ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS

CARRERA DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

DISEÑO DE BIORREACTORES

OBTENCIÓN DE BIOGÁS CASERO

INTEGRANTES:FREDY BAYAS

CARMEN COLCHAMARÍA JOSÉ GAVILÁNEZ

ANDRÉS LÓPEZNICOLE MORA

HENRY REALORENA RODRÍGUEZ

PAUL YUQUILEMA

NOVENO SEMESTRE

1. INTRODUCCIÓN

Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en ausencia

de oxigeno) de las bacterias que habitan en el estiércol, para transformar éste en biogás

y fertilizante.

El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, o iluminación, y en

grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad.

En las grandes urbes, los residuos sólidos orgánicos son un gran problema ya que éstos

son dispuestos en rellenos sanitarios los cuáles rompen el ciclo natural de

descomposición porque contaminan las fuentes de agua subterránea debido al lavado del

suelo por la lixiviación y también porque favorece la generación de patógenos.

Los residuos orgánicos al ser introducidos en el biodigestor son descompuestos de modo

que el ciclo natural se completa y las basuras orgánicas se convierten en fertilizante y

biogás el cual evita que el gas metano esté expuesto ya que es considerado uno de los

principales componentes del efecto invernadero.

La utilización de biogás puede sustituir a la electricidad, al gas propano y al diesel como

fuente energética en la producción de electricidad, calor o refrigeración.

En el sector rural el biogás puede ser utilizado como combustible en motores de

generación eléctrica para autoconsumo de la finca.

2. OBJETIVOS

2.1. GENERAL:

Obtener el biogás mediante experimentación casera con estiércol vacuno y

porcino.

2.2. ESPECÍFICOS:

Determinar las ventajas y desventajas de la producción de biogás casero.

Dimensionar el biodigestor mediante la utilización de Autocad 2014.

Identificar el nombre del gas que emana el sistema y determinar el volumen final

del este.

Identificar los factores más importantes que influyen en el proceso

metanogénico

.

3. MARCO TEÓRICO

El fenómeno de biodigestión ocurre porque existe un grupo de microorganismos

bacterianos anaeróbicos (ausencia de oxígeno) presentes en el material fecal que, al

actuar sobre los desechos orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de

gases con alto contenido de metano (CH4) llamado biogás, que es utilizado como

combustible. Como resultado de este proceso genera residuos con un alto grado de

concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizantes) que pueden

ser aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la

proliferación de moscas. Una de las características más importantes de la biodigestión

es que disminuye el potencial contaminante de los excrementos de origen animal y

humano, disminuyendo la Demanda Química de Oxigeno DQO y la Demanda Biológica

de Oxígeno

DBO hasta en un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y operación).

Se deben controlar ciertas condiciones pH, presión y temperatura a fin de que se pueda

obtener un óptimo rendimiento. Los principales componentes del biogás son el metano

(CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varía de

acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación:

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS

Componentes Porcentaje

Metano 60 – 70 %

CO2 30 – 40 %

Hidrógeno 0.5 %

Nitrógeno 0.1 %

Oxígeno 0.1 %

Ácido Sulfhídrico 0.1 %

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

combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado

por la concentración de metano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 –

38MJ/m3 para el gas natural.

También el biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a

gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un

generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80%

del acpm o diesel (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la

totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión).

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:

Generar 1.25 kw/h de electricidad.

Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.

Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.

Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.

Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas

La digestión de lodos e sun proceso de descomposicion anaeróbica, que consiste en la

degradación de la amteria orgánica en ausencia de oxígeno. Elproceso ára producir

metano (CH4), dioxido de carbono y otros compuestos implica la realización de una

serie de reacciones bioaqu+imicas, donde aprticipan una gran variedad de

microorganismos, los cuales a una parte del carbono lo oxidan completamente formando

CO2 y a la otra reduce en alto grado para formar metano, siendo químicamente estables

ambos compuestos.

