Evaluación de un biodigestor piloto tipo horizontal

  1. Introducción
  2. Descripción de la Empresa
  3. Metodología
  4. Resultados y análisis de resultados
  5. Conclusiones
  6. Recomendaciones
  7. Anexos
  8. Referencias bibliográficas

Introducción

La materia orgánica como el estiércol del ganado porcino, pueden transformarse en energía utilizable (energía de biomasa) a través de bacterias anaerobias que propician su descomposición, esto es posible mediante la disgregación bacteriológica de los sólidos volátiles que se encuentran en este substrato. Durante el proceso se produce gas metano (CH4), bióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), nitrógeno (N2) y ácido sulfhídrico (H2S) que pueden ser almacenados en contenedores sellados a los que generalmente se conoce con el nombre de Digestores Anaeróbicos. (Lengeler, 1999).

En la fermentación bacteriana se distinguen cuatro etapas, la hidrólisis, donde los compuestos orgánicos son solubilizados; la acidogénesis, donde los compuestos orgánicos solubles son convertidos en ácidos orgánicos; la acetogénesis, allí ocurre la conversión de productos correspondientes a

Monografias.com

A fin de evaluar el rendimiento (producción acumulada de gas metano en relación al tiempo de retención, representado en días), se construyo un biodigestor piloto tipo Horizontal cuyo sistema de digestión empleado (desplazamiento horizontal de diferentes secciones, cúpula fija); a partir de materiales reciclables; donde producto de base orgánica (estiércol porcino); fue vertido bajo condiciones físico químicas que favorecen el crecimiento de bacterias, generadoras de gas metano (CH4). Y poder comparar el rendimiento de otros tipos de biodigestor como el de tipo Chino con sistema de digestión (batch y de mezcla, circular, pequeño y achatado), así como también el biodigestor de tipo Hindú cuyo sistema de digestión (desplazamiento vertical, cilindro vertical, con tanque de gas), empleando para ello el mismo substrato.

OBJETIVOS

Objetivo general:

  • Evaluar un biodigestor piloto tipo horizontal.

Objetivos específicos:

  • Diseñar un biodigestor piloto tipo horizontal.

  • Construir un biodigestor piloto tipo horizontal.

  • Seleccionar el substrato, concentración y pH de la carga utilizar, para la evaluación el biodigestor piloto tipo horizontal.

  • Determinar el rendimiento del biodigestor piloto tipo horizontal evaluado.

Descripción de la Empresa

  • Reseña histórica.

La Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda (UNEFM), es una institución cuyo objetivo es el desarrollo tecnológico, contando para ello con varios centros de investigación y departamentos que realizan trabajos de carácter científicos tecnológicos, para lo cual es necesario conocimientos químicos de los materiales que manipulan y de sus respectivos controles químicos y bioquímicas.

Dichas medidas empiezan a mediados del año 1989, con el Vicerrector Administrativo el Prof. Julio Pérez, teniendo en ese momento una crisis presupuestaria la Universidad acepta como única vía posible, la donación acompañada con el compromiso de cooperación mutua. Teniendo Como iniciativa el sector productivo del Estado Falcón, Ministerio de Desarrollo Urbano, del Medio Ambiente, de Agricultura y Cría, Organismos Internacionales de Cooperación, por intermedio de CORDIPLAN y de las embajadas de Alemania, Italia y España, Casas Distribuidoras de Equipos, etc., a los fines de adquirir el instrumental analítico, accesorios, materiales y reactivos químicos necesarios para fundar el Laboratorio.

En cuanto a la planta física en un principio fueron ubicados en las instalaciones del antiguo "FOPE" (los materiales y accesorios de laboratorio) y los equipos delicados guardados en las oficinas del vicerrectorado administrativo y de planificación universitaria para luego instalarse el Laboratorio en el segundo piso ala Norte del Complejo Docente, con área total de 150m2 de superficie, dichas instalaciones se han venido adecuando a las necesidades del laboratorio.

