A UTILIZARSE

ACOPIO Y PROCESAMIENTO DE DATOS

Fuentes de información

Diseño de experimentos

Población y muestra

Instrumentos para recolectar datos

Procesamiento de datos

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES……………………………………………….……….30

PRESUPUESTO………………………………………………………………………………31

MONTO Y FUENTE DE FINANCIAMIENTO:…………………………………………...…31

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………………………..32

ANEXOS….……………………………………………………………………………………33

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1. TÍTULO:

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y EL TIEMPO DE RETENCIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DEL ESTIÉRCOL DE PORCINO EN UN BIODIGESTOR ANAERÓBICO, EN EL CENTRO POBLADO DE HUAMANMARCA, DISTRITO DE HUAYUCACHI, PROVINCIA DE HUANCAYO- JUNÍN

2. TEMA DE INVESTIGACIÓN:

El Centro Poblado de Huamanmarca pertenece al distrito de huayucachi, provincia de Huancayo se ubica geográficamente 12° 4′ 0″ S, 75° 13′ 0″ Wa una Altitud de 3 249 msnm. Limitando por el norte con el distrito de Huancan, por el este con el distrito de Zapallanga, por el sur con el Distrito de Víquez y por el oeste con el rio Mantaro siendo una zona altamente productiva porque pertenece a la región quechua la cual es cuenta con una población 5 672 aprox; fuente: Instituto Nacional de Estadística e Informática; perteneciendo a la región Junín que se localiza en la parte central del territorio nacional, abarcando zonas andinas y de selva.

El centro poblado de Huamanmarca -Huayucachi es una zona que tiene una variedad de árboles (molle, eucalipto, aliso, retama, etc.) y producen productos agrícolas (papa, maíz, habas, alverja, olluco, oca, mashua, quinua, linaza, frijol, trigo, cebada, etc.) y las frutas (guindas, tunas, tumbos, higos, capulí, nambiro, pera, etc.) Y su clima varía entre 15°C a 25°C. por lo cual favorece la producción agrícola conociendo el alto porcentaje de necesidades básicas insatisfechas de las familias residentes en Huamanmarca algunas generadas por la escases de recursos económicos y la falta de empleo el 45% de estas familias causan el deterioro y deforestación de sus bosques utilizando la tala de árboles para leña como fuente de combustible para la cocción de sus alimentos a sí mismo el mal manejo de los desechos orgánicos (estiércol de porcino) generando contaminación; con una respuesta a evitar lo anterior se presenta

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una propuesta económica a las familias de poder producir biogás con el estiércol de porcino como fuente energética al uso de la leña y al aprovechamiento del bioabono (biosol y biol) para la recuperación de los suelos dejar así el uso de fertilizantes químicos; lo cual ayudaría a proteger nuestro medio ambiente; mejorar las condiciones y calidad de vida palabras claves biodigestor, biogás, combustible, tala, anaerobia, contaminación, bioabono, biosol, biol, producción.

3. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN:

3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Al observar el mal manejo del estiércol del porcino que es depositado al aire libre; lo cual genera la producción de gases tóxicos que contribuyen al deterioro de la capa de ozono y produce elementos patógenos que están expuestos en nuestro medio; se plantea una alternativa la producción de biogás a partir de estiércol de porcino en un biodigestor anaeróbico (sin oxígeno). Como fuente energética que sustituiría al uso del gas licuado de petróleo (G.L.P.) que es una fuente de contaminación y el uso de la leña. Esta propuesta mejora las condiciones de vida y protege al medio ambiente; es una alternativa viable que disminuye la producción de CO2 y gases tóxicos. Además se contribuiría al desarrollo de la agricultura utilizando el bioabono (biosol y biol) que genera la disminución del uso de fertilizantes químicos que contribuyen a la contaminación de suelos.Tanto la agricultura y la ganadería en pequeña y gran escala, como la tala de los bosques nativos y la baja escala de reforestación están afectando el suministro de la leña; fuente energética de la cual depende más de una tercera parte de la población rural de bajos ingresos en todo el mundo.(Catie, 1984).El aumento de la población es superior al crecimiento de los árboles plantados actualmente; ya que el usuario rural quema en promedio una tonelada de leña por año. Los resultados son un alza de los precios de dicho combustible, con su consecuente efecto sobre los bajos ingresos, un aumento en el tiempo y la mano de obra requerida

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para satisfacer las necesidades básicas de combustible en el medio rural y la aparición cada vez mayor de paisajes sin árboles creando un fenómeno ecológicamente desastroso y potencialmente irreversible. Los costos crecientes y la disponibilidad limitada de las fuentes minerales de energía adicionadas a la dificultad de su distribución en el medio rural es factible el uso de biogás a partir de estiércol de porcino en un biodigestor anaeróbico. El estiércol de porcino si es aprovechado adecuadamente puede producir biogás y bioabono; para solucionar los problemas de combustible y fertilizantes del centro poblado de Huamanmarca, lo cual contribuye a que los productos de la zona sean de mejor calidad y mayor valor nutritivo. Es estiércol de porcino debe pasar un proceso de descomposición anaerobia en el cual se efectúa la degradación del sustrato (materia orgánica) interviniendo diversas poblaciones de bacterias en ausencia de oxigeno (O2) el cual tiene mayor eficiencia para la producción de biogás que está compuesto en un 50 a 70% de metano y un 30 a 50 % de dióxido de carbono además de contener hidrogeno sulfurado y otros gases de menor importancia.La temperatura y el tiempo de retención tiene una relación directamente proporcional; donde varia la temperatura; primer rango es apropiado para la vida de las bacterias mesofilicas (de 20 a 450C) y el segundo rango es característicos de bacterias termofónicas (de 35 a 550C) la ventaja de la digestión termofilica es que el ritmo de producción de metano es aproximadamente el doble de una digestión mesofilica; debido a que el proceso de producción de biogás es lento mientras más tiempo estén las sustancias descargadas en el biodigestor mayor será la producción de biogás en términos absolutos por unidad de sustratos.Es necesario también tener en cuenta el pH que interviene en el proceso de digestión bacteriana para producir biogás el rango óptimo de pH es 6,6 a 7,6 (GRIFFIS, MOTE Y KIENHOLZ, 1980); la proporción entre excretas y agua, las excretas solidas contienen en promedio de 15% de materia seca y estás deben ingresar al biodigestor como una suspensión en agua con aproximadamente 3% de materia seca esto implica una mescla acuosa (GÓMEZ, J.I.G. VINIEGRA, 1979).

