Índice Índice………………………………………………………………………………………..1 Resumen………...…………………………………………………………………………2 Introducción………..………………………………………………………………………3 ¿Qué es el biogás?...................................................................................................4 Etapas de la producción de biogás……………………………………………………...5 Biodigestor…………………………………………………………………………………6 ¿Qué factores influyen en el proceso de digestión?.................................................7 Tipos generales de biodigestores…………………..…………………………………...8 BIODIGESTOR IZSAKY……………………………………………….…………………9 Materiales Utilizados………………………………..…………………………………...10 Presupuesto de materiales……………………………………………………………..11 Construcción……………………………………………………………………………...12 Resultados obtenidos……………………………………………………………………13 Conclusiones…………………………………………………………………………..…14 Bibliografía………………………………………………………………………………..15 Agradecimientos…………………………………………………………………………16 1 Resumen: El presente trabajo de investigación se centró en los sectores de Malargüe que no poseen gas, para eso se creó un tipo de encuesta que permitió conocer y llegar a la conclusión de que, en las viviendas sin gas natural, se compran garrafas y son utilizadas mayoritariamente para cocinar. Luego, con los resultados de las encuestas se decidió realizar un prototipo de biodigestor para brindar una solución a las viviendas sin gas. Como el mismo funciona a base de materia orgánica, un grupo de alumnos se dedicó a realizar pruebas con diversos materiales. Para ello, realizaron una prueba bastante sencilla: introdujeron distintas cantidades de materia orgánica junto a una proporción de agua. Posteriormente, se cierra la botella herméticamente utilizando un globo. Dentro de la botella se produce una descomposición anaeróbica del material, lo que lleva a producir una pequeña cantidad de ciertos gases que da lugar a que el globo sea inflado. Con los resultados obtenidos de las pruebas se decidió generar biogás empezando a diseñar y construir el prototipo de biodigestor. El mismo será alimentado de papa en descomposición y estiércol de cerdo, ya que los mismos arrojaron el mejor resultado. 2 Introducción: El proyecto “BIODIGESTOR” tiene como finalidad ofrecer una alternativa para solventar la problemática de ausencia de gas natural en diversas zonas de la ciudad de Malargüe ya que la misma sufre de temperaturas muy bajas en ciertas etapas del año. Dicha problemática llevó a los alumnos de 5° año 1° división a indagar y proponer una solución, la cual consiste en diseñar y construir un biodigestor. Este artefacto utiliza y aprovecha la materia orgánica (estiércol de animales, restos de vegetales, etcétera) acompañada de un porcentaje de agua. Las materias involucradas para la realización del proyecto fueron: Electrónica, Termodinámica, Lengua, Mecánica de los fluidos, Laboratorio de mediciones eléctricas, Representación e interpretación de planos, Taller, y Cálculo de elementos de máquinas. Antecedentes: En el año 1808 HumpHry Davy, detectó gas metano en la descomposición del estiércol vacuno. En 1884 Luis Pasteur llegó a la conclusión de que la fermentación de los estiércoles podrían ser una fuente de energía para calefacción e iluminación, aplicaciones a la que llegó el inglés Donal Cameron en el año 1896, al perfeccionar su tanque séptico y utilizar el gas generado para consumo propio. En el año 1900 se cita la puesta en funcionamiento del primer biodigestor en Bombai, donde el biogás fue utilizado para lograr el accionar de un motor. Problema: La ausencia de gas natural en distintos sectores de la ciudad de Malargüe permite que se fabrique un biodigestor para las bajas temperaturas. Hipótesis: Con la elaboración de un biodigestor anaeróbico, y la generación de gas metano se podrá solucionar la ausencia de gas en Malargüe. Objetivos: Disminuir el costo elevado de las compras de garrafas y/o tubos de gas. Reciclar la materia orgánica y la utilización del abono (lo que se obtiene del biodigestor). 