UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUMICA

DEGRADACIN Y TRATAMIENTO ANAERBICODEL ESTIERCOL DE GRANJA PARA OBTENER BIO-GAS

CARRERA PROFESIONA: INGENIERIA QUIMICACURSO: TESIS 104D

ESTRUCTURA DEL PROYECTO DE INVESTIGACIN

Presentado por:

SOLIS REYES, Luis Javier

HUANCAYO - PERU

2014

Asesor:Ing. Juana Mendoza Snchez. ii

I) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.1) CARACTERIZACIN DE LA PROBLEMTICA

Actualmente se tiende cada vez ms a una agricultura y ganadera intensivas que producen una gran cantidad de residuos, que de no ser tratados adecuadamente contribuyen a la contaminacin del medio ambiente. Muchos de estos residuos son ricos en sustancias nutritivas que pueden reciclarse y ser utilizados de diferentes maneras.Realizar un tratamiento enzimtico y anaerobio de los residuos agrcolas para obtener BIO GAS (que es una mezcla principalmente formado por metano y dixido de carbono, con trazas de sulfuro de hidrgeno) es una de las formas de utilizacin de los residuos agrcolas y as disminuir la contaminacin adems de contribuir econmicamente en favor de los agricultores y ganaderos al aprovechar los residuos agrcolas.

I.2) FORMULACIN DEL PROBLEMA

Pregunta General

Cules son las variables termodinmicas y mejores condiciones de operacin para obtener el Bi-gas y que tipo de reactor es el ms ptimo para la obtencin de este producto?

Pregunta Especifica

Cules son las variables termodinmicas y mejores condiciones de operacin para obtener el Bi-gas?

Cul es el tipo de reactor ms ptimo para obtencin de este producto?

Cules son las mejores condiciones de diseo del reactor?

I.3) JUSTIFICACIN DE LA INVESTIGACIN

La contribucin a la economa generada por la elaboracin de Bio-gas es favorable por las diversas aplicaciones de esta en forma de energa, adems del bajo costo de la materia prima.Son diversas las utilidades del BIO GAS siendo estas por ejemplo:

a) Quemar el gas en un calentador para producir agua caliente.

b) Utilizar el BIO GAS para alimentar un motor de combustin interno conectado a un generador de corriente elctrica

I.4) OBJETIVOS

I.4.1) OBJETIVOS GENERALES

Obtener el Bio-gas a partir de una degradacin enzimtica y tratamiento anaerbico.

I.4.2) OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar las condiciones necesarias para la elaboracin de Bio-gas a partir de los residuos agrcolas. Determinar los parmetros fisicoqumicos de control para obtener Bio-gas

requieren oxgeno para su metabolismo (por eso es "anaerobia"). La digestin anaerobia ocurre de forma espontnea en la naturaleza. El gas de los pantanos, el gas natural de yacimientos subterrneos o incluso el gas metablico producido en el estmago de los rumiantes, es precisamente biogs. Utilizando este proceso se puede tratar gran cantidad de residuos como estircoles, efluentes de industrias, basura orgnica, entre otros contaminantes, y adems, obtener biogs.ste puede utilizarse en aplicaciones tan diversas como: calefaccin por combustin en calderas de vapor, generadores elctricos, combustible de motores, entre otras. Ya en 1884, Pasteur investig sobre la produccin de gas a partir de residuos animales, proponiendo su utilizacin para la iluminacin de las calles. Una alternativa de futuro para obtener energa de fuentes renovables es transformar la basura generada en nuestros hogares en biogs.

II) MARCO TEORICO

II .1) ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

AVANCES EN LA OBTENCIN METANO

En la actualidad las industrias qumicas y manufactureras poseen equipos para la produccin de diferentes sustancias en este el Metano, para tal fin necesitan poseer los equipos respectivos que faciliten esa operacin. Esos equipos pueden ser tanques, destiladores, reactores y/o, ya que estos pueden estar a escala laboratorio, piloto o planta.