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3.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA:

a) Problema general:

¿Cuál es la influencia del tiempo de retención y la temperatura en la producción de biogás a partir de estiércol de porcino en un biodigestor anaerobio en el centro poblado de Huamanmarca- Huayucachi?

b) Problemas específicos:

¿Cuáles son las propiedades del estiércol del porcino del centro poblado de Huamanmarca?

¿Monitorear efecto de variación de la temperatura para la producción de biogás a partir del estiércol de porcino del centro poblado de Huamanmarca?

4. OBJETIVOS DEL PROYECTO.

4.1. Objetivo General: Evaluar la influencia del tiempo de retención y la temperatura

en la producción de biogás a partir de estiércol de porcino en un biodigestor anaerobio en el centro poblado de Huamanmarca- Huayucachi

4.2. Objetivos específicos: Determinar cuáles son las propiedades del estiércol de

porcino. Evaluar la variación de la temperatura para la producción de

biogás a partir del estiércol de porcino del centro poblado de Huamanmarca.

5. JUSTIFICACIÓN

5.1. Justificación socio humanístico :

Este trabajo de investigación se realiza para evaluar la variación de tiempo de retención y la temperatura para la producción de biogás

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a partir de estiércol de porcino en un biodigestor anaerobio en el centro poblado de Huamanmarca-Huayucachi lo cual ayudaría al aprovechamiento de biogás como fuente energética para esta zona, lo cual ayudaría a disminuir la tala indiscriminada de nuestros árboles y al aprovechamiento del bioabono como fertilizante para los cultivos.

5.2. Justificación tecnológica:

Actualmente los recursos energéticos convencionales van siendo más escasos, por, lo que se hace necesario utilizar las energías renovables de forma tecnológicamente correcta, entre ellas el biogás obtenido de la digestión anaerobia. El biodegestor de campana o cúpula fijo, es eficiente para la producción de biogás con el proceso de digestión anaerobia es la alternativa de tratamiento que está en línea con el desarrollo sostenible, sin embargo uno de los problemas encontrados con más frecuencia durante el proceso biológico de la fracción orgánica en la proporción del carbono y nitrógeno, temperatura, pH y tiempo de retención.A pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el combustible diesel en motores de combustión interna.La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogás ofrece enormes ventajas para la transformación de materia orgánica.

5.3. Justificación ambiental:

Actualmente los recursos ambientales se ven afectados por el cambio brusco del clima; que es producido por la contaminación (uso de fertilizantes químicos e insecticidas) lo cual genera que las tierras se vuelvan infértiles; generando baja producción agrícola, contribuyendo a la escasez de productos en el mercado lo cual genera la desnutrición de nuestros niños. Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son

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conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del CEDECAP, abril de 2007 (J.R.)Mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4

+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos en que el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor de un 50% del nitrógeno (Hohlfeld y Sasse 1986).- El efluente es mucho menos oloroso que el afluente.- Control de patógenos.- Control de malos olores- El efluente puede ser utilizado como alimento para peces, en lagos o estanques artificiales, además de la lombricultura.

5.4. justificación económica

Actualmente el gas licuado de petróleo su costo es elevada. Las familias residentes de Huamanmarca no cuentan con ingresos suficiente para que puedan adquirir dicho combustible; por lo cual ellos optan por consumir la leña como combustible para la cocción de sus alimentos, ya que tienen a su disponibilidad los arboles del bosque provocando así la deforestación de sus bosques la cual contribuye al deterioro de la capa de ozono; evitando el proceso de la fotosíntesis que disminuye el dióxido de carbono dentro de nuestro medio.

6. REFERENCIA TEÓRICA

6.1. MARCO DE REFERENCIA O ANTECEDENTES:

El proceso de Biodigestión Anaerobia ha sido conocido y aplicado desde la antigüedad, así por ejemplo, se utilizaba para el curtido de cueros, para la obtención de etanol, ácidos orgánicos como el láctico, etc. Pero era comprendido en razón de sus productos finales y no en función de sus procesos, Taylhardat, (1986).