3 Desarrollo ¿Qué es el Biogás? El biogás es un gas combustible 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 oxígeno (esto es, en un ambiente anaeróbico). Este gas se ha venido llamando gas de los pantanos, puesto que en ellos se produce una biodegradación de residuos vegetales semejante a la descrita. La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado útil para tratar residuos biodegradables, ya que produce un combustible de valor además de generar un efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o abono genérico. El resultado es una mezcla constituida por metano en una proporción que oscila entre un 50% y un 70% en volumen, y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y Ácido sulfhídrico/sulfuro de hidrógeno. El biogás tiene como promedio un poder calorífico entre 18,8 y 23,4 mega julio (unidad) por metro cúbico (MJ/m³). Este gas se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o plantas generadoras a gas, en hornos, estufas, secadores, caldera (calefacción u otros sistemas de combustión a gas, debidamente adaptados para tal efecto. 4 Etapas de la producción de biogás Etapa I: Hidrólisis Los microorganismos hidrolíticos producen enzimas extracelulares capaces de convertir la materia orgánica polimérica en compuestos orgánicos solubles. Esta etapa es determinante en la velocidad global del proceso de producción de biogás y puede verse afectada por factores como: la temperatura, el pH, el tamaño de las partículas, la composición bioquímica del sustrato, entre otros. Etapa II: Acidogénesis Se produce la transformación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos que pueden ser aprovechados por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico e hidrógeno), otros más reducidos como (valérico, propiónico, láctico y otros) y ciertos compuestos que no pueden ser aprovechados por estas bacterias (etanol, ácidos grasos, y compuestos aromáticos). También eliminan cualquier traza de oxígeno presente en el biodigestor. Etapa III: Acetogénesis Aprovechan los compuestos que no pueden ser metabolizadas por las bacterias metanogénicas (etanol, ácidos grasos, y compuestos aromáticos) y los transforman en compuestos más simples como acetato e hidrógeno. Unos microorganismos acetogénicos muy especiales, denominados homoacetogénicos son capaces de solo producir acetato y pueden ser empleados para mantener bajas presiones parciales de gas hidrógeno ya que no lo producen. Etapa IV: Metanogénesis Las bacterias metanogénicas actúan sobre los productos de las etapas anteriores y completan el proceso de descomposición anaeróbica mediante la producción de metano. Se ha demostrado que el 70% del metano producido en biodigestor es resultado de la descarbolixación del ácido acético, debido a que solo dos géneros de bacterias metanogénicas pueden usar el acetato 5 Biodigestor El biodigestor es un recinto cerrado donde se producen reacciones anaeróbicas (sin aire), en el que se degrada la materia orgánica disuelta en un medio acuoso, para dar como resultado metano y dióxido de carbono, trazas de hidrógeno y sulfhídrico. Estos microorganismos, protozoarios hongos y bacterias que están en el interior deben ser cultivadas, por lo tanto no se obtendrá el biogás inmediatamente, tendremos que esperar que lo empiecen a producir, esto tarda unos 15 días más o menos. Esta producción se verá afectada por la temperatura exterior, por tanto si queremos que nuestro biodigestor produzca algo más o menos constante debemos enterrarlo para que la temperatura se mantenga en unos 18 grados, no es lo mejor pero durante el invierno tendremos buena producción. Este proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cual se le llama biogás. Importancia Su importancia radica en el aprovechamiento de los desperdicios para producir energía renovable y de bajo costo. El fertilizante que se produce es excelente y tal vez más fácil de aprovechar que el gas. El biodigestor procesa los residuos orgánicos y acumula en un compartimento todo el Biogás obtenido, siendo absolutamente apto para abastecer cualquier artefacto que se tenga en la casa o en el campo, llámense estos cocina, horno, termotanque, estufas, lámparas o cualquier otro que funcione con gas envasado o de red. En cuanto a la fermentación, todos los investigadores de este tema coinciden en que hay diferentes grupos tróficos de bacterias en los digestores anaerobios; desde un punto de vista tecnológico, estas bacterias son nuestro plantel funcional para que el equipo nos otorgue lo que pretendemos. Pero como en todo producto tecnológico, para que la producción de biogás suceda, hay una intervención muy importante del hombre. 