Para todo Ingeniero Qumico es muy importante conocer los consideraciones que caracteriza a cada equipo para su diseo, por ello es resaltante e importante conocer la informacin con respecto al diseo de plantas qumicas.En la ctedra de diseo de plantas qumicas lo esencial es conocer la informacin sobre las diferentes variables que se usan para el dimensionamiento de un equipoPor ello decidimos dimensionar un reactor discontinuo, para darle uso como un reactor anaerbico.

Para el diseo del reactor anaerbico es decir biolgico, se debe tener en consideracin las velocidades pequeas, velocidad de crecimiento de los microorganismos, implicados en la fermentacin, los pequeos valores de las constantes de afinidad, los pequeos valores de la actividad especfica, as como las variables de diseo como son volumen, altura y dimetro.

MANEJO Y TRATAMIENTO DE BIO GASEl biogs, es un gas combustible que se genera artificialmente, en dispositivos especficos, mediante la accin de unos seres vivos (bacterias metanognicas), en ausencia de aire (esto es, en un ambiente anaerbico). Cuando la materia orgnica se descompone en ausencia de oxgeno, acta este tipo de bacterias, generando biogs.De modo natural se produce en la putrefaccin de la materia orgnica y se llama gas de los pantanos o gas natural.

El biogs, es un gas combustible que se genera artificialmente, en dispositivos especficos, mediante la accin de unos seres vivos (bacterias metanognicas), en ausencia de aire (esto es, en un ambiente anaerbico). Cuando la materia orgnica se descompone en ausencia de oxgeno, acta este tipo de bacterias, generando biogs.De modo natural se produce en la putrefaccin de la materia orgnica y se llama gas de los pantanos o gas natural.

DIGESTION ANAEROBIAEl biogs se genera a partir de la digestin anaerobia, que es un proceso biolgico en el cual la materia orgnica es degradada por un consorcio de bacterias que no requieren oxgeno para su metabolismo (por eso es "anaerobia"). La digestin anaerobia ocurre de forma espontnea en la naturaleza. El gas de los pantanos, el gas natural de yacimientos subterrneos o incluso el gas metablico producido en el estmago de los rumiantes, es precisamente biogs. Utilizando este proceso se puede tratar gran cantidad de residuos como estircoles, efluentes de industrias, basura orgnica, entre otros contaminantes, y adems, obtener biogs.ste puede utilizarse en aplicaciones tan diversas como: calefaccin por combustin en calderas de vapor, generadores elctricos, combustible de motores, entre otras. Ya en 1884, Pasteur investig sobre la produccin de gas a partir de residuos animales, proponiendo su utilizacin para la iluminacin de las calles. Una alternativa de futuro para obtener energa de fuentes renovables es transformar la basura generada en nuestros hogares en biogs.

Problemas bsicos de los residuos agrcolasEl principal problema reside en saber qu es lo que debe ser considerado como residuo agrcola. Una definicin sencilla de residuo es aquel material sobrante o es apreciable. Posiblemente, en otro momento o lugar, ste puede tener algn valor y la idea de la reutilizacin de los residuos va ganando fuerza en los tiempos actuales, conscientes del problema energtico.En el mundo agrcola, a juzgar por los informes recibidos, los residuos estn integrados por recipientes viejos y envases e pulverizadores, paja, cadveres de animales, trozos de metal, forraje sobrante de mezclas de compuestos qumicos pulverizados, aceites minerales usaos, sobrante de suero y leche malos olores secundinas, restos de cultivos, residuos de lavado y otras aguas residuales, adems de otros restos de produccin de estircol, manejo, almacenamiento y utilizacin. Resumiendo, casi cualquier cosa que sea un estorbo para la explotacin agrcola.Al intentar abordar el residuo agrcola como tema que se apoya sobre materias de ndole muy diversa, el agricultor debe obtener informacin de diferentes disciplinas, siendo competente en una amplia gama de tecnologas y aceptar los consejos el ingeniero, microbiolgico, diseador, constructor y cientfico, tanto ms cuanto mayor sea el desarrollo de la legislacin. Tener en cuenta todo esto, como mera cuestiones secundaria, es algo que implica una gran responsabilidad al dirigir una explotacin ganadera. Pero la necesidad es real porque existen muchas presiones sobre la agricultura.Es un hecho la presin constante de reducir la superficie agrcola. Por el momento, en Gran Bretaa las prdidas anuales son e 25.000 hectreas. Y como resultado, el nmero de habitantes de la ciudad que se va poniendo en contacto con la agricultura es mayor y esto se ve potenciado por la facilidad de viajar en vehculos privados, que estn ampliamente difundidos entre la poblacin actual. Por otra parte, hay gran cantidad de intereses sobre la calidad del medio ambiente, especialmente la del campo.Mientras, la agricultura hace frente a la presin econmica al precio del consumidor, no al del productor. Esto se ha puesto en evidencia de dos formas distintas. Una rpida reduccin de la mano de obra agrcola, de manera que cerca de 70% de explotaciones agropecuarias en la actualidad no tienen empleados. Al mismo tiempo ha aumentado financieramente el volumen del negocio mediante el incremento de animales. Por este motivo los sistemas modernos de produccin ganadera han evolucionado, con lo cual gran nmero de animales estn contenidos en el mnimo espacio compatible con un buen rendimiento. Han disminuido las labores tradicionales, no se emplea ningn tipo de cama o bien en poca cantidad, resultando el estircol como un purn lquido o semislido que generalmente ocasional mal olor.