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Ya para 1884 Louis Pasteur al presentar los trabajos de su discípulo Gayón concluyo que la fermentación de estiércol podría ser una fuente de energía para la calefacción e iluminación, Medina, (1984).En Inglaterra en 1896, Donald Cameron perfecciono el tanque séptico y utilizo el gas que se origina en el proceso como fuente de energía. En los EE.UU. de Norteamérica se empezó a investigar esta tecnología en Massachusetts, por intermedio del Dr. Louis P. Kinnincutt.El desarrollo de la bioquímica para satisfacer las altas demandas de solventes químicos que requería la Primera Guerra Mundial y el impacto de problemas sanitarios productos de ella, derivaron en el desarrollo acelerado de la microbiología de los procesos anaeróbicos que podría ayudar eficientemente a aportar soluciones que los procesos aeróbicos (asociados al oxigeno) no habían podido solucionar; además, la creciente población mundial requería cada día más fuentes de energía alternas que completarán las ya existentes. En Alemania a partir de 1923 se empieza a utilizar el biogás, mediante una red pública para satisfacer las demandas de energía. En Inglaterra es sin embargo a partir de 1927 cuando se impulsa el uso de biogás, para suplir las necesidades de las comunidades que pasaban de 7000 habitantes; as que aquí también, donde se introduce el sistema para recolectar gas por medio de estructuras flotantes de concreto armado, Herrera (1977).Para el año de 1939 la India inaugura una unidad experimental para el estudio y diseño de sistemas de equipos que requieren la utilización de biogás, es en este país y en especial en la República Popular China donde esta tecnología se ha difundido en forma masiva en el sector campesino, existiendo más de 7.5 millones de digestores construidos y operando, Taylhardat (1986). Sin embargo la biodigestion Anaeróbica que inicialmente se había empleado para satisfacer la demando de energía, en los últimos años ha venido demostrando su potencialidad para el tratamiento de residuos y excretas de origen domésticos y agropecuaria, principales contaminantes del ambiente. Países como China, India, Australia, Inglaterra, etc. han encontrado en la fermentación anaeróbica una técnica aliada en la lucha contra la contaminación

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ambiental, espacialmente en el área rural en donde los afluentes urbanos y agropecuarios son transformados en sustancias inofensivas al ecosistema circulante, mejorando la calidad de vida de sus habitantes F.A.O.(1986); en este sentido Hobson, P et al(1980)utilizando la biodigestion anaeróbica lograron grandes reducciones en los niveles de demanda bioquímica de oxigeno(D.B.O.)de estos afluentes, además los constituyentes olorosos de los residuos como el fenol y el indol fueron destruidos por la digestión; iguales resultados encontrados Sunmer, R and Bousfield en (1980).En América (según lo expresado en el seminario taller sobre biogás y otras fuentes alternas de energía en el medio rural, realizado en Cali, Colombia, Perú, Bolivia, Costa Rica, Honduras; la organización para la agricultura y la alimentación (F.A.O.) está donde un apoyo decidido; así mismo unos países industrializados como la república federal de Alemania, concibió el programa especial de energías renovables (PEER), este proyecto debería fomentar la investigación sobre el uso energético renovables, entre ellos la tecnología del biogás, teniendo como objetivo la reducción de cargas contaminantes y la sustitución de abonos químicos mediante el uso de los afluentes tratados y de buena calidad de fertilizantes. También existen algunas experiencias sobre tratamiento de afluentes porcinos que han demostrado la eficiencia del sistema en la reducción de la demanda bioquímica de oxigeno (D.B.O.) la demanda química de oxigeno (D.Q.B.). Trabajos de luna (1991)Conociendo un alto porcentajes de necesidades básicas insatisfechas de la comunidad C.P. Huamammarca; algunas generaradas por la escases de recursos económicos y la falta de empleo; otras causadas por el deterioro y deforestación de sus bosques utilizando la tala de árboles para leña como fuente de combustible para la cocción de los alimentos; así mismo las aguas servidas y en gran mayoría de las porquerizas que son arrojadas a las quebradas sin ningún control, generando contaminación. Como una respuesta a evitar lo anterior se impulsa la actividad de explotación porcicola y la instalación de biodigestores de campana de flujo continuo para la producción de biogás como fuente energética alternativa al uso de la leña, para mejorar las

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condiciones y calidad de vida, proteger el medio ambiente y permitir mejorar la situación económica de las familias, evitando la migración de la población económicamente activa.

6.2. MARCO TEÓRICO (TEORÍA Y/O MODELO)

1. ENERGÍAS RENOVABLES

El nivel de industrialización que tiene lugar en la sociedad actual, cada vez más elevado y complejo, aunque localizado únicamente en unas zonas de la tierra, ha desembocado en el desarrollo y la aplicación de nuevas energías a añadir a las convencionales: las energías renovables o alternativas.Los recursos energéticos tienen una relación con la economía, el medio ambiente y el bienestar social, por lo que toda sociedad que pretenda consolidarse en el panorama socioeconómico mundial debe garantizar un suministro eficaz de energía, así como la disposición de recursos con suficiente densidad energética para poder mover sus máquinas y motores. Buena prueba de ello fueron los acontecimientos políticos asociados al aumento del consumo de petróleo durante el siglo xx.Considerando la energía como el combustible de la economía es lógico entender que su crecimiento es el principal factor que favorece la demanda energética. El objetivo actual pasa por mantener economías que utilicen menos energía, mediante su diversificación y la aplicación de concepto de desarrollo sostenible.De los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) depende de la mayor parte de la industria y el transporte en la actualidad. El carbón se ha formado a partir de restos vegetales terrestres, mientras que el gas natural y el petróleo lo han hecho a partir de organismos acuáticos. Todos ellos son productos de la energía solar, ya que la fotosíntesis permite a las plantas aprovechar la radiación solar y los animales se alimentan de estas plantas.Se ha convenido en aceptar que estos combustibles son fuentes de energía no renovables, en el estudio que se agota a un ritmo muy superior al que se ha formado. Otra fuente no renovable es el

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uranio, ya que se encuentra en forma limitada. En este caso, sus impactos ambientales están relacionados con la emisión de residuos radioactivos, mostrando importantes repercusiones.Por otra parte las energías renovables, que son energías que se producen en forma continua y son inagotables a escala humana ,no consumen recursos finitos, y causan medios impactos medioambientales que los combustibles tradicionales. Entre ellas destacan: hidroeléctrica, solar, geotérmica, eólica, biomasa, biogás, etc.Son conocidas las consecuencias ambientales derivadas del uso de los recursos energéticos fósiles o convencionales. Si se une el hecho de que la población mundial va en aumento, la tendencia es consumir cada vez más energía, lo que implica un mayor impacto sobre el medio ambiente. En la figura N01. Se muestra el consumo energético desde 1970 y una proyección hasta el 2020

2.