6 ¿Qué factores influyen en el proceso de digestión? El proceso de digestión está muy relacionado con la gestión de la biomasa que se utiliza en el biodigestor. No debemos pasar por alto, por ejemplo, que cuanto más fresco es el estiércol vacuno que se va a utilizar en el biodigestor, mejores son las posibilidades de aumentar la producción de gas, como así también el compostaje de la biomasa de origen vegetal. Biomasa La biomasa es materia orgánica utilizada como fuente energética. Por su amplia definición, la biomasa abarca un amplio conjunto de materias orgánicas que se caracteriza por su heterogeneidad, tanto por su origen como por su naturaleza. En el contexto energético, la biomasa puede considerarse como la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. Estos recursos biomásicos pueden agruparse de forma general en agrícolas y forestales. También se considera biomasa la materia orgánica de las aguas residuales y los lodos de depuradora, así como la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU), y otros residuos derivados de las industrias. La valoración de la biomasa puede hacerse a través de cuatro procesos básicos mediante los que puede transformarse en calor y electricidad: combustión, digestión anaerobia (como la utilizamos nosotros), gasificación y pirólisis. 7 Tipos generales de biodigestores El sistema hindú El biodigestor hindú surgió porque los campesinos necesitaban combustible para los tractores y calefacción para sus hogares en épocas de invierno. Como la India es pobre en combustibles se construyó el digestor hindú y el nombre del combustible obtenido conocido como biogás. Este digestor trabaja a presión constante y es muy fácil su operación ya que fue ideado para ser manejado por campesinos de muy poca preparación. El sistema chino El biodigestor chino fue desarrollado ya que el problema en China no era energético sino sanitario. Los chinos se deshicieron de las heces humanas en el área rural y al mismo tiempo obtuvieron abono orgánico, con el biodigestor se eliminan los malos olores y al mismo tiempo se obtiene gas para las cocinas y el alumbrado. El biodigestor chino funciona con presión variable ya que el objetivo no es producir gas sino el abono orgánico ya procesado. Digestores de segunda y tercera generación El digestor de segunda generación opera básicamente en dos niveles. En la parte baja del mismo se construye un túnel o laberinto, que sirve para retener temporalmente todos los materiales que tienden a flotar; por medio de planos inclinados y ranuras delgadas en las placas de ferrocemento que conforman el techo del laberinto, se permite el paso del gas y del material ya hidrolizado y degradado. El digestor de tercera generación es la mezcla de varios digestores en una unidad, es el sistema más sencillo de todos los digestores; en la parte superior, se encuentra la última recámara, grande, con su campana flotante. Este tipo de digestor ofrece dos ventajas económicas, por un lado, se construye una sola unidad del tamaño adecuado a las necesidades; y por otro lado se elimina el costo de mano de obra. 8 Nuestra Propuesta BIODIGESTOR IZSAKY Nuestro proyecto consiste en un biodigestor vertical de alimentación semicontinua, basado en experiencias realizadas para poder comprobar cuál es la materia orgánica más conveniente para la producción del gas metano. La materia prima más conveniente resultó ser la papa en descomposición y estiércol de cerdo. Para poder solucionar esta situación pensamos en un recurso que no sea tan costoso y a su