biodigestor de gas metano

7/22/2019 Biodigestor de Gas Metano

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METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION Pgina 1

INTRODUCCIN

En nuestra sociedad existe la tendencia general de deshacer sistemticamente los restos

orgnicos de nuestras actividades por considerarlos inservibles y molestos.

Restos no comestibles de cosechas, podas, estircol o basura se abandonan y/o se quemandesaprovechndose el potencial til que tienen y contaminando el ambiente.

El biogs, producto de la descomposicin de materia orgnica, es un gas combustible, el cual

puede ser usado para coccin de alimentos, calefaccin y las mltiples aplicaciones

que tiene los combustibles convencionales. Los sistemas de biodigestin junto a la

produccin de energa elctrica a base de biogs son tecnologas an prematuras a nivel

nacional, existiendo 106 biodigestores (en 15 departamentos) con predominio en modelos

artesanales chinos en todo el Per (Tardillo, 2008). Con la presente investigacin se desea

difundir e incentivar la utilidad de biodigestores en Moquegua, ciudad que cuenta con

propicias condiciones ambientales para el desarrollo de esta tecnologa. A la vez, se

indaga sobre la existencia de otras experiencias con biodigestores en la localidad.

El biodigestor de gas metano es un mecanismo practico para todos los hogares que es hecho

mediante un proceso gil y cmodo para el usuario, uno de los objetivos principales de este

proyecto es reducir el impacto ambiental que tanto se ha visto en nuestros das para ello se a

planteado una forma de elaboracin sencilla que va a necesitar artculos fciles de encontrar

en ferreteras y hasta en nuestras casas.

Con esto podemos ahorrar energa y combustibles fsiles que son de alta contaminacin.

Reducir el gas metano en el ambiente que es altamente toxico.

Una vez conocido los problemas, se plantea soluciones que ayudarn en futuras

investigaciones y/o proyectos de inversin.

Una ayuda para los hogares en forma monetaria por lo que es de bajo costo.


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BIODIGESTOR DE GAS METANO A PARTIR DE DESECHOS ORGNICOS.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.1PERCEPCION Y DELIMITACION DEL PROBLEMAEl presente proyecto pretende implementar las alternativas que investigaciones y desarrollo de

ciencias aplicadas ofrece para la vida y el desarrollo de la sociedad. Se pretende realizar pruebas

para disear eficientes y eficaces sistemas de biodigestor casero.

La produccin de biogs es permanente, aunque no siempre constante debido a fenmenos

climticos.

El recurso necesario (dinero, tiempo, esfuerzo, y disponibilidad es limitada) para la experimentacin y

la elaboracin de prototipos de prueba de biodigestores.

La apropiacin de la tecnologa por parte de la familia. As como la inversin que a pesar de ser baja,la sociedad de las comunidades rurales no cuenta con dicho capital para desarrollar el sistema

biodigestor.

1.2PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA EN FORMA DE PREGUNTACul es el desarrollo de biodigestores en Moquegua, ya que actualmente no existe difusin algunasobre estos sistemas por parte de las autoridades de la ciudad?

1.3 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION

La falta de lea para cocinar en diferentes regiones del mundo, hacen de estos sistemas interesantespara su difusin, divulgacin y diseminacin a gran escala.

Los biodigestores pueden ser familiares y de bajo costo.

Las familias dedicadas a la agricultura, suelen ser propietarias de pequeas cantidades de ganado(dos o tres vacas por ejemplo) y pueden, por tanto, aprovechar el estircol para producir su propiocombustible y un fertilizante natural mejorado.

Se debe considerar que el estircol acumulado cerca de las viviendas supone un foco de infeccin,

olores y moscas que desaparecern al ser introducido el estircol diariamente en el biodigestorfamiliar. Tambin es importante recordar la cantidad de enfermedades respiratorias que sufren,principalmente las mujeres, por la inhalacin de humo al cocinar en espacios cerrados con lea.

La combustin del biogs no produce humos visibles y su carga en ceniza es infinitamente menor queel humo proveniente de la quema de madera


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2. OBJETIVOS2.1 OBJETIVO GENERAL

El objetivo general es:

Disear un biodigestor que cumpla con las necesidades energticas de los pequeos ganaderos y

agricultores presentes en las zonas rurales del valle de Moquegua, que sea tcnica y

econmicamente viable.

2.2OBJETIVOS ESPECFICOSLos objetivos especficos son:

- Disear una instalacin para agricultores de un tamao sustentable.- Obtener un gas metano ms puro atreves de desechos.- Obtener una nueva opcin de cmo tener el gas metano en nuestras casas para la utilizacin en lavida diaria de cada familia.- Una forma ms prctica y econmica de obtener el gas metano.- Una manera ms amigable con el medio ambiente de obtener el gas metano.

3. MARCO TERICO3.1 BIOMASA

3.1.1 Concepto Biomasa

El trmino Biomasa, puede definirse como toda la materia orgnica en la superficieexterna delgada de tierra llamada Bisfera, producida por Plantas, Animales, Hongos o Bacterias.Es una Fuente Potencial de Alimento, Energa y Productos Qumicos; que debe desarrollarseen relacin con la preservacin del medio ambiente.

La Biomasa se refiere a aquel producto de grupos energticos, materia orgnica, residuosagrcolas y estircol, todos ellos de carcter renovable, que han tenido su origen comoconsecuencia de un proceso biolgico o de fotosntesis y que son susceptibles de sertransformados por medios biolgicos o trmicos para generar energa.

3.1.2 Clasificacin de la Biomasa.

La Biomasa puede clasificarse de muy diversas formas, sin embargo, la ms

sencilla y clara es la que considera sus caractersticas de obtencin y humedad, de tal

forma que se puede establecer que los tipos de Biomasa pueden ser:

Biomasa natural.

Se produce de forma espontnea en la naturaleza, sin intervencin humana. Por

ejemplo, las podas naturales de los bosques.


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Biomasa residual seca.

Procede de recursos generados en las actividades agrcolas, forestales. Tambin se

produce este tipo de Biomasa por Residuos Urbanos, en procesos de la industria

agroalimentaria y de la industria de transformacin de la madera. Dentro de este tipo deBiomasa, se puede diferenciar la de origen forestal y la de origen agrcola.

Biomasa residual hmeda.

Procede de vertidos biodegradables formados por aguas residuales urbanas e

industriales y tambin de los residuos ganaderos.

3.1.3 Potencial de la biomasa

Aunque la energa de la Biomasa ha sido aprovechada desde que el hombre

descubri el fuego, la consideracin actual de la biomasa como una fuente de energa

limpia se hace bajo nuevos criterios y enfoques:

El balance de CO2 emitido es neutro. La combustin de Biomasa, si se realiza encondiciones adecuadas, produce agua y CO2, pero la cantidad emitida de este ltimo gas,

principal responsable del efecto invernadero, es captada por las plantas durante sucrecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte de un flujo de circulacincontinuo entre la atmsfera y la vegetacin, sin que suponga incremento de ese gas en laatmsfera de tal forma que la vegetacin va a la misma velocidad que se degrada.

La produccin de biomasa es totalmente descentralizada, basada en un recurso

disperso, que puede tener gran incidencia social y econmica en el mundo rural.Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles. La

tecnologa para su aprovechamiento cuenta con un buen grado de desarrollo tecnolgico

para muchas aplicaciones.

Es un importante campo de innovacin tecnolgica. Las respuestas tecnolgicas en

curso estn dirigidas a optimizar el rendimiento energtico del recurso, minimizar los

efectos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones,

incrementar la competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas

aplicaciones de gran inters como los biocombustibles, entre otros.

En conclusin gracias a la Biomasa se puede obtener de manera prcticamentegratuita energa trmica, refrigeracin, energa elctrica, biocombustibles, gases

combustibles y con tratamiento adecuado residuales que sirven de nutrimento al suelo.


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3.1.4 Fuentes de la Biomasa.

Las fuentes de la Biomasa son muy diversas, de tal forma que se puede decir que la

naturaleza y las actividades de los seres vivos son una fuente inagotable, sin embargo,

para efectos de clasificar la Biomasa producida como residual, se puede decir que sus

principales fuentes son:

Granjas o Fincas:

Residuos de animales

Estircol y orn de ganado (Vacuno, porcino, equino, aves, etc.)

Purines

Residuos de vegetales

Beneficio de caf

Cscara de diversos vegetales, etc. Residuos de algodn

Fibras de coco

Hojas de rboles

Ciudades y poblados

Excremento y orn humano

Residuos Slidos Municipales Orgnicos

Industrias

Residuos orgnicos de:

Industria de bebidas.

