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SEP SNEST DGEST

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD JUÁREZ

Residencias profesionales

“Biodigestor, generador calorífico”

Francisco Javier Ortiz Ornelas N°. Control. 07111394

Carla Patricia Lara Ramírez N°. Control. 07111466

Ingeniería Mecatrónica

Asesor interno: Sebastián Pinto Sepúlveda

Asesor externo: Ramón Colorbio Apodaca

Cd. Juárez, Chihuahua. México. Enero del 2013

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ANTECEDENTES

En México diariamente se generan más de 84,000 toneladas de basura diariamente; de todo el mundo, México ocupa el lugar número 10 de los países que más basura producen. En muchos países se está llenando rápidamente los depósitos destinados a la eliminación de los desechos, de l00% de la basura desechada en el país, el 56% son desechos orgánicos. Los desechos orgánicos son los restos biodegradables de plantas y animales. Estos residuos pueden ser reutilizados para:

• La fabricación de composta (abono orgánico). • Producción de electricidad en generadores de metano. • Reciclaje a través de bancos de alimentos. • Fabricación de biodiesel y jabón (aceite de cocina y grasa animal) • Producción de metano por medio de biodigestores.

Este proyecto se enfocara a la producción de biogás por medio del proceso de biodegradación, aprovechando la cantidad de basura que se desecha diariamente para generar biogás, es posible crear un proyecto factible para aplicar en las diversas áreas que se dedican a la eliminación de estos residuos, incluso podría aplicarse en industrias y lugares públicos que generen cierta producción de residuos orgánicos; esto representaría una gran oportunidad para aquellos municipios que no cuentan con rellenos sanitarios.

El biogás es producido por bacterias en el proceso de biodegradación del material orgánico en condiciones anaeróbicas, es decir, en ausencia de oxigeno.

Ciudad Juárez es una de las regiones que cuenta con un amplio campo utilizable para la generación de biogás, contamos con rellenos sanitarios, granjas/establos, plantas procesadoras de alimentos, plantas tratadoras de agua, en fin diferentes áreas en las que podemos aprovechar los recursos que generan.

Con la generación de electricidad con los residuos de gases de los desechos orgánicos de Ciudad Juárez, al año se podrá tener un ahorro de cerca de 36 millones de pesos en el rubro de alumbrado público para el municipio fronterizo. Se tomara

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como base el proceso que lleva a cabo en el relleno sanitario para la generación de electricidad

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Una de la razones por la que la sociedad no ha implementado esta técnica para la generación de gas, es por el desconocimiento de la oportunidades y beneficios que ofrece esta técnica en la actualidad ciudad Juárez no cuenta con un diseño accesible domestico que sirva como generador de biogás, con lo cual pretendemos llevar a cabo un prototipo capaz de generar biogás accesible para personas de escasos recursos, explotando las áreas de las que podemos obtener material orgánico para la producción de este gas.

Esta técnica puede ser implementada para diferentes áreas, y es posible aprovechar al 100% las cualidades de la materia orgánica desechada diariamente.

Justificación

Ciudad Juárez es una de las ciudades fronterizas más importantes de la republica mexicana. Por su población de más de 1, 313,338, es la ciudad con más número de habitantes en el estado, su principal actividad económica es la industria maquiladora.

Debido a la gran cantidad de desechos generados por su población y depositados en el relleno sanitario, hace de la ciudad un sitio ideal para la instalación de biodigestores, esto sería benéfico tanto para la sociedad como para el medio ambiente.

Ciudad Juárez tiene la necesidad de implementar prácticas que beneficien a la sociedad en general.

Un estudio demuestra que el aplicar esta técnica mejoraría la calidad de vida de ciertas personas en cuanto al uso de energía o uso de biogás, depende el enfoque que se lleve a cabo. Así mismo es una manera eficiente de aprovechar todos los residuos orgánicos que se generan diariamente en nuestra ciudad. Con esto se busca concientizar a la

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sociedad sobre la importancia y los beneficios que pueden obtener de de estos recursos.