vez, no afecte al medio ambiente ya que no requiere procesos industriales. El diseño está sustentado en un recipiente de ciento ochenta litros acompañado de diversos accesorios necesarios para su correcto funcionamiento, como por ejemplo caños de PVC. La orientación de la escuela electromecánica nos llevó a pensar en la posible automatización del biodigestor para monitorear valores de presión, volumen, presencia de gas, nivel de fluido y temperatura. Diseño del biodigestor Izsaky 9 Materiales Utilizados: Un tanque de plástico de 180 litros Un metro y medio de caño PVC de ¾” MT caño 110 PVC Cupla 110 Tee ½ Llave ½ FV Metal Teflón ½ x 20 MT Sellador H3 25XX Conexión tanque ½ Conexión tanque 1 Niple de diversas medidas (8; 10; 20) cm de ½ Cámara para rueda de carretilla Mechero piloto Recipiente de medio litro 10 Presupuesto de materiales 11 Materia prima utilizada Composición del estiércol de cerdo Como todos los otros abonos orgánicos, el estiércol no tiene una concentración fija de nutrientes. Esto depende de la especie animal, su edad, su alimentación y los residuos vegetales que se utilizan, entre otros. Mientras los animales jóvenes consumen una gran cantidad de nutrientes para su crecimiento y producen excrementos pobres, los animales adultos solamente substituyen las pérdidas y producen estiércoles ricos en elementos fertilizantes. Además, mientras más rica la alimentación, mejor sale la composición del abono. Los cerdos suelen comer harina de maíz o de sorgo y soya, con diversos nutrientes y minerales añadidos. Entre éstos son el calcio, fósforo, zinc, cobre y selenio. La presencia de estos nutrientes se refleja en la composición del estiércol. Minerales Según el USDA, aproximadamente el 86 por ciento de cobre, todo el zinc, el 79 por ciento de manganeso, 40 por ciento de calcio, de magnesio, 74 por ciento, 59 por ciento de potasio y 66 por ciento del sodio consumido por un cerdo están presentes en su estiércol. La FDA regula la cantidad de selenio añadido a la carne de cerdo de alimentos debido a las preocupaciones sobre los efectos ambientales de estiércol que contenga selenio. Otros componentes importantes de las heces son materiales no digeribles de la carne de cerdo. La celulosa, la hemicelulosa y la lignina son todos los componentes de las paredes celulares de las plantas ni los animales ni los humanos pueden digerir, y los tres representan una fracción importante de estiércol de cerdo, junto con las proteínas y otro material fibroso. El pH o acidez de estiércol de cerdo varía desde 7,2 hasta 8,3. Tanto aeróbica (con oxígeno) y anaeróbico (sin oxígeno) procesos contribuyen a la distribución de estos compuestos, la liberación de subproductos tales como dióxido de carbono, nitrato, nitrito, sulfato, metano, amoníaco y sulfuro de hidrógeno. 12 Construcción Para la construcción del Biodigestor anaeróbico en un tanque de agua de 180 litros no se necesitan grandes conocimientos técnicos ni materiales difíciles de conseguir para su construcción. El diseño propuesto es bastante común, y al ser semi-continuo permite adicionar residuos orgánicos periódicamente. Luego de conseguir un tanque con tapa removible, se facilita ampliamente la construcción del biodigestor. Primero extraemos la tapa del tanque y realizamos dos agujeros de 40 mm de diámetro y otro de 12mm de diámetro. En el de 40 mm se coloca un trozo de caño de 4”, al de 12 mm se le instala una conexión a tanque de ½” Sellando los mismos con teflón y sella roscas asegurándonos así de no poseer pérdidas de gas, también aplicamos silicona antihongos en las uniones. A la conexión a tanque se le agrega un niple de 15 cm de largo de forma vertical que en su extremo superior contiene una unión Tee de ¾” que en uno de sus extremos posee un niple de 10 cm de largo colocado de forma horizontal, seguido de un conector para manguera de bronce con rosca macho. En el otro extremo de la Tee conectamos un niple de 5 cm, una llave para aire a presión de acero inoxidable, y otro niple de 10 cm que luego se convertirá en la salida del gas. En