ESTANDARIZACION DE LA CANTIDAD DE EXCREMENTO DE CERDO EN LA PRODUCCION DE METANO EN UN BIODIGESTOR INFORME TÉCNICO DEL PROYECTO QUE PRESENTAN: BARCENAS MORALES MARTIN VLADIMIR DE LEON CAMARENA BLANCA NACHELI MARTINEZ MONROY MIRIAM RODRIGUEZ GODINEZ JOSE LUIS ASESOR: M. EN C. PABLO MONTES UTRERA Q.F.B JULIO JIMÉNEZ ESPEJEL 30 DE AGOSTO DE 2011 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Es optimizar la producción de biogás utilizando un biodigestor anaerobio con excremento de cerdo como fuente de microorganismos, con la finalidad de fomentar el uso de metano en procesos cotidianos. JUSTIFICACIÓN Este sistema es amigable con el contaminación. medio ambiente ya que no produce Se lograra una mejor calidad de vida para todos, en un ambiente sano. Con el tiempo en los nuevos hogares se pretende implementar la utilización de biodigestores fáciles de utilizar, pues al estandarizar la cantidad del excremento de cerdo se podrá producir gas metano, lo que representará una evolución de las familias y el comercio será de forma directa e indirecta. Contribuyendo al desarrollo armónico de la naturaleza propia. Es muy común observar grandes volúmenes de desechos en diferentes sitios, mucha de la materia orgánica no se utilizada adecuadamente el cual provoca un impacto ambiental, y puede ser reutilizada en diferentes procesos por tal motivo utilizaremos excremento de cerdo, para obtener gas metano. HIPÓTESIS: La producción de metano por medio de un biodigestor es de gran relevancia por consiguiente con la estandarización de la cantidad de excremento optimizaremos la cantidad de metano generado. SOLUCIÓN AL PROBLEMA COMÚN PARA EL ESTADO DE MÉXICO: El Estado de México ha sido y será contaminado por la falta de estrategias de manejo de residuos orgánicos ( basura de cocina, restos vegetales y futas así como excrementos) esta materia es adecua para ser fermentada anaeróbicamente. En ese sentido y para poder apagar estos efectos negativos, se está trabajando en este proyecto logrando consolidar un proceso tecnológico que permitirá disminuir el problema ambiental de este tipo de contaminación. El gas metano, que resulta menos peligroso que el butano utilizado en zonas urbanas y semiurbanas, se produce en el biodigestor, aprovechando los residuos orgánicos englobando el excremento de cerdo. Permitiendo reducir las emisiones contaminantes al medio ya sean estas a la atmósfera (CH4) o los acuíferos superficiales o subterráneos (sólidos en suspensión). Debido a la temperatura ambiente la velocidad de crecimiento de los microorganismos en el proceso anaerobio es lento lo que supone un aporte externo de energía ya que requiere temperaturas de al menos, 35 °C, para que la actividad de las bacterias sea óptima. Por esta razón el biodigestor se constituye de un calentador solar, termostato, pirómetro y válvula de paso con el objetivo de controlar la temperatura necesaria para que se produzca la fermentación adecuada. También cuenta con un manómetro para conocer la presión a la cual se encuentra sometida nuestro sistema y un contenedor de agua para un mejor funcionamiento del calentador solar. ANTECEDENTES: Se sabe que desde la antigüedad el hombre conocía la existencia del biogás, el cual se utilizo por los pueblos chinos y persas hace miles de años como generador de temperatura. Tuvieron que pasar muchos años para que se dieran cuenta que el metano no solo se encontraba en el gas natural fósil, sino que se producía constantemente. Así fue, que en el año 1776 el científico italiano Volta descubrió que el principal compuesto del gas natural era metano. Solo 100 años después se descubrió el origen microbiológico de la formación de metano. El primero en producir gas metano en 1808 fue Humpry Dhabi en un laboratorio, tomando este suceso como el inicio de la investigación del biogás. Durante el año 1887 el científico Hoppe-Seyler pudo comprobar la formación de metano a partir de acetato. La misma observación hizo Omelianski en 1886 con el excremento de vacas. Por otro lado Soehngen descubrió en 1906 la formación de metano a partir de hidrógeno y dióxido de carbono. Teniendo en cuenta que los primeros biodigestores que se construyeron fueron en China y en la India fueron de Cúpula fija y Campana flotante respectivamente. Estos descubrimientos fueron de gran importancia para Imhoff logrando poner en práctica en el año de 1920 el primer biodigestor en Alemania, este consistía en un estanque hermético, el cual era alimentado con material fermentable para la obtención de “biogás”. Posterior mente se fueron realizando diversos diseños de biodigestores con diferentes fuentes de materia orgánica. Por lo tanto un biodigestor es un digestor de desechos orgánicos simple; su aspecto es