Tesis de Biogas Mondargo y Romani

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA “OBTENCION DE BIOGAS MEDIANTE LA FERMENTACION DE

RESIDUOS DE ALCACHOFA EN UN REACTOR BATCH EN LA PLANTA AGROMANTARO”

TESIS Para optar el título profesional de Ingeniero Químico

Presentado por:

Bc. MONDARGO CRISTOBAL Benjamín Daniel Bc. ROMANI MONTES, Miguel Ángel

HUANCAYO - PERU 2013

-1-

ASESOR Ms. Pascual Víctor Guevara Yanqui

ii

-2-

DEDICATORIA  A mis padres por su apoyo, consejos comprensión, amor y ayuda en los momentos difíciles, y por ayudarme con los recursos necesarios para estudiar. Me han dado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi empeño, mi perseverancia perseveranc ia y coraje para conseguir mis objetivos.

Benjamín.

DEDICATORIA  A mis tíos María Romaní Miranda y Jesús Romaní Miranda y a mi abuelo Rodolfo Romaní López por estar a mi lado en mis momentos difíciles.

Miguel.

iii

-3-

AGRADECIMIENTO  A nuestras familias y amigos!  A la Empresa Agromantaro por proporcionarnos los residuos de alcachofa sin costo alguno.  A la Corporación de productores de cal “Los Nevados”, al apoyo de la

fundación CRECER, al apoyo del personal de laboratorio de la Cemento Chimborazo y a todas las personas que las conforman por acogerme y apoyarme, ya que sin el apoyo de éstas instituciones no habría sido posible el presente trabajo de investigación.  Al Ing. César Ávalos por su valiosa colaboración en la dirección de la presente tesis. A la Ing. Aida Granja miembro miembro del tribunal de tesis por sus acertadas opiniones y colaboración. colaboración. Al Dr. Fernando Sinchiguano por su colaboración en en la presente investigación

iv -4-

INTRODUCCION La búsqueda de fuente alternativas de energía en la actualidad es un problema de interés general, ya que muchas de las alternativas tienen el gran inconveniente de generar fuentes contaminantes al medio ambiente, por lo cual son descartadas para su posterior uso a escalas industriales. Huancayo que está en un creciente desarrollo económico y crecimiento poblacional busca desesperadamente fuentes de energía baratas y limpias, actualmente existe mucha información para aprovechar la biomasa generada en área agrícola; como son la heces del ganado, residuos orgánicos provenientes del área agroindustrial también contribuyen grandes cantidades de biomasa como es específicamente la empresa Agromantaro, que elimina grandes cantidades de residuos alcachofa de su producción diaria la cual no es aprovechada adecuadamente para un posterior proceso.  Aprovechando toda esta biomasa podemos obtener biogás mediante una fermentación en un periodo de tiempo no muy largo, aunque si se hiciese dicho reactor a escalas mayores el principal inconveniente seria el tiempo de fermentación, pero los resultados sería más favorable ya que obtendríamos energía barata y al mismo tiempo limpia. Principalmente para poder cuantificar cuanto biogás se produce en un reactor, se necesita recurrir a laboratorios que tengan un analizador de gases y dicho analizador de gases es costoso. Es por eso que el número de experimentos será el menor posible para optimizar nuestros gastos económicos. Se tuvo que llevar las muestras obtenidas de nuestro reactor a un equipo de cromatografía de gases para poder medir con gran precisión la composición gaseosa que tienen nuestras 3 muestras. Se recomienda trabajar con los parámetros mencionado en en la parte experimental experimental como son el PH, la temperatura el porcentaje de humedad ya que la composición de nuestros gases obtenidos es muy sensible a dichos parámetros. v -5-

RESUMEN El presente trabajo de investigación comprende el

desarrollo de un

procedimiento alternativo para producir biogás (metano y otros componentes), mediante la fermentación de residuos de alcachofa en la planta procesadora de alcachofas AGROMANTARO S.A.C, el proyecto consiste en obtener biogás, dimensionar y diseñar un reactor batch. Se espera evaluar las variables a las que estará condicionado el proceso. Para nuestro diseño experimental se evaluaron ciertas variables como la temperatura, la humedad y el tiempo de operación del reactor batch. La cual nuestro diseño experimental fue de 2 3, con la cantidad de 2 repeticiones y tres variables. El contenido de agua del sustrato fue una de las variables que se evaluaron para la obtención del biogás que resulto de un mínimo valor de 25% de humedad contenido en la biomasa. Para este proyecto de obtención de biogás se obtuvo un tiempo óptimo para la fermentación anaeróbica de los residuos sólidos de alcachofa, el tiempo estimado fue de 18 días. Se determinó la temperatura óptima de operación del reactor batch, resultando la temperatura de 35°C. 3 Se obtuvo biogás en un tiempo de 18 días un volumen de 14,864 cm .

Palabras clave: biogás, fermentación anaeróbica, alcachofa, sustrato, reactor batch.

vi

-6-

ABSTRACT This research includes the development of an alternative method for producing biogas (methane and other components), by fermentation of waste processing plant artichoke artichoke Agromantaro S.A.C , the project is to obtain biogas , sizing and designing a reactor batch . Is expected to evaluate the variables that the process will be conditioned. To our experimental design variables such as temperature, humidity and time for the batch reactor operation were evaluated. Which our experimental design was 23, with the amount of 2 replicates and three variables. The water content of the substrate was one of the variables to be evaluated for obtaining biogas that results from a low of 25% moisture content in the biomass. For this project biogas optimal time for the anaerobic fermentation of solid waste artichoke was obtained, the estimated time was 18 days. The optimum operating temperature was determined from the batch reactor, resulting in the temperature of 35°C. Biogas 14,864 cm3 volume was obtained in a time of 18 days.

vii -7-

OBJETIVOS 1.1.

OBJETIVO GENERAL Obtener biogás a partir de los residuos de alcachofa

1.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Determinar la temperatura de operación en la obtención de biogás.



Determinar la humedad dentro del reactor en la obtención de biogás.



Determinar el tiempo de operación óptimo del reactor.

viii -8-

NOMENCLATURA

 ̇   kp ̇

Caudal de biogás producido

[m 3/día]

Concentración de la alimentación

[g DQO / L ]

Carga orgánica suministrada

[kg DQO / m3· día ]



Constante de reacción Flujo de masa alimentado

[kg DQO alimentado / día]

n

Número de moles de biogás

[moles]

P

Presión de la cabeza de gas en el reactor

[atm]

PEf

Producción específica de alimentación

[m3/kg alimentación]

Q

Caudal de alimentación

[L/día]

R

Constante de Boltzmann

[0.082 L·atm·K-1·mol-1]



Velocidad de formación de microorganismos

r

Velocidad de producción de biogás

TR

Temperatura de la mezcla reactiva

S

Concentración del sustrato

   X

    [K]

     Velocidad de crecimiento de microorganismos [ ] Velocidad máxima de crecimiento de microorganismos [ ]

Volumen del reactor

[L]

Concentración de microorganismos

  

ix -9-

INDICE DEDICATORIA

iii

 AGRADECIMIENTO

iv

INTRODUCCIÓN

v

RESUMEN

vi

 ABSTRACT

vii

OBJETIVOS

viii

NOMENCLATURA

ix

INDICE

x

CAPITULO I CONTENIDOS GENERALES DEL BIOGAS 1.1. ANTECEDENTES PARA LA OBTENCIÓN DEL BIOGÁS

13

1.2. FERMENTACIÓN ANAERÓBICA

13

1.3 BIOGÁS Y USOS.

14

1.4 ALCACHOFA Y SU APROVECHAMIENTO EN LA INDUSTRIA

16

1.4.1 DESCRIPCIÓN

16

1.4.2. APROVECHAMIENTO DE DESECHOS SÓLIDOS PROCEDENTES DE LA INDUSTRIA

DE TRANSFORMACIÓN DE VEGETALES

16

CAPITULO II MARCO TEÓRICO .