II .2) BASES TEORICAS

DISEO DEL EQUIPO

Reactores Discontinuos Este tipo de reactores admite todos los reactivos al principio y los procesa segn el curso predeterminado de reaccin durante el cual no se alimenta o se extrae ningn material, por lo general, el reactor tiene la forma de un tanque con o sin agitacin, y se usa principalmente en una produccin a pequea escala. La mayora de los datos cinticos bsicos del diseo de reactor se obtienen en esta clase de equipo.

Diseo de Reactores DiscontinuosLas ecuaciones de diseo se basan por lo comn en tres clases de reactores ideales. Reactor discontinuo, reactor tipo pistn y reactor puramente mezclado.La capacidad de reactor est determinada por el tiempo de residencia hidrulica. El tiempo medio de resistencia es el promedio de periodos durante los cuales las porciones individuales de la mezcla de reaccin permanecen dentro del reactor, y se describe matemticamente por medio de la expresin.

Volumen de Reactor Discontinuo La determinacin del tamao de un reactor utilizando la ecuacin se puede ilustrar de la siguiente forma general. El tiempo espacial se calcula basndose en los datos cinticos de laboratorio por medio de la expresin:

Tiempo de retencin celular o de slidos (TRC o TRS o x)El tiempo de retencin celular se define como el tiempo (das) que permanece la biomasa dentro del reactor. En reactores completamente mezclados y discontinuos generalmente se retiran conjuntamente con los reactantes y productos. Se analiza antes de poner en marcha el proceso y luego al final de la operacin, por lo tanto no es dificultoso medir la concentracin de SSV presentes en el reactor.

Prueba hidrulica del reactor discontinuo En el diseo de reactores qumicos y biolgicos es fundamental la prediccin de su comportamiento. Para disear se debe disponer de los parmetros cinticos obtenidos de la literatura o de ensayos en reactores discontinuos.

Prueba hidrulica del reactor Las experiencias a nivel laboratorio se hincan con reactores de laboratorio: es necesario entonces que los biodigestores discontinuos tengan un comportamiento del fluido como si fuera una mezcla completa, esto se logra mediante la mezcla completa, esto se logra mediante la agitacin mecnica y/o magntica, temporizada con periodos de funcionamiento y paradas programadas. La alimentacin se efecta en forma manual una o ms veces durante el tiempo programado de experimentacin.