Piscicultura.

Industria del papel.

Industria alimenticia.

3.1.5 Procesos de la Biomasa.

As, la Biomasa que procede de residuos o cultivos energticos, generalmente se

transforma en calor, combustibles o electricidad, que conducen a la forma de energa til

requerida en cada caso. Para ello, se hace necesario tratarla de manera adecuadaconsiderando las caractersticas que tenga al momento de obtenerla, de tal forma que los

procesos a que puede ser sometida pueden de manera general estructurarse como semuestra en la figura 1.


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3.1.5.1 Biomasa Seca.Figura 1. Procesos de la Biomasa

Los procesos termoqumicos a que puede someterse la Biomasa seca se muestran enla figura 2.

Figura 2. Procesos termoqumicos de la Biomasa


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Estos procesos se basan en la utilizacin del calor como fuente de transformacinde la Biomasa, tienen el inconveniente de que producen residuales finos que requieren

para su disposicin de un rea determinada.

La eleccin del tipo de proceso depende de los productos que se deseen obtener y la

cantidad de oxgeno presente en la transformacin, las caractersticas de cada proceso sedefinen en los siguientes apartados.

Combustin

En la combustin se somete a la biomasa a altas temperaturas con exceso deoxgeno. Es el mtodo tradicional para la obtencin de calor en entornos domsticos,industrial o para la generacin de energa elctrica.

La combustin directa u oxidacin completa transforma la Biomasa en dixido decarbono, agua, cenizas y calor (nico componente energtico til el proceso), es el

sistema ms elemental para la recuperacin energtica de la biomasa. Los factores msimportantes a considerar en este proceso son:

Exceso de oxgeno: 20 40% superior al tericoTemperatura de combustin: 600 1.300 CCaractersticas del combustible:Fsicas: densidad, tamao y humedad (la menor posible)Qumicas: bajo contenido de azufreTrmicas: dependen de las fsicas y las qumicas

Las tecnologas utilizadas para la combustin directa de la Biomasa abarcan un

amplio espectro que va desde el sencillo fogn a fuego abierto (an utilizado en vastaszonas rurales para la coccin de alimentos) hasta calderas de alto rendimiento utilizadasen la industria.

La energa obtenida puede destinarse a la produccin de calor (en forma de agua oaire caliente) para el uso domstico o industrial y a la produccin de electricidad. Laeficacia trmica de la combustin es elevada, siendo el rendimiento global del proceso del30%. Este mtodo se utiliza en la actualidad en las industrias azucarera, papelera y dederivados de la madera. Este proceso ha sido utilizado para el tratamiento de los ResiduosSlidos Municipales.

La combustin industrial de la biomasa requiere de instalaciones que permitan laoperacin de los sistemas siguientes:

Almacenamiento de combustible (Biomasa) Transporte y dosificacin del combustible al equipo de combustin Equipos y cmara de combustin Caldera (vapor, agua caliente, aceite

trmico) Recuperadores auxiliares de calor Depuracin de gases Extraccin de cenizas.


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Existen diferentes tecnologas para llevar a cabo la combustin de la Biomasa:caldera de parrilla, cmara torsional, combustor en lecho fluido, etc. En funcin de lascaractersticas de la biomasa y de la demanda energtica (energa a baja o a altatemperatura y cantidad de la misma a suministrar) se selecciona el ms adecuado.

Pirlisis

La pirolisis consiste en la descomposicin trmica de la materia orgnica enausencia de oxigeno u otros agentes gasificantes, generndose cantidades variable degases (gas de sntesis), lquidos (alquitranes y aceites) y residuos carbonosos. El rango detemperatura empleados oscila entre 150 y 900 C.

Las materias primas de este proceso generalmente son los subproductos agrcolas yforestales.

Para obtener combustibles lquidos y carbn se requiere una alimentacin seca que

se somete a un tratamiento como el indicado en la siguiente figura 3.

Figura 3. Esquema del proceso de la Pirlisis.

Gasificacin

La gasificacin se puede definir como la descomposicin trmica de la biomasaen una atmsfera pobre en oxgeno.

En este proceso se somete a la Biomasa a muy altas temperaturas en presencia decantidades limitadas de oxgeno, las necesarias para conseguir as una combustincompleta. Segn se utilice aire u oxgeno puro, se obtienen dos productos distintos, en el

primer caso se obtiene gasgeno o gas pobre y en el segundo un gas de sntesis.

El gas combustible producido en un proceso de gasificacin de Biomasa posee unpoder calorfico que flucta entre 2.7 y 5.1 MJ/m3. Esto hace que dicho combustibleentre en la clasificacin de combustibles de bajo poder calorfico y por tanto se requiere

de la adaptacin de los sistemas de combustin para albergar mayores flujos de masa.


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El gas combustible de bajo poder calorfico producto de la gasificacin debiomasa tiene como ventajas la disponibilidad de la materia prima en casi todos losrincones de la tierra; produccin neutra de CO2 y es verstil pues es posible utilizarlo encalderas, quemadores, motores de combustin interna y turbinas de gas. Sin embargo,su consumo energtico es alto.

La temperatura de operacin para este proceso, oscila entre 700 y 1,500 C y eloxgeno suministrado se limita entre un 10 y un 50% del tericamente necesario para unacombustin completa. Segn se utilice aire u oxgeno puro, se desarrollan dos procesos degasificacin sustancialmente distintos, en cuanto a la posible utilizacin de los productosobtenidos. En la figura 4 se muestra un esquema de los procesos de gasificacin de laBiomasa.

Figura 4.Procesos de gasificacin

De acuerdo con la figura 4, cuando se opera con aire, se obtiene gas de gasgeno o

gas pobre, este gas se utiliza en unidades de combustin para generar energa mecnicao trmica. Por otro lado, cuando se opera en un gasificador con oxgeno y vapor de agua,se obtiene gas de sntesis. La importancia de este gas radica en que se puede transformaren combustibles lquidos (metanol y gasolinas).

3.1.5.2 Biomasa hmeda.

La Biomasa hmeda procede de vertidos biodegradables formados por aguasresiduales urbanas e industriales y tambin de los residuos ganaderos.

Biomasa hmeda se denomina as cuando el porcentaje de humedad supera el

60%, como por ejemplo en los desechos vegetales, residuos animales, vegetacinacutica, etc. Resulta especialmente adecuada para su tratamiento mediante procesosBioqumicos, o en algunos casos particulares, mediante simples procesos fsicos,obtenindose combustibles lquidos y gaseosos.

Los procesos bioqumicos a que puede someterse la Biomasa Hmeda, se basan enla utilizacin de diversos tipos de microorganismos que degradan las molculas acompuestos ms simples de alta densidad energticas.

Estos procesos aumentan el valor energtico de la biomasa de 16 KJ/g a 30 KJ/g enel caso de la obtencin de metanol y a 56 KJ/g al obtener metano.


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Los procesos a que puede someterse la biomasa hmeda y los productos que seobtienen se muestran en la figura 5.

Figura 5. Procesos y Productos con Biomasa hmeda

Procesos Bioqumicos

Los procesos bioqumicos se basan en la degradacin de la biomasa por la accinde microorganismos, y pueden dividirse en dos grandes grupos: los que se producen enausencia de aire (anaerbicos) y los que se producen en presencia de aire (aerbicos).

Procesos anaerbicos

La fermentacin anaerbica, para la que se utiliza generalmente residuos animaleso vegetales cuidando la relacin carbono / nitrgeno, se realiza en un recipiente cerradollamado digestor y da origen a la produccin de un gas combustible denominado

biogs. Adicionalmente, la biomasa degradada que queda como residuo del proceso deproduccin del biogs, constituye un excelente fertilizante para cultivos agrcolas.

Las tecnologas disponibles para su produccin son muy variadas pero todas ellastienen como comn denominador la simplicidad del diseo y el bajo costo de losmateriales necesarios para su construccin.


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El biogs, constituido bsicamente por metano (CH4) y dixido de carbono (CO2),

es un combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural.Tambin puede comprimirse para su uso en vehculos de transporte, debindose

eliminar primero su contenido de CO2.

Procesos aerbicos

El proceso aerobio es llevado a cabo por microorganismos que precisan de oxgeno

atmosfrico o disuelto en el agua. La materia orgnica es fermentada a partir de un aporte

energtico, dando lugar a una reaccin exotrmica. Se obtienen como productos finales

CO2 y H2O.

Procesos Qumicos.

Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa por extraccin directa.Aunque los productos obtenidos pueden ser utilizados directamente como combustibles,

generalmente se modifican los aceites extrados mediante procesos qumicos, tambinaplicables a aceites residuales, siempre que su origen sea la biomasa.