2.1. BIOGAS.

21

2.2. TIPOS DE BIOGAS

21

2.3. BIOGÁS DE VERTEDERO (BIODIGESTIÓN NATURAL)

21

2.4. DIGESTIÓN ANAEROBIA (Biogás y Digestato)

21

2.5. CARACTERISTICAS DEL BIOGAS

22

2.6. BIOGÁS DE DIGESTORES (BIODIGESTIÓN PROVOCADA EN INSTALACIONES INDUSTRIALES)

23

2.7. COMPOSICION MEDIA DEL BIOGAS

23

2.8 ETAPAS DE LA DIGESTION ANAEROBICA

24

2.9. PARÁMETROS QUE AFECTAN AL PROCESO DE DIGESTIÓN

25

- 10 -

2.10 CONDICIONES IDEALES PARA LA DIGESTIÓN ANAEROBIA EN FUNCIÓN DE LA FASE

30

2.11. ALCACHOFA.

30

2.12. FASES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

31

2.13. MODELOS CINÉTICOS

32

2.14. REACTOR DISCONTINUO

33

CAPITULO III DISEÑO DEL REACTOR 3.1. MATERIAL BIOLÓGICO.

34

3.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR

34

3.3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MANÓMETRO DE COLUMNA DE  AGUA.

34

3.4. ALMACENAMIENTO DEL BIOGÁS.

35

3.5. DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN CARBONO-NITRÓGENO DEL SUSTRATO FERMENTATIVO ANTES DEL PRE FERMENTADO.

35

3.6. CANTIDAD MÍNIMA DE HUMEDAD.

36

3.7. ANÁLISIS FÍSICO – QUÍMICO

37

3.8. CÁLCULOS

38

CAPITULO IV CORRIDAS EXPERIMENTALES 4.1.

PREPARACION

DE

MATERIALES,

REACTIVOS,

EQUIPOS

E

INSTRUMENTOS

40

3.2. CORRIDAS EXPERIMENTALES.

40

3.3. BALANCE DE MATERIA EN LA DIGESTION DEL BIOGAS.

41

3.4. BALANCE DE ENERGÍA EN EL BIODIGESTOR.

41

3.4.1. EXPERIMENTACIÓN CON MATRACES

- 11 -

42

CAPITULO V. PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO 5.1. PRESUPUESTO.

46

5.2. FINANCIEMIENTO.

46

RESULTADOS Y DISCUSION 6.1. BIODIGESTOR DISEÑADO Y CONSTRUIDO.

47

6.2. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

48

6.3. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

50

CONCLUSIONES

52

RECOMENDACIONES

53

BIBLIOGRAFIA

54

 ANEXOS

55

- 12 -

CAPITULO I ASPECTOS GENERALES DEL BIOGAS 1.1. Antecedentes para la obtención del Biogás Desde hace 15 años la Universidad EARTH en Costa Rica viene impulsando una de las tecnologías más prometedoras para generar energía limpia en comunidades rurales. Hablamos de la producción de biogás, uno de los temas que más interés ha suscitado entre los lectores de la serie Viviendo con el Cambio Climático. El modelo taiwanés de biodigestor enseñado en el centro educativo es el de "menor costo y mayor facilidad de manejo y mantenimiento a nivel mundial", según dijo a BBC Mundo uno de los expertos de EARTH, el profesor Raúl Botero. El biodigestor descontamina las aguas servidas, produce biogás (combustible a base de metano) y también abono orgánico. La universidad, localizada en Guácimo de Limón, ofrece un programa educativo en ciencias agropecuarias y manejo racional de los recursos naturales y tiene estudiantes de 25 países. No sólo de América Latina, sino también de Europa y  Asia.

1.2. Fermentación anaeróbica La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre en forma espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta forma podemos encontrar el denominado "gas de loa pantanos" que brota en aguas estancadas, el gas natural metano) de los yacimientos petrolíferos así como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos procesos intervienen las denominadas bacterias metanogénicas.

10

 ______________________________________________________________________ 10 http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/forums/newsid_7937000/7937917.stm Diciembre 2013

- 13 -

1.2.1 Composición y características Se llama biogás a la mezcla constituida por metano CH 4 en una proporción que oscila entre un 50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. Sus características han sido resumidas en la siguiente tabla 1. Tabla Nº1: Características del Biogás

1.3 Biogás. El biogás es el gas que se genera naturalmente o por medio de dispositivos específicos como el Biodigestor , y que se produce a partir de la fermentación o biodegradación de la materia orgánica. En el ámbito de la energía renovable, esta materia orgánica es conocida como biomasa. La fermentación y biodegradación de la biomasa produce biogás mediante la acción de microorganismos anaeróbicos.

1.3.1 Componentes del Biogás. Los componentes del biogás dependen del tipo de biomasa utilizada para la fermentación, las condiciones y tipo de Biodigestor. El biogás es principalmente metano, y por eso muchas personas utilizan la palabra metano para referirse al biogás. No obstante, el biogás normalmente contiene varios gases aparte del metano.1

 ______________________________________________ 1 http://www.textoscientificos.com/energia/biogas 2013 - 14 -

Los gases que componen el biogás que se utiliza con fines energéticos son 4. 









Metano (CH4) del 54% al 70% Dióxido de Carbono (CO2) del 27% al 45% Hidrógeno (H2) del 1% al 10% Nitrógeno (N2) del 0,5% al 3% Ácido sulfhídrico (H2S) 0,1%

1.3.2 Energía que provee el Biogás Un metro cubico (m3) de biogás es igual a 6.000 kilocalorías. Haciendo una comparación de biogás con otras fuentes de energía, un metro cúbico de biogás es el equivalente de:       

6,8 kilovatios de electricidad 0,6 metros cúbicos de gas natural 0,8 litros de gasolina 1,2 litros de alcohol combustible 0,3 kilogramos de carbón 0,71 litros de fueloil 1,5 kilogramos de madera

1.3.3 Materiales que se utilizan para producir biogás Prácticamente cualquier tipo de desecho de origen vegetal, animal, agroindustrial, forestal o doméstico se puede utilizar para producir biogás: 4 











Residuos de origen animal: estiércol, orina, guano, residuos de mataderos (sangre, etc.), residuos de pescado. Residuos de origen vegetal:  maleza, rastrojos de cosecha, pajas, forraje en mal estado. Residuos de origen humano:  heces, basura y orina. Residuos agroindustriales: salvado de arroz, orujos, costas, malezas, residuos de semillas. Residuos forestales: ramas, hojas, cortezas y vástagos. Residuos de cultivos acuáticos: algas marinas, jacinto de agua y malezas acuáticas.

 ______________________________________________________________

4 http://vidaverde.about.com/od/Energias-renovables/a/Que-Es-El-Biogas.htm 2013

- 15 -

1.4 Alcachofa y su aprovechamiento en la industria La alcachofera o alcaucil (Cynara cardunculus var. scolymus) es una planta cultivada como alimento en climas templados. Pertenece al género Cynara dentro de la familia Asteraceae. Se nombra como alcachofera, tanto la parte de la planta entera, como la inflorescencia en capítulo, cabeza floral comestible.

1.4.1 Descripción La alcachofera alcanza de 1,4 a 2 metros de altura, vuelve a brotar de la cepa todos los años, pasado el invierno, si el frío no la heló. Echa un rosetón de hojas enteras hasta profundamente segmentadas aunque menos divididas que las del cardo y con pocas o ninguna espina. Las hojas tienen color verde claro en el haz y en el envés están cubiertas por unas fibrillas blanquecinas que le dan un aspecto pálido. Tanto el rabillo de la hoja como la vena principal tienen costillas longitudinales muy salientes. Cuando la planta entallece, echa un vástago más o menos alto, rollizo, pero también costilludo y asurcado con cada vez hojas más escasas y menos divididas a medida que estén más altas en dicho tallo. En su  apex,  y en algunas divisiones laterales, traen unas cabezuelas muy gruesas, las alcachofas, cubiertas de numerosas brácteas coriáceas, en la base de las cuales está lo tierno y comestible. Al florecer, endurecen mucho dichas brácteas y no se pueden aprovechar para comer, aunque no rematen en espinas como la de los cardos.

5

1.4.2. Aprovechamiento de desechos sólidos procedentes de la industria de transformación de vegetales Las primeras operaciones de los procesos de elaboración de transformados vegetales, son etapas de acondicionamiento de materia prima, en la que se generan las mayores cantidades de residuos sólidos orgánicos. La cantidad total de residuos orgánicos será la suma de residuos sólidos (en seco) y residuos sólidos arrastrados por el agua. El porcentaje de residuos generado en la elaboración de transformados vegetales es muy variable, ya que está determinado por diversos factores. El principal es el tipo de materia prima a procesar; los vegetales destinados a transformación son muy diferentes en - 16 -

tamaño, forma y partes aprovechables, lo que implica que los niveles de residuos sean distintos en cada caso. El porcentaje de residuos puede oscilar desde valores muy elevados como en el caso del cardo o alcachofa con un 7065%, hasta valores inferiores como en el tomate con un 15% (el 5% son pieles y pepitas). Los residuos sólidos orgánicos producidos en la transformación de vegetales, en algunos casos considerados como subproductos, son aprovechables para elaboración de otros productos. En el caso del espárrago y el puerro después de la obtención del producto entero en su proceso principal, se obtienen subproductos destinados a fabricación de tallos en conserva o congelados, productos deshidratados, etc. Los residuos restantes que quedan tras el máximo aprovechamiento en la industria transformadora, también se utilizan con otros fines: alimentación animal, fertilizante y obtención de productos comercializables. Se

puede considerar subproducto, a todo producto no

principal obtenido en un determinado proceso y, que tiene o puede tener, determinadas aplicaciones o aprovechamientos, de forma que lo que para una industria es un subproducto, para otra puede constituir la materia prima, obteniendo a su vez un producto principal y otro nuevo subproducto (Hermida, 1993).  Actualmente, en la industria de transformados vegetales, el principal destino de los residuos sólidos orgánicos generados en sus procesos es la alimentación animal, especialmente para bovino y ovino. Se utiliza principalmente para vacas, animales jóvenes, y ganadería brava. El transporte de los residuos hasta la explotación ganadera es diario, en remolques y es el ganadero el que se encarga del traslado. Así, estos residuos destinados a alimentación de ganado pueden considerarse no como residuos, sino como subproductos. Los residuos de transformados vegetales tienen un alto contenido en humedad, lo que implica dificultades para el almacenamiento, debiéndose ser su consumo rápido, con el fin de evitar problemas de fermentación. Por otro lado, el transporte del subproducto con niveles de humedad elevados, aumenta el coste del mismo. Para incorporar el subproducto de transformados vegetales en fresco, como un complemento - 17 -

importante en la alimentación animal, es necesaria una correcta planificación, en la que se tenga en cuenta de qué productos se dispone, en qué cantidades al año y en qué periodos de tiempo. Existen estudios en los que se da a conocer el valor nutritivo de los residuos de determinados vegetales procedentes de la industria conservera, para su utilización en dietas de rumiantes. Estos estudios realizados sobre la ingesta, composición analítica y valor nutritivo de los residuos, indican una palatabilidad aceptable, buena calidad alimenticia y la conveniencia, por tanto, de su empleo en las dietas de rumiantes. Únicamente, hay que tener en cuenta, que la excesiva humedad que presenta el material original (92.21%), puede limitar el volumen de la ingesta e impedir el uso exclusivo en las raciones del ganado, por lo que parece conveniente la utilización conjunta de algún alimento concentrado (Fonollá y Boza, 1993). En las zonas donde no existe ganadería, los residuos orgánicos se trasladan al vertedero controlado correspondiente. En este caso, el transporte lo realiza el organismo competente en el municipio o bien, la propia empresa, lo que en cualquiera de los casos supone un coste de fabricación. Como se ha comentado, la mayor parte de los residuos generados en la transformación de vegetales se destina a alimentación para ganado. Sin embargo, existe una fracción importante que va a vertedero, y contribuye a aumentar el problema existente de falta de espacio. Para contribuir a la sostenibilidad del medio y satisfacer las necesidades de las generaciones actuales, sin comprometer la satisfacción de las necesidades de las generaciones futuras, se hace necesario recuperar, en lo posible, estos residuos.

Producción de compost: El compost, es el producto final obtenido mediante un proceso de descomposición biológica de la materia orgánica, en condiciones controladas de humedad y temperatura, que oscila entre 50 y 70ºC, provocando así, la destrucción de elementos patógenos y, por lo tanto, garantizando la total inocuidad del producto. La estrecha relación existente entre el contenido de materia orgánica de un suelo y su fertilidad, es un hecho ampliamente constatado y aceptado universalmente. La materia orgánica - 18 -

mejora la estabilidad del mismo, aumentando su porosidad y capacidad de retención hídrica, favoreciendo así el intercambio de gases y agua y, la capacidad exploratoria del sistema radicular de las plantas. Asimismo, aumenta su capacidad de cambio catiónico, favoreciendo la fijación de nutrientes, manteniéndolos durante más tiempo a disposición de las plantas. Del mismo modo, aumenta el estado de agregación del suelo y el desarrollo de su flora microbiana. Por todo esto, una de las vías más importantes de regeneración de suelos, sobre todo en la cuenca mediterránea, consiste en la incorporación al mismo de materia orgánica, con objeto de restablecer sus propiedades, por medio de todas las acciones directas o indirectas que ella ejerce (Antón, 1992). Uno de los tipos de compost más conocidos es el producido a partir de residuos sólidos urbanos: se realiza un aprovechamiento de la fracción orgánica fermentable separándola de los materiales no deseables, materiales cuya degradación biológica es difícil (plásticos, vidrio, etc.) y materiales que pueden aportar elementos tóxicos (metales férricos y no férricos, productos químicos, etc.), cuya asimilación por parte del cultivo receptor represente un riesgo potencial para la salud. Esta condición la cumplen los residuos generados en la transformación de vegetales, puesto que se pueden separar totalmente y con facilidad los residuos orgánicos del resto; este tipo de residuos pueden considerarse aptos y deseables para compostar.

Producción de metano: La fracción de residuos de transformados vegetales que se deposita en vertedero, es susceptible de someterse a tratamiento con el resto de residuos urbanos, para la obtención de metano. Se llama metanización de residuos sólidos al proceso de fermentación anaeróbica de los componentes orgánicos de los mismos. Dicha fermentación es producida por bacterias que se desarrollan en ambientes carentes de oxígeno. Durante el proceso de transformación de la materia orgánica (digestión), dichas bacterias producen un gas denominado por su origen "biogas", el cual se compone fundamentalmente de metano (CH4) y de dióxido de carbono (CO2). Los porcentajes de producción de estos gases son variables y, dependen, de las condiciones físico-químicas en que se desarrolla la digestión de la materia prima. El metano se puede utilizar en la - 19 -

producción de energía eléctrica y de energía térmica. La tecnología anaerobia aplicada a la biometanización de los residuos sólidos urbanos es una tecnología madura, con posibilidad de ser aplicada a cualquier tipo de fracción orgánica, independientemente de su origen (forma de selección) o de su grado de humedad. La biometanización se aplica, generalmente, seguida de un proceso de compostaje, dado que el residuo una vez digerido, no posee las características idóneas para ser utilizado en agricultura (Mata, 1998).

Obtención de bioalcohol: La obtención de etanol por fermentación alcohólica, ha cobrado interés debido a la posibilidad de utilizar alcohol como combustible. La fermentación alcohólica se lleva a cabo por numerosos microorganismos anaerobios o aerobios facultativos, a partir de azúcares presentes en las distintas formas de biomasa. Estos azúcares se pueden encontrar en forma de polímeros: almidón y celulosa (Jiménez et al., 1989). Los residuos producidos por la industria de conservas vegetales, por su contenido en celulosa, pueden utilizarse como fuente de energía renovable, evitando así su acumulación. La fracción celulósica de los residuos, se transforman mediante hidrólisis en glucosa, que por fermentación se convierte en combustible (etanol) (Lázaro y  Arauzo, 1994).

 __________________________________________

5 http://es.wikipedia.org/wiki/Cynara_scolymus 2013

- 20 -

CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1.

BIOGAS El término biogás incluye una mezcla de gases producidos a lo largo de las múltiples etapas del proceso de descomposición de la materia orgánica y en las que intervienen una población heterogénea de microorganismos. Fundamentalmente el biogás está compuesto por metano y dióxido de carbono, mezclado en menor proporción con distintas gases.

2.2.

TIPOS DE BIOGAS Dependiendo del substrato orgánico del que proceda y de las características de las instalaciones de generación-captación del biogás, el biogás utilizable como energía renovable se puede agrupar en los siguientes tipos: 

Biogás de Vertedero (biodigestión natural)



Biogás de Digestores (biodigestión provocada en instalaciones industriales)

2.3.