II .3) MARCOS CONCEPTUALES O GLOSARIO BiocombustibleCualquier combustible slido, lquido o gaseoso producido a partir de materia orgnica. Se produce directamente a partir de plantas o indirectamente a partir de desechos industriales, comerciales, domsticos o agrcolas. Hay tres mtodos principales para el desarrollo de biocombustibles: quemar desechos orgnicos secos (como basuras domsticas, desechos industriales y agrcolas, pajas, madera y turba); la fermentacin de desechos hmedos (como excrementos de animales) en ausencia de oxgeno para producir biogs (que contiene ms de un 60% de metano) o la fermentacin de azcar de caa o cereales para producir alcohol y steres; y las plantaciones forestales (que producen bosques de crecimiento rpido, cuya madera se utiliza como combustible).La fermentacin produce dos tipos principales de biocombustibles: alcoholes y steres. En teora, esas sustancias pueden utilizarse en lugar de los combustibles fsiles, pero como se requeriran grandes alteraciones en los motores, los biocombustibles suelen mezclarse con combustibles fsiles. La Unin Europea permite que un 5% de etanol, derivado de trigo, remolacha, patatas o cereales, se aada a los combustibles fsiles. En 1994, una cuarta parte del combustible utilizado en Brasil para el transporte era etanol

Biogs Trmino que se aplica a la mezcla de gases que se obtienen a partir de la descomposicin en un ambiente anaerobio (sin oxgeno) de los residuos orgnicos, como el estircol animal o los productos de desecho de los vegetales. En este proceso realizado por bacterias, se libera una mezcla de gases formada por metano (el principal componente del biogs), dixido de carbono, hidrgeno, nitrgeno y cido sulfhdrico. Es un combustible econmico y renovable; se utiliza en vehculos de motor, para mezclar con el gas del alumbrado y para usos industriales y domsticos. La produccin de biogs, adems de aprovechar materia considerada como desperdicio, origina como subproducto un fertilizante de calidad excelente. El biogs tiene mucha importancia en los pases en desarrollo, y en los industrializados est aumentando la atencin por este combustible para intentar reducir la dependencia actual del petrleoSu composicin es variable pero en lneas generales sera: Metano (CH4) = 45 a 55 % Anhdrido carbnico (CO2)= 50 a 40% Hidrgeno (H2) = 2 % a 3% Sulfuro de Hidrgeno (SH2) = 1,5 a 2 % EstircolDesechos vegetales o animales utilizados como fertilizante. Rico en humus (materia orgnica en descomposicin), el estircol libera muchos nutrientes importantes en el suelo. No obstante, es deficiente en tres de ellos: nitrgeno, fsforo y potasio. Un fertilizante comercial contiene unas veinte veces ms nitrgeno, fsforo y potasio que el estircol. Por ello, ste se utiliza a menudo junto con otros fertilizantes. El estircol contribuye tambin a aflojar el suelo y retener el agua.

Guano (del quechua, huanu, estircol)Excremento seco de ciertos vertebrados, especialmente aves marinas, valioso como fertilizante. Los peruanos usaban el guano desde tiempos prehispnicos. Una de sus fuentes eran las islas Chincha, frente a la costa sur de Per. Estas, junto con las islas Lobos, frente al norte de Per, eran zonas de cra de aves marinas, cuyas deyecciones acumuladas llegaban a menudo a tener una profundidad de ms de 30 metros. En 1804 un visitante de Per llev algo de guano a Europa. Su valor como fertilizante no tard en difundirse, y ya en 1850 los peruanos haban empezado a exportarlo en grandes cantidades. Cuando se agot el suministro peruano, empezaron a explotarse los recursos de pases, como Mxico, Chile y varias islas del Pacfico. Tambin empezaron a usarse como guano las heces secas de otros animales, en especial las de murcilagos encontradas en cuevas de Nueva Zelanda y Estados Unidos. El trmino guano se aplica a veces a otros fertilizantes orgnicos; as, a la harina de ciertos peces secados y pulverizados se le llama a menudo guano de pescado. AmonacoGas de olor picante, incoloro, de frmula NH3, muy soluble en agua. Una disolucin acuosa saturada contiene un 45% en peso de amonaco a 0C, y un 30% a temperatura ambiente. Disuelto en agua, el amonaco se convierte en hidrxido de amonio, NH4OH, de marcado carcter bsico y similar en su comportamiento qumico a los hidrxidos de los metales alcalinos.

