UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y ARTES DEL ESTADO DE CHIAPAS

INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES

Biocombustibles

CATEDRÁTICO

Dr. Joel Moreira Acosta

ALUMNOS

JONATHAN CULEBRO RIOS

PARIS HIRAM ESPINOZA LÓPEZ DANIEL EDUARDO MAGALLANES CRUZ

LUIS DAVID GORDILLO GUILLEN ALEJANDRO GOMEZ YUCA

4 de Junio del 2012

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Como alumnos nuestro principal objetivo es aprender a modelar biodigestores para en un

futuro utilizarlos como referencias para su construcción, y usarlos en procesos de

investigación.

OBJETIVOS

Objetivo general:

Crear un prototipo de biodigestor rígido con fines de investigación.

Objetivos particulares:

Dividir al biodigestor en subsistemas de acuerdo a su funcionamiento.

Experimentar los beneficios entre los posibles materiales a utilizar.

Aplicar el modelaje al diseño de nuevos dispositivos.

JUSTIFICACIÓN

¿Para qué?

Se realizará para tener un esquema base de la estructura de un biodigestor rígido.

¿Cuáles son los beneficios?

Para armar futuros biodigestores de forma fácil y precisa.

Identificar u omitir fallas en los subsistemas.

INTRODUCCIÓN

La sociedad actual genera una gran cantidad de residuos que afectan a los distintos vectores

ambientales: aire, agua y suelo. Esta contaminación afecta también la salud de las personas,

que contraen enfermedades por acumulación de bacterias, insectos o pequeños roedores. La

correcta gestión de los residuos y las aguas servidas, asegurando su posterior tratamiento,

es una de las claves para conseguir un ambiente sano y saludable.

MARCO TEÓRICO

La capacidad de la naturaleza de dotarse de un poderoso mecanismo para reciclar

constantemente la materia viva a través del proceso de descomposición y mineralización, ha

permitido que la vida en la Tierra haya perdurado durante millones de años gracias a la

transformación continua de la materia viva. El calcio proveniente de caracoles marinos y

acumulado por millones de años se ha convertidos en rocas y es hoy día el sustrato de

muchos bosques. La actividad de los microorganismos consigue arrancar el poder vital de

estas rocas y las convierte en suelo útil para el crecimiento de las plantas.

Todo organismo se convierte en la fuente potencial de alimento para otro. Así se

establecen lo que se llaman cadenas o redes tróficas. Cada organismo ocupa una posición o

escalón que llamamos nivel trófico de acuerdo con la cantidad de materia que aporta y de

cómo esta materia crece. Cada nivel trófico produce residuos como resultado de la

transformación energética de los alimentos o materia nutritiva. Los residuos de las plantas y

animales silvestres no son desechos inútiles sino una forma de materia que, aunque

energéticamente pobre, sirve a otros organismos, que la vuelven a hacer aprovechable en el

ciclo vital.

Los organismos que cierran y a la vez abren una red trófica son los descomponedores,

los cuales se alimentan de materia orgánica muerta y que en el proceso metabólico la

mineralizan, haciéndola útil de nuevo para las plantas. Lógicamente, las sustancias que

forman un ser vivo no son las únicas que se reciclan.

En la naturaleza existen diversos elementos químicos como el agua, el oxígeno y el

fósforo que, pese a formar parte de la estructura de los seres vivos, también describen su

propio ciclo. En definitiva, la naturaleza nos muestra que, ayudada por la energía solar, se

puede luchar contra la progresiva degradación de la materia, sintetizando nuevas sustancias

vitales, haciendo crecer organismos y manteniendo lleno de vida el planeta Tierra.

En todo este proceso la aparición de la especie humana aporta una importante

diferencia, en la medida en que su capacidad racional le permite sintetizar compuestos

nuevos para los que la naturaleza no dispone de procesos fáciles de degradación, y por tanto

se acumulan sin posibilidad de reincorporarlos en ningún ciclo natural.

Por otro lado, estos compuestos más o menos persistentes, pueden convertirse

incluso en tóxicos y peligrosos para el propio desarrollo de la vida en la medida en que son

extraños a la bioquímica de la vida.

La capacidad de generar sustancias contaminantes por parte de la familia humana en

los últimos siglos, pero muy especialmente desde el siglo XX, se ha convertido en el principal

problema para propiciar una civilización sostenible, es decir, capaz de perpetuarse en el

tiempo. Actualmente, hemos creado decenas de miles de sustancias, y algunas de ellas se

han convertido en auténticas pesadillas por su capacidad de destrucción de la vida

(cancerígenas, mutagénicas, etc.).

Digestión anaerobia.

La digestión anaerobia es un proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de

oxígeno. Este proceso lo llevan a cabo microorganismos anaerobios (siendo por tanto un

proceso biológico) que actúan en el interior de un biodigestor.

Este biodigestor o reactor no es más que una cámara hermética al aire, en la que se

dispone la materia orgánica sin oxígeno para que pueda llevarse a cabo la fermentación. La

digestión anaerobia se presenta entonces como una posibilidad de tratamiento de residuos

orgánicos.