BIOGÁS DE VERTEDERO (BIODIGESTIÓN NATURAL) Su aprovechamiento se produce una vez sellados los vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU) y en función de su composición pueden presentar impurezas de siloxanos, compuestos fluorados y clorados. Opciones de tratamiento de los residuos urbanos biodegradables: compost o biometanización.

2.4.

DIGESTIÓN ANAEROBIA (Biogás y Digestato) Como anteriormente se comentó, la biometanización consiste en una digestión anaerobia, donde se obtiene biogás (principalmente dióxido de carbono y metano) que puede aprovecharse para generar energía mediante su combustión y una fase semisólida denominada digestato, que sometido a tratamiento adicional (habitualmente compostaje), puede ser utilizado a continuación en agricultura. La biometanización está indicada para residuos con un contenido alto de - 21 -

humedad (60-99% de humedad), al contrario que el compostaje que requiere residuos con menos humedad. Por el contrario, los residuos leñosos, que contienen un alto contenido en lignocelulosa, son más adecuados para el compostaje. No obstante se ha constatado que las plantas de biometanización tienen problemas de funcionamiento al tratar materia orgánica con muchos impropios procedente de recogida de la fracción resto, la que se deposita en los contenedores marrones o verdes, por lo que es necesario fomentar la recogida selectiva de materia orgánica en origen. Biogás de vertedero controlado de residuos La producción de biogás en un vertedero es variable en el tiempo, con un máximo alrededor de los 2-3 años tras el vertido. El proceso de degradación de la materia orgánica puede durar más de 20 años: 

Los residuos de comida se degradan en un 50% en 1-2 años



Los residuos de jardín se degradan en unos 5 años



Los residuos de papel, madera y textiles se degradan en unos 15 años.



Los residuos como plásticos y gomas no se descomponen.

Una tonelada de RSU con un contenido de materia orgánica del 50% genera aproximadamente 200 m3 de biogás. No es posible captar todo el biogás generado: un 30-35% del mismo se perderá a través de la superficie del vertedero. Las características del biogás dependen principalmente de la composición de los RSU y de la humedad.

2.5.

CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS TEMPERATURA (ºC)

35-40

PESO ESPECÍFICO (kg/Nm3)

0,95

PODER CALORÍFICO INFERIOR (kJ/Nm3) PRODUCCIÓN (Nm3/Tn RSU) RENDIMIENTO DE CAPTACIÓN (%)

- 22 -

18.000 200 65-70%

2.6.

BIOGÁS DE DIGESTORES (BIODIGESTIÓN PROVOCADA EN INSTALACIONES INDUSTRIALES) Dentro de este tipo se pueden diferenciar tres subgrupos, dependiendo del origen de los sustratos a digerir: 

Biogás de Depuradoras de Aguas Residuales



Biogás FORSU (Fracción Orgánica de Residuos Sólidos Urbanos)



Biogás Agroindustrial

En algunos casos se requerirán mezclas (codigestión) para hacer los procesos viables. De los tipos de biogás anteriores, el más noble y con menor cantidad de impurezas es el obtenido a partir de residuos agroindustriales. No obstante, en los casos donde se usen como substrato los estiércoles y purines pueden aparecer cantidades significativas de sulfuro de hidrogeno en el biogás, que será preciso depurar antes de su aprovechamiento energético.

2.7.

COMPOSICIÓN MEDIA DEL BIOGÁS La riqueza del biogás depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. La producción de biogás para cada tipo de substrato es variable en función de su carga orgánica y de la biodegradabilidad de la misma. En general, los residuos orgánicos industriales y la Fracción orgánica de Residuos Sólidos Urbanos (FORSU) presentan potenciales elevados de producción. Los residuos ganaderos y los lodos de depuradora presentan, sin embargo, potenciales menores, debido al relativamente bajo contenido en materia orgánica y a la baja biodegradabilidad de la misma. Existen opciones que permiten mejorar la producción de biogás de estos residuos: 

Mezcla con residuos de mayor producción potencial (codigestión)



Pretratamiento para mejorar la degradabilidad del substrato



Aumento de la temperatura para mejorar la velocidad de crecimiento de los microorganismos y la eficiencia de la fase hidrolítica.

- 23 -

El biogás es un combustible formado sustancialmente por los siguientes gases: Tabla Nº 02: Compuestos del Biogas (%)

Fuente: El sector del biogás agroindustrial en España. Mesa sobre materia prima agraria y Biocombustibles. Ministerio de Medio  Ambiente, y Medio Rural y Marino. Madrid 16 Septiembre de 2010.

2.8.

ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

2.8.1. Etapa de hidrólisis La hidrólisis es el primer paso necesario para la degradación de la materia orgánica compleja. En esta etapa, las bacterias hidrolíticas actúan sobre las macromoléculas orgánicas despolimerizándolas enzimáticamente en los correspondientes monómeros o fragmentos más sencillos. Así, los lípidos son degradados por enzimas hidrolíticas (lipasas) a ácidos grasos de cadena larga y glicerina. Las proteínas son hidrolizadas por proteasas en proteosas, péptidos y aminoácidos, y los polisacáridos son convertidos en monosacáridos.

2.8.2. Etapa acidogénica Los compuestos solubles obtenidos en la etapa anterior son transformados por las bacterias

acidogénicas en ácidos grasos de

cadena corta (ácidos grasos volátiles), alcoholes, amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono. Los ácidos grasos volátiles son principalmente ácido acético, propiónico, butírico y valérico. En esta etapa se debe controlar la cantidad de hidrógeno, porque el metabolismo de las bacterias acidogénicas depende de él.

2.8.3. Etapa acetogénica Mientras que algunos productos de la fermentación (hidrógeno y ácido acético) pueden ser

metabolizados directamente por los organismos - 24 -

metanogénicos, los productos intermedios (ácido propiónico, butírico, etc.) necesitan ser transformados en productos más sencillos, a través de las bacterias acetogénicas. Como principales productos se obtienen ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono que, posteriormente, pueden ser aprovechados

por

las

bacterias

metanogénicas.

Las

bacterias

acetogénicas también necesitan un control exhaustivo de la concentración de hidrógeno, ya que con una elevada presión de hidrógeno se reduce la formación de acetato, produciendo preferentemente ácido propiónico, butírico o etanol en vez de metano

2.8.4. Etapa metanogénica. En la etapa final del proceso, las bacterias metanogénicas transforman el ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono en metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de este proceso son anaeróbicas estrictas. Se distinguen dos tipos de microorganismos, los que degradan el ácido acético a metano y dióxido de carbono (bacterias metanogénicas acetoclásicas) y los que reducen el dióxido de carbono con hidrógeno a metano y agua (bacterias metanogénicas hidrogenófilas).

La principal vía de producción de metano es la primera, con alrededor del 70% del metano producido. Este es un proceso lento y constituye la etapa limitante del proceso de degradación anaeróbica.

2.9.

PARÁMETROS QUE AFECTAN AL PROCESO DE DIGESTIÓN Los factores físicos y químicos que condicionan este proceso son varios. A continuación se describen los más importantes.

2.9.1. Nutrientes Para el desarrollo del proceso se necesita, además de una fuente de carbono y energía, la presencia de una serie de nutrientes minerales (nitrógeno, azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, etc.). En el medio a digerir debe haber una relación adecuada entre nutrientes para el desarrollo de la flora bacteriana.

- 25 -

2.9.2. Temperatura La digestión anaeróbica se puede llevar a cabo en un amplio intervalo de temperaturas, pero dependiendo del tipo de bacterias que se utilicen se pueden diferenciar tres intervalos diferentes. En general, el intervalo mesofílico es el más utilizado, pese a que en el termofílico es donde se tiene la mayor producción de biogás. Esto es debido a la mayor sensibilidad que presentan las bacterias termofílicas a las pequeñas variaciones térmicas, lo que conlleva a un mayor control del sistema y, por tanto, a una actividad más costosa. Por otro lado, en este intervalo de temperatura el mantenimiento del sistema consume más energía que la que puede proporcionar el gas resultante. Tabla Nº 03: Intervalos de temperaturas en el que trabajan las bacterias anaeróbicas

Fuente: Informe de Vigilancia Tecnológica madri+d. “Situación actual de la producción de biogás y de su aprovechamiento” (GTZ Gmbh, 1999)

Psicrófilos: (temperatura óptima de crecimiento inferior a 30°C) Mesófilos: (óptimo de crecimiento entre 30 y 45°C) Termófilos: (su temperatura óptima es superior a los 45°C y generalmente entre 50 y 60°C).