En cuanto al recurso humano que contó para ese momento el laboratorio mediados de 1993 fue el Profesor Dr. Julio López, Lic. Ricardo Morales quienes conformaron el equipo de arranque del laboratorio De Análisis Químico Logrando abrir sus puertas a partir del 13 de septiembre del año 1993.


El laboratorio de Análisis químico de la UNEFM, busca estudiar y evaluar los recursos naturales con que cuenta el Estado Falcón, así como realizar trabajos científicos tecnológicos, que precisen el conocimiento químico exacto de los materiales que se manipulan y sus respectivos controles químicos, mediante métodos y medios, proporcionando ayuda a las diferentes del estado, y contribuyendo al desarrollo económico de la región. La Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda, como institución pública al servicio del estado venezolano, brinda estudios universitarios a todos(as) los(as) que estén interesados(as) en continuar su formación profesional, personal y ciudadana.

La Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda, tiene el deber social de contribuir con la transformación social inmersa en el proyecto  de vida plasmado en  la Constitución de la República Bolivariana de Venezuela a través de la acción comunicativa dialógica entre nuestra institución y las comunidades organizadas.   Su finalidad es expresar el cumplimiento de la  responsabilidad social de la Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda en el impulso de la democracia participativa y protagónica de la República Bolivariana de Venezuela.

  • Misión.

  • Estimular la realización de proyectos de investigación y desarrollo orientados a la producción de conocimientos con valor económico, en alianza estratégica con centros nacionales e internacionales de excelencia, contribuyendo productivamente a la solución de problemas regionales y nacionales en pro de una mejor calidad de vida.

  • Interactuar con los sectores productivos públicos y privados y capacitar profesionales actualizados, integrales, con sensibilidad social e identidad cultural generadores de cambios a la comunidad.

  • Visión.

La visión de la UNEFM es ser un área con elevada pertinencia regional en lo social, cultural, tecnológico y científico, cogestionando y participando activamente con los sectores públicos y privados en el estudio y solución de los problema y en la formación de profesionales universitarios.

  • Organigrama.

  • Autoridades rectorales.

  • 1. Rector: Dr. José Yancarlos Yepez.

  • 2. Vicerrector académico: Prof. Olvis Subero.

  • 3. Vicerrector administrativo: Prof. Rubén Perozo.

  • 4. Secretaria: Dra. María Auxiliadora Ferrer.

  • Decanos de áreas docentes.

  • Ciencias de la salud: Dr. Juan Talavera.

  • Tecnología: Lic. Luis Campos.

  • Ciencias de agro y mar: Ing. Neptali Rodríguez.

  • Ciencias de educación: Lic. Luis Dovales.

  • Decanos de áreas académicas genéricas.

  • Investigación: Prof. Eudes Navas.

  • Postgrado: Ing. Nicolás Valles.

  • Extensión y producción: Prof. Pedro Urbina.

www.unefm.edu.ve

Metodología

  • Descripción de las actividades

La evaluación del biodigestor piloto de tipo horizontal se realizó un periodo de 8 semanas, que va desde el 31 de mayo de 2010 hasta el 26 de julio de 2010, de acuerdo al desarrollo de las actividades que se describen a continuación:

2.1.1. Identificación de los diferentes tipos de biodigestores. Semana 1: 31/05/2010 – 06/06/2010.

Durante esta primera fase de la investigación, se realizó la búsqueda de toda la información documental necesaria para lograr la identificación de los distintos tipos de biodigestores. Se consultaron fuentes bibliográficas del departamento de trabajo de grado de la UNEFM y referencias electrónicas, relacionadas con el tema.

2.1.2. Análisis de los diferentes tipos de biodigestores. Semana 2: 07/06/2010 – 13/06/2010.

Para esta etapa de la investigación se contó con documentación bibliográfica, que hizo referencia puntual a los diferentes tipos de biodigestores de acuerdo a su principio de funcionamiento. Para el análisis se compararon diferencias, similitudes, estructura, sistema de biodigestion, y almacenamiento de biogás de cada modelo existente.