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2. RECURSOS ENERGÉTICOS Y SUS RESERVAS

Durante las últimas décadas, el consumo de combustibles fósiles ha aumentado considerablemente. El problema es que sus reservas son limitadas lo que implica el desarrollo de tecnologías alternativas.En la tabla 1 se muestran las reservas, producción y consumo de petróleo (en millones de toneladas) correspondientes al año 2000.

Tabla 1.Reservas, producción y consumo de petróleo (en 106 toneladas) en el año 2000

Considerando unas reservas de petróleo de 142,895 millones de toneladas y un consumo anual de 3,484.3 millones de toneladas, se

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estima que el petróleo, al menos el que hoy en día se considera tecnología y económicamente extraíble se agotara en unos 41 años. Como puede observarse en la tabla anterior, oriente medio dispone prácticamente de sus dos terceras partes de las reservas mundiales de petróleo, lo que implica que muchos países industrializados dependan de ellas mientras no se invierta en la investigación y el desarrollo de energías alternativas que eviten los mercados cautivos.

3. COMBUSTIBLES FÓSILES Y EMISIONES

Una de las consecuencias directas del uso de las energías de origen renovable es la reducción de las emisiones del CO2, NOX y SOX lo que supone minimizar los efectos del calentamiento global y la lluvia acida. En el caso de la emisión de CO2, no todos los recursos fósiles son igualmente contaminantes. Como se puede observar en las siguientes de combustión, para generar la misma cantidad de energía, el carbón (considerado como carbono) es el combustible que desprende más CO2, seguido de petróleo (entendido como hexano) y gas natural (metano).

Carbón:10.6C + 10.6O2 10.6CO2+ 1,000 kcal

Petróleo:C6H14 + 9.6O2 6CO2 + 7.1H2O+ 1,000 kcal

Gas natural:4.7 CH4 + 9.5 O2 4.7CO2 + 9.5H2O + 1,000 kcal

A la vista de los resultados, una solución puede ser incrementar el uso del gas natural en detrimento del carbono y del petróleo, en centrales de ciclo combinado en las que, además, la eficiencia energética aumenta considerablemente. Todo ello sin olvidar la aplicación de las energías de origen renovable. El impacto que causa el uso de las energías no renovables no se produce únicamente durante su consumo, si no que todas las etapas de su

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ciclo de vida (desde que se extrae el recurso hasta que se utiliza la energía generada) son contaminantes, tal y como se muestra en la figura 2. Entre los principales daños producidos sobre el medio ambiente destaca las emisiones, la contaminación de aguas y la generación de residuos sólidos además de otro tipo de impactos: degradación del suelo, ruido, impactos paisajísticos, etc.

Figura 2. Todas las etapas del ciclo de vida de las energías no renovables.

4. BIOQUÍMICA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

La digestión anaerobia está caracterizada por tres fases diferenciadas en el proceso de degradación del sustrato (término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos) , interviniendo diversas poblaciones de bacterias . La figura 3 describe cada una de las fases. Se identifican cinco grandes poblaciones bacterianas, las cuales actúan catalizando tres procesos consecutivos: hidrólisis, acido génesis (formación de ácidos) y metalogénesis (formación de metano) constituyendo 4 etapas, las cuales se describen a continuación:

a. ETAPA ACIDO GÉNICA.

Los compuestos solubles obtenidos de la etapa anterior se transforman en ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles), esto es, ácidos acéticos, propionico, butírico y valerico, principalmente. Bacterias acidogenicas comúnmente encontradas

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en digestores incluyen especies de clostridiunspp, bacteroides, ruminucocus, lactobacilus, estreptococos y entero bacterias.

b. ETAPA ACETOGENICA.

Los compuestos intermedios son transformados por las bacterias acetogenicas. Como principales productos se obtiene el acido acético, hidrogeno y dióxido de carbono. El metabolismo acetogenico es muy dependiente de las concentraciones de estos productos, tal como se comprueba más adelante para el acidobutírico. En el grupo de las bacterias acetogenicas se incluyen las homoacetogenica, capaces de producir ácido acético a partir de hidrogeno y dióxido de carbono, perteneciente a los géneros acetobacterium, acetogenium, eubacterium.

c. ETAPA METANO GÉNICA.

Contribuye la etapa final del proceso, en el que compuestos como el ácido acético hidrogeno y dióxido de carbono son transformados a CH4 Y CO2. Se distinguen dos grupos principales de microorganismos, los que degradan el ácido acético (metano génicas hidrogeno filas). La principal vía de formación de metano es la primera, con alrededor del 70% del metano producido, de forma general. A pesar de ser esa la vía más importante, solo microorganismos de los géneros Methanosarcina y Methanothrix son capaces de producir metano a partir de acético. Otros géneros a los que pertenecen microorganismos metano génicos, es este caso hidrogeno filos, son Methanobacterium, Methanococos, Methanobrevibacter, entre otros.