Figura1. Representación de los usos en la industria de un proceso anaerobio

La Digestión Anaeróbica(Proceso digestivo de una bacteria anaeróbica)

Macro-moléculas

Ácidos Orgánicos (AGV)

Acetato, propioni-co, butírico

CH4 + CO2

H2 + CO2

CH4

Hidrólisis, Acidogé-nesis, Acetogénesis

Metanógenesis

En el proceso anaerobio Influyen muchos aspectos dentro de estos se encuentra la

temperatura, hp (cantidad de H y OH) y La cantidad bacteriana en un inoculo.

Figura 2.- Influencia de temperatura, hp y inoculo en proceso anaerobio

Residuos a partir de una producción anaerobia.

Los residuos que podremos digerir son variados: excretas de animales, residuos de

vegetales y plantas, residuos o aguas residuales agroindustriales. Aunque la mayoría de

sustratos orgánicos serán adecuados, la madera o los residuos leñosos son

desaconsejables.

A partir de la degradación de la materia orgánica se obtienen tres productos básicos:

un fertilizante orgánico líquido, un fertilizante orgánico lodoso (del vaciado por mantenimiento

de la planta) y el biogás.

Fertilizantes.

Los fertilizantes ayudan al equilibrio de los elementos, como el nitrógeno, en la naturaleza así

como a mejorar el rendimiento de los cultivos, de forma respetuosa con el medio ambiente.

En zonas donde se aplican fertilizantes químicos importados, la disponibilidad de un

fertilizante orgánico ayuda a independizarse de las importaciones siendo así más

autosuficientes. Los suelos mejoran su condición, evitándose también la erosión.

Biogás.

Con el biogás, se consigue un combustible fiable y respetuoso con el medio ambiente. Este

biogás se obtiene de la degradación de la materia orgánica, con lo que es considerado

energía de la biomasa, y como tal una energía renovable que genera un balance cero de

emisiones de gases invernadero.

La disponibilidad de combustible hace también que las comunidades sean autosuficientes y

se autoabastezcan para no depender nuevamente de los mercados internacionales

energéticos.

En una fermentación anaerobia para la producción de biogás se pasan por tres

etapas: Hidrolisis, Acidogénesis y Metanogénesis.

Hidrolisis: Los microrganismos Hidrolizan los polímeros orgánicos, proteínas y lípidos

en ácidos grasos, monosacáridos y algunos aminoácidos

Acidogénesis: Las Bacterias anaerobias fermentan los productos descomponibles de

la hidrolisis en ácidos grasos más simples, el más común y abundante es el ácido acético.

Metanogénesis: Las Bacterias anaerobias, convierten el hidrogeno y ácido acético en

gas metano y dióxido de carbono donde tiene una tasa de crecimiento muy lento por eso su

metabolismo es un factor limitante en el proceso anaerobio.

Composición del biogás

METANO 60 – 80 %DIÓXIDO DE CARBONO 20- 40 %HIDRÓGENO 1- 3 %OXÍGENO 0.1 – 1 %ACIDO SULFÍDRICO 0.5- 1 %NITRÓGENO 0.5 – 3%AGUA (variable)

Figura 3.- Procesos anaeróbicos en la obtención del gas metano

El biogás está compuesto en mayoría de Metano pero cabe recordar por muchos que se quiera obtener un biogás completamente limpio (Metano) es imposible. El metano, principal componente del biogás, El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 –38MJ/m3 para el gas natural.

Los factores que afectan la producción de biogás suelen ser tipo de sustrato

(nutrientes disponibles), temperatura del sustrato, la carga volumétrica, tiempo de retención

hidráulico, nivel de acidez (ph), relación carbono/nitrógeno, concentración del sustrato, grado

de mezclado y presencia de compuestos inhibidores del proceso

Características Energéticas

En la actualidad se es posible obtener las características energéticas del gas que dependerá

del contenido de metano obtenido.

Las heces de animales más usadas para la utilización de biogás suelen ser aquellos con alto contenido de nitrógeno donde:

Biodigestores.

Dispositivo donde se desarrolla un proceso digestivo anaeróbico en lo cual los residuos de la bacteria son productos para el ser humano en producción de gas y materia orgánica

En 1920 Imhoff puso en práctica el primer biodigestor en Alemania. Después de la Segunda Guerra Mundial se construyeron cerca de 40 biodigestores, pero su desarrollo se frenó por los bajos precios de los combustibles fósiles.

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:

• Generar 1.25 kw/h de electricidad.• Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.• Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.• Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.• Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas

La siguiente ola de construcción de biodigestores se produjo en los años 70 por la crisis del petróleo. Pero por problemas técnicos, la baja producción de gas, la alta inversión y por lo tanto baja rentabilidad, este desarrollo se frenó bruscamente a fines de los años 80.

En la actualidad los países generadores de tecnología más importantes son: China, India, Holanda, Francia, Gran Bretaña

Proceso de biodigestor

La forma de un biodigestor varía de acuerdo al lugar donde quiera desarrollarse a si como el tipo de sustrato que requiera obtenerse pero todos realizan el proceso de la siguiente figura.