el de un contenedor cerrado, el cual posee las características de ser hermético e impermeable. Los biodigestores se clasifican en dos grandes tipos de Flujo Discontinuo y de Flujo Continuo (de cúpula fija, de cúpula móvil y biodigestor tipo salchicha). En algunas ocasiones este proceso conlleva una cámara de carga, conjuntamente con una nivelación del agua y reactor, este último es un dispositivo para recolectar y depositar el biogás. Ahora bien la obtención del biogás el cual es un gas que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos, y otros factores, en ausencia de aire, cuando la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, actúa este tipo de bacterias, generando biogás. La producción de biogás va a depender, principalmente, de los materiales utilizados, de la temperatura y tiempo de descomposición. La energía de la biomasa es aquella que se genera a partir de productos orgánicos que contengan carbohidratos, proteínas, grasas, celulosa y hemicelulosa como componentes principales, como son los vegetales y sus derivados, abarcando excremento de cerdo. Por tal razón el excremento de cerdo es apropiado para la producción del biogás ya que en él se encuentran bacterias metanogénicas, abarcando ciertas especies de los géneros Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus y Methanosarcinas; estas bacterias abundan en un ambiente como sedimentos anóxicos, suelos de humedales y tractos gastrointestinales son hábitats típicos para encontrar estos microorganismos. METODOLOGÍA Y PLANEACIÓN DEL PROYECTO: Construcción del biodigestor 1. Diseño del biodigestor utilizando herramientas CASE. Ensamblado del biodigestor Figura. 1 Elaboración propia Ensamblaje Del Calentador Solar Figura. 3 Elaboración propia Figura. 2 Elaboración propia Esquema del Tanque de Llenado De agua Figura. 4 Elaboración propia 2. Elaboración del prototipo: Prototipo terminado Figura. 5 Elaboración propia Calentador solar Figura. 7 Elaboración propia Tanque de almacenamiento del agua Figura. 6 Elaboración propia Biodigestor Figura. 8 Elaboración propia Base del sistema Figura. 9 Elaboración propia Desarrollo de la estandarización 1. Realizar un tamiz de prueba para determinar la cantidad de excremento de cerdo que se utilizara en el proceso de obtención de biogás a. El tamiz de prueba se realizara tomando en consideración algunos datos teóricos que oscilan entre un 10 a un 15 % de excremento de cerdo por carga de compuestos orgánicos. b. Las cantidades iniciaran con un 10% y posteriormente con el 15%, con estos datos determinar si existe una diferencia significativa. c. En caso de existir una diferencia significativa valorar los datos y determinar si es viable realizar otras pruebas a diferentes concentraciones. 2. Ya obtenida la cantidad de excremento adecuada realizar otras pruebas para determinar si los resultados obtenidos son reproducibles, tomando en consideración la cantidad de biogás producido midiéndolo de manera indirecta por medio de la presión generada y posteriormente realizar un análisis de tercería para cuantificar la cantidad de biogás. 3. Realizar pruebas de aislamiento e identificación de las bacterias metanogénicas presentes en el excremento, para que en un proyecto continuo trabajar con los microorganismos (bacterias metanogénicas) y en el último de los casos trabajar con los lodos activos producidos por la fermentación. JUSTIFICACIÓN DEL GRADO DE INNOVACIÓN: Este proyecto además de ser un tema de suma importancia para el avance tecnológico, reduce la contaminación ambiental y contribuye a generar energías renovables ya que los recursos necesarios para la obtención de materia orgánica son fáciles de obtener, por lo tanto la producción de biogás se hace factible. Este sistema aprovecha elementos propios de la tierra y el ambiente para producir gas y abono orgánico para los suelos, ahorrando gastos para el ser humano y dando beneficios al medio ambiente. En la actualidad existen diversos tipos de biodigestores pero ninguno sea implementado a las zonas urbanas y semiurbanas, por su tamaño y diseño. Nuestro biodigestor está diseñado para que se adapte a las necesidades de una familia, logrando ser de fácil manejo y de dimensiones adecuadas.Para acelerar el proceso se utiliza un sistema fototérmico, este calienta el agua a partir de la energía del sol, haciéndola pasar al biodigestor de esta forma se logra reducir el tiempo de fermentación. GRADO DE IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN: Estado y funcionamiento El calentador solar por medio de un sistema fototérmico manda el agua al enchaqueta miento con la temperatura deciada. Biofertilizante rico en nutrientes. CAPACIDAD DE BIODIGESTOR m3 % 0.025 100 0.01875 75 0.00625 25 Cuadro. 