Extraccin directa y procesos qumicos

Actualmente, los procesos de extraccin directa ms desarrollados son aqullos

que extraen aceites a partir de semillas de plantas oleaginosas (oliva, girasol, maz, sojala plntula). Los aceites son las reservas energticas que las plantas acumulan en sus

semillas para proporcionarles alimento suficiente durante la germinacin, hasta que lopuedan obtener del entorno. Por su parte, los animales tambin poseen reservasenergticas de caractersticas similares, que reciben en nombre de grasas (sebos,mantecas). Aceites y grasas lpidos, denominacin genrica que se aplica a los steres

de glicerina (trialcohol) y de cidos grasos (cidos orgnicos alifticos, monobsicos,C12 - C22), por lo que tambin reciben el nombre de triglicridos. Estos steres son

tratados tambin con el proceso de la alcohlisis o transesterificacin; el que trata desustituir en un ster (el lpido) un alcohol (glicerina) por otro ms simple (generalmente,metanol), produciendo steres metlicos derivados, cuyas caractersticas son similares a

las del gasleo. De ah que estos steres sintticos obtenidos a partir de steres naturalescontenidos en la biomasa reciban el nombre genrico de "biogasleos". Este proceso selleva a cabo con un catalizador homogneo (hidrxido sdico o potsico) para favorecer

las condiciones de reaccin, se separa la glicerina y se purifica la mezcla de steres

metlicos, que se destina al uso como combustible .


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3.1.6 Conveniencia de procesar la Biomasa.

La biomasa es un desecho que puede llegar a ser un problema grave para elequilibrio ecolgico si no se toman las medidas pertinentes, debido al crecimiento

poblacional y a la produccin industrial la velocidad de generacin de la Biomasa esmayor que su degradacin. No obstante, esa posibilidad de problema se puede convertiren una oportunidad, por lo que se deben hacer los considerandos siguientes:

Si no se trata la biomasa se producen:

Vectores.Malos olores.Enfermedades.Daos Ambientales.

Si se trata la biomasa se pueden obtener efectos econmicos positivos y otros como:Proteccin de la salud.

Preservacin del medio ambiente.Recuperacin de materia prima.Obtencin de energticos.Obtencin de abono orgnico natural.Obtencin de CO2para la industria alimenticia.

3.1.7 Riesgos por mal manejo de la biomasa

La Biomasa cuando no se les da un proceso adecuado representan los riesgos siguientes:

Deterioro esttico de las ciudades y del paisaje natural Contaminacin de suelo, cuerpos de agua y aire Proliferacin de vectores Afectaciones a la salud y Cambio climtico por gases de efecto invernadero.

3.2 PROCESO DE BIODIGESTIN.

El proceso de Biodigestin es un proceso biolgico de fermentacin natural en elque una comunidad entrelazada de bacterias cooperan para formar una fermentacinestable, autorregulada, la cual se puede dar de dos formas en presencia de oxgeno(Biodigestin Aerobia) y sin la presencia de oxgeno (Biodigestin Anaerobia),

procesos que se comparan en la tabla 2.


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3.2.1 Proceso aerobio

El proceso aerobio es llevado a cabo por bacterias aerobias que precisan de oxgeno

atmosfrico o disuelto en el agua. La materia orgnica es fermentada a partir de un aporte

energtico, dando lugar a una reaccin exotrmica.

La frmula general del proceso de biodigestin aerobia es la siguiente:

Materia Orgnica + O2 + Bacterias + nutrientes CO2 + agua + Materia Orgnica

+ Bacterias + NH4 + P

Unos de los procesos aerobios para tratar los residuos slidos orgnicos urbano es

el compostaje.

El tratamiento por Composteo es un proceso que se efecta bajo condiciones

aerobias, y puede desarrollarse tanto a nivel domstico, como a nivel industrial engrandes plantas de composta.

El proceso de compostaje se desarrolla con la descomposicin de la materia

orgnica efectuada por microorganismos mediante condiciones de temperatura,

humedad y oxigenacin controladas, por lo general este proceso se da a una temperatura

de entre 55 y 60 C, lo que permite la destruccin de algunos patgenos. Durante el

proceso, los materiales orgnicos son degradados a un material parecido al humus con

excelentes propiedades para el suelo, con un pH en rangos de 6.5 a 8, que favorece el

crecimiento saludable de las plantas y con alta capacidad de retencin de agua. Sin

embargo, este proceso puede efectuarse tanto en condiciones aerobias o anaerobias (con

o sin oxgeno, respectivamente), aunque por regla general este proceso se efecta demanera aerobia.

Para el proceso de compostaje algunas de las fuentes ms apropiadas para obtener

la materia prima pueden ser los mercados, los comedores pblicos, los restaurantes, la

agricultura, la ganadera y los rastros, aunque este tipo de tratamiento no es considerado

para este proyecto por los problemas medioambientales que genera con patgenos y

lixiviados. Este proceso de los constituyentes biolgicos de los residuales genera

energa trmica que no se utiliza actualmente aunque contribuye a la higienizacin de

los residuales. Requiere de grandes espacios y alta duracin del proceso, as como

limpieza de gases de escape de la planta para eliminar los malos olores y las emisionesde grmenes .


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3.2.2 Proceso anaerobio

3.2.2.1 Proceso de biodigestin anaerobio.

El proceso de biodigestin anaerbica es un proceso biolgico natural en el que

una comunidad entrelazada de bacterias cooperan para formar una fermentacin estable,

autorregulada, que convierte materia orgnica residual en una mezcla de principalmente

metano y dixido de carbono. Es decir, La biodigestin anaerbica es un proceso

microbiano que incluye microorganismos metano bactericeo que degradan la materia

orgnica en ausencia de oxigeno.

El residuo a tratar, que provee el carbono y la energa necesarios para los procesos

biolgicos, puede provenir de las ms diversas fuentes (domicilios, industria alimenticia

y papelera, ganadera, etc.) con las consiguientes diferencias en composicin.

Los alimentos principales de las bacterias anaerbicas son el carbono (en la formade carbohidratos) y el nitrgeno (en protenas, nitratos y amoniaco, etc.). El carbono seutiliza para obtener energa y el nitrgeno para la construccin de estructuras celulares.

La relacin ideal de stos es de 30:1. Si el nitrgeno presente es menor al necesario,

se ve limitada la velocidad de produccin de biogs; por otra parte, si est en exceso, se

produce ms amonaco del requerido, el cual es txico e inhibidor del proceso.

A pesar de que la bioqumica del proceso es muy compleja se pueden distinguir en

l tres etapas, dentro de cada una de ellas a su vez, existe una comunidad especfica de

bacterias anaerbicas o facultativas. Las etapas en que se lleva a cabo el proceso de

digestin anaerobia pueden considerarse como las siguientes:

1.- Etapa de hidrlisis.

2.- Etapa de acidognesis.

3.- Etapa de metanognesis.


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Las tres etapas del proceso ocurren simultneamente dentro del sistema tal como semuestra en las figuras 6 y 7

Figura 6. Fases de la descomposicin

Figura 7. Procesos de la descomposicin de los Residuos Slidos Orgnicos.


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3.2.2.2 Bacterias que intervienen en el proceso.

El proceso de la biodigestin anaerobia involucra siempre cuatro tipos de

bacterias, la hidrolitica, que producen cido actico, compuestos monocarbonados, cidos

grasos orgnicos y otros compuestos policarbonatos; la acetognica, productoras de

hidrogeno; las homoacticas, que pueden convertir una cantidad considerable decompuestos multicarbonados o monocarbonados en cido actico; y las metanognicas,

productoras del gas metano.

En la descomposicin anaerobia de los residuos, algunos organismos anaerobios

trabajan juntos para llevar a cabo la conversin de la fraccin orgnica de los residuos

en un producto final estable. Es importante hacer notar la extrema interdependencia que

existe entre ambos grupos de bacterias, pues, mientras las productoras de cido

suprimen el oxgeno y producen el alimento que permite la vida de las metangenas,

estas ltimas eliminan los desechos cidos y evitan que el medio se vuelva muy cido

permitiendo con ello la sobrevivencia del primer grupo.

Tomando en consideracin las etapas en que se desarrolla la conversin

biolgica en condiciones anaerobias de la biomasa; se puede establecer que la primera

etapa (hidrlisis) implica la transformacin mediada por enzimas de compuestos de

masas moleculares ms altas en compuestos intermedios identificables de masa

molecular ms baja; en la segunda etapa los productos solubles de la primera etapa se

convierten en cidos orgnicos voltiles de cadena corta y alcoholes, producto de la

accin de endoenzimas; y la tercera etapa implica la conversin bacteriana de los

compuestos intermedios a productos finales sencillos, principalmente metano y dixido

de carbono.