Se busca analizar los recursos con los que cuenta la sociedad de escasos recursos con el fin de adaptar un prototipo accesible que cubra sus necesidades diarias.

Cabe mencionar que esta técnica no ha sido aplicada en nuestra sociedad, de la manera en que se busca implementar y desarrollar para este proyecto.

OBJETIVOS

El objetivo principal es diseñar un biodigestor, que genere biogás mediante el uso de los desechos orgánicos. Se llevaran a cabo un estudio acerca de los diferentes entornos en que se puede implementar, analizaremos las ventajas y desventajas de este sistema, así mismo se realizara un estudio de factibilidad tanto económico como social.

Dependiendo el entorno en que se requiera implementar, se llevara a cabo el diseño del prototipo de un biodigestor de fácil instalación

Con esto se pretende obtener la mayor accesibilidad a este método de reciclaje y

generación de combustible a las zonas principalmente rurales, pero de igual forma,

se pretende aplicar este proyecto en áreas en las que se genere gran cantidad de

desechos orgánicos, como pueden ser, escuelas, guarderías, maquiladoras, entre

otras.

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HIPÓTESIS

Mediante la obtención de la materia orgánica, las bacterias necesarias para agilizar el proceso y el material necesario, se buscara elaborar el biodigestor que llevara a cabo su función mediante un proceso de digestión anaerobio el cual es parte

importante del proceso general de la generación de biogás.

DIGESTION ANAEROBIA

Este proceso se realiza en un contenedor cerrado herméticamente llamado “biodigestor”, en este proceso, la materia orgánica se maneja en ausencia de oxigeno y mediante el proceso de descomposición de la materia, el producto orgánico genera biogás. La digestión anaerobia puede ser aplicable a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de alimentos, entre otras. Este tipo de digestión también es un proceso adecuando para el tratamiento de aguas residuales de alto contenido orgánico. La digestión anaeróbica es producto de la acción de bacterias, las cuales se denominan metano génico, encargados de degradar las materias orgánicas.

Composición de biogás

El biogás contiene un alto porcentaje en metano CH4 (entre 50 y 70%) y dióxido de carbono (CO2), aparte de contener pequeñas cantidades de hidrogeno, nitrógeno, oxigeno, monóxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrogeno.

El proceso de digestión anaerobia es uno de los procesos más adecuados para la reducción de emisiones de efecto invernadero.

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La digestión anaerobia puede aplicarse a residuos ganaderos, agrícolas, así como a industrias donde se genere un alto porcentaje de desechos orgánicos.

Los beneficios de aplicar una digestión anaerobia son:

Ø Disminución significativa de los malos orales.

Ø Mineralización

Ø Producción de energía renovable

Ø Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

FASES DE PROCESO DE BIODEGRADACION

-Fase de hidrolisis. En esta etapa las bacterias toman los residuos orgánicos virgen y rompen las cadenas de estructuras carbonadas que conforman la materia convirtiéndolo en cadenas mas cerdas y simples (ácidos orgánicos) liberando hidrogeno y dióxido de carbono.

-fase de acidificación. Esta etapa la conforman las bacterias acetilénicas y realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-COO y liberando como producto final hidrogeno y dióxido de carbono.

-Fase metano génica

Las bacterias intervinientes en esta etapa, pertenecen al grupo de las achibacterias, la transformación final cumplida en esta etapa tiene como principal substrato el acético junto a otros ácidos orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados están constituidos por el metano y el dióxido de carbono.

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RESIDUOS ORGANICOS

Carbohidratos+ grasas + proteínas

Ácidos orgánicos

Alcoholes

Compuestos de cadena corta

H2

CO2

Acido acético

Metano CH4

Dióxido de carbono CO2

BACTERIAS FERMENTATIVAS

BACTERIAS ACETOGENICAS

BACTERIAS METANOGENICAS

FASE DE HIDROLISIS

FASE DE ACIDIFICACION

FASE DE METANIZACION

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Diagrama 1. Proceso de degradación

AGUAS RESIDUALES INDUSTRIA GANADERIA

BIODIGESTOR FERTILIZANTE BIOGAS

CH4

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Figura 1. Aplicaciones del proceso de digestión anaerobia.