HumusMateria orgnica en descomposicin que se encuentra en el suelo y procede de restos vegetales y animales muertos. Al inicio de la descomposicin, parte del carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno se disipan rpidamente en forma de agua, dixido de carbono, metano y amonaco, pero los dems componentes se descomponen lentamente y permanecen en forma de humus. La composicin qumica del humus vara porque depende de la accin de organismos vivos del suelo, como bacterias, protozoos, hongos y ciertos tipos de escarabajos, pero casi siempre contiene cantidades variables de protenas y ciertos cidos urnicos combinados con ligninas y sus derivados. El humus es una materia homognea, amorfa, de color oscuro e inodora. Los productos finales de la descomposicin del humus son sales minerales, dixido de carbono y amonaco. Al descomponerse en humus, los residuos vegetales se convierten en formas estables que se almacenan en el suelo y pueden ser utilizados como alimento por las plantas. La cantidad de humus afecta tambin a las propiedades fsicas del suelo tan importantes como su estructura, color, textura y capacidad de retencin de la humedad. Fermentacin Anaerbica La fermentacin anaerbica es un proceso natural que ocurre en forma espontnea en la naturaleza y forma parte del ciclo biolgico. De esta forma podemos encontrar el denominado "gas de loa pantanos" que brota en aguas estancadas, el gas natural metano) de los yacimientos petrolferos as como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos procesos intervienen las denominadas bacterias metanognicas. Esta difusin se ve interrumpida por el fcil acceso a los combustibles fsiles y recin en la crisis energtica de la dcada del 70 se reinicia con gran mpetu la investigacin y extensin en todo el mundo incluyendo la mayora de los pases latinoamericanos. Los ltimos 20 aos han sido fructferos en cuanto a descubrimientos sobre el funcionamiento del proceso microbiolgico y bioqumico gracias al nuevo material de laboratorio que permiti el estudio de los microorganismos intervinientes en condiciones anaerbicas (ausencia de oxgeno). Estos progresos en la comprensin del proceso microbiolgico han estado acompaados por importantes logros de la investigacin aplicada obtenindose grandes avances en el campo tecnolgico. Los pases generadores de tecnologa ms importantes en la actualidad son: China, India, Holanda, Francia, Gran Bretaa, Suiza, Italia, EE.UU., Filipinas y Alemania. A lo largo de los aos transcurridos, la tecnologa de la digestin anaerbica se fue especializando abarcando actualmente muy diferentes campos de aplicacin con objetivos muy diferentes. Como puede apreciarse en el cuadro segn los campos de aplicacin de la tecnologa de la fermentacin anaerbica los objetivos buscados son diferentes o tienen un distinto orden de prioridades. Analizaremos brevemente la evolucin y estado actual de cada uno de los campos descriptos.

Las plantas de tratamiento de desechos industriales, han tenido una importante evolucin en los ltimos aos y habiendo superado una primera etapa a nivel piloto, en Europa y China se encuentran actualmente siendo difundidas para determinados fines en combinacin con tratamientos aerbicos convencionales. Estos reactores anaerbicos son de enormes dimensiones (ms de 1.000 m3 de capacidad), trabajan a temperaturas mesoflicas (20C a 40C), o termoflicas (ms de 40C) poseen sofisticados sistemas de control y estn generalmente conectados a equipos de cogeneracin que brindan como productos finales; calor, electricidad y un efluente slido de alto contenido proteico, para usarse como fertilizante o alimento de animales.