Es decir, en la biodigestin anaerobia, un grupo de organismos anaerobios seencargan de hidrolizar a los polmeros orgnicos y los lpidos en unidades estructurales

como cidos grasos, monosacridos, aminocidos y compuestos relacionados. Unsegundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos descomponibles del

primer grupo en cidos orgnicos simples, el ms comn en la biodigestin anaerobia es

el cido actico; este segundo grupo de microorganismos, descrito como nometanognico, est formado por bacterias anaerobias que frecuentemente se identificancomo acidgenoso formadores de cidos. Teniendo en cuenta la tolerancia aloxigeno las bacterias anaerobias se clasifican en:

Anaerobias estrictas: Crecen en atmsferas con una tensin de oxgeno inferior a 0.5%

Anaerobias aerotolerantes: Toleran el oxgeno hasta un 8% pero son incapaces de

utilizarlo para su metabolismo.

La tolerancia al oxgeno de estas bacterias est dada por la presencia de enzimas

superxido dismutasa (SOD), catalasa y peroxidasa que catalizan la conversin de

radicales superxido a perxido de hidrgeno menos txico y a oxgeno molecular.

Anaerobios facultativos: No necesitan oxgeno para su desarrollo normal, pero si est

presente lo pueden utilizar metablicamente, es decir que crecen bajo condiciones tanto

aerbicas como anaerbicas utilizando el oxgeno como aceptor final de electrones.


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Microaeroflicas: Crecen en presencia de tensiones de oxgeno mnimas y lometabolizan utilizndolo como aceptor final de electrones. Necesitan atmsfera de CO2.

Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrgeno y el cido actico,producido por los formadores de cidos, en gas metano y anhdrido carbnico. Las

bacterias responsables de esta conversin se identifican como metangenos oformadores de metano. Muchos de los organismos metanognicos identificados en losvertederos y en biodigestores anaerobios son similares a aquellos que se han encontradoen los estmagos de animales rumiantes y en sedimentos orgnicos sacados de lagos yros.

Las bacterias ms importantes del grupo metanognico son las que utilizanhidrgeno y cido actico. Tienen tasas de crecimiento muy lentas; en consecuencia sumetabolismo normalmente se considera limitante en el tratamiento anaerobio deresiduos orgnicos. La estabilizacin de residuos en la biodigestin anaerobia se lleva acabo cuando se producen metano y anhdrido carbnico .

3.2.2.3 Descripcin de las fases del proceso.

La biodigestin anaerobia no se da en una sola etapa, sino ocurre en tres etapas enlas que intervienen cuatro tipos de bacterias, las hidrolticas, que producen cido actico,compuestos monocarbonados, cidos grasos orgnicos y otros compuestos

policarbonatos; las acetognicas, productoras de hidrgeno; las homoacticas, que puedenconvertir una cantidad considerable de compuestos multicarbonados o monocarbonadosen cido actico; y las metanognicas, productoras del gas metano[4, 7, 11, 14, 17, 20].

3.2.2.3.1 Hidrlisis.

La materia orgnica polimrica no puede ser utilizada directamente por losmicroorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedanatravesar la membrana celular. La hidrlisis es, por tanto, el primer paso necesario para ladegradacin anaerobia de sustratos orgnicos complejos.

La hidrlisis consiste en la degradacin de la materia orgnica cruda. Estamateria orgnica est formada principalmente por polmeros de hidratos de carbono,

prtidos y lpidos; y ocurre por la accin de exoenzimas secretadas por las bacterias,como se muestra en la reaccin 1.1.

Hidrlisis enzimtica

C6H10O5NH3 H10O5 H3 . (1.1)

En esta etapa los microorganismos hidrolizan los polmeros orgnicos, protenasy lpidos en cidos grasos, monosacridos, aminocidos.

El grado de hidrlisis y la velocidad del proceso dependen de muchos factores,entre otros del pH, de la temperatura, del tipo de materia orgnica, y del tamao de

partcula.


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La tasa de hidrlisis, en general, aumenta con la temperatura, independientemente

del compuesto de que se trate. Depende del tamao de las partculas, debido

fundamentalmente a la disponibilidad de superficie para la adsorcin de las enzimas

hidrolticas.

3.2.2.3.2 Acidognesis.

En esta segunda etapa los productos solubles de la etapa anterior son convertidos

en cidos orgnicos voltiles de cadena corta y alcoholes producto de la accin de

endoenzimas, algunos de los cidos grasos ms importantes que se forman son: cido

actico, propinico y butrico. Slo el cido actico formado da origen al 70% de la

produccin de metano.

Las bacterias acetognicas son las encargadas de la degradacin de los cidos

grasos de cadena larga (productos de la primera etapa) como los cidos palmticos y

estericos para su posterior transformacin a cido actico.

Las bacterias facultativas involucradas en esta etapa son importantes no solo

porque producen los nutrientes, para los productos de metano, sino que adems

remueven cualquier traza de oxgeno disuelto que quede en el material orgnico debido

a que las bacterias que actan en la siguiente etapa son exclusivamente anaerbicas.

Las proporciones entre los productos de la fermentacin varan en funcin del

consumo de H2por parte de las bacterias que utilizan hidrgeno.

Este proceso contempla la fermentacin de carbohidratos solubles y

aminocidos, cuya finalidad es la produccin de cido actico.

Fermentacin de carbohidratos solubles

La ruta de degradacin de la glucosa en los sistemas anaerobios proporciona como

principales productos cidos grasos voltiles, H2 y CO2. La fermentacin de azcares se

realiza por diversos tipos de microorganismos, siguiendo diferentes rutas metablicas, enfuncin del organismo responsable, y obteniendo productos finales diferentes. Los

principales microorganismos son los que producen butrico o butanol, bsicamente delgnero Clostridium, que convierten la glucosa y algunos aminocidos en cido butrico,actico, CO2 e H2. Las proporciones de los diversos productos se modifican por la

duracin y las condiciones de la fermentacin, siendo el butrico y el actico los productosmayoritarios si el pH se mantiene alcalino.

Las bacterias cido-propinicas, del gnero Propionibacterium, llevan a cabo unproceso distinto, conocido como fermentacin acido-propinica, en el que se produce lafermentacin del cido lctico, carbohidratos y polihidroxialcoholes, produciendo,

principalmente, cido propinico, succnico, actico y CO2. Sus requerimientos

nutricionales son complejos y crecen con lentitud.


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Fermentacin de aminocidos

Los principales productos de la fermentacin de aminocidos y de otras molculasnitrogenadas son cidos grasos de cadena corta, succnicos, aminovalrico e H2 .Lafermentacin de aminocidos se considera un proceso rpido y que en general, no limita

la velocidad de la degradacin de compuestos protenicos.

Algunos organismos del gnero Clostridium pueden fermentar aminocidos. Losproductos finales de la oxidacin son NH3, CO2 y un cido carboxlico con un tomo decarbono menos que el aminocido oxidado. Producen n-butrico y cido isobutrico,isovalrico, caproico, sulfuro de hidrgeno, metilmercaptano, cadaverina, putrescina (enfuncin del tipo de aminocido de que proceda), como se muestra en la reaccin 1.2 [2].

Acidognesis

Acetognesis

Mientras que algunos productos de la fermentacin pueden ser metabolizadosdirectamente por los organismos metanognicos (H2 y acetato), otros (valeriato, butirato,

propionato, algunos aminocidos, etc.) necesitan ser transformados en productos mssencillos, acetato e hidrgeno, a travs de las bacterias acetognicas, como se muestra enlas reacciones 1.3 y 1.4.

Un tipo especial de microorganismos acetognicos, son los llamadoshomoacetognicos, que consumen H2 y CO2, y producen acetato. Los principalesexponentes son Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum. Este tipo de bacterias son

capaces de crecer heterotrficamente en azcares, al contrario que los metanognicos,siendo ms parecidos a los fermentativos que a los metanognicos, a pesar de utilizar losmismos substratos.

3.2.2.3.3 Metanognesis.

En esta etapa los cidos orgnicos simples producidos en la etapa anterior sonconvertidos, por accin de las bacterias metanognicas, en sustrato para ladescomposicin, estabilizacin y produccin de metano y anhdrido carbnico, como semuestra en la reaccin 1.5.