Casi todas las materias orgánicas pueden emplearse para la fermentación. El hombre en

la producción de biogás utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas

residuales de la industria liviana y alimenticia,los dsechos municipales y diversos

subproductos agricolas (residuos de cultivos y excrementos humanos y de animales),

además se aprovechan algunos cultivos energeticos. Estos compuestos son desdoblados

fundamentalmente por bacterias que descomponen los amteriales prgánicos, algunos de

los cuales producen gas metano y otros no producen ningún gas. También se han

encontrado en los aislamientos protozoarios y hongos. La cooperacion e interacción

entre estos microorganismos es lo que produce la tranformacion y degradacion de los

diversos materiaales, de allí que el conocimiento de la micrbiología de la fermentación

metnaogenica sea la base fundamental para eldiseño el equipo, la organización del

proces,lapolitica tecnologica e laproduccion y el control de las condiciones técnicas.

Se reconoce cuatro grupos de bacterias que poseen diferentes funciones catabolicas

sobre el carbono, en el proceso de degradación de la materia orgánica hasta el metano,

estos grupos son:

GRUPO I. Bacterias hidrolíticas, catabolizan sacáridos, proteínas,lípidos y otros

constituyentes menores de la biomasa.

GRUPO II. Bacterias acetanogénicas, productoras de hiddrógeno, catabolizan ciertos ácidos grasos y productos finales

neutros.

GRUPO III. Bacterias homoacetanogénicas, catabolizan compuestos monocarbonados,

y/o hirolizan compuestos multicarbonos hacia la producción de ácido acético.

GRUPO IV. Bacterias metanogénicas, catabolizan acetato compuestos

monocarbonatos para producir metano; contemplándose solo cuatro

generos=Metanobacterium Methanococcus, Methanospirillum y Methanosercina.

Actualmente se considera que el proceso es mejor explicado bajo un esquema de tres

etapas, como se observa:

Grafica 1: Etapas de la Fermentación Metanogénica

Periodo de Produccion intensiva de ácidos (acidificación).Se inicia con la

materia orgánica y compuestos de mas fácil descomposición (grasas) existe

gran producción de dióxidos de carbono,producción de ácido sulfidrico,ácidos

orgánicos, bicarbonatos. ElpH se encuentra en la zona ácida 5.1 a 6.8.

Periodo de digestión de ácidos /Regresión, licuefacción). Atque a los ácidos

orgánicos y compuestos nitrosos, producción de bicarbonatos y de compuestos

amoniacales,mal olor causado por el ácido sulfihidrico. Gran parte de los sólidos

flotan y el pH se encuentra entre 6.6 y 6.8.

Periodo de digestión intensiva o de fermentación alcalina,digestión de materias

resistentes,proteínas aminoacidos, celulosa, producción de amoníaco, sales de

ácidos orgánicos y grandes volúmenes de gas,pricipalemente metano y

cantidades menores de dioxido de carbono y nitrógeno,olor a alquitran.

Pequeñas cantidades de sólidos flotantes. El pH pasa a la zona alcalina 6.9 a 7.4.

Normalmente en un digestor se cumplen las tres etapas. Para que un proceso de

ermentación se realice en forma normal y vital es preciso contar con la acción conjunta

y combinada de bacterias y su función más o menos activa o inactiva, tienden a destruir

el equilibrio cinético lo que lleva a la anormalidad o incluso al fracaso del proceso de

fermentación.

FACTORES A CONSIDERAR EN EL PROCESO METANOGÉNICO

Existen muchos facores que influyen directamente en la fermentación metanogénica y

son capaces de modificar la rapidez de la descomposición, entre ellos tenemos:

Material de carga para la fermentación.

Elmaterial de carga es (residuos de los cultivos, excretas de animales) y se dividen en

dos grupos, las materias ricas en nitrógeno y las materias ricas en carbono,el nitrogeno y

las materias primas ricas en carbono, elnitrogeno se utiliza como constituyente para la

formacion de la estructura celular y el carbono como fuente de energía.