Es posible llevar a cabo una digestión anaerobia, utilizando uno más residuos orgánicos con la condición de que en su mayoría sean líquidos, contengan material fermentable y tengan una gran composición y concentración relativamente estable. Así mismo es posible obtener mejores resultados en el proceso si se lleva a cabo un equilibrio entre la relación de carbono – nitrógeno con la que cuenta la materia orgánica, la relación debe estar entra una proporción entre 20 y 30 partes de carbono por cada parte de nitrógeno (20:1). Si la proporción de nitrógeno aumenta, la generación de producción de biogás puede disminuir debido a la formación de amonio.

Para llevar a cabo un proceso adecuado es importante combinar materiales ricos en nitrógeno con materiales abundantes en carbono para dar lugar al crecimiento de microorganismos que degraden la materia orgánica dentro del biodigestor.

Los principales procesos que influyen en la degradación de la materia orgánica son:

Temperatura. Se encuentra un optimo de funcionamiento alrededor de los 35°C

Acidez. Determina la cantidad y el porcentaje de metano en el biogás, habiéndose encontrado que el valor optimo de pH escila entre 6,6 y 7,6

Contenido en sólidos. Se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10% en sólidos, lo que explica que la biomasa más adecuada sea la de alto contenido en humedad.

Nutrientes. Para el crecimiento y la actividad de las bacterias, estas tienen que disponer de carbono, nitrógeno, fosforo, azufre y algunas sales minerales.

Tóxicos. Aparte del oxigeno, inhiben la digestión concentraciones elevadas de amoniaco, sales minerales y algunas sustancias orgánicas como detergentes y pesticidas.

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Las condiciones para la obtención de metano e el digestor son las siguientes:

Temperatura entre los 20°C y 60°C.

PH adecuado (6.5 – 7.5)

Ausencia de oxígeno.

Gran nivel de humedad (80% - 90%)

Materia orgánica.

Equilibrio de carbono / nitrógeno,

Las actividades microbiológicas de la técnica de digestión anaerobia puede llevarse a cabo en condiciones terminas mesofilitas y termofilicas. La condición esofágica es la que se lleva a cabo operando a temperaturas cercanas a 30°C, y la condición hemofílicas es la que se lleva a cabo operando a temperaturas alrededor de 55°C, en este tipo de condición térmica, suele obtenerse mayor cantidad de biogás pero implica un incremento en el costo de la operación para mantener las temperaturas apropiadas durante el periodo de generación.

Características del biogás:

El biogás es el gas producido por bacterias en el proceso de digestión anaerobia, el cual proviene de los residuos orgánicos que al ser expuestos a distintos factores, da lugar a la generación de este gas. La composición química del biogás generado por el digestor, dependiendo de la carga de materia orgánica que se haya utilizado y del tipo de tecnología con la que se llevara a cabo este proceso, puede ser la siguiente:

50%-70% de metano (CH4)

30-40% de anhídrido carbónico (CO2)

< 5% de hidrogeno (H2), Acido sulfhídrico (H2S) y otros gases.

El poder calorífico del biogás es mayor que el del gas natural debido al alto contenido de metano con el que cuenta (60%).

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Aplicando conocimientos de automatización se efectuara el monitoreo de este

sistema para tener un control acerca del funcionamiento o fallo del mismo,

principalmente se tomara en cuenta los factores del ambiente en cuanto al entorno

donde se encuentre establecido este sistema.

FUNDAMENTOS En Ciudad Juárez y pueblos aledaños vive mucha gente de escasos recursos donde les es imposible obtener recursos como gas natural o inclusive electricidad, así pues se busca una manera de ayudar principalmente a este tipo de sectores donde puedan hacerse de su propia fuente de producción de gas natural para su propio consumo y se beneficien de su mismos consumos.