la parte inferior del tanque se adhiere una llave que cumple la función de desaguar el biodigestor durante el proceso de limpieza. A continuación, ensamblamos la llamada “trampa de agua” la cual consiste en un recipiente de plástico con agua conectado a la salida del gas cumpliendo la función de que en caso de que la llama vuelva, no le permita el ingreso al tanque gracias al agua del recipiente. Una vez finalizada la construcción del biodigestor, introducimos aproximadamente 60 kilos de la mezcla de papa y estiércol de cerdo acompañada de una cantidad de 80 litros de agua. Cerramos herméticamente el tanque dejando generar la descomposición anaeróbica. 13 Resultados obtenidos Realizamos encuestas en diversas viviendas de dos barrios que no gozan de gas natural (Nueva Esperanza- Carbometal) Datos Barrio: Nueva Esperanza Domicilio Apellido ¿Cómo emplea el gas en la vivienda? Promedio mensual de garrafas Cuenta con los recursos necesario SI NO Los resultados obtenidos fueron: Empleación de gas 10% 30 cocina 60% estufa hogar calefon electrico 14 Futura automatización Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto, la cual está basada en hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar para los creadores y desarrolladores. Esta plataforma permite crear diferentes tipos de microordenadores de una sola placa a los que la comunidad de creadores puede darles diferentes tipos de uso. En este caso, se utilizará la placa Arduino para controlar distintos parámetros del biodigestor como lo son la temperatura, presión, nivel de fluido y presencia de gas. El Arduino cuenta con entradas digitales y analógicas a las que conectaremos distintos sensores. La lectura de los mismos se lleva a cabo a través de la configuración de un programa, que es introducido en la memoria del Arduino. ‘Lenguaje de programación: El Arduino utiliza un lenguaje de programación processing, siendo el mismo un dialecto de Java específicamente diseñado para el desarrollo de arte gráfico, animaciones y aplicaciones gráficas de todo tipo. Processing es un software libre, disponible en las plataformas donde Java está disponible (Mac OS, Linux, Windows, etc). Permite desarrollar aplicaciones desde muy sencillas a muy complejas. También permite 3 formas de programar: básica, procedural/ estructurada y orientada a objetos. Una vez teniendo el programa determinado de cada sensor (códigos), el microprocesador realiza una lectura en momento real de cada parámetro censado, obteniendo diversos valores que son exhibidos en la pantalla de una computadora. 15 Conclusiones En conclusión, con este proyecto intentamos dar a conocer un método para poder solucionar problemas como lo son la ausencia de gas y lograr concientizar a la sociedad de no desperdiciar la materia orgánica y así poder utilizarla para su beneficio. Como grupo nos satisface el poder brindar este beneficio ya que no toda la población cuenta con gas. En un futuro desearíamos realizar mejoras a nuestro proyecto y llegar al punto de poder generar una cantidad considerable para así poder satisfacer las principales necesidades de las familias malargüinas. 16 Bibliografía Internet: http://www.bioguia.com/notas/biodigestores https://es.wikipedia.org/wiki/Biog%C3%A1s http://es.wikipedia.org/wiki/Biodigestor https://www.inet.edu.ar/index.php/material-de-capacitación/recuersos-didácticos/ https://www.appa.es/appa-biomasa/que-es-la-biomasa/ http://arduino.cl/que-es-arduino/ https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2015/03/22/que-es-el-hardwarelibre/ http://www.fundesyram.info/biblioteca.php?id=3892 http://bueno-saber.com/aficiones-juegos-y-juguetes/ciencia-ynaturaleza/estiercol-de-cerdo-en-quimica.php 17 Agradecimientos Queremos dar las gracias a las siguientes personas por su ayuda y apoyo incondicional para poder realizar el proyecto. Prof. Poblet Fabián, Prof. Peña Carolina, profesor Camiletti Vicente, Profesores del área técnica, y alumnos de 5° año. Sin su ayuda esto no hubiese sido posible ya que entre todos pudimos llevar a cabo un buen trabajo 18