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Las bacterias metanognicas son las responsables de la formacin de metano apartir de substratos monocarbonados o con dos tomos de carbono unidos por un enlacecovalente: acetato, H2, CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

El mecanismo por el cual se forma metano considera las siguientes reacciones:

Produccin de metano a partir de reactivos como el etanol y dixido de carbonocomo se muestra en la reaccin 1.6 y a partir de la reaccin del hidrogeno con eldixido de carbono como se muestra en la reaccin 1.7, para obtener como productos

principal el metano en ambas reacciones.

El metano se produce como resultado de la reduccin del anhdrido carbnico(CO2) segn, como se muestra en las siguientes reacciones numeradas de la 1.8 a la1.14

En esta etapa del proceso, adquiere relevada importancia la concentracin dehidrgeno debido a que permite controlar la cantidad de los productos de las reaccionesanteriores.

Al aumentar el hidrgeno (H2), ya sea por sobre carga orgnica o por baja en eltiempo de retencin tiende a producirse metano a partir de cido propinico o butrico yno a partir del cido actico (CH3COOH) como es lo normal.

Los microorganismos metanognicos requieren de condiciones estrictamenteanaerbicas.

Esta ausencia de oxgeno ( O2 ) necesaria es asegurada por las bacteriasacidognicas que adems le suministran los nutrientes bsicos debido a la accin de susenzimas sobre protenas y aminocidos liberando sales de amonio , siendo sta la nicafuente de nitrgeno aceptada por las bacterias productoras de metano.


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Del metano que se produce el 50% proviene de cido actico. Este cido acticose origina en un 3% a 5,3% de la reduccin del CO2 con H2 a unos 60 C. Otra parte deacetato que proporciona metano, corresponde a la deshidrogenacin del propionato y

butirato en un porcentaje de 23% a 60 C

Metanognesis a partir de otro sustrato.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en funcin delsustrato principal, dividindose en los hidrogenotrficos, que consumen hidrgeno,como se muestra en la reaccin 1.15 y frmico, como se muestra en la reaccin 1.16, ylos metilotrpicos o acetoclsticos, que consumen grupos metilos del acetato, como semuestra en la reaccin 1.17, metanol, como se muestra en la reaccin 1.18 y algunasaminas como trimetil amina, como se muestra en la reaccin 1.19 y dimetil amina,como se muestra en la reaccin 1.20. Para obtener en cada una de ellas el metano(CH4), como producto principal.

3.2.2.4 Factores que afectan la biodigestin.Se considera que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, es

necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclobiolgico. Para mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabiliceeficazmente un residuo orgnico, las bacterias no metanognicas y metanognicasdeben estar en un estado de equilibrio dinmico. Para establecer y mantener tal estado,los contenidos del reactor deberan estar libres de oxgeno disuelto y de concentracionesinhibidoras de amoniaco libre y de constituyentes como metales pesados y sulfitos.

Existen varios factores que determinan el comportamiento y la eficacia del

proceso de biodigestin anaerbica, entre ellos se encuentran:

Temperatura Concentracin de slidos totales y slidos voltiles. PH Tiempo de retencin Sustancias inhibidoras de la reaccin. Alcalinidad Agitacin Otros factores


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3.2.2.4.1 Temperatura:

La temperatura afecta en forma directa a los procesos que controlan laproporcin del crecimiento microbial.

De forma general, a temperaturas por encima de los 30 C, las tasas de reaccinqumica y biolgicas son ms rpidas que a temperaturas por debajo de los 20 C. Lavelocidad de reaccin de los procesos biolgicos depende de la velocidad de crecimientode los microorganismos responsables, que a su vez es dependiente de la temperatura.

Los tipos de biodigestin se van a diferenciar de acuerdo a la temperatura con quetrabaje el biodigestor.

Existen tres rangos de temperatura, a los cuales se realiza el proceso, ellos son:

Rango sicroflico que va desde 10C a 20C.Rango mesoflico que va desde 20C a 35C 40 C.Rango termoflico que va desde 50C a 60C.

Biodigestin sicroflica.

Se caracteriza por funcionar con un rango de temperatura entre 10 C y 20 C.En sta el calor no es suministrado exteriormente, ni est sujeta a las variaciones de latemperatura ambiente, no requiere aislamiento trmico.

Para este tipo de biodigestin, el tiempo promedio de retencin es de 100 dascon una agitacin baja o casi nula.

Biodigestin mesoflica.

Funciona con un rango de 20 C a 35 C 40 C, o bien, de 30 C a 35 C 40C, con un tiempo de retencin promedio de 20 das. sta tipo corresponde a la

biodigestin de mayor rendimiento, debido a su semejanza con la biodigestin animal.Para ello se requiere de calor externo y agitacin controlada.

Biodigestin termoflica.

Se caracteriza por un rango de 50C a 60C con un tiempo de retencin entro 8 a10 das, pero requiere de un elevado suministro de energa calrica, adems de unamayor agitacin controlada, en comparacin con los dos anteriores.

Considerando las caractersticas de los tres tipos de biodigestin, puedeconsiderarse que la ms conveniente para el tratamiento de la biomasa en general, es la

biodigestin mesoflica, en virtud de que permite una elevada produccin de metano yun correcto crecimiento de las bacterias, lo que conlleva a un menor tiempo de retencinde desechos en el biodigestor y un menor gasto energtico.


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Las principales ventajas que presenta son las siguientes:

* Fermentacin ms rpida.

* Disminucin de la viscosidad de la solucin.

* Mayor conversin de desechos en biogs.

* Eliminacin casi en un 100% de virus y bacterias patgenas.

* Separacin slido - lquido ms rpido.

Influencia de la temperatura sobre aspectos fsico-qumicos

La solubilidad o absorcin de los gases NH3, H2S e H2 desciende al aumentar la

temperatura, lo que significa que con una temperatura adecuada, se provoca una desorcin

de esos gases formados durante la digestin. Esto supone un efecto positivo, dado el

efecto inhibidor de estos gases sobre el crecimiento de los microorganismos anaerobios.

Un posible efecto negativo de este fenmeno es que el descenso de la solubilidad o

absorcin del CO2, implicar un aumento del pH en los reactores termoflicos.

La viscosidad de los lquidos y semislidos disminuye al aumentar la temperatura,lo que implica menores requerimientos energticos para la mezcla al disminuir con ellolas necesidades de agitacin. A altas temperaturas se produce tambin una mejorsedimentacin de los slidos.

3.2.2.4.2 Concentracin:

Toda materia est compuesta por agua y una fraccin slida, a la que se le

llamada slidos totales. El porcentaje de slidos totales contenidos en la mezcla

orgnica con que se carga el biodigestor es un factor importante a considerar para lograrun buen funcionamiento del proceso, tal concentracin puede variar de un 2% a un

15%. La mezcla ptima estara compuesta por un porcentaje de slidos de 6% a 9%,

siendo esto un 70%, 49% de materia orgnica biodegradable a los cuales se les

denomina slidos voltiles.

La presencia de nutrientes como nitrgeno y fsforo, es necesaria, solo que en

una adecuada proporcin con el carbono lo que permite el correcto desarrollo de la flora

bacteriana.

Cuando las cantidades de nitrgeno son muy elevadas pueden existir problemas

en el desarrollo de la flora bacteriana por la formacin de amonio.

Otros tipos de nutrientes sern necesarios en pequeas cantidades, como

sulfuro, potasio, calcio, magnesio y otros elementos traza como el hierro, manganeso,

molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, nquel, etc. Los sustratos normalmente

contienen una cantidad suficiente de estos elementos. Altas concentraciones de estos

elementos producen efectos inhibidores sobre el proceso.


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3.2.2.4.3 pH:

Los microorganismos anaerobios necesitan un pH en torno a la neutralidad para sucorrecto desarrollo, aunque permiten cierta oscilacin. El pH afecta fundamentalmente ala actividad enzimtica de los microorganismos, mediante: cambios de estado de losgrupos ionizables de las enzimas como el carboxil y amino; alteracin de loscomponentes no ionizables del sistema.

Un pH neutro es el ambiente ms eficiente para la digestin, esto es un pH en elrango de 6,6 a 7,6. Si el pH disminuye ya sea por aumento repentino de la carga,

presencia de materias txicas o cambios sbitos de temperatura, se puede corregirdejando de alimentar carga durante un corto tiempo o adicionando sustancias alcalinascomo agua de cal que reducen principalmente sustancias txicas como cidos voltiles.

En caso contrario si el pH aumenta, se corrige agregando acido actico para ayudar a quese regule la biodigestin y el pH disminuya.

Dentro del biodigestor el pH se auto regula con diversos cambios que ocurrendurante la digestin. En el primer perodo el pH tiende a bajar debido a la produccin decidos voltiles, luego de unas semanas este se eleva de acuerdo al actuar de las

bacterias metangenas que al degradar las protenas aumenta el amonio subiendo el pH.