Planta de Biogás: En Ciudad Juárez se cuenta con la empresa Biogás la cual

genera alrededor de 3.5 megawatts de electricidad mediante el uso de gas metano que genera la basura en el relleno sanitario, ubicado al sur de la ciudad. El programa Biogás, consiste en la técnica de generación de gas metano mediante la degradación de la materia orgánica localizada en el relleno sanitario, este proceso se inicio en abril del 2007. Esta planta se localiza en una región semidesértica, la cual actualmente recibe unas 1,100 toneladas diarias de desechos, en una superficie de 200 hectáreas. El relleno sanitario es operado por el municipio de Juárez y tiene como área de influencia ciudad Juárez, y los poblados de: Samalayuca, Tres Jacales, San Agustín, San Isidro y Puerto Anapra.

Tomando como base esta información, se buscara lograr un diseño accesible tanto económico como estructuralmente que logre ser instalado en hogares donde sea imposible tener acceso a este tipo de servicios públicos.

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METODOLOGÍA

La generación de gas metano se realiza mediante la degradación de materia orgánica, bajo condiciones anaeróbicas, es decir en ausencia de oxigeno. Este proceso se llevara a cabo de manera sintética, utilizando

un biodigestor anaerobio

BIODIGESTOR

Un biodigestor es un sistema que transforma la biomasa o materia orgánica degradable en gas y fertilizantes.

Parámetros en el proceso del biodigestor

Para el correcto funcionamiento del sistema es muy importante mantener monitoreado en forma periódica los parámetros que conllevan a la generación del gas metano, los parámetros principales en el proceso son:

• PH

• DQO

• Ácidos grasos

• Cantidad de CH4

• Cantidad de CO2

• Temperatura

PH (potencial hidrogeno)

El pH es un parámetro que determina la cantidad de acidez con la que está operando el sistema, en base a esto sabremos si el sistema está

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operando en un medio acido o básico, en general, un reactor debe estar operando en un medio neutro, esto con el fin de asegurar que las bacterias metanogenicas estén en un ambiente ideal para su supervivencia y su reproducción.

DQO (Demanda Química de Oxigeno)

La demanda química de oxigeno determina la cantidad de oxigeno requerido para oxidar la materia orgánica bajo condiciones específicas de agente oxidante, temperatura y tiempo. Las sustancias orgánicas e inorgánicas oxidables presentes en la muestra, se oxidan mediante reflujo fuertemente acida (H2SO4).

Ácidos grasos

Las grasas vegetales poseen un alto potencial energético debido a su composición química y elevado contenido de lípidos degradables por bacterias anaeróbicas. Cuando se agregan a los biodiestores pueden aumentar notablemente la productividad de biogás.

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DESARROLLO

Para construir el biodigestor necesitaremos lo siguiente:

• Tanque de plástico o tambo.

• Manómetro

• Tubería de PVC 1”

• Cubeta de plástico

• Válvulas tipo bola 1/2” con solenoide

• Celda solar 12 v

• Calentador (Resistencia)

• Teflón

• Sellador

• Basura orgánica (Frutas, verduras, etc.)

• Excremento de animal

• Agua

• Manguera para gas

• Regulador de presión

• Sensores (temperatura, PH, etc.)

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Figura 2. Diagrama del biodigestor

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PROCESO

Dentro del proceso de generación de biogás es necesario tomar en cuenta que la composición química que genera el biodigestor no es gas metano puro, si no que este contiene elementos como es el caso del acido sulfúrico (H2S) y Dióxido de carbono (CO2) los cuales pueden afectar directamente al sistema, ya que en aplicaciones tales como accionamiento de motores de combustión interna o aplicaciones en las cuales se involucre algún metal ferroso puede resultar un tanto perjudicial cuando el metal entre en contacto con el H2S, ya que este elemento reacciona al contacto con el metal oxidándolo, así mismo se debe contar con un filtro de CO2 con el cual obtendremos un biogás más puro y limpio. Otro de los aspectos importantes a eliminar dentro del proceso de biodigestion es el condensado, debido a que dentro del sistema contamos con alto grado de humedad, debido a la composición de la materia orgánica y de los líquidos contenidos en los depósitos de filtrado, por lo cual puede generar cierta corrosión en los componentes con materiales ferrosos. Debido a esto es necesario darle un tratamiento especial al gas antes de almacenarlo para su uso posterior. A continuación se presentan la descripción y fabricación de cada uno de los dispositivos que realizaran la filtración y tratamiento en el biogás:

1. Dispositivo de descomposición de materia orgánica (biodigestor)

El biodigestor es la parte del sistema encargado de degradar la materia orgánica mediante procesos bioquimicos vistos anteriormente, en este dispositivo, la materia orgánica es introducida para llevar a cabo el proceso de descomposición y degradación mediante las bacterias que intervienen en el proceso. Una vez que el residuo orgánico es introducido en el biodigestor, el sistema será monitoreado automáticamente, tomando lectura de la temperatura y la presión a la que está trabajando el sistema, para posteriormente liberar el gas producido mediante actuadores automatizados los cuales estarán programados mediante el PLC SLC Micrologix1000.

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2. Válvula de alivio

En el sistema las sobrepresiones dentro del digestor como en las tuberías son algo inevitables, esto es debido a que en ocasiones el gas generado no se está utilizando y es cuando se presentan aumentos en la presión de operación del digestor, por lo tanto la válvula de alivio es el dispositivo en el sistema encargado de liberar la sobre carga de gas generado en el biodigestor, por medio de una bifurcación en T de PVC se hará una salida del biogás mediante una tubería pequeña de PVC hacia una botella plástica transparente, a la cual se le realizaran 2 perforaciones mínimo en la parte más alta posible.

Figura 3. Válvula de alivio

La tubería de PVC estará sumergida en el liquido contenido en la botella, en este caso será agua. Cuando la presión del sistema se exceda de la operación, el biogás vencerá la presión que ejerce la columna de agua y se saldrá en forma de burbujas hacia el ambiente, por medio del agujero que tiene la botella. Esta válvula se debe ubicar en la línea principal del sistema a una distancia proporcional al tamaño del biodigestor diseñado, comúnmente se instala en voladizo, procurando que su peso no exceda y doble la tubería o dañe la instalación, es preferente instalarla antes que los demás dispositivos de tratamiento y almacenamiento del biogás.

FILTRO CO2

Este filtro tiene como finalidad eliminar el dióxido de carbono (CO2) contenido en el biogás producido, esto con el fin de obtener el gas metano (CH4) lo más puro posible para su utilización. El diseño de este filtro depende de la capacidad de gas que pueda generar el biodigestor, en el caso de los biodigestores domiciliarles se utiliza un filtro de pequeña dimensión, debido a que la presión del gas generado que poseen estos biodigestores es muy baja.

Este filtro puede ser elaborado con recipientes, como botellas plásticas o de vidrio, dentro de los cuales se colocara una solución alcalina (agua+cal), la proporción de la solución será agregando 2 gramos de cal por cada litro de

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agua, con esto se garantiza que el biogás generado estará libre de CO2.

Dentro de la botella, debe tener dos tubos, uno debe estar dentro de la solución alcalina y el otro lo suficientemente alto para que no toque la solución, cuando el biogás excede la presión del liquido, este sale en forma de burbuja hacia la solución alcalina para posteriormente salir por la tubería de escape ubicada dentro de la misma botella.

Este filtro es también ubicado en la línea principal del paso del gas metano, puede estar ubicado entre el biodigestor y el filtro de acido sulfúrico, debe estar ubicado en un lugar fijo y sellado herméticamente para que pueda operar sin algún problema.

Figura 4. Filtro de dióxido de carbono

TRAMPA DE H2O

El condensado en el sistema debido a la humedad, es un factor que puede llegar a afectar parte de nuestro biogenerador, debido a que puede generar corrosión en metales ferrosos, como son las electroválvulas y las llaves de paso ubicadas como salida y entrada del gas, para la eliminación de este condensado es necesario ubicar una trampa de agua o purga en la tubería principal del sistema, generalmente después del filtro de dióxido de carbono, para el caso el biodigestor domiciliar la purga se puede construir utilizando tubería de PVC, válvulas de bola