2.1.3. Selección del tipo de biodigestor. Semana 3: 14/06/2010 - 20/06/2010.

Una vez que se analizaron los diferentes tipos de biodigestores y su principio de funcionamiento se procedió a la selección del tipo de biodigestor a emplear, esto se fundamentó en la cantidad de substrato requerido, sistema de desplazamiento de la carga y capacidad volumétrica del biodigestor. Ver tabla Nº1.

2.1.4. Dimensionamiento del biodigestor. Semana 4: 14/06/2010 – 20/06/2010.

De acuerdo a la cantidad de materia orgánica a procesar, y al sistema de recolección de gas metano (CH4), se dimensionó un equipo con la capacidad para alojar dicha carga. Este debió ser resistente para soportar el contenido del substrato así como el efecto corrosivo del hidróxido de sodio. Previo a ello se valoró el pH de la carga con el rango permisible, y se selecciona la concentración de la base fuerte a emplear y proporción de excreta en el agua.

2.1.5. Selección del material para la construcción del biodigestor. Semana 5: 14/06/2010 – 20/06/2010.

Se seleccionaron materiales de carácter reciclable, especialmente para alojar el substrato, sin modificar sus condiciones; de igual forma se eligieron materiales que resistentes a la acción corrosiva del hidróxido de sodio (30% p/v).

2.1.6. Elaboración de esquema del biodigestor. Semana 5: 21/06/2010 – 27/06/2010.

Se elaboró el esquema con las respectivas dimensiones de acuerdo a la capacidad volumétrica requerida, este esboce identifica cada una de las partes que conforman el sistema de recolección de biogás, y su posterior ensamble.

2.1.7. Construcción de un biodigestor piloto de tipo horizontal. Semana 5: 21/06/2010 – 27/06/2010.

Para la construcción del biodigestor piloto de tipo horizontal se buscó un recipiente de biodigestion donde la mezcla de agua y estiércol fue digerida, a su vez se acopló a este un sistema de recolección de gas metano, por desplazamiento de liquido empleando para ello dos recipientes más. Se realizó aplicando los conocimientos adquiridos, en el laboratorio de química, tales como medición, obtención de biogás, y destrezas adquiridas.

2.1.8. Obtención y medición de biogás. Semana 5, 6, 7, 8: 21/06/2010 -26/07/2010.

La medición del metano se hizo a través de la recolección del biogás por medio de un sistema de desplazamiento de líquido; donde el metano (CH4) generado, fluyó a través de una solución alcalina (NaOH, al 30% p/v), utilizando para ello un recipiente de plástico de polietileno de 5L de capacidad volumétrica; Los volúmenes de metano generados en los respectivos intervalos de tiempo se obtuvieron como volumen de gas metano por día. Ver tabla Nº2

2.1.9. Cálculo del rendimiento del biodigestor. Semana 8: 19/07/2010 – 26/07/2010.

Usando los conocimientos algebraicos, se aplicó la herramienta básica de Microsoft office Excel para elaborar las tablas que representaron, el volumen de metano generado por día de retención, así como la sumatoria total durante el tiempo total de retención. Se representó el porcentaje de rendimiento por día, y la sumatoria total del porcentaje de rendimiento durante el tiempo total de retención. Ver tabla Nº3 y gráfico Nº2.

A fin de calcular el rendimiento diario del biodigestor, conocidos los volúmenes generados de metano y el volumen alimentado al biodigestor se aplica la siguiente ecuación:

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2.1.10. Elaboración del informe. Semana 8: 19/07/2010- 26/07/2010.

Para la elaboración del informe se siguieron los lineamientos emitidos por la coordinación de pasantías industriales, de la UNEFM de la misma manera se realiza una descripción de las actividades desplegadas a lo largo de la pasantía, respectivos análisis y resultados obtenidos, a partir de los cuales surgen las conclusiones y recomendaciones a fin de mejorar posteriores actividades relacionadas con el tema, realizándose una reseña bibliográfica y fotográfica se evidencia la fuente de las mismas.

Resultados y análisis de resultados

  • Diseño de un biodigestor piloto tipo horizontal.

Un biodigestor está formado por un tanque hermético donde ocurre la fermentación y un depósito de almacenamiento de biogás (Amaya, 2009). De acuerdo a la frecuencia de cargado, los sistemas de biodigestion se pueden clasificar en sistema batch o discontinuo, sistemas semi-continuos, sistemas continuos. (Chávez, 2001).