III) FORMULACION DE HIPOTESIS Y VARIABLES

III.1) HIPTESISIII.1.1) HIPTESIS GENERALLos residuos agrcolas pueden ser tratados exitosamente enzimticamente y anaerbicamente para la obtencin de metano y dixido de carbono componentes del BIO-GAS.III.1.2) HIPTESIS ESPECFICASPara la obtencin del Bio Gas necesitamos enzimas anaerbicas que cumplan con las condiciones de operacinNecesitamos obtener condiciones adecuadas de operacin para la obtencin mxima de Bio-Gas

III.2) IDENTIFICACIN DE VARIABLESVARIABLES INDEPENDIENTESVARIABLES DEPENDIENTES

Temperatura pH Concentracin Velocidad de agitacin tiempo

Altura del reactor Dimetro del reactor Caudal

III.3) OPERACIONALIZACIN DE VARIABLES

VARIABLES INDEPENDIENTESVARIABLES DEPENDIENTESDEFINICIN OPERACIONALDEFINICIN OPERACIONAL

Temperatura

pH

Concentracin

Velocidad de agitacin

tiempo

Altura del reactor

Dimetro del reactor

Caudal

Condiciones y temperatura del ambientalCondiciones de acides o alcalinidad Cantidad en ppm de la enzimaVelocidad en rad por segundoTiempo de reaccin

Altura del reactor que depende de las condiciones independientesDimetro del reactor que depende de las condiciones independientesCantidad de soluto por cantidad de tiempo

III.4) MATRIZ DE CONSISTENCIA

IV. METODOLOGA

IV.1) DISEO DE INVESTIGACIN

El presente trabajo de investigacin que se realizara ser de 3 tipos: como el estudio del tipo descriptivo ya que se tiene un amplio conocimiento de lo que es el bio_gas y degradacin enzimtica para aplicarlo en este trabajo de Degradacin enzimtico y tratamiento anaerbico de residuos agrcolas (estircol) para la obtencin de BIO_GAS.

Diseo causal comparativo M1O1 XM2O2 X

M1 y M2 son las muestras de trabajo (niveles de fermentacin)O1 y O2 son las observaciones y mediciones realizadasX representa la variable controlada estadsticamente

Diseo experimental: con pre-prueba, post-prueba y grupo de controlSe administra pruebas antes y despus al grupo de control que contiene el experimento. Los sujetos son asignados de manera intencional. Un grupo recibe el tratamiento experimental y el otro no que es el grupo de control, y finalmente se les administra tambin simultneamente una post prueba. El diseo contiene el siguiente diagrama:

G1O1XO2G2O3O4

G1 y G2 son grupos de trabajo

O1 y O3 son las observaciones antes del experimento tanto en el grupo control como experimental

O2 y O4 son las observaciones despus del experimento tanto en el grupo control como experimental

X es la variable experimental aplicada al primer grupoPara lograr el objetivo propuesto, se realizaran muchos experimentos para observar como las variables afectan la curacin y as detectar sus consecuencias; los resultados sern identificados y anotados despus de cada experimento.

IV.2) POBLACIN DE ESTUDIO

IV.3) TAMAO DE LA MUESTRA

IV.4) TCNICAS DE RECOLECCIN DE DATOS

IV.5 )ANLISIS E INTERPRETACIN DE LOS RESULTADOS

V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDADESABRILMAYOJUNIOJULIOAGOSTO

ELABORACION DEL PROYECTO* ** *

RECOPILACION DE DATOS* *

PREPARACION DE MATERIALES* *

RECOPILACION DE DATOS* *

REDACION DEL PREINFORME* *

CORRECCION DEL INFORME* *

PRESENTACION DEL INFORME FINAL* *

REVISION DE LA TESIS* *

VI. PRESUPUESTO

MATERIALESGASTOS (S/.)

REACTOR ANAEROBIO DE DOS ESCALONES1500

MANOMETRO 35 mmHg250

PALETA DE ACERO SAE CEDULA 1020200

TAPON150

VALVULA DE GLOBO100

TOTAL2200

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

"Nicolas, J. Scenna; Modelado, Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos; Cap XVIII, 1999. K. GRUNDEY, Tratamiento de los residuos agrcolas y ganaderos. - Editorial Ediciones GEA, Barcelona, 1992 "Biblioteca de Consulta Microsoft Encarta 2003. Microsoft Corporation, Reservados todos los derechos. John, Perry. Manual del Ingeniero Qumico, Tomo I, Tercera Edicin, Editorial McGraw Hill en 1980. "Mdio ambiente," Enciclopedia Microsoft Encarta 2000. 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.