BALANCE DE ENERGÍA EN EL BIODIGESTOR.

Los requerimientos de energía en el digestor anaeróbico son en forma de calor para mantener el substrato a temperatura mesofílica mediante la recirculación de agua caliente por la camisa de calefacción. 9

La disipación de calor a través de las paredes del digestor por la diferencia de temperatura en la pared interior de biorreactor (35°C) y el ambiente se estimó por la ecuación:

Q = hA(Tw-Ta) Donde

Q = calor disipado por unidad de tiempo (w)

h = Coeficiente convectivo de transferencia (2.968 w/m2)  A = Área de transferencia de calor (m2)

Tw = Temperatura media de pared

Ta = Temperatura media del medio ambiente 3.4.1. EXPERIMENTACIÓN CON MATRACES

Para la experimentación con matraces se procedió de la siguiente manera: Recolección de muestras: Se trajo una muestra de 10 kg de residuos de alcachofa de la empresa Agromantaro.

Determinación de sólidos totales: Se introdujeron 4 pequeñas cápsulas de porcelana en una estufa a una temperatura de 100ºC durante 24 horas para eliminar la humedad contenida en las mismas.

En seguida se pasaron a un desecador para secarlas y enfriarlas a temperatura ambiente, posteriormente se transfirieron a la balanza analítica y se pesaron una por una para evaluar la tara. Se agregó la muestra de estiércol a las cápsulas y se introdujeron así en la estufa nuevamente durante 24 horas, al término de las cuales se pesaron obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla Nº 05.

TAB LA N°06. Peso d e las m uest ras h úm edas y s ecas

Muestra Nº

Peso capsula (g)

Capsula +mu estra (g) Capsula +muestra seca (g) Peso mu estra sin h u m ed ad (g Muestra 1 81.064 90.4736 85.7453 4.7283 Muestra 2 66.105 76.6108 71.6743 4.9365 Muestra 3 64.5327 74.5364 68.8887 5.6477 Muestra 4 63.0385 73.6713 67.4751 6.1962  ______________________________________________________________________ 11 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=41616204 Diciembre 2013

Porcentaje de h umedad:

El porcentaje de humedad (Tabla Nº 06) se determinó utilizando la siguiente fórmula:

              

TA B LA N°07 Por cen taje de hu m edad

Muestra Nº Porcen taje de humedad humedad Muestra 1 49.75% 47 % Muestra 2 53.011% Muestra 3 43.543% Muestra 4 41.725%

Grado d e acid ez:

La determinación del pH se hizo mediante una dilución con una relación de 1:5 de residuo de alcachofa en agua destilada y se hicieron las mediciones correspondientes. Los resultados se muestran en la Tabla Nº 07.

TA B LA N°08. Deter m in aci ón d el PH

Muestr a Nº Primera lectura Prim era lectur a Prom edios PH

Muestra 1 8.09 8.35 8.22

7.81

Muestra 2 8.05 8.22 8.135

Muestra 3 7.14 7.33 7.235

Muestra 4 7.57 7.76 7.665

 A continuación se prepararon dos lotes de tres repeticiones cada uno, utilizando kitazatos de cristal (Figura 1) con una capacidad de 1 litro como depósito de la mezcla agua-excremento. Los kitazatos se introdujeron dentro de una tina con agua calentada por una resistencia a fin de mantener la temperatura apropiada (35 °C – 37º)

El biodigestor a escala utilizado (Figura 2) presenta las siguientes características:

Escala adecuada para aplicaciones a nivel laboratorio.

Fabricación en acero inoxidable a fin de evitar la acelerada oxidación y corrosión originada por la, naturaleza de los mismos materiales utilizados como materia prima.

 Adaptación de dispositivos y accesorios como los siguientes: tapa con sello hermético, válvula de seguridad y válvula de paso para extracción del biogás. Sistema de calentamiento a base de una parrilla eléctrica como fuente de calor, instalada en la parte inferior del biodigestor.

Instalación de los siguientes instrumentos: termómetro de carátula, manómetro del tipo Bourdon y control de temperatura automático.

Cubierta exterior.

Depósito interior para material biológico.  Agitador manual.

Orificio de alimentación de agua de calentamiento. Orificio para instalación de termómetro.

Orificio de descarga y toma de muestras.

Orificio de descarga de agua de calentamiento.

Para las experimentaciones con el biodigestor se procedió de la siguiente manera:

Se procuró que las características de la materia prima utilizada en el biodigestor fueran similares a la utilizada en la experimentación con matraces. Preparación de la carga para el biodigestor: Se pesó la alcachofa utilizándose 1400 gramos en total; de acuerdo con las diluciones anteriores se hizo esta experimentación agregando 3 litros de agua.

Carga del biodigestor: En seguida se procedió a deshacer las hojas de alcahofa hasta alcanzar una mezcla homogénea; se tomó lectura del pH 6,5 y en estas condiciones se cargó el biodigestor, el cual se tapó herméticamente.

Monitoreo de la producción de biogás: Se dejó que las bacterias trabajaran en el proceso anaerobio a una temperatura controlada de 35 ºC por medio de la

resistencia eléctrica conectada a un termostato que medía la temperatura de la dilución.

La producción del biogás se obtuvo a partir del primer día de digestión anaerobia, ésta se detectó con el desplazamiento de la aguja del manómetro ocasionado por el incremento de la presión y por su olor característico en los primeros cinco días.

El proceso de digestión anaerobia se mantuvo por espacio de 34 días, durante los cuales se aplicó agitación manual una vez al día.

La influencia de los parámetros involucrados se determinó a través de mediciones de pH cuyo valor disminuyó inicialmente al valor de 6,4, para luego subir y mantenerse en el valor de 7,0. La presión máxima alcanzada en este período fue de 4.5 psi. La temperatura se mantuvo a un valor de 35 ± 1 ºC.

En el caso de la experimentación con el biodigestor el volumen del gas producido se detectaba utilizando una cámara de balón.

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CAPITULO V.

PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO 5.1. PRESUPUESTO.

La inversión fija comprende todos los materiales y equipos necesarios para llevar a cabo el proceso de producción, la construcción e instalación de los equipos y de los elementos que permiten su funcionamiento tales como instalaciones eléctricas, entre otros.

 Abreviación Equipo Características Cantidad Valor unitario (S./) Valor total (S./)  A-1 Biodigestor 20 lt 1 10.00 10.00 C-1 Cámara de almacenamiento de biogás 3lt 1 5.00 5.00

V-1 Válvulas de líquido Válvula de bola

2 20.00 40.00

V-2 Válvulas de gas Válvula de bola

1 25.00 25.00

Total: S. / 80.00

5.2. FINANCIEMIENTO.

Contamos con el respaldo de la empresa Agromantaro, que nos financiará en la compra de materiales y los respectivos análisis que se realizara en el trabajo de tesis.

RESULTADOS 6.1. Biodigestor diseñado y construido.

Se diseñó y construyó un biodigestor tipo chino modificado, con un volumen de capacidad de 20 litros para un proceso semicontinuo.

Se obtuvo producción de biogás por fermentación semicontinua durante 18 días en los cuales se mantiene constante la temperatura a 35 ˚C y la agitación. La producción de biogás de los reactores varía de acuerdo a la composición de fruta que contiene cada reactor.

Para obtener un mejor análisis de estos experimentos se analiza la producción diaria de biogás. La temperatura es normalizada a 25 ˚C con el objeto de comparar los volúmenes de biogás producidos.

Figura Nº 03. Producción de biogás acumulado en los reactores batch.

En la Figura 4.1 se observa la producción de gas durante el tiempo de digestión. Al inicio de la digestión las curvas presentan una gran pendiente en todos los experimentos, debido a la gran producción de biogás. Conforme transcurren los primeros siete días, las pendientes disminuyen. En esta etapa decrece la producción de dióxido de carbono y la producción de metano empieza a incrementar. En la etapa final de la experimentación

la producción de biogás cesa por completo con excepción del experimento con 50% de desecho de restos de alcachofa.

6.2. Evaluación de los resultados obtenidos

La mezcla reactiva al 80% con una composición de desecho de fruta de mora – guanábana en fase sólida muestra ser la materia prima ideal ya que produce la mayor cantidad de biogás y su operación es estable bajo condiciones mesofílicas. Se realiza el balance de masa del reactor para la mezcla reactiva de interés. Se estudia la remoción específica de DQO y la producción específica de biogás en relación a las distintas cargas de alimentación que se suministran al reactor batch.

La Tabla 4-3 presenta las concentraciones del afluente y efluente del biodigestor y la concentración de DQO inicial y final dentro del biodigestor. Estos datos permiten realizar el balance de masa y el cálculo del porcentaje de degradación que se presentan posteriormente.

Tabla Nº 09: Concentraciones de DQO en el afluente, efluente y dentro del reactor en cada carga orgánica de alimentación.

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Las dimensiones del biodigestor tienen una relación altura – diámetro de 1:1. La Tabla Nº 09 muestra los datos obtenidos de estos cálculos.

Tabla Nº 10: Dimensionamiento del biodigestor.

FIGURA Nº 05. PORCENTAJE DE METANO CONTENIDO EN EL BIOGAS VS TIEMPO DE RETENCION