Relacion C/N

Se reconoce una relación C/N de 20-30:1. La excreta de animales tiene una relacion

C/N inferior a 25:1, durante la fermentación tienen una mejor velocidad de

biodegradación y de generación de gas.

Concentración de la carga

No se recomienda que la carga a degradar este muy concentrada ni muy diluida, es

conveniente una concentración de 5-10 %.

La Temperatura

Material de carga para la fermentación.

La Temperatura.

Concentración de la carga.

Relacion C/N.

Valor del pH.

Promotores e inhibidores de la fermentación.

Define laszonas en donde el proceso puede llevarse a cabo ya sea por la latitud y/o

altura. Afecta el tiempo de retención para la digestión y degradación del material dentro

del digestor, la degradación se incrementa en forma geométrica con lso aumentos de la

temperatura de trabajo, además se incrementa la producción de gas.

Valor del pH

El valor óptimo es de 6.5 – 7.5, cuando baja de 5 o sube de 8 puede inhibir elproceso de

fermentación o incluos detenerlo.

Promotores e inhibidores de la fermentación.

Los promotores son materiales que pueden fomentar la degradación de la materia

orgánica y aumenta la producción de gas; entre ellos tenemos enzimas, sales orgánicas,

urea, carbonato de calcio.

Los inhibidores son aquellos factores que inhiben la actividade vital de los microbios;

entre ellos tenemos los iones metálicos.

4. PARTE EXPERIMENTAL

4.1. EQUIPOS Y MATERIALES:

2 termómetro

Equipo de venoclisis

Papel aluminio

2 botellas de cinco litros

Ph-metro

Silicona

2 probetas de 1000 ml

4.2. REACTIVOS

1,7 kg estiércol de vaca

1,7 kg estiércol de cerdo

3400 ml de agua

3000 ml lactosuero

5. DIMENSIONAMIENTO

6. Tipo Cant. Cabezas

PVP(kg) PVE(kg) Cant. Excreta(kg/día)

TE(horas/día)

Cerdo 1 1,7 50 2,25 24Vaca 1 1,7 350 10 6

Calculo para los cerdos:

¿¿ cabezas∗PVpPVe

∗Cant . Excreta∗Te24

¿

1∗1,750

∗10∗24

24

¿0,34 Kgestiercol /dia

Conociendo que previamente para los caballos los solidos suspendidos se estiman en alrededor del 20% su valor en Kg será:

SS=0,34∗0.2

SS=0,068KgSS /dia

Calculo para las vacas:

¿¿ cabezas∗PVpPVe

∗Cant . Excreta∗Te24

¿

1∗1,7350

∗10∗6

24

¿0,012 Kgestiercol/dia

Conociendo que previamente para los caballos los sólidos suspendidos se estiman en alrededor del 20% su valor en Kg será:

SS=0,012∗0.2

SS=2,43 x 10−3 KgSS /d ia

Entonces:Estiercol total

dia=0,34+0,012=0,352 kg/dia

Una vez determinada la cantidad de excreta se calcula el volumen total teniendo en cuenta la dilución recomendada.

De esta manera el volumen de mezcla por día en el digestor será:

Vt=0,352 Kgestiercoldia

+(2∗3 Kgdeaguadia )

Vt=6,352 Kgmezcladia

Vt=6,352 x 10−3m 3dia

Considerando 23 días de retención para la estabilización de la materia orgánica el volumen total de digestión será:

Vt=6,352 x 10−3m 3dia

∗23dias

Vt=0,146m3

Se diseña un biodigestor para 0,01m3 para que la carga orgánica no rebase los 2kg/m3/día.