3.2.2.4.4 Tiempo de retencin:

El tiempo de retencin es la razn existente entre el volumen del biodigestor y lacarga diaria de alimentacin.

Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgnicasiendo determinado por el tiempo de retencin.

Existen dos tipos de tiempos de retencin.

Tiempo de retencin hidrulico (TRH). Tiempo de retencin de slidos (TRS).

El tiempo de retencin hidrulico corresponde al tiempo de retencin del lquidodentro del digestor. Si disminuye el TRH para mantener un TRS fijo, disminuye eltamao del reactor.

Normalmente se trabaja con tiempos de retencin entre 10 y 15 das, ellodepende por supuesto de varios factores entre los cuales se encuentran: El tipo desustrato, volumen del biodigestor, temperatura, etctera.


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Se consideran dichos tiempos debido a que el perodo que demoran las bacterias

metanognicas en duplicarse es mayor comparativamente con la produccin de las

bacterias acetognicas. Si el tiempo de retencin es menor al necesario, las bacterias

sern eliminadas del sistema antes de que se hallan duplicado. En caso contrario, la

produccin de biogs en un primer momento ser muy eficiente, pero va a disminuir

hasta llegar a una produccin cero.

3.2.2.4.5 Sustancias inhibidoras de la reaccin:

Al igual que cualquier otro sistema biolgico son susceptibles a materias txicas.

El envenenamiento se produce con la presencia de ciertos compuestos en altas

concentraciones, las cuales, son necesarias para la sobrevivencia de estos organismos,

pero en menores concentraciones.

El nitrgeno orgnico durante el proceso anaerobio se hidroliza produciendo

formas amoniacales. Aunque el nitrgeno amoniacal es un importante nutriente para el

crecimiento de los microorganismos, cuya carencia puede provocar el fracaso en laproduccin de gas, una concentracin excesivamente alta del mismo puede limitar su

crecimiento.

Los principales microorganismos afectados por altas concentraciones de amonio

son los metanognicos. Un cambio brusco en la concentracin de amonio produce un

descenso en la velocidad de crecimiento de los organismos metanognicos, pero no en la

tasa de crecimiento de los acidognicos o acetognicos. Los microorganismos

metanognicos que consumen actico son ms sensibles a la inhibicin por amonio que

los consumidores de H2.

Toxicidad por metales pesados

La toxicidad de los metales pesados depende de la forma qumica que asuma enel digestor anaerobio y de los niveles de pH. Los metales pesados solamente causanfallas en el sistema anaerobio cuando se encuentran en forma de iones libres (en suforma soluble) y exceden ciertas concentraciones, algunas de las cuales se encuentranen la Tabla 1.

Tabla 1. Concentraciones (mg/l) de compuestos inorgnicos inhibitorios delproceso anaerobio

Sustancia Moderadamente inhibitoria Fuertemente inhibitoriaNa+ 3500-5500 8000K+ 2500-4500 12000Ca2+ 2500-4500 8000Mg2+ 1000-1500 3000Cobre 200 200 0.5 (soluble)Cromo VI -- 50-70 (total) 3 (soluble)Cromo III -- 200-260 (total)Nquel -- 180-420 (total) 2 (soluble)Zinc -- 30 (total) 1 (soluble)


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3.2.2.4.6 Alcalinidad:

La alcalinidad corresponde a uno de los parmetros importantes en el control de

un biodigestor. Con esto se puede medir su capacidad tampn, es decir su capacidad de

amortiguar a cambios de pH.

Asimismo la alcalinidad ser suficiente para asegurar que el pH no caer por

debajo de 6,2 porque las bacterias de metano no pueden funcionar por debajo de este

umbral. En el rango de pH de 6 a 8, el principal equilibrio qumico que controla la

alcalinidad es el dixido de carbono-bicarbonato.

3.2.2.4.7 Agitacin:

La agitacin de los reactores anaerobios tiene diversos objetivos, que se resumen en

los siguientes puntos: poner en contacto el substrato fresco con la poblacin bacteriana, yproporcionar una densidad uniforme de poblacin bacteriana; prevenir la formacin de

capa superficial y de espumas, as como la sedimentacin en el reactor; prevenir laformacin de espacios muertos que reduciran el volumen efectivo del reactor, y la

formacin de caminos preferenciales en funcin de la hidrulica del sistema; eliminar laestratificacin trmica, manteniendo una temperatura uniforme en todo el reactor.

La agitacin se debe de llevar acabo por medio de dispositivos de mezcla

(agitadores) construidos en acero inoxidable o PVC, para evitar la corrosin por el cido

sulfhdrico.

3.2.2.4.8 Otros factores

Otro de los factores que influyen tanto en la cantidad de produccin de biogs,

como en la efectividad y velocidad de las reacciones que ocurren tanto en el interior delbiodigestor es la proporcin entre el carbono y nitrgeno que tenga la mezcla de carga,

toda vez que entre mayor sea la relacin carbono/nitrgeno mayor ser la produccin de

biogs por unidad de Residuo Slido Orgnico; la relacin recomendada como ptima es

de entre 20 y 30 partes de carbono por una de nitrgeno. Si la relacin es muy baja, el

nitrgeno ser liberado y acumulado en forma de amonaco, mismo que incrementara el

pH de la carga en el digestor y cuando el pH sea mayor a 8.5 la carga se volver txica

para las bacterias metanognicas, lo que significa que se detiene la produccin de metano.

En la tabla 2 se puede observar los residuos orgnicos con alta y baja relacin

Carbono/Nitrgeno.


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Tabla 2. Relacin carbono/nitrgeno en residuos orgnicos.

Residuos Orgnicos Relacin Carbono/NitrgenoAlta Baja

Cscara de papaCscara de pltano

Hojas de rboles Restosde caa de azcar Papel

PajaRamas Residuos dealgodn Fibras decoco Cscaras de

aguacate

Plantas frescasVsceras de pescadoSangre deshidratada

Vsceras de polloResiduos de leche o productos lcteos

Residuos de cervezaVsceras de resAlgas marinas

La presin total de operacin es el factor que limita la velocidad del proceso de

biodigestin anaerobia; toda vez que cuando en el interior del biodigestor la presin essuperior a 0.27 Mpa (2.7 Atm), la velocidad de las reacciones se reduce en un 50%. Esdecir al aumentar la presin se disminuye la velocidad del proceso, aunque ste no sedetiene, esto sucede debido a la afectacin que sufren las bacterias que estndesarrollando el proceso de biodigestin con el aumento de la presin de operacin.

Tambin es importante considerar que la altura efectiva del lquido en losdigestores no debe sobrepasar los 3.6 metros, y en caso de sobrepasarla, es necesarioagitar por medios mecnicos el lquido que representa la mezcla de los Residuos SlidosOrgnicos, con la finalidad de que las bacterias puedan operar en los diferentes nivelesque ello representa.

Tomando en consideracin la comparacin entre el tratamiento aerbico yanaerbico mostrada en la tabla 3, los factores que ms influyen en la eleccin delsistema anaerobio son:

La baja produccin de lodos biolgicos (Biomasa) con menores costos dedeposicin.

Alta eficiencia de tratamiento (comparable a otras alternativas). Bajos costos de inversin inicial y menores costos de operacin (no requieren

O2). Produccin de metano (uso potencial como combustible).


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Tabla 3. Comparacin del proceso aerobio y el proceso anaerobio.

FACTOR TRATAMIENTO AEROBIO TRATAMIENTO ANAEROBIOProceso defermentacin

Degradacin de la materia orgnica

a CO2, H2O, nitratos, sulfatos yBiomasa. En presencia de oxgeno

molecular.

Degradacin paso a paso de lamateria orgnica a CO2, NH4,

metano y Biomasa,

eventualmente H2S. Sin lapresencia de oxgeno molecular.

Crecimientomicroorganismos

Crecimiento muy rpido, pocotiempo de generacin, gran

produccin de Biomasa (Fango).

Crecimientolento(metanognicas), elevadotiempo de generacin, pocaproduccin de Biomasa (Fango)

Condiciones

ambientalesmicroorganismos

Mucha diversidad de especies, con

un amplio espectro de degradacin,bajo nivel de especializacin, bajasensibilidad.

Mayor nmero de grupos de

organismos, con condicionesambientales contrarias, mssensibles a cambios ambientales.

Operatividad Mayor estabilidad biolgica que el

proceso anaerbico, lo que conllevaa un menor control del proceso

Necesidad de control del proceso:

pH, temperatura y tiempo deretencin.Demanda energtica O2 necesario como receptor de

hidrgeno, mayor demandaenergtica para aireacin.