1 Elaboración propia Capacidad total **Biomasa Biogás Cascara de fruta Excremento de cerdo 12.953 kg 1.5 kg Agua 1.5lt Total 15.953 kg Cuadro. 2 Elaboración propia *Concentración de la carga al biodigestor.-En este caso de utilizara excremento de cerdo fresco, se agregar entre 1.5 litros de agua por 1.5 kg de excremento fresco. *Temperatura.-El proceso se lleva a cabo satisfactoriamente en dos rangos bien definidos, entre 10°C a 37°C, para la flora mesofílica y, entre 55°C a 60°C para el rango termofílico. BIOGAS AGUA CALIENTE PARA REUTILIZAR. BIOABONO *Los cálculos pueden variar dependiendo de la prueba de tamiz. **Casará de fruta+ excremento + agua Aprovechamiento del residuo El residuo que se obtiene se aprovechara como abono que conserva todos los nutrientes, tales como nitrógeno, fosforo, magnesio. Este biofertilizante líquido no posee mal olor, a diferencia excremento fresco, tampoco atrae a moscas y puede aplicarse directamente al campo en forma líquida, en cantidades recomendadas. De esta manera se utiliza como bioabono, pretendiendo reducir la utilización de otros tipos de fertilizantes contaminantes. Como los reactores se construyen en ambientes cerrados, la producción de malos olores es baja en el proceso anaerobio, comparado con los olores desagradables que se desprenden en el sistema donde la depuración se realiza en espacios abiertos. A corto plazo podremos revertir el proceso de la contaminación generada por desechos sólidos orgánicos, así mismo poder disminuir el consumo del gas butano. IMAGEN REAL DEL PROTOTIPO FACTIBILIDAD DEL PROYECTO La factibilidad con la que cuenta el proyecto es el empleo de esta tecnología en las familias es de relevante importancia, ya que las mismas actualmente no necesitan ningún tipo de combustible para cocinar sus alimentos. Por este concepto ahorran más de un litro diario de combustible diesel, una lata de carbón (según sea su origen) y leña. IMPACTO SOCIAL: De hecho el impacto social es favorable, ya que se lograra una mejor calidad de vida para todos, en un ambiente sano, así podremos disfrutar de una vida sana. Cocinando con biogás, estas familias gozan de las siguientes ventajas: 1. 2. 3. Ahorro de combustibles más costosos, como el carbón o la leña; Economizan tiempo El biogás es un combustible que arde bien y no desprende humo como, el carbón o la leña. 4. los residuos de la producción de gas constituyen un excelente fertilizante. IMPACTO AMBIENTAL: Lamentablemente la materia orgánica no es utilizada adecuadamente este tipo de residuos perjudican al medio ambiente, podemos decir que a corto plazo podremos revertir el proceso de la contaminación generada por desechos sólidos orgánicos, así mismo poder disminuir el consumo del gas butano. El residuo final de este proceso es muy poco contaminante y se puede utilizar como fertilizante. IMPACTO TECNOLÓGICO: En el caso específico de la tecnología de aprovechamiento de biogás, se pensó que si bien esta se encontraba desarrollándose casi exclusivamente para mitigar el impacto de los gases de efecto invernadero, era necesario incursionar en la utilización del biogás con fines de generación de energía en zonas urbanas y semiurbanas. NIVEL DE APLICACIÓN PRÁCTICA Y ECONÓMICA DE LA SOLUCIÓN PRESENTADA: La aplicación a la que va enfocada es a las casas verdes, se pretende que las viviendas sean eficientes en cuanto a consumo de energía y no afecten el medio ambiente. Con el tiempo en los nuevos hogares se utilizaran biodigestores por lo cual serán fáciles de utilizar, pues al estandarizar la cantidad del excremento de cerdo se podrá producir gas metano, lo que representará una evolución de las familias y el comercio será de forma directa e indirecta. Elaboración propia BIBLIOGRAFÍAS MADIGAN, Michael. PARKER, Jack. Brock Biología de los microorganismos. Prentice Hall, décima edición. 2004. SOSA, R. CHAO, R. DEL RIO, J. Aspectos bioquímicos y tecnológicos del tratamiento de residuales agrícolas en producción de biogás. BAYARRI, Natividad. LESACA, Rafael. Producción de biogás a partir de residuos orgánicos. 2004. Harry W. S. Paul J Van Demark Microbios en acción .Manual de laboratorio para microbiología. Ed Blume España 1973 Koneman E. W. Diagnostico Microbiológico. Ed. Médica Panamericana 2001 David B.D. Dubecco Tratado de Microbiología 4ª ed. España Salvat Editores. 1990 Tortora G.J Microbiology.5ª Ed. The Benjamin Cummings Publishing Co. Inc. 1995 Brock T.D. Biología de los Microorganismos. 5ª ed. Prentice Hall 1988 Ramírez R. Luna B. Velázquez. Viena L. y coautores. Manual de prácticas de microbiología General. 4ª ed. México Facultad de Química UNAM. 200 Rafael Alcaraz Rodríguez. El emprendedor de éxito 3ª edición Mc Graw- Hill Interamericana Editores 2006.