0,068 Kg(cerdos) + 2,43 x10−3Kg(vacas) = 0,07043KgSS /dia

Por lo tanto, la carga orgánica diaria en el volumen del digestor será:

(0,07 kg SS/día)/0,01 m3 = 7,043 kg SS/m3/día

7. RESULTADOS

pH inicial de las muestras:

Biodigestor 1: 7

Biodigestor 2: 6.90

Temperatura y Volumen del biogás obtenido en los 2 biodigestores:

Dias Temperatura 1(°C)

Volumen 1 (mL)

Temperatura 2 (° C)

Volumen 2 (mL)

1 22

0 21

0

2 22

0 21

0

3 18

0 21

0

4 18

0 19

0

5 19

0 19

0

6 20

0 20

0

7 20

0 21

0

8 21

0 22

0

9 22

0 22

0

10 22

0 23

0,5

11 22

0 23

0,5

12 23

0,4

24

1,3

13 24

1,2

24

1,4

14 24

1,3

25

2,1

15 25

2 25

2,3

16 25

2,2

26

3,4

17 25

2,3

26

3,5

18 26

3,6

27

4,1

19 26

3,5

27

4,2

20 27

4,1

27

4,2

21 27

4,5

28

5,3

22 28

5,3

28

5,2

23 28

5,2

28

5,5

T 3 4

OTAL

5,6

3,5

8. DISCUSIÓN:

El pH obtenido en las muestras iniciales fueron de 7 y 6.9 respectivamente, mismas que

se tomaron mediante un pH-metro al inicio del proceso, es decir cuando se realizó la

mezcla.

En un clima frio el material en el biodigestor debe permanecer por más tiempo para

lograr un buen rendimiento de gas, esto quiere decir que nuestro biodigestor requería

más tiempo para la producción de biogás, así como implementar un sistema que provea

de una temperatura constante al biodigestor para que el tiempo de retención disminuya y

por ende la producción se agilite. Este tiempo de retención también es determinado por

el tiempo en el que el estiércol se demorará en fermentarse ya que según bibliografía es

de 115 días para el estiércol vacuno y porcino.

Por lo tanto la actividad biológica y la producción de gas aumenta con la temperatura

por lo que se debió tener en cuenta que al no generar calor al proceso, la temperatura

debía ser lograda y mantenida mediante energía exterior. Esto podría explicar que no

existió una gran cantidad de volumen obtenido de biogás, ya que la temperatura del

biodigestor no se elevó a la adecuada puede ser por los cambios drásticos de clima en la

ciudad, esta se reporta en el biodigestor 1 de 22° C a 28°C y en el biodigestor 2 de 21°C

a 28°C con una baja de temperatura al tercer y cuarto día del experimento, lo cual

después se estabilizó pero no se podía medir la presencia de biogás, por lo que después

se añadió 1 litro de lactosuero en cada biodigestor notándose un incremento leve de

temperatura y una leve producción de biogás a partir de los 23°C

En los datos reportados en el biodigestor 1 desde el día 1 al 11 no se reportó presencia

de biogás y desde el día 12 se reportó un volumen de 0.4 mL hasta l día 23 que se

obtuvo 5.2 mL con un total de biogás de 35.6 mL.

En el biodigestor 2 se reportó a partir del día 10 con 0.5 mL hasta el 23 con 5.5 mL y un

total de 43,5 mL.

Con esto se puede realizar una comparación que el biodigestor 2 fue más efectivo en

cuanto a obtención de biogás porque reporta un mayor volumen total.

También podemos añadir que en la operación de los biodigestores solo existió la

presencia de bacterias psicrófilas porque la temperatura solo llegó a los 28°C por lo que

se puede decir que no hubo un desarrollo óptimo del proceso.

9. CONCLUSIONES

Obtuvimos el biogás mediante experimentación casera con estiércol de cerdo y

vaca, donde el uso del biogás para la generación de electricidad y de energía

térmica da un valor adicional al empleo de biodigestores en

las empresas agropecuarias.