2.9.3. pH. Es uno de los parámetros de control más habituales debido a que en cada fase del proceso los microorganismos presentan máxima actividad en un intervalo de pH diferente. Así, el intervalo de pH óptimo de los microorganismos hidrolíticos es entre 7,2 y 7,5, para los acetogénicos entre 7 y 7.2 y para los metanogénicos entre 6.5 y 7.5.

- 26 -

2.9.4. Contenido en sólidos Es también un factor determinante, ya que la movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del substrato se ve limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y, por lo tanto, pueden verse afectadas la eficiencia y producción de biogás. Sin embargo, se puede encontrar en la literatura datos de producciones de gas importantes logradas en rellenos sanitarios con un alto contenido de sólidos (Pavslostathis y Giraldo-Gómez, 1991).

2.9.5. Tiempo de retención. T.R. Se define como el tiempo que el substrato está sometido a la acción de los microorganismos en el reactor. Cabe indicar que este parámetro sólo puede ser claramente definido en los sistemas discontinuos (batch), donde el tiempo de retención coincide con el tiempo de permanencia del substrato dentro del digestor. En los digestores continuos y semicontinuos , el tiempo de retención se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria. De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos valores. El T.R. está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.

2.9.6. Tiempo de residencia ó Tiempo de Retención hidráulica. En los digestores continuos y semicontinuos, como funcionan en condiciones estacionarias, la variable tiempo definida en el reactor discontinuo se reemplazada por el tiempo de residencia, que se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria. El tiempo de residencia indica, por tanto, el tiempo que el substrato permanece por término medio - 27 -

en el digestor. Este parámetro está íntimamente ligado con el tipo de substrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y, consecuentemente, serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.

2.9.7. Inhibidores Existen una gran cantidad de sustancias que pueden inhibir la digestión anaeróbica. Entre ellos, cabe destacar el oxígeno, amoniaco, metales pesados, antibióticos y detergentes, ácidos volátiles.

2.9.7.1.

Oxígeno  Aunque su efecto inhibidor no es permanente, ya que en la flora bacteriana existen microorganismos que irán consumiendo el oxígeno que pueda tener el medio.

2.9.7.2.

Amoniaco Si la biomasa es rica en nitrógeno, se puede producir un exceso de amoniaco que inhibe el proceso.

2.9.7.3.

Metales Pesados Otros inhibidores son los metales pesados, que actúan sobre los microorganismos metanogénicos.

2.9.7.4.

Antibióticos y Detergentes  Algunas sustancias orgánicas, como antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones, pueden inhibir el proceso.

2.9.7.5.

Ácidos Volátiles Por último, una concentración elevada de ácidos volátiles puede producir un efecto inhibidor. Un síntoma típico de mal funcionamiento de los digestores es el aumento de la concentración de los ácidos volátiles en el efluente. La inestabilidad del proceso puede estar relacionada con una sobrecarga orgánica del digestor, una entrada de elementos tóxicos, inhibidores en el efluente o una variación de temperatura. Un gran aumento de ácidos hará reducirse el pH que inhibirá progresivamente a las bacterias metanogénicas hasta bloquear completamente el proceso anaerobio.

- 28 -

2.9.7.6.

Agitación Hay diferentes motivos para mantener un grado de agitación adecuado

en

el

medio

de

digestión:

mezclado

y

homogeneización del substrato, distribución uniforme de calor para mantener la temperatura homogénea, favorecer la transferencia de gases y evitar la formación de espumas o la sedimentación. La agitación puede ser mecánica o neumática a través del burbujeo de biogás recirculado a la presión adecuada. En ningún caso debe ser violenta, ya que podría destruir los agregados de bacterias.

2.10. CONDICIONES IDEALES PARA LA DIGESTIÓN ANAEROBIA EN FUNCIÓN DE LA FASE Tabla Nº 04 .Condiciones ideales para la digestión anaerobia en función de la fase

.Fuente: El sector del biogás agroindustrial en España. Mesa sobre materia prima agraria y biocombustibles. Ministerio de Medio  Ambiente, y Medio Rural y Marino. Madrid 16 Septiembre de 2010. Pfeiffer, B

2.11. ALCACHOFA. 2.11.1.

DEFINICION. Es una planta originaria de Asia menor, que ha sido cultivada y utilizada como alimento en los países de clima templado.  Actualmente, se cultiva en climas fríos y constituye un alimento habitual en todos los hogares.

- 29 -

2.11.2.

CARACTERÍSTICAS. 

NOMBRE: Alcachofera o alcachofa.



NOMBRE CIENTIFICO. Scynara scolymus L.



PARTES. Las hojas son de color verde claro en el haz y por el envés presentan unas fibrillas blanquesinas que le dan un aspecto pálido.

2.11.3.

COMPOSICION NUTRICIONAL DE LA ALCACHOFA Valores por 100 gramos de producto Tabla Nº 05 .Valor energético de la alcachofa

Valor energético Proteínas Grasa Hidratos de carbono Fibra Potasio Fósforo Calcio Vitamina C Vitamna B2

47 Kcal 3.27 g 0.15 g 10.51 g 5.2 g 370 mg 90 mg 44 mg 11.7 mg 0.06 mg

Fuente:www.guiametabolica.org/recurso/la-alcachofa-una-hortaliza-africana-muy-popular-en-elmediterraneo

2.12. FASES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos), interviniendo 5 grandes poblaciones de microorganismos. Estas poblaciones se caracterizan por estar compuestas por seres de diferentes velocidades de crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la acidogénesis de aminoácidos). Esto implica que cada etapa presentará diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato y que el desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del pH. Para la estabilidad del pH es - 30 -

importante el equilibrio CO2-bicarbonato. Para hacer posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas diferentes poblaciones. Lo anterior implica que las puestas en marcha de los reactores sean, en general, lentas, requiriendo tiempos que pueden ser del orden de meses. En general, la velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Para sustratos solubles, la fase limitante acostumbra a ser la metanogénesis, y para aumentar la velocidad la estrategia consiste en adoptar diseños que permitan una elevada concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor. Usualmente, esta limitación hace que los tiempos de proceso sean del orden de semanas, de dos a tres. Para aumentar la velocidad, una de las estrategias es el pretratamiento para disminuir el tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas). 4

FIGURA Nº01: Fases de la fermentación anaerobia y poblaciones de microorganismos: 1) Bacterias hidrolíticas-acidogénicas; 2) Bacterias acetogénicas; 3) Bacterias homoacetogénicas; 4) Bacterias metanogénicas hidrogenófilas; 5) Bacterias metanogénicas acetoclásticas.  ____________________________________________________________

6 http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/documentos_ 10737_Biomasa_digestores_07_a996b846.pdf 2013

- 31 -

2.13. MODELOS CINÉTICOS Los modelos cinéticos encontrados que han sido aplicados en la digestión anaerobia, son los siguientes:

2.13.1. Modelos basados en una cinetica de primer orden Imhoff y Fair (1956) propusieron que la velocidad de producción de biogás sigue una cinética de primer orden con respecto a la concentración de material orgánico digerible. La ecuación propuesta es la siguiente:

              ()         2.13.2 Modelo de Monod. La expresión matemática de este modelo que ha sido aplicado a números procesos de fermentación es la siguiente:

   

         

   

                                                             ______________________________________________________________________

1 Jose María Lopez Cabanes, Digestion anaeróbica de lodos de depuradora. Etapas controlantes y cinetica del proceso, San Vicente: Universidad de Alicante; 1989