5. ESTABILIDAD DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA.

La digestión anaerobia depende de las interacciones de varias subpoblaciones microbianas que coexisten manteniendo un equilibrio ecológico, aspecto importante a mantener en la prevención de fallas en el proceso. Aunque la hidrólisis y la

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fermentación pueden proceder lentamente, los organismos responsables tienen una robustez heterótrofatipic. Durante la operación estable del proceso los intermediarios importantes, el acetato e hidrogeno están presentes en concentraciones bajas, típicamente <10m g/l y <0.1% para el volumen de la fase gaseosa. Puesto que las últimas etapas del proceso son las más susceptibles a la inhibición, las fallas en el sistema son inminentes, frecuentemente caracterizadas por la acumulación de intermediarios de la fermentación.Una sobrecarga leve de carbohidratos, por ejemplo; dará lugar a concentraciones elevadas de acetato y de hidrogeno:

C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 2CO2

Si la velocidad de producción del acetato excediera su velocidad de utilización para la metanogénesis en una longitud de tiempo significativa, su acumulación conduciría al decaimiento de pH teniendo como resultado un efecto inhibitorio sobre el sistema entero. Sin embargo las bacterias acetogenicas estrictas productoras de hidrogeno son inhibidas por su propio producto metabólico, el hidrogeno normalmente dependiente de la metano génesis para su remoción. La producción de acetato es retrasada y la acumulación del hidrogeno mediante la acido génesis se convierte entonces en butirato.Con la velocidad de producción de acetato retardada temporalmente, debido a la metano génesis se tiene la oportunidad de quitar las acumulaciones moderadas de acetato y de hidrogeno, restableciendo así el equilibrio original del sistema, a menudo sin la necesidad del control externo del pH. Esto permite que las bacterias continúen produciendo el acetato, bajando de esta manera el pH del sistema, lo que eventualmente da por resultado la falla total del sistema. A pesar de la susceptibilidad de la digestión anaerobia a fallas debidas a la acumulación de ácidos grasos volátiles, las concentraciones de estos ácidos en condiciones normales difieren de un factor de 100 con el punto probable de falla, recordando que la digestión anaerobia falla por debajo e pH=6 y por arriba del pH=8,

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por lo tanto dos unidades de pH significan 100 veces la concentración de iones (H+).

6. PARÁMETROS AMBIENTALES Y OPERACIONALES DEL PROCESO

Siendo la digestión anaerobia un proceso bioquímico complejo, es necesario mantener las condiciones óptimas que permitan la realización tanto de las reacciones químicas dentro de la matriz liquida del reactor, como las reacciones bioquímicas intracelulares que dan vida a los organismos en juego.

VARIABLES QUE AFECTAN:

a) TIEMPO DE RETENCIÓN

Debido a que el proceso de producción de biogás es lento mientras más tiempo estén las sustancias descargadas en el biodigestor mayor será la producción de biogás en términos absolutos por unidad de sustrato. Hay dos índices para identificar la retención de las sustancias en el biodigestor. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (T.R.S.) se determina al dividir el monto de materia orgánica (MO) cargados en el entre la cantidad de materia orgánica que sale del sistema diariamente. Se asume que el tiempo de retención de los sólidos representa el tiempo de retención promedio de los microorganismos en el digestor. El tiempo de retención hidráulico (T.R.H.) es la producción entre el volumen del digestor, dividido por la carga diaria. Estos índices son importantes en los digestores de última generación por otra parte, en condiciones de granja es mas practico medir el T.R.H.

b) VALORES DE PH EN LA FASE LIQUIDA Aunque el rango del ph optimo, para alcanzar la mayor eficiencia en la fermentación anaeróbica de la materia orgánica, puede variar, el proceso de digestión bacteriana produce biogás a valores de pH

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entre 6,7 y 7,5, un medio prácticamente nuestro (GRIFFIS, MOTE Y KIENHOLZ, 1980). El pH se mantiene en ese rango, solo si, el biodigestor está operando correctamente. Si el pH se torna muy acido, la acción de las bacterias matanogenicas se inhibe, aumentando la proporción de gas carbónico en el biogás (TAIGANIDES et al, 1963).Las causas por las cuales se puede acidificar la fase liquida contenida dentro del biodigestor son:

Un camino excesivo de la carga. El permanecer por largo tiempo sin recibir carga. La presencia de productos tóxicos en la carga. Un cambio amplio y repentino de la temperatura interna.

En algunos la alta acides puede corregirse adicionándole agua con cal a la fase liquida.

c) RELACIÓN CARBONO: NITRÓGENO (C:R) EN LAS EXCRETAS.

Los carbohidratos y la proteína son los nutrientes indispensables para el crecimiento, desarrollo y actividades de las bacterias anaeróbicos. El carbono contenido en el estiércol, en el elemento que las bacterias convierten en metano (CH4).El nitrógeno es utilizado para la multiplicación bacteriana y como catalizador en el proceso de producción de biogás. Si su nivel es alto el proceso se retarda por el exceso de amoniaco y la alcalinización de la fase liquida, y puede llegar a detenerse.

El contenido de carbono en el estiércol del bovino es excesivo, como lo es también el contenido del nitrógeno en el estiércol de cerdo. De allí, la posibilidad y ventaja de alimentar el biodigestor con las excretas mescladas de varias especies animales, lo que permite balancear su contenido de nutrientes e incrementar así, la eficiencia del proceso de producción de biogás (PERSSON et al. 1979).

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d) RANGOS DE TEMPERATURA PARA LA OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR

La velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas se incrementa normalmente cuando se eleva la temperatura. Una temperatura muy alta puede causar declinación en el ritmo metodológico del proceso debido a la degradación de las enzimas que son esenciales para la vida celular. Los microorganismos tienen un crecimiento y ritmo metabólico optimo dentro de un rango de temperatura muy definida y que es específico para cada especie bacterias particularmente el límite superior depende de la termo estabilidad de las moléculas de proteína sistematizada por cada tipo particular de organismo.Se han detectado dos regiones de temperatura para la digestión de las excretas. El primer rango es apropiado para la vida de las bacterias mesofilicas (de 20 a 45oC) y el segundo rango es característico de bacterias termofilicas (35 a 550C) una ventaja de una digestión termofilica es que el ritmo de producción de metano es aproximadamente el doble de una digestión mesofilica. Por consiguiente los biodigestores termofilicos pueden tener la mitad del volumen de un mesofilico y aun mantener así la misma eficiencia en el proceso. S e han llevado a cabo muchos estudios de procesos termofilicos en países de zona templada del mundo sin embargo , con excretas que están a temperatura ambiente se necesita considerable energía para elevar la temperatura de este material hasta 550C . Por lo tanto los estudios sobre la digestión termofilica puede ser de menor interés en países tropicales, especialmente en áreas ruarles donde la disponibilidad de energía es escasa o un factor limitante para cualquier actividad.

e) SUMINISTRO DE EXCRETAS AL BIODIGESTOR

Si se requiere la producción diaria de biogás, con esta misma frecuencia debe alimentarse al biodigestor.Ya que comúnmente el lavado de las instalaciones para el alojamiento de animales se realiza diariamente, de allí la conveniencia de que el desagüe de los pisos permita la conexión

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directa con el biodigestor y que dicho desagüe posea un interruptor manual, para desviar y evitar la entrada en exceso del agua de lavado mescladas con las excretas al biodigestor.

f) PROPORCIÓN ENTRE EXCRETAS Y AGUA

Las excretas solidas (estiércol) contienen, en promedio, 15% de materia seca y estas deben ingresar al biodigestor como una suspensión en agua con aproximadamente 3% de materia seca, esto implica una mescla de cuatro partes del agua de lavado por una parte de estiércol fresco.

g) TIEMPO DE RETENCIÓN Y CANTIDAD DIARIA DE EXCRETAS

El tiempo de retención, suficiente para la digestión anaeróbica más eficiente de la materia orgánica componente de las excretas, es de 50 días; por lo que la cantidad diaria de excretas para alimentar al biodigestor se calcula dividiendo el volumen de su fase liquida (75 de su capacidad total) entre los 50 días de retención. Para este caso, 3650L entre 50 días igual aproximadamente 75 litros por día, de los cuales, 15 kilos deberán ser de estiércol fresco y los 60 litros restantes serán de agua de lavado. Esto equivale a uno y medio baldes o cubos llenos con estiércol fresco mesclados con 6 baldes de agua.

h) NUMERO DE ANIMALES NECESARIOS PARA LA ALIMENTACIÓN DEL BIODIGESTOR

La cantidad y composición de estiércol producido por las diferentes especies de animales varían con el peso del animal y con la calidad de alimento consumido. La producción diaria aproximada de estiércol, en base húmeda y se aprecia en el siguiente cuadro:

CUADRO 1

PRODUCCIÓN DIARIA DE ESTIÉRCOL EN DIVERSAS

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ESPECIES ANIMALES

Especie animal (Kg). Estiércol producidoCerdo 4

1. Base húmeda.2. Por cada 100 kg de peso vivo.

3. BIODIGESTORES

Los Biodigestores son fosas especiales, en las cuales se produce gas metano, atreves de la fermentación anaerobia (sin oxigeno) de desechos orgánicos, con estiércol de animales desperdicio de comidas y rastrojos de siembra. El gas metano que se produce en los biodigestores se puede utilizar para cocinar o para el alumbrado domiciliar, Se puede construir biodigestores Multifamiliares. Los biodigestores se pueden construir con plástico especial que cubre la fosa y las tuberías de P.V.C. que se utilizan para transportar el gas metano. Es muy conocido el efecto por el cual, una gran variedad de desechos orgánicos se degradan produciendo un gas combustible, rico en metano. El proceso se produce siempre y cuando el material se encuentre en un ambiente cerrado libre de oxigeno (fermentación anaeróbica). El gas así producido se denomina BIOGÁS y los residuos sólidos producidos se denominan BIOABONO.

Tanto el biogás como el bioabono son de gran utilidad. El bigas puede ser empleado de igual modo que el gas propano

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convencional, incluso con los mismos artefactos (cocinas, lámparas, calefacción, motores de gas. Etc.).El bioabono es uno de los mejores abonos naturales, pues concentra muchos elementos residuales que ordinariamente, en la descomposición aeróbicas pierden por su carácter volátil.

4. APROVECHAMIENTO DE ESTIÉRCOL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

Un sistema ecológico, económico que recicla residuos orgánicos produciendo energía y abono natural; un biodigestor es un contenedor que produce biogás y abono natural a partir de material orgánico, principalmente excrementos de animales y desechos vegetales. Se trata de un sistema sencillo y económico que recicla los residuos orgánicos convirtiéndolos en energía y fertilizantes para uso agrícola, ideal para comunidades rurales.Los biodigestores son utilizados generalmente para tratar el estiércol de bovinos y de porcinos, que generan una mayor cantidad de biogás. En el caso de usar este gas para generar energía eléctrica, el sistema alimenta a un motor diesel tipo rotativo conectado a un generador, mientras que para las aplicaciones térmicas, el gas es inyectado a un quemador que puede ser incorporado a calderas, hornos y secadoras.Algunos modelos pueden requerir unos costos altos, dadas las posibles dificultades de su instalación y puesta en marcha, aunque en los años 60 los materiales plásticos flexibles supusieron el abaratamiento de este tipo de sistemas. El polietileno ha permitido la expansión en la actualidad de los biodigestores por toda América Latina, Asia y África.Las diferentes necesidades y recursos disponibles de sus posibles destinatarios han llevado al desarrollo de cerca de 70 variedades, que incluyen desde versiones muy básicas y artesanales hasta construcciones de tipo industrial. (http:www.consumer.es/web/es/medio ambiente/energía y ciencia).

5. CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS

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El Biogás está compuesto en un 50 a 70 % de METANO y un 30 a 50 %de dióxido de carbono, además de contener hidrogeno sulfurado y otros gases de menor importancia.

TABLA 2.

SUBSTRATO PRODUCCIÓN DE GAS(L/Kg. de materia ceca)

CONTENIDO DE METANO(CH4)%

CONTENIDO DE (CO2)%

Carbohidratos 800 50 50

Proteínas 700 70 30

Grasas 1200 67 33

Fuente: OEKOTOP.

TABLA 3. Producción de biogás Vs energía eléctrica.

Animal Producción de biogás(m3)

Energía eléctrica

Cerdos 30 60Fuente: OEKOTOP.

6. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS

El biogás lo constituye una mescla de gases y su composición (tabla 4) depende del tipo de residuo orgánico utilizado para su producción y de las condiciones en que se procesa. La mezcla debe purificarse, si va a ser utilizada como combustible en motores de explosión, se eliminan: el gas carbónico haciendo burbujear el biogás atreves del agua, el acido sulfhídrico haciéndolo burbujear a través de una solución de soda caustica en agua que contiene sulfato de cobre disuelto o pasándolo por una trampa de limadura de hierro (esponjilla de alambre), o con la introducción de

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pequeñas cantidades de aire (3% a 5% del volumen del depósito para el biogás) reduciendo así hasta en un 95% el acido sulfhídrico producido. La humedad se elimina circulando el biogás entre el cloruro de calcio o silica gel.

TABLA 4.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS

Componentes Formula Química PorcentajeMetano CH4 60 - 70Gas Carbónico CO2 30 - 40

Hidrogeno H2 1.0Nitrógeno N2 0.5Monóxido de Carbono

CO 0.1

Oxigeno O2 0.1Acido Sulfhídrico H2S 0.1Fuente: adaptado del instituto de investigación eléctrica de México 1980.

6.3. MARCO CONCEPTUAL

ALTERNATIVA: Método alterno para la solución de problemas ambientales.

ANAEROBIA: Adj .dicho de un organismos: que puede vivir sin oxigeno

BIOABONO: Lodo o efluente resultante de mescla de materia orgánica (heces fecales) del cerdo y agua, excelente fertilizantes para las plantas y alimentos para los peces.

BIODIGESTOR: Es una fosa especial en la cual se produce gas metano a través de la fermentación anaeróbica (sin oxígeno) de desechos orgánicos, con estiércol de animales.

BIOGÁS: Gas producido por el reciclado de residuos biológicos.

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BIOMASA: Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontaneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

CALEFACCIÓN: Acción y efecto de calentar o calentarse.

COMBUSTIBLE: Que puede arder leña, carbón, etc., que se usa en las cocinas, chimeneas, hornos y maquinas cuyo agente es el fuego.

CONTAMINACIÓN: Acción y efecto de contaminar. Alterar nocivamente la pureza o las condiciones normales de una cosa o un medio por agentes químicos o físicos.

ENERGÍA: Eficacia, poder, virtud para obrar. Capacidad para realizar un trabajo. se mide en julios (símbolo. E)

ESTIÉRCOL: Materia orgánica en descomposición principalmente excrementos de animales, que se destinan al abono de las tierras.

FERMENTACIÓN: Acción de fermentar, dicho de los hidratos de carbono: degradarse por acción enzimática, dando lugar a productos sencillos, como al alcohol etílico.

METANO: Químico, primero de la serie de los hidrocarburos alifáticos. es un gas incoloro producidos por el estiércol de animales (cerdo) y se desprende del cieno de algunos pantanos. Mesclado con el aire el inflamable y se llama grisú. (CH4).

PROPANO: Químico hidrocarburo gaseoso derivado del petróleo, con tres átomos de carbono que tiene usos domésticos e industriales (C3H8).

RESIDUO: Parte que queda o que sobra de algo, si es inservible: residuos industriales.

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7. SISTEMA DE HIPÓTESIS

7.1. HIPÓTESIS

a) Hipótesis general:

El tiempo de retención, suficiente para la digestión anaeróbica más eficiente de la materia orgánica (estiércol de porcino), es de 50 días por lo que la cantidad diaria de excretas para alimentar el biodigestor para este caso es de 3650L, aproximadamente 75 litro por día, de los cuales 15K es estiércol fresco y 60L restantes de agua de lavado y a una temperatura de 45 a 550 C es más eficiente para la producción de biogás (CATIE,1984).

b) Hipótesis específicas:

El estiércol de porcino que es procesado por el biodigestor anaerobio contiene carbohidratos, proteínas y grasas que hace eficiente la producción de biogás (GRIFFIS; MOTE; Y E: KIENHOLS, 1980).

La variación de la temperatura más óptima es de 35 a 550C debido a que el proceso de producción de biogás es lento mientras más tiempo estén las sustancias descargadas en el biodigestor mayor será la producción de biogás (GRIFFIS; MOTE; Y E: KIENHOLS, 1980).

7.2. OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES

Para determinar la influencia de la variación del tiempo de retención y la temperatura en la producción del biogás a nivel de laboratorio Las condiciones para la obtención de metano en el biodigestor son las siguientes: 1.      Temperatura mesofilica de 30 a 400C y temperatura termofilica de 35 a 550C 2.      pH optimo 6,7 a 7,5

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3.    proceso anaerobio (Ausencia de oxígeno.)4.      Materia orgánica (estiércol de porcino) 5.     la materia orgánica debe estar diluida con agua para poder ingresar al biodigestor 75 L por día al 6%.6. Equilibrio de carbono/ nitrógeno.