La siguiente tabla hace referencia a las características de diseño de los diferentes tipos de biodigestores en cuanto a la frecuencia de cargado, y sistema de biodigestion. Para el caso de los tres tipos se emplea el modo de carga semi-continuos, y las características del diseño responden a un sistema digestor que utiliza como substrato, residuos agrarios, estiércol, y excreta humana.

Tabla. Nº 1 Análisis de los diferentes tipos de biodigestores.

Chino o cúpula fija

Es circular pequeño y achatado, con un sistema de digestión de mezclado, los substratos que emplea son residuos agrarios y excreta humana.

Hindú o campana flotante

Consiste en un cilindro vertical con un tanque de almacenamiento de gas. Posee un sistema de digestión de desplazamiento vertical, emplea como substrato el estiércol.

Horizontal

Comprende diferentes secciones, es de cúpula fija con un sistema de digestión de desplazamiento horizontal, emplea como substrato el estiércol.

Fuente: Tecnología Energética y Desarrollo. (Oliveros, 1990)

Se seleccionó para una posterior evaluación el diseño de un sistema batch o discontinuo piloto de tipo horizontal, cuyo sistema de digestión es el desplazamiento horizontal y características del diseño horizontal; con la finalidad de determinar el rendimiento, en producción acumulada de gas metano en relación al tiempo de retención que es de 29 días, y substrato que se emplea es el estiércol porcino.

Esta selección es debido a la facilidad de construcción y materiales de fácil acceso, puesto que su sistema de desplazamiento es horizontal, se recomienda emplear cuando se requieren grandes volúmenes de carga, debido a que posee una geometría alargada y el sistema de llenado o vaciado del mismo se hace mas practico pues se introduce por un extremo opuesto que corresponde a la salida del biogás.

  • Dimensión del Biodigestor.

Es un equipo compuesto por tres partes, la primera consta de un recipiente dispuesto en posición horizontal con capacidad para 20L. La segunda parte consta de un contenedor hermético de de 5 L de capacidad, dentro del mismo una manguera en forma de campana que se sumerge en el hidróxido de sodio contenido en este. Y una tercera parte que comprende un recipiente de 1Monografias.comL de capacidad para la medición del biogás por desplazamiento del hidróxido de sodio.

  • Materiales

  • 1 recipiente hermético de polietileno con símbolo de reciclaje P-2, con capacidad para 20 L, dimensiones de 20cm de ancho, 40cm de largo, 25 cm de alto.

  • 1 recipiente hermético de polietileno con símbolo de reciclaje P-2 de 5 L.

  • 1 recipiente milimetrado de polietileno con símbolo de reciclaje P-2 de 1Monografias.comMonografias.com

  • 3 niples de pvc Monografias.com

  • 1 teflón

  • 3 m de manguera cristalina de Monografias.com

  • 1 manguera de inodoro Monografias.com

  • 1 exacto pequeño

Debido a la utilidad de los materiales que pueden reciclarse y su empleo en la aplicación de las habilidades adquiridas en la cátedra de química orgánica II; se sabe que estos, son de fácil acceso y se obtienen a un bajo costo. Con el fin de reducir las cantidades de residuos sólidos que se generan a diario y darle provecho al ser reutilizados.

  • Esquema del biodigestor.

Se representó un bosquejo del biodigestor piloto tipo horizontal, con medidas en tres dimensiones para el recipiente de carga principal, dispuesto en forma horizontal; puesto que para los otros dos recipientes de polietileno con capacidad de 5 L y 1Monografias.comL respectivamente se representa su altura. Dejando saber que estas tres secciones acopladas responden a sistema de biodigestion semi-continua, una vez puesto en funcionamiento no requiere que la carga sea removida o manipulada constantemente.

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Fig. Nº1 Esquema del equipo de biodigestion

  • Construcción de un biodigestor piloto tipo horizontal

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  • Selección del substrato, concentración y pH de la carga utilizar, para la evaluación el biodigestor piloto tipo horizontal.