- 32 -

2.14. REACTOR DISCONTINUO La evaluación del tipo de reactor más apropiado para la digestión anaerobia depende de factores muy diversos, entre los que se incluyen aspectos biológicos, técnicos, medioambientales y evidentemente económicos. Un esquema generalizado del proceso convencional de digestión anaeróbica comenzaría con la introducción del residuo, convenientemente preparado en el reactor que contiene un inoculo activos de microorganismos requeridos para la fermentación metanica. Normalmente el reactor convencional es un tanque agitado, alimentado una o varias veces al día que opera a unos 35 ºC con un tiempo de retención hidráulico de 20 a 30 días y una carga orgánica de 1.7 kg de SV/m3. Día y que permite alcanzar alrededor del 60% de la reducción de la misma, lo que corresponde aproximadamente a un rendimiento de metano de 0.24 m3/kg de SV. Dentro de este tipo de reactores, la aplicación del reactor discontinuo secuencial en el tratamiento anaerobio de residuos vegetales presenta un especial interés a causa de su inherente flexibilidad operación, en términos de ciclo temporal y secuencia. Este tipo de reactores se basa en la idea de que si se emplean sucesivas entradas de alimento a intervalos regulares, es posible mantener en un valor estacionario la velocidad de producción de biogás durante un periodo prolongado de tiempo. Por ello estos reactores trabajan por ciclos de algunas horas o días de duración con cuatro etapas de operación de llenado, reacción con agitación, sedimentación y vaciado de líquido. Este modo de operación permite que el tiempo de residencia de los sólidos sea independiente del t tiempo de residencia de los sólidos sea independiente del tiempo de retención hidráulica sin necesidad de emplear clarificadores independientes, puesto que el propio reactor actúa de decantador.2  _________________________________________________________________

2 C. Vereda Alonso, C. Gómez Lahoz, F. García Herruzo y J.M. Rodríguez Maroto;  Departamento de Ingeniería Química; Universidad de Málaga; 2006

- 33 -

CAPITULO III DISEÑO DEL REACTOR 3.1. MATERIAL BIOLÓGICO. 3.1.1. Definición de la materia prima. La materia prima utilizada proviene de la planta productora de alcachofas  AGROMANTARO S.A.C. En esta planta se extrae el corazón del fruto de la alcachofa que viene a ser la parte comestible. Los residuos de la extracción del fruto de alcachofa son la materia prima para llevar a cabo los experimentos. Entre sus dos variedades de alcachofa que la empresa produce se trabajó con las dos variedades que son la Criolla (con espinas) y la Lorca (sin espinas).

3.1.2. Restos vegetales de la alcachofa. Se utilizaron restos cocidos de alcachofas que quedan del deshojado de los frutos de alcachofa que bota a diario la empresa AGROMANTARO; los cuales se recolectaron el mismo día en que se inició el proceso de obtención de biogás.

3.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR El modelo de biodigestor se hizo en base al biodigestor tipo chino. Se diseñó considerando las siguientes partes: 

Componente de carga: Tubo alargado (lado izquierdo) por el cual se hizo el cargado.



Componente biodigestor propiamente dicho: Recipiente central algo cilíndrico en el que se realizó la fermentación de la carga y que tuvo un volumen de capacidad de 20 litros.



Componente de descarga: Tubo corto (lado derecho) por el cual se hizo la descarga.

3.3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MANÓMETRO DE COLUMNA DE AGUA. El manómetro utilizado en este trabajo se construyó como se muestra en El tubo en forma de “U” fue una manguera de ¼ de diámetro, plástico transparente,

graduado en centímetros con ayuda de una cinta métrica y un marcador indeleble. Todo el tubo en forma de “U” estuvo fijo al soporte rectangular de madera de

triplay. Para fijar el tubo al soporte se utilizó cinta adhesiva. Uno de los extremos del tubo es el que estuvo libre para ser conectado al tubo de salida del biogás del biodig estor a través de una unión en forma de “T”. El otro extremo del tubo se hizo - 34 -

que atravesara la tapa de jebe de un frasco de vidrio de ½ litro de capacidad que estuvo en posición invertida y el cual a su vez tuvo un segmento de tubo de vidrio de 10 cm de longitud, abierto en sus extremos que atravesar la tapa de jebe del frasco de vidrio, conectando el interior del frasco con el exterior. 7

3.4. ALMACENAMIENTO DEL BIOGÁS. Para el almacenamiento del biogás se utilizó una cámara de llanta N° 20 la cual se conectó a una manguera de ¼ de pulgada de diámetro.

3.5.

DETERMINACIÓN

DE

LA

RELACIÓN

CARBONO-NITRÓGENO

DEL

SUSTRATO FERMENTATIVO ANTES DEL PRE FERMENTADO. 3.5.1. Relación C/N del sustrato. Se asumió como conocidas las cantidades de restos de alcachofas cocidas que se utilizó. 

15kg de restos cocidos de alcachofa.

Esto representó el 100% de masa de los restos cocidos de alcachofa. Que representa en fracción másica 1. Como la relación de carbono nitrógeno de las hojas de alcachofa es: 9.5. Entonces: se multiplica. 1*9.5=9.5 C/N. Entonces es posible la obtención del biogás.

 _____________________________________________________________________________ 

7http://tesis.unjbg.edu.pe:8080/bitstream/handle/unjbg/128/22_Cueva_Ancalla_BL_FA CI_Biologia_Microbiologia_2012.pdf?sequence=1 2013 - 35 -

3.6. CANTIDAD MÍNIMA DE HUMEDAD. Para determinar el caudal mínimo de agua que debe ingresar al biodigestor se utiliza la siguiente ecuación:

 H O, =  ,  2

min

B min−

mezcla de desecho

3.7. ANÁLISIS FÍSICO – QUÍMICO

Los análisis físico  –  químicos que se llevan a cabo durante la experimentación sirven para evaluar el estado de los reactores en las distintas etapas y dar un seguimiento a la degradación anaerobia. Los análisis efectuados son de: demanda química de oxígeno (DQO), sólidos totales (TS), sólidos orgánicos totales (OTS) y medición de pH.

3.7.1 DQO. La demanda química de oxigeno (DQO) corresponde al volumen de oxígeno requerido para oxidar la fracción orgánica de una muestra susceptible

de

oxidación

al

dicromato

en

medio

ácido.

Susceptibilidad se refiere a la capacidad o no de ser oxidado por el dicromato, ya que existen ciertos compuestos orgánicos que no pueden ser oxidados como: la piridina, benceno y tolueno. El análisis de DQO se lleva a cabo calentando en condiciones de reflujo total una muestra de volumen determinado con un exceso conocido de dicromato de potasio (K2Cr2O7) en presencia de ácido sulfúrico durante un periodo de dos horas. La materia orgánica en la muestra se oxida, como resultado se consume el dicromato de color amarillo que se reemplaza por el ión crómico que es de color verde. Como catalizador se añade sulfato de plata (Ag2SO4). La reacción que se lleva a cabo es la siguiente: Cr 2O72- + 14H+ + 6e 2Cr 3+ + 7H2O La medición se lleva a cabo por titulación del dicromato restante o por determinación colorimétrica del ion cromo producido. El método de valoración por titulación es más exacto pero más laborioso. El método colorimétrico es más rápido y más fácil, y es lo suficientemente exacto para objetivos prácticos de medición.  _____________________________________________________________________________

7 http://tesis.unjbg.edu.pe:8080/bitstream/handle/unjbg/128/22_Cueva_Ancalla_BL_FACI_Biolo  gia_Microbiologia_2012.pdf?sequence=1 2013

- 36 -

FIGURA Nº 02. Curva de calibración para medir el DQO de las muestras

3.7.2. PH. La medida de pH indica la concentración de iones hidronio H 3O+ presentes en una solución. Este término fue utilizado por primera vez por el químico danés Sørensen. Sørensen definió al pH como el logaritmo negativo de base 10 de la concentración de los iones hidronio. 8 pH = −log 10[

O] 3

+

Existen diversas formas de medir el pH de una solución tales como la utilización de un potenciómetro o utilizando indicadores. Los potenciómetros son instrumentos que miden la diferencia de potencial entre dos electrodos. Generalmente los dos electrodos que se emplean en un potenciómetro son el de referencia que está hecho de plata y cloruro de plata y el segundo que es un electrodo de vidrio sensible a los iones hidrógeno. Para mediciones aproximadas de pH se puede utilizar indicadores de ácido o de base que presentan distintos colores de acuerdo al pH al que se encuentren en contacto. El equipo utilizado para medir el pH fue el medidor OAKTON pH/mV/C Meter pH 100 Series.  ____________________________________________________________________________

8 http://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/741/1/96311.pdf 2013

- 37 -

3.8. CÁLCULOS Para calcular el caudal de alimentación dado al reactor se utiliza la siguiente ecuación:

Donde: Q

  

   

Caudal de alimentación

[L/día]

Carga orgánica suministrada

[kg DQO / m3· día ]