8. DISEÑO METODOLÓGICO

8.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN:

La investigación realizada es aplicativa.8.2. MÉTODO A UTILIZARSE:

La metodología utilizada en el proyecto de investigación es experimental - explicativo.

8.3. ACOPIO Y PROCESAMIENTO DE DATOS

- Fuentes de información:Fuentes de información.Las fuentes de información son las siguientes:

Fuentes de información secundaria.- Se ha utilizado fuentes de información bibliográfica e informática:

Fuentes bibliográficas.- Se ha utilizado fuentes de información de libros, tesis, tesinas, publicaciones científicas de los temas inmersos en el tema de investigación.

Fuentes informáticas.- Se ha utilizado la red de información bajadas de internet (Software).

- Diseño de experimentos:

Variables independientes: Tiempo de retención temperatura

Variables dependientes:

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Estiércol de porcino- Instrumentos para recolectar datos- Población y muestra:

- Procesamiento de datos

Se realizarán operaciones para la clasificación, registro y tabulación mediante el soporte de los siguientes factores de procesamiento:

Procesamiento mecánico.- Se ha procesado manualmente con la utilización de materiales de escritorio (lapiceros, resaltador, papel, borrador, plumones, etc.), los datos que se ha recopilado de libros, tesis, otros.Procesamiento informático.- Se ha procesado mediante el soporte de una computadora con el hardware y los software siguientes:

Hardware: Procesamiento digital:Nombre del equipo: Computadora P4.

Marca del equipo: Samsung Modelo del Equipo: Satélite. Procesador: Intel CoreDuo. 2.6 MHz Disco duro: 320 GB. Memoria: 3 GB. Procesamiento impreso 1: Nombre del Equipo: Im

9. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

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Cronograma realizado por el Modelo GANTT.

10. PRESUPUESTO: Presupuesto p ara la investigación del proyecto:El monto total para la investigación del proyecto s/.3000.000

PRESUPUESTO PARA LA EJECUCIÓN DEL PROYECTO:

Actividad, Cantidad y componentes

Materiales y componentes

Monto total por actividad y o componente

INFRAESTRUCTURA 10600.000

CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTOR

4800.000

CONSTRUCCIÓN DE PORQUERIZAS

58000.000

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MATERIALES A UTILIZAR

1600 unid ladrillos20 unid Cementos3 toneladas Arena6 x 8 m HierroTubos de PVC De 3” x 6 m

Tubos

14 hojas N06 Eternit4 de 7mt Taleros de madera15 PVC 1/2 TuberíaAccesorios de PVC AccesoriosVálvulas de seguridad AccesoriosCOMPRA DE LECHONES

3600.000

Lechones 2400.000concentrados 1200.000MANEJO AMBIENTALPlántulas de protección 2250.000Mano de obra 5400.000Imprevistos 902.500ASISTENCIA TÉCNICA 1000.000Costo total del proyecto 23752.500

10.1. MONTO Y FUENTE DE FINANCIAMIEMIENTO

El monto de presupuesto a ambas etapas (Proyecto de investigacion y el estudio de la investigacion de tesis,asciende ala suma de: S/26752.500).

11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

TAYLHARDAT, L (1986).El biogás. Fundamentos e infraestructura rural. Maracay, Instituto de ingeniería agrícola. Facultad de Agronomía. U.C.V. 68p.

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FAO.(1986).Reciclaje de materias orgánicas y biogás .Una experiencia en china. Santiago de chile. Curso de capacitación CHINA 10, 20 y 30 parte.

HORBON, P. (1980).Anaerobic digestion of piggery and poultry wastes. In anaerobic digestion applied science Publisher. L.T.D. London. P. 237-149.

DEGINER, G.(1988) Química sanitaria =notas sobre demanda bioquímica de oxígeno. Caracas Dpto. Ingeniería sanitaria escuela de ingeniería civil. U.C.V. Guiamimeografica.20.p.

ARIAS. R. (1986).Difusión de programas de biogás en la cuenca del alto rio Cauca.C.V.C.Cali.Colombia.

RANGEL Ortiz Doris, Construcciones Rurales, Santa Fe de Bogotá - D.C. Editorial Unisur - pág. 246_247.

INGENIERÍA Y AGROINDUSTRIA. Enciclopedia agropecuaria. Santa Fe de Bogotá. Editorial terranova. (1995).

Fuente: Universia. prensa institucional. UNL. Kookay. org/temas/_biogás/BIODIGESTORES.Doc. www. Agua limpia. com www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia Especies para leña: arbustos y árboles para la producción de

energía. Traducción de la edición inglesapoa: VERA ARGUELLO DE FERNÁNDEZ y TRADINSA -Turrialva, Costa Rica: Agronómico tropical de investigación y enseñanza.

CATIE. Proyecto leña y fuentes alternas de energía .1984. 344p.

GÓMEZ, J.Y.G. VINIEGRA (1979).Uso de estierco bovino dirigido anaeróbicamente como fertilizante para vegetales .Producción animal tropical. 4:25_29.

GRIFFIS, C.L…,C. R. MOTE Y E. KIENHOLS. (1980).Methane production fron agricultural wastes. Agricultural experiment station, University of Arkansas Fay etteville, Arkansas (USA).

12. ANEXOS (Opcional)

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CONSTRUCCIÓN DE COCHERAS _DIVISIONES.

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