  • Proporción de excreta y agua.

Substrato: estiércol de ganado porcino.

Cantidad a utilizar: 4K base húmeda.

Concentración de la mezcla substrato/agua 30Monografias.comRelación 1:3, por 1k de substrato, se requieren 3L de agua.

Puesto que la materia orgánica a fermentar se encuentra a disposición en la granja donde se adquirió con una producción de 2.8K diarios ocupando una posición de segundo lugar en comparación con el estiércol vacuno según (CEDECAP, 2007) y debido a que sus características favorecen la fermentación anaerobia para la producción de gas metano y fertilizantes como efluente favoreciendo el uso de estos desechos orgánicos y evitar ser vertidos en sistemas de aguas blancas, que puedan causar contaminación.

Solución de base fuerte.

Solución: hidróxido de sodio acuoso.

Cantidad a utilizar: 150 g de NaOH, 5L de agua destilada.

Concentración de la solución 30% p/v.

La purificación del biogás no es más que la remoción del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno. El dióxido de carbono es eliminado para aumentar el valor del biogás como combustible. El sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás (Hesse, 1983). Para ello se emplea e hidróxido de sodio, como absorbente.

Valores de pH en la fase liquida.

El pH en el tanque del biodigestor debe ser alrededor de siete. Puesto que los procesos anaeróbicos producen ácidos, esta deberá ser neutralizada. (Carrillo, Leonor. (2003). Es por ello que le pH de la carga es aceptable ya que esta dentro de este rango permisible fue de 6,23.

  • Determinación del rendimiento del biodigestor piloto tipo horizontal evaluado.

  • Obtención y medición del biogás.

En la siguiente tabla se señala la secuencia de desplazamiento de hidróxido de sodio diario, que representa a su vez el volumen de gas metano generado por día de retención, para un periodo de 29 días.

Tabla Nº2 Secuencia de desplazamiento del hidróxido de sodio

Secuencia del desplazamiento de hidróxido de sodio

Volumen de CH4 generado (L)

28/06/2010

0

29/06/2010

0,500

30/06/2010

1,200

01/07/2010

1,325

02/07/2010

1,830

03/07/2010

2,250

04/07/2010

2,300

05/07/2010

2,590

06/07/2010

2,450

07/07/2010

2,500

08/07/2010

2,350

09/07/2010

2,830

10/07/2010

3,000

11/07/2010

3,200

12/07/2010

3,270

13/07/2010

3,500

14/07/2010

4,000

15/07/2010

4,200

16/07/2010

5,550

17/07/2010

5,110

18/07/2010

3,700

19/07/2010

3,650

20/07/2010

3,420

21/07/2010

3,530

22/07/2010

3,100

23/07/2010

2,860

24/07/2010

2,580

25/07/2010

2,200

26/07/2010

2,100

Producción final

81.095 l

En esta tabla se observa la secuencia de desplazamiento del hidróxido de sodio por día de retención, el mayor desplazamiento fue el día 20 con 5,11L.

  • Rendimiento del metano por volumen de líquido desplazado.

Tabla. Nº3 Porcentaje de Rendimiento en la generación de gas metano.

Secuencia en Días

Volumen de metano generado(L)

% Rendimiento

28/06/2010

-

0,00

29/06/2010

0,500

3,33

30/06/2010

1,200

8,00

01/07/2010

1,325

8,83

02/07/2010

1,830

12,2

03/07/2010

2,250

15,00

04/07/2010

2,300

15,33

05/07/2010

2,590

17,27

06/07/2010

2,450

16,33

07/07/2010

2,500

16,67

08/07/2010

2,350

15,67

09/07/2010

2,830

18,87

10/07/2010

3,000

20,00

11/07/2010

3,200

21,33

12/07/2010

3,270

21,8

13/07/2010

3,500

23,33

14/07/2010

4,000

26,67

15/07/2010

4,200

28,00

16/07/2010

5,550

37,00

17/07/2010

5,110

34,07

18/07/2010

3,700

24,67

19/07/2010

3,650

24,33

20/07/2010

3,420

22,80

21/07/2010

3,530

23,53

22/07/2010

3,100

20,67

23/07/2010

2,860

19,07

24/07/2010

2,580

17,20

25/07/2010

2,200

14,67

26/07/2010

2,100

14,00

29 días

81,095 L

R.P = 18,65%

R.T= 540.63%

R.P= rendimiento promedio R.T= Rendimiento total

En la esta tabla se muestra el porcentaje de rendimiento diario del biodigestor en relación al volumen de metano generado y volumen alimentado inicialmente, para un periodo de 29 días.