Volumen del reactor

[L]

Concentración de la alimentación

[gDQO / L ]

El volumen de biogás producido se calcula con la ecuación de gases ideales. Los reactores batch tienen 2/3 de su volumen total con la mezcla reactiva. El 1/3 restante, que corresponde a 1 litro, se utiliza para los cálculos. 8

Donde: n

  

Número de moles de biogás

[moles]

R Constante de Boltzmann

[0.082 L·atm·K-1·mol-1]

TR Temperatura de la mezcla reactiva

[K]

P

Presión de la cabeza de gas dentro del reactor

[atm]

Para normalizar el volumen de biogás producido se utiliza la siguiente fórmula:

       

 _____________________________________________________________________

8 http://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/741/1/96311.pdf 2013 - 38 -

El cálculo de la producción específica fue hecho con las siguientes ecuaciones:

Donde: PEf

 ̇ ̇

     ̇̇ 

Producción específica de alimentación [m3/kg alimentación] Caudal de biogás producido Flujo de masa alimentado

[m3/día] [kg DQO alimentado / día]

 ______________________________________________________________________

8 http://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/741/1/96311.pdf 2013 - 39 -

CAPITULO IV CORRIDAS EXPERIMENTALES 4.1. PREPARACION DE MATERIALES, REACTIVOS, EQUIPOS E INSTRUMENTOS 4.1.1. MATERIALES. 

3 matraces



1 termómetro de mercurio

4.1.2. REACTIVOS. 

Desperdicios de alcachofa

  Agua



4.1.3. EQUIPOS. 

1 válvula de paso



1 Balanza analítica



1 tanque cerrado de 20 lt. (reactor batch)



1 pHmetro.

4.1.4. INSTRUMENTOS. 

Cromatógrafo de gases.

3.2. CORRIDAS EXPERIMENTALES. Proceso. Mecanismo de reacción.  Materia orgánica + microorganismos = CH 4 + CO2

Estequiometria: hidratos de carbono + microorganismos = CH4 + CO2 (CH2O)n  + microorganismos = CH4 + CO2

Orden de la reacción. Reacción de primer orden.

  [][]

Degradación de la materia orgánica.

La degradación o destrucción de la materia orgánica, o coeficiente de degradabilidad K, es una medida de la eficacia del proceso biológico. Se expresa como porcentaje de destrucción de los sólidos volátiles (SV) y se

- 40 -

calcula a partir del análisis de SV (base seca) en dos momentos del proceso según el principio de conservación de la ceniza.

     

Donde: K

Es la degradación de la materia orgánica (en tanto por 1)

SVi

Es el contenido en SV en el momento i (en base seca y

tanto por 1) SVj

Es el contenido en SV en el momento j (en base seca y

tanto por 1)

3.3. BALANCE DE MATERIA EN LA DIGESTION DEL BIOGAS.

                     Llevando en forma matemática: Donde se desprecia la concentración de los microorganismos. El balance de masa realizado en el reactor fue calculado de la siguiente manera:

    = R− R− R

Donde:

R

E R

Entrada

[kg DQO]

SR

Salida

[kg DQO]

 AR

Acumulación

[kg DQO]

DR

Degradación

[kg DQO]

DR=k(materia organica)

3.4. BALANCE DE ENERGÍA EN EL BIODIGESTOR. Los requerimientos de energía en el digestor anaeróbico son en forma de calor para mantener el substrato a temperatura mesofílica mediante la recirculación de agua caliente por la camisa de calefacción.

- 41 -

9

La disipación de calor a través de las paredes del digestor por la diferencia de temperatura en la pared interior de biorreactor (35°C) y el ambiente se estimó por la ecuación: Q = hA(Tw-Ta) Donde Q = calor disipado por unidad de tiempo (w) h = Coeficiente convectivo de transferencia (2.968 w/m2)  A = Área de transferencia de calor (m2) Tw = Temperatura media de pared Ta = Temperatura media del medio ambiente

3.4.1. EXPERIMENTACIÓN CON MATRACES Para la experimentación con matraces se procedió de la siguiente manera: Recolección de muestras: Se trajo una muestra de 10 kg de residuos de alcachofa de la empresa Agromantaro. Determinación de sólidos totales: Se introdujeron 4 pequeñas cápsulas de porcelana en una estufa a una temperatura de 100ºC durante 24 horas para eliminar la humedad contenida en las mismas. En seguida se pasaron a un desecador para secarlas y enfriarlas a temperatura ambiente, posteriormente se transfirieron a la balanza analítica y se pesaron una por una para evaluar la tara. Se agregó la muestra de estiércol a las cápsulas y se introdujeron así en la estufa nuevamente durante 24 horas, al término de las cuales se pesaron obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla Nº 05. TAB LA N° 06. Peso d e las m uest ras h úm edas y s ecas

Muestra

Peso capsula

Capsula +mu estra

Capsula

Peso

Nº

(g)

(g)

+muestra

mu estra sin

seca (g)

h u m ed ad (g

Muestra 1

81.064

90.4736

85.7453

4.7283

Muestra 2

66.105

76.6108

71.6743

4.9365

Muestra 3

64.5327

74.5364

68.8887

5.6477

Muestra 4

63.0385

73.6713

67.4751

6.1962

 ______________________________________________________________________ 11 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=41616204 Diciembre 2013

- 42 -

Porcentaje de h umedad:

El porcentaje de humedad (Tabla Nº 06) se determinó utilizando la siguiente fórmula:

               TA B LA N° 07 Por cen taje de hu m edad Muestra Nº

Porcen taje de

humedad

humedad

Muestra 1

49.75%

Muestra 2

53.011%

Muestra 3

43.543%

Muestra 4

41.725%

47 %

Grado d e acid ez:

La determinación del pH se hizo mediante una dilución con una relación de 1:5 de residuo de alcachofa en agua destilada y se hicieron las mediciones correspondientes. Los resultados se muestran en la Tabla Nº 07. TA B LA N° 08. Deter m in aci ón d el PH Muestr a Nº

Primera lectura

Prim era lectur a

Prom edios

Muestra 1

8.09

8.35

8.22

Muestra 2

8.05

8.22

8.135

Muestra 3

7.14

7.33

7.235

Muestra 4

7.57

7.76

7.665

PH

7.81

 A continuación se prepararon dos lotes de tres repeticiones cada uno, utilizando kitazatos de cristal (Figura 1) con una capacidad de 1 litro como depósito de la mezcla agua-excremento. Los kitazatos se introdujeron dentro de una tina con agua calentada por una resistencia a fin de mantener la temperatura apropiada (35 °C  – 37º) El biodigestor a escala utilizado (Figura 2) presenta las siguientes características: Escala adecuada para aplicaciones a nivel laboratorio. Para tal efecto se fabricó con una capacidad volumétrica neta de 20 litros.

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Fabricación en acero inoxidable a fin de evitar la acelerada oxidación y corrosión originada por la, naturaleza de los mismos materiales utilizados como materia prima.  Adaptación de dispositivos y accesorios como los siguientes: tapa con sello hermético, válvula de seguridad y válvula de paso para extracción del biogás. Sistema de calentamiento a base de una parrilla eléctrica como fuente de calor, instalada en la parte inferior del biodigestor. Instalación de los siguientes instrumentos: termómetro de carátula, manómetro del tipo Bourdon y control de temperatura automático. Cubierta exterior. Depósito interior para material biológico.  Agitador manual. Orificio de alimentación de agua de calentamiento. Orificio para instalación de termómetro. Orificio de descarga y toma de muestras. Orificio de descarga de agua de calentamiento. Para las experimentaciones con el biodigestor se procedió de la siguiente manera: Se procuró que las características de la materia prima utilizada en el biodigestor fueran similares a la utilizada en la experimentación con matraces. Preparación de la carga para el biodigestor: Se pesó la alcachofa utilizándose 1400 gramos en total; de acuerdo con las diluciones anteriores se hizo esta experimentación agregando 3 litros de agua. Carga del biodigestor: En seguida se procedió a deshacer las hojas de alcahofa hasta alcanzar una mezcla homogénea; se tomó lectura del pH 6,5 y en estas condiciones se cargó el biodigestor, el cual se tapó herméticamente. Monitoreo de la producción de biogás: Se dejó que las bacterias trabajaran en el proceso anaerobio a una temperatura controlada de 35 ºC por medio de la

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resistencia eléctrica conectada a un termostato que medía la temperatura de la dilución. La producción del biogás se obtuvo a partir del primer día de digestión anaerobia, ésta se detectó con el desplazamiento de la aguja del manómetro ocasionado por el incremento de la presión y por su olor característico en los primeros cinco días. El proceso de digestión anaerobia se mantuvo por espacio de 34 días, durante los cuales se aplicó agitación manual una vez al día. La influencia de los parámetros involucrados se determinó a través de mediciones de pH cuyo valor disminuyó inicialmente al valor de 6,4, para luego subir y mantenerse en el valor de 7,0. La presión máxima alcanzada en este período fue de 4.5 psi. La temperatura se mantuvo a un valor de 35 ± 1 ºC. En el caso de la experimentación con el biodigestor el volumen del gas producido se detectaba utilizando una cámara de balón.