No precisa O2 como aceptador deHidrgeno, menor demandaenergtica (no aireacin).

Ganancias energticas Diferencia sensible de nivelenergtico entre sustrato inicial yproducto final, capacidad de auto-calefaccin por reaccinexotrmica, productos finales sinaplicacin energtica.

Diferencia energtica entre

sustrato inicial y producto finalbaja. Nada o muy poca capacidadde auto-calefaccin, productosfinales con recuperacinenergtica (metano).

Necesidad de

nutrientes

Mayor Menor

Calidad del solidodigerido

Menor estabilizacin por un procesomenor de digestin.

Mayor estabilizacin debido auna mayor digestin de la materiaorgnica.

Productos obtenidos Fertilizante orgnico slido ocompost.

Fertilizante orgnico lquido yslido, biogs como combustible.

Necesidad decalefaccin

Al tratarse de una reaccinexotrmica, no precisa decalefaccin y puede llevarse a caboen rangos amplios de temperatura.

Precisa de calefaccin en climascon temperaturas mnimasanuales inferiores a los 15C

Problemas de olores Aun tratarse de un sistema abierto,los compuestos no generanproblemas de malos olores.

No hay problema de malosolores, por ser un sistemacerrado.


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3.3 BIODIGESTOR

Un digestor de desechos orgnicos o biodigestor, en su forma ms simple, uncontenedor cerrado, hermtico e impermeable (llamado reactor), dentro del cual sedeposita el material orgnico a fermentar (excrementos animales y humanos, desechos

vegetales, etctera) en determinada dilucin de agua para que se descomponga pormicroorganismos, produciendo por un lado gas metano y por otros fertilizantes orgnicosricos en nitrgeno, fsforo y potasio.

Cuando el biodigestor es de carga diaria, es decir, cuando todos los das se cargacon una cantidad dada de desechos mezclados con agua y del biodigestor sale un volumende lodos fertilizantes igual al de la mezcla alimentada; el biogs se genera en formacontinua durante todo el da. Cuando se trata de un biodigestor que trabaja lote, se cargatodo de una sola vez, no descargndose hasta despus de dos o tres meses, cuando sevaca el residuo y se aplica al campo; en este caso la cantidad de biogs producida esmayor en las primeras semanas y va bajando a medida que transcurre el tiempo.

La utilizacin de los biodigestores adems de permitir la produccin de biogsofrece enormes ventajas para la transformacin de desechos:

Mejora la capacidad fertilizante del estircol. Todos los nutrientes tales comonitrgeno, fsforo, potasio, magnesio as como los elementos menores sonconservados en el efluente. En el caso del nitrgeno, buena parte del mismo, presenteen el estircol en forma de macromolculas es convertido a formas ms simplescomo amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta.

El efluente no tiene olor. Control de patgenos. Aunque el nivel de destruccin de patgenos variar de

acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retencin.

3.3.1 Caractersticas del biodigestor.

Para que un biodigestor de desechos orgnicos opere en forma correcta, deberreunir las siguientes caractersticas:

Deber ser hermtico con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere con elproceso, y fugas del biogs producido.

Deber estar trmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura. Aun

no siendo un recipiente de alta presin, el contenedor primario de gas deber contarcon una vlvula de seguridad. Deber contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema.

Los biodigestores debern tener acceso para mantenimiento. Se deber contar con un medio para romper las natas que se formen.

3.3.2 Tipos de biodigestores

Existen diversos tipos de biodigestores, clasificados por su diseo o tipo deestructura que lo conforma, por ello, se puede decir que los biodigestores mscomnmente utilizados son:


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Campana Flotante

Se compone de un biodigestor sostenido en mampostera y un depsito de gasmvil en forma de campana, que puede flotar directamente en la masa de fermentacin oen un anillo de agua, suministrando una presin constante de gas. Su manejo es fcil pero

la campana adems de tener un costo alto, est expuesta a la intemperie y por lo tantosujeta a la corrosin requiriendo de un mantenimiento peridico. La ubicacin de estebiodigestor es sobre el nivel del suelo y puede adaptarse a todo tipo de clima y a cualquiercondicin topogrfica del terreno como se pude observar en la figura 8.

Campana llena de Gas

1. Campana2. Cao gula3. Cao central para salida del gas4. Soportes cruzados5. Vlvula de gas6. Trampa de agua

Figura 8. Biodigestor de Campana Flotante.

Biodigestor tipo chino o de Cpula Fija

De tipo chino o de cpula fija. Tienen un diseo bsico en el que el biogs escolectado en una cpula fija. Se compone de un biodigestor construido en mampostera yun domo fijo e inmvil, completamente cerrado donde se almacena el biogs. Durante la

produccin de biogs, la masa de fermentacin es desplazada hacia el tanque decompensacin y cuando se extrae el gas, el lquido vuelve al biodigestor, por ello la

presin del gas es variable. Con las constantes oscilaciones de la masa de fermentacin en

la parte superior de la cpula se evita la formacin de la capa flotante.

Campana llena de Gas


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Tiene una larga vida til, no posee partes mviles y/o metlicas que puedanoxidarse.

Figura 9. Biodigestor tipo chino o de cpula fija.

Es de operacin semicontinua y rene las siguientes caractersticas de diseo:

a. No tiene partes mviles.b. Seccin circular, eje vertical: paredes cilndricas.c. Achatado: relacin altura/ dimetro pequea.d. Techo y fondo dmicos: sectores esfricos.e. Construccin bajo el nivel del suelo.f. Cmaras de entrada y salida laterales, diametralmente opuestas.g. Tapa removible en la parte superior del domo, perforada con el tubo de salida de gas.

Puede ser construido con capacidades diversas, que depende de la demanda delbiogs y fertilizante requerido, as como de los desechos orgnicos disponibles. Esparticularmente adaptado a tamaos familiares (6, 8, 10 12 m3 de volumen interno),

aunque logran gran aceptacin hasta tamaos de uso comunal (50, 100 y 200 m3

devolumen interno).


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Planta Baln

Del tipo tubular hechos de goma, polietileno o Plstico de Barro Rojo. Estematerial, producido en forma laminar, es una mezcla de lodos rojos residuales de laextraccin de la bauxita y contiene PVC, plasticador, estabilizador y otros ingredientes.

Al principio los biodigestores se hacan tubulares. Ms tarde se construyeron en forma detiendas de campaa, como se muestra en la figura 10.

Figura 10. Biodigestor tipo Baln (Flujo Pistn).

El biodigestor est compuesto de una bolsa plstica de polietileno o de PVCcompletamente sellada. Es un material de bajo costo en su construccin y de fciltransporte e instalacin, puede construirse en forma horizontal y por ello es favorable parazonas donde el nivel fretico es alto. Tiene la desventaja de que su vida til es corta (3-8aos) dependiendo de la clase de material que se escoja y las presiones son bajas. Elmaterial debe protegerse de los rayos solares para evitar su rpido deterioro.

Desplazamiento horizontal

Este tipo de biodigestor se caracteriza porque la carga se introduce en un extremo yel efluente se retira en otro extremo y es una construccin horizontal de desplazamiento,cuyo cuerpo se encuentra bajo el suelo con la finalidad de proporcionarle un buenaislamiento trmico. Tiene un almacenamiento primario de gas dentro del biodigestor(gasmetro incorporado).

Su geometra y forma de operacin han sido diseadas para asegurar sufuncionamiento continuo, como se muestra en la figura 11.


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Figura 11. Biodigestor tipo de desplazamiento horizontal.

Completamente mezclados

Estos sistemas requieren menores tiempos de retencin (10 a 30 das). Son aplicados aresiduos con alto porcentaje de slidos totales, a fin de lograr un mayor contacto entre la

biomasa microbiana y el sustrato en cuestin. Para garantizar la mezcla en el interior delreactor se emplean diversos sistemas tales como: sistema de paletas internas, los

biodigestores con movimiento circular a travs de un eje central, y por medio del retornodel propio biogs a presin. El tiempo de mezclado vara en dependencia de la complejidaddel sustrato empleado, regulndose en cada caso a fin de controlar la velocidad global del

proceso.

La principal desventaja de estos reactores la constituye la complejidad del sistema demezclado, sobre todo en su construccin y mantenimiento, un ejemplo de este tipo seencuentra en la parte trasera del Laboratorio de Ingeniera Qumica de la UniversidadVeracruzana, campus Coatzacoalcos.