Figura 4. Proceso cíclico de un biodigestor

Ciclo del biogás.

Figura 5. Ciclo del biogás en un biodigestor

Diseño e implementación de un Biodigestor.

Fundamento: El proceso principal en un Biodigestor es la digestión anaerobia por lo cual hay que considerar que la presencia de oxigeno debe ser mínima a si como también los tipos de materiales para evitar la corrosión por la presencia de ácidos en el sistema

El metano es un gas muy ligero en eso se basa su proceso de separación y obtención como materia principal

Herramientas.

Herramientas CantidadCinta métrica 1 (rollo)Segueta 2Flexo-metro 1Marcadores 2Lijas de 250 H20 1 (pliego)Pegamento Pvc 1 ( litro)

Equipo

Equipo CantidadCámara fotográfica 1Caladora 1Taladro 1

Materiales.

Material. Tamaño CantidadRotoplas 1000 Litros 1Tramo Pvc 4 Pulgada ; 1 Metro 1Cruz Pvc ¾ Pulgada 3Tramo Pvc 1Metro; ¾ pulgada 6Pvc (forma de T) ¾ Pulgada 1Tapones Pvc ¾ Pulgada 9Reducción Pvc ½ Pulgada 2Codos Pvc 90° ; ¾ Pulgada 6Cople Pvc 1 ½ Pulgada 1Tramo Pvc 1 ½ Pulgada; 1 Metro 1Codos Pvc 90°, 4 Pulgada 2 Machos Pvc 4 Pulgadas 2Hembra Pvc 4 Pulgadas 2Válvula ¾ Pulgada 1

Proceso en la elaboración de un biodigestor.

Etapa de almacenamiento.

En esta etapa se construye el lugar donde se lleva a cabo la fermentación anaerobia, Lo

cual el contenedor es el Rotoplas mismo.

En el Rotoplas se realizaron 4 perforaciones circulares; lo cual serán entrada de materia,

salida del producto, orificio de entrada de palas y salida de subproducto (materia orgánica

solida) como se muestran a continuación.

Figura 6. Rotoplas frontal y superior.

Figura 7. Tapa

Figura 8. Válvula lateral y frontal

Figura 9. Etapa almacenamiento

Etapa de entrada y salida de materia.

Etapa diseñada para la entrada y salida de materia donde se busca una mayor fluidez y menor escape de fluidos.

Figura 10. Embudo PVC de 6” a 4”

Figura 11. Tapa

Figura 12. Copleé de entrada de materia PVC 4”

Figura 13. Codo de 45° PVC 4”

Figura 14. Tramo de Pvc perforado PVC 4”

Figura 15. Etapa entrada

Figura16. Codo de 90° PVC 4”

Figura 17. Copleé para salida de materia PVC 4”

Figura 18. Tramo interior PVC 4”

Figura 19. Etapa salida.

Etapa de salida de biogás

Diseñada para evitar fugas y obtener un flujo estable de biogás.

Figura 20. Tramo de conducción de biogás PVC ¾ “

Figura 21. Válvula de paso PVC ¾ “

Figura 22. Etapa de salida de biogás.

Etapa de remoción

Diseñada para mantener la homogeneidad de materia dentro del sistema, como para ser un sistema de alta durabilidad.

Figura 23. “T” PVC ¾”

Figura 24. Tramos PVC para manubrio ¾ “.

Figura 25. Tapa PVC lisa ¾ “

Figura 26. Tramo sección media e inferior del removedor PVC ¾ “

Figura 25. Cruz de PVC ¾ “

Figura 26. Tramo para las palas del removedor PVC ¾ “.

Figura 27. Palas con corte PVC 4”.

Figura 28. Tapas de palas PVC 4” Lisas

Figura 29. Cople para uniones PVC ¾ “.

Figura 30. Tramo para la base del removedor PVC ¾ “

Figura 31. Tapa para base de removedor ¾ “.

Figura 32. Sistema de remoción.

Anexos

Anexo 1.1

Anexo 1.2

Anexo 1.3

Anexo 1.4

Anexo 1.5

Anexo 1.6

Anexo 1.7

Anexo 1.8

Anexo 1.9

Anexo 1.10

Anexo 1.11

Anexo 1.12

Anexo 1.13

Anexo 1.14

Anexo 1.15

Anexo 1.16

Anexo 1.17

Anexo 1.18

Anexo 1.19

Anexo 1.20

Anexo 1.21

Anexo 1.22

Anexo 1.22

Anexo 1.23

BIBLIOGRAFÍA

GUÍA PARA LA GESTIÓN INTEGRAL DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS

Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)

Biodigestores: factores químicos, físicos y biológicos relacionados con su productividad

Rivas Solano, Olga; Faith Vargas, Margie; Guillén Watson, Rossy

Tecnología en Marcha, Vol. 23, N.° 1, Enero-Marzo 2010, P. 39-46