 ___________________________________________________________ 9 https://buleria.unileon.es/bitstream/handle/10612/1066/Tesis.pdf?sequence=1 2013

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CAPITULO V. PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO 5.1. PRESUPUESTO. La inversión fija comprende todos los materiales y equipos necesarios para llevar a cabo el proceso de producción, la construcción e instalación de los equipos y de los elementos que permiten su funcionamiento tales como instalaciones eléctricas, entre otros.  Abreviación Equipo

 A-1

Biodigestor

C-1

Cámara

Características Cantidad Valor

20 lt de 3lt

Valor

unitario

total

(S./)

(S./)

1

10.00

10.00

1

5.00

5.00

de 2

20.00

40.00

de 1

25.00

25.00

almacenamiento de biogás V-1

Válvulas de líquido

Válvula bola

V-2

Válvulas de gas

Válvula bola

Total: S. / 80.00

5.2. FINANCIEMIENTO. Contamos con el respaldo de la empresa Agromantaro, que nos financiará en la compra de materiales y los respectivos análisis que se realizara en el trabajo de tesis.

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RESULTADOS 6.1. Biodigestor diseñado y construido. Se diseñó y construyó un biodigestor tipo chino modificado, con un volumen de capacidad de 20 litros para un proceso semicontinuo. Se obtuvo producción de biogás por fermentación semicontinua durante 18 días en los cuales se mantiene constante la temperatura a 35 ˚C y la

agitación. La producción de biogás de los reactores varía de acuerdo a la composición de fruta que contiene cada reactor. Para obtener un mejor análisis de estos experimentos se analiza la producción diaria de biogás. La temperatura es normalizada a 25 ˚C con el

objeto de comparar los volúmenes de biogás producidos.

Figura Nº 03. Producción de biogás acumulado en los reactores batch.

En la Figura 4.1 se observa la producción de gas durante el tiempo de digestión. Al inicio de la digestión las curvas presentan una gran pendiente en todos los experimentos, debido a la gran producción de biogás. Conforme transcurren los primeros siete días, las pendientes disminuyen. En esta etapa decrece la producción de dióxido de carbono y la producción de metano empieza a incrementar. En la etapa final de la experimentación - 47 -

la producción de biogás cesa por completo con excepción del experimento con 50% de desecho de restos de alcachofa. 6.2. Evaluación de los resultados obtenidos

La mezcla reactiva al 80% con una composición de desecho de fruta de mora – guanábana en fase sólida muestra ser la materia prima ideal ya que produce la mayor cantidad de biogás y su operación es estable bajo condiciones mesofílicas. Se realiza el balance de masa del reactor para la mezcla reactiva de interés. Se estudia la remoción específica de DQO y la producción específica de biogás en relación a las distintas cargas de alimentación que se suministran al reactor batch. La Tabla 4-3 presenta las concentraciones del afluente y efluente del biodigestor y la concentración de DQO inicial y final dentro del biodigestor. Estos datos permiten realizar el balance de masa y el cálculo del porcentaje de degradación que se presentan posteriormente. Tabla Nº 09: Concentraciones de DQO en el afluente, efluente y dentro del reactor en cada carga orgánica de alimentación.

 ____________________________________________________________________________________

8 http://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/741/1/96311.pdf

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Las dimensiones del biodigestor tienen una relación altura  – diámetro de 1:1. La Tabla Nº 09 muestra los datos obtenidos de estos cálculos. Tabla Nº 10: Dimensionamiento del biodigestor.

FIGURA Nº 04. PRESIÓN DENTRO DEL BIODIGESTOR VS TIEMPO DE RETENCIÓN

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FIGURA Nº 05. PORCENTAJE DE METANO CONTENIDO EN EL BIOGAS VS TIEMPO DE RETENCION

6.3. DISCUSION DE LOS RESULTADOS 1. El biogás obtenido, ha sido de buena calidad, es producido por bacterias en la biodegradación de material orgánico en condiciones anaerobias (sin aire) y está constituido principalmente por gas metano. 2. La aplicación de los procesos anaerobios tiene interesantes perspectivas ya que, no solo se podían alcanzar resultados positivos en la mejora del medio ambiente, sino que, además, se obtendrían cantidades importantes de biogas de múltiples usos, esto permitiría amortizar, en parte en algunos casos totalmente, la inversión de no solo el proceso anaerobio sino también de la planta de tratamiento de residuales que se construya. 3. La producción de biogás está influenciada por varios factores como son el tipo de substrato fermentativo, la temperatura, el tipo de fermentación, la relación carbono nitrógeno en el substrato entre otros. 4. Existen diversos procesos para convertir la biomasa en energía, estos procesos utilizan las características bioquímicas de la biomasa y la acción metabólica de los microorganismos para producir combustibles, siendo el más importante la digestión anaerobia, proceso en que la - 50 -

biomasa a través de las bacterias generan un gas combustibles llamado biogas, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono, además de la materia sólida remanente del proceso que es un buen fertilizante orgánico. 5. En el Perú existen 106 biodigestores (en 15 departamentos) con predominio de modelos artesanales chinos.

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CONCLUSIONES 3

1. Se obtuvo la producción promedio diario de biogás de 14,864 cm a partir de los 18 días de iniciada la fermentación y una producción 3

acumulada 644, 668 cm en 51 días en que termino la fermentación. 2. Se determinó la temperatura de operación en la obtención de biogás óptimo de 35°C durante los 51 días. 3. Se determinó la humedad mínima dentro del reactor en obtención de biogás resultando un 15%. 4. Se determinó el tiempo de operación óptimo del reactor de 51 días.

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RECOMENDACIONES



Investigar la producción de biogás por fermentación discontinua los mismos con diferentes sustratos empleados en este trabajo.



Es importante dar a conocer la tecnología de sistemas de tratamiento de restos de productos orgánicos utilizando biodigestores en las comunidades que lo requieran, ya que en la mayoría de nuestro país se conoce muy poco de los beneficios que tiene el tratar adecuadamente.

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BIBLIOGRAFÍA 1 C. Vereda Alonso, C. Gómez Lahoz, F. García Herruzo y J.M. Rodríguez Maroto; Departamento de Ingeniería Química; Universidad de Málaga; 2006 2 Jose María Lopez Cabanes, Digestion anaeróbica de lodos de depuradora. Etapas controlantes y cinetica del proceso, San Vicente: Universidad de  Alicante; 1989.

3 http://www.textoscientificos.com/energia/biogas 2013 4 http://vidaverde.about.com/od/Energias-renovables/a/Que-Es-El-Biogas.htm 2013

5 http://es.wikipedia.org/wiki/Cynara_scolymus 2013 6http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/document os_10737_Biomasa_digestores_07_a996b846.pdf 2013

7http://tesis.unjbg.edu.pe:8080/bitstream/handle/unjbg/128/22_Cueva_Ancalla_  BL_FACI_Biologia_Microbiologia_2012.pdf?sequence=1 2013

8 http://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/741/1/96311.pdf 2013 9 https://buleria.unileon.es/bitstream/handle/10612/1066/Tesis.pdf?sequence=1 Diciembre 2013

10 

http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/forums/newsid_7937000/7937917.stm

Diciembre 2013

ANEXOS - 54 -

ANEXOS. CROMATOGRAFÍA OBTENIDA EL DIA 7 DE LA EXPERIMENTACIÓN

CROMATOGRAFÍA OBTENIDA EL DIA 14 DE LA EXPERIMENTACIÓN

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