De dos etapas

Existen mltiples combinaciones de biodigestores de dos etapas. La concepcin deestos sistemas est basada en el hecho de que varios grupos de bacterias involucradas enel proceso de descomposicin de la materia orgnica compleja requieren de diferentescondiciones de pH y tiempo de retencin para su crecimiento ptimo.

En estos sistemas, en el primer reactor ocurre la hidrlisis y acidognesis de lamateria orgnica compleja, mientras que en el segundo se lleva a cabo la acetognesis ymetanognesis del material acidificado.

Las variantes de estos sistemas de doble etapa presentan como desventaja largostiempos de retencin hidrulicos requeridos en la primera fase del tratamiento y las bajaseficiencias de conversin. La velocidad de la conversin total y la eficiencia global esdeterminada por la etapa de la hidrlisis y la acidificacin que son llevadas a cabo en el

primer biodigestor.

Las ventajas que aporta este proceso de dos fases, se resumen a continuacin:


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El primer reactor actuar de amortiguador a la llegada de algn golpe de carga delafluente, aportando gran seguridad y estabilidad al sistema; tambin este reactoreliminar el oxgeno disuelto del afluente, por lo que la eficacia en el segundo reactor

ser ptima.

Permite conseguir un biogs de mayor riqueza en metano, lo que repercute en elbalance econmico.

Este sistema admite una mayor flexibilidad en variaciones de carga, pH ytemperatura, a la vez que ofrece mayores facilidades en la actuacin, seguimiento ycontrol del proceso.

3.4 BIOGS

Se llama biogs al gas que se produce mediante un proceso metablico de

descomposicin de la materia orgnica sin la presencia del oxigeno del aire. Este biogs

es combustible, tiene un alto valor calrico de 4,700 a 5,500 Kcal/m3. El biogs,

constituido bsicamente por metano (CH4) y dixido de carbono (CO2), es un

combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural. Tambinpuede comprimirse para su uso en vehculos de transporte, debindose eliminar primero

su contenido de CO2.

Tabla 4. Propiedades del biogs.

CH4 CO2 H2 H2S OTROSBIOGAS

60/40

Proporciones % Volumen 55 - 70 27 - 44 1 3 100Valor Calrico:

MJ / m3

Kcal./m3

35.8

8600

- - - -

- - - -

10.8

2581

22

5258

21.5

5140

Ignicin % en Aire 5 - 15 - - - - - - - - - - - - - - 6 12

Temperatura Ignicin C 650 - 750 - - - - - - - - - - - - - - 650 750

Presin Crtica en MPa 4.7 7.5 1.2 8.9 7.5 8.9

Densidad Nominal g/l 0.7 1.9 0.08 - - - - - 1.2

Densidad Relativa 0.55 2.5 0.07 1.2 0.83

Inflamabilidad Vol. % Aire 5 - 15 - - - - - - - - - - - - - - - 6 - 12

El metano, principal componente del biogs, es el gas que le confiere las

caractersticas combustibles al mismo. Como se observa el aporte calrico fundamental lo

ofrece el metano cuyo peso especifico es de alrededor de 1 Kg/m3. Si deseamos mejorar el

valor calrico del biogs debemos limpiarlo de CO2. De esta forma se logra obtener

metano al 95 %. El valor calrico del metano puede llegar hasta 8 260 Kcal/m3 con una

combustin limpia (sin humo) y casi no contamina. El uso del biogs en motores de

combustin interna permite que se soporten altas compresiones sin detonaciones.

3.4.1 Propiedades del biogs


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Entre sus propiedades fsicas ms notorias se encuentra su capacidad de quemarse

casi sin olores, con llama azul y un calor de combustin equivalente a 21.5 MJ/m3 (573

BTU/ft3 o 5135 kcal/m3), valor que puede variar entre 19.7 y 23 MJ/m3.

3.4.2 Componentes

Los principales componentes del biogs son el metano (CH4) y el dixido de

carbono (CO2). Aunque la composicin del biogs vara de acuerdo a la biomasa

utilizada.

Tabla 5. Componentes del biogs.

Metano (CH4) 55 a 70 %.

Anhdrido carbnico (CO2) 35 a 40 %.

Nitrgeno (N2) 0.5 a 5 %.

Sulfuro de hidrgeno (H2S) 0.1 %.

Hidrgeno (H2) 1 a 3 %.

El valor energtico del biogs por lo tanto estar determinado por la

concentracin de metano alrededor de 20 25 MJ/m3, comparado con 33 38MJ/m3para

el gas natural.

3.4.3 Usos del biogs.

El biogs puede ser utilizado en la coccin de alimentos, para iluminacin, as

como para la alimentacin de motores de combustin interna que accionan, mquinas

herramientas, molinos de granos, generadores elctricos, bombas de agua y vehculos

agrcolas o de cualquier otro tipo. La generacin natural de biogs es una parte

importante del ciclo biogeoqumico del carbono. El biogs puede usarse directamente enquemadores, como por ejemplo en estufas, lmparas, refrigeradores, etc., o bien puede ser

utilizado como combustible en mquinas de combustin interna.

Si el biogs se va a quemar directamente, slo es necesario eliminar las gotas de aguaen suspensin que son arrastradas por el gas al salir del digestor, evitando as la obstruccinde las tuberas en las que se maneja el biogs. Una forma de eliminar esta agua es haciendo

pasar el gas a travs de un separador de lquidos, que consiste bsicamente en un recipienteque guarda una temperatura ms baja que el biogs, para condensar el vapor de agua yatraparlo. Si el gas va a ser usado como combustible en un motor de combustin interna,es necesario eliminar las trazas de cido sulfhdrico (H2S). Para quitar esta impureza

se hace pasar el biogs a travs de una trampa de limadura de hierro, mediante la cualquedan eliminadas las trazas de H2S. La limadura de hierro se regenera peridicamente por

una simple exposicin de aire durante 3 4 das.

El biogs obtenido en el proceso anaerobio puede ser usado directamente comocombustible para calderas, de hornos y en refrigeracin. Ante los elevados costos de loscombustibles fsiles, el uso de biogs como combustible automotor es una alternativamuy interesante, teniendo en cuenta que su contenido de metano y otros gases es muysimilar al del Gas Natural extrado del subsuelo o al del gas licuado de petrleo.


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INGENIERIA DE MECANICA ELECTRICA Pgina 36

4. VARIABLES4.1 VARIABLE INDEPENDIENTE

Cantidad de residuos orgnicos utilizados.

4.2VARIABLE DEPENDIENTECantidad de gas metano obtenido.

4.3VARIABLECUANTITATIVANuestras variables son cuantitativas pues vamos a determinar que cantidad de gas metano

se produce con cierta cantidad de desechos orgnicos

5. HIPTESISSe pretende lograr con la realizacin de este proyecto una forma que vaya ms d la mano con el

medio ambiente por medio de la utilizacin de residuos orgnicos para la obtencin de un gas

metano como recurso, adems de ser utilizada como fuente de energa natural.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEl biodigestor es un sistema de bajo costo, de fcil construccin. Lecciones aprendidas endivulgacin y diseminacin La estrategia para la divulgacin y diseminacin de esta tecnologa que

se ha visto ms acertada es a travs de biodigestores demostrativos. Esto es, instalar uno o dos

biodigestores por comunidad, en una granja municipal si hay inters de las autoridades o en granjas

o centros educacionales modelo que existan, de forma que los vecinos vean su funcionamiento,

manejo y beneficios. Esta estrategia no es agresiva y se da a conocer una tecnologa nueva, de

modo que las familias tendrn informacin y criterios propios para decidir la conveniencia de

introducir, o no, un biodigestor en sus viviendas y manejo agropecuario. Cuando un biodigestor se

instala se realiza su primer llenado con gran cantidad de estircol y agua, hasta que el lodo interior

tape las bocas de las tuberas de entrada y salida para asegurar una atmsfera anaerbia. Es

importante hacer un seguimiento posterior, puesto que el biodigestor tardar tantos das como

tiempo de retencin se haya considerado para entrar en plena produccin de biogs y fertilizante. En

el caso del altiplano esto puede suponer dos meses cargando diariamente un biodigestor que an no

da los productos esperados, y por tanto es necesario acompaar y apoyar a la familia en este

proceso para que no se siente que el trabajo es vano. En caso de existir subvenciones monetarias

para adquirir los materiales, ya sea por parte de municipios o cualquier otro tipo de ayuda, nunca ha

de ser total, y por tanto hay que hacer partcipe a la familia en los costos.


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7. BIBLIOGRAFIAhttp://tesis.unjbg.edu.pe:8080/bitstream/handle/unjbg/128/22_Cueva_Ancalla_BL_FACI_Biologia

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biodigestor de gas metano

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