Según los resultados obtenidos, el rendimiento promedio del biodigestor durante el periodo de retención de 29 días es de 18.65%, sin embargo el rendimiento total referido al volumen total es de 540.63%. El día de mayor generación fue el día 20 con un rendimiento de 34.07% esto indica que mientras mayor tiempo de retención de la materia orgánica mayo será la generación, hasta alcanzar el punto máximo de generación donde este disminuirá progresivamente.

El siguiente grafico representa el progreso del equipo de biodigestion en función a dos variables que son, el volumen de NaOH (L) desplazado, y el tiempo de retención expresado en (días).

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Grafico Nº1. Progreso del equipo de biodigestion

Se puede observar que la generación de gas metano durante el tiempo de retención varia de forma continua, en función del tiempo puesto que no se evidencia un comportamiento lineal, sino que por el contario se alcanza un punto máximo de generación correspondiente al día 20 después de iniciada la obtención y medición de biogás generado, da indicación que existen condiciones limites de operación de acuerdo al diseño y método de obtención del biogás.

El siguiente grafico representa el progreso del equipo de biodigestion en función a dos variables que son, el porcentaje de rendimiento del biodigestor, y el tiempo de retención expresado en (días).

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Grafico Nº2.Porcentaje de Rendimiento en función al tiempo de retención.

El día de mayor generación fue el día 20 después de iniciada la obtención y medición de biogás, con un volumen de metano generad de 5.110L y un porcentaje de rendimiento de 34.067% para el mismo día, la variación que se observa da indicios de la influencia que tienen diversos factores sobre la estabilidad de la generación, para este caso de estudio solo el pH es la variable estudiada.

Conclusiones

  • El biodigestor obtuvo un rendimiento promedio de 18.65% por un periodo de 29 días.

  • El volumen total de metano generado fue de 81,095 L por un periodo de 29 días.

  • El punto máximo de generación de gas metano fue el día 20 con una generación de 5.11 L

  • El máximo rendimiento obtenido fue de 34.07% el día 20, luego de iniciada la evaluación.

  • El rendimiento del biodigestor no tiene un comportamiento lineal.

  • Luego de alcanzar el punto máximo de generación de gas metano, la generación disminuye proporcionalmente con el tiempo.

Recomendaciones

  • Emplear otro substrato, a fin de comparar con el rendimiento obtenido para el biodigestor piloto tipo horizontal.

  • Comparar el rendimiento del biogás empleando otra base fuerte.

  • Emplear otro sistema de recolección de metano para evitar pérdidas del mismo por fuga de gas, con el uso de un gasómetro.

  • Prevenir la exposición prolongada al Hidróxido de Sodio, puesto que puede provocar lesiones, quemaduras, y corrosión del material expuesto.

  • Controlar el pH, y asegurar el agregado de estiércol porcino fresco, para evitar pedidas durante la fermentación del substrato.

Anexos

BIODIGESTOR PILOTO DE TIPO HORIZONTAL

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Referencias bibliográficas

 

 

Autor:

Br. Jaimes Yessica

yessicajaimes26[arroba]hotmail.com

Tutora académica: Ing. Angie Marín

Tutora industrial: Ing. Koralys Goitía

Agosto de 2010

Monografias.comUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

"FRANCISCO DE MIRANDA"

COMPLEJO ACADEMICO "EL SABINO"

ÁREA DE TECNOLOGÍA

PROGRAMA DE ÍNGENIERÍA QUÍMICA

PASANTÍA INDUSTRIAL I


Artículo original: Monografías.com

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