Determinamos las ventajas y desventajas de la producción de biogás casero

donde la ventaja más importante es que su producción es renovable, pueden

emplearse puros o combinados con otros combustibles, es menos irritante para la

epidermis humana y entre las desventajas más importantes tenemos que tienen

problemas de fluidez a bajas temperaturas, escasa estabilidad oxidativa.

Dimensionamos el biodigestor mediante la utilización de Autocad 2014 ya que

al utilizar Autocad nos dimos cuenta del dimensionamiento del biodigestor

Identificamos el nombre del gas que emana el sistema que es el metano aunque

su composición varía de acuerdo a la biomasa utilizada y determinamos el

volumen final del gas

Identificamos los factores que influyen en el proceso metanogénico se ve

afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias

intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a

esos cambios no es posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta

cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa. Entre los factores más

importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes: tipo de sustrato

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

de retención hidráulico, nivel de acidez (pH), relación Carbono/Nitrógeno,

concentración del sustrato; el agregado de inoculantes y el grado de mezclado.

10. RECOMENDACIONES

Tener el biogás a una temperatura ambiente para que el biogás pueda producirse

de manera efectiva y en el tiempo requerido. Se debe tener en cuenta que la

temperatura optima de operación de los microorganismos metanogénicos está

comprendida entre 25°C y 40°C

Evitar que las excretas sean de animales enfermos o que estén en tratamiento

médico con antibióticos o que tengan ya una edad muy avanzada ya que si este

sería el caso la obtención del biogás sería difícil.

El digestor casero debe ser llenado máximo ¾ de su volumen

Es importante dar a conocer la tecnología de sistemas de tratamiento de excretas

de ganado porcino utilizando biodigestores en las comunidades que lo requieran,

ya que en la mayoría de nuestros países se conoce muy poco de los beneficios

que tiene el tratar adecuadamente las excretas.

11. APLICACIONES:

En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseñado para

uso con gas natural. El gráfico que se encuentra a continuación resume las posibles

aplicaciones.

En el cuadro se han listado los principales artefactos que utilizan biogás juntamente a su

consumo medio y su eficiencia.

ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)

Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60

Lámpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50

Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30

Motor a gas 0,5 m 3 /kWh o Hph 25 - 30

quemador de 10 kW 2 m 3 /h 80 - 90

Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99

Co generador 1 kW elect. 

0,5 m/kwh 

2kW térmica

hasta 90

 

El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como

diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo

cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de

compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido. El biogás

puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El

gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo

hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión,

por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.

En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un

mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen funcionando

con un 100% de biogás con una merma de la potencia máxima del 20% al 30%.

Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el

bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área

rural. El otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores de

electricidad.

El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace

bastante tiempo. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas tales

como:

12. BIBLIOGRAFÍA:

a. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- SARDÓN, José María. Energías Renovables para el desarrollo. Segunda

edición, 2012. Pág. 251-253.

- GUEVARA VERA Antonio. 2010. Fundamentos Básicos para el Diseño de

Biodigestores Anaeróbicos Rurales. Lima.

http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf

- VARNERO MORENO María Teresa. 2011. FAO PNUD. Santiago de Chile.

http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf

- FONTE HERNÁNDEZ Aramís. Biogás: energía, medio ambiente y clima

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo03.htm

b. CITAS BIBLIOGRÁFICAS

- SARDÓN, José María. Energías Renovables para el desarrollo. Segunda

edición, 2012. Pág. 251-253.

c. INTERNET

A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión

(200 a 300 bar.); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.

La conversión de los motores es cara (instalación similar a la del GNC) y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de

los vehículos.

Por último la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la compresión a gran escala de este tipo de

uso.

- GUEVARA VERA Antonio. 2010. Fundamentos Básicos para el Diseño de

Biodigestores Anaeróbicos Rurales. Lima.

http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf

- VARNERO MORENO María Teresa. 2011. FAO PNUD. Santiago de Chile.

http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf

- Aramís Fonte Hernández. Biogás: energía, medio ambiente y clima

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo03.htm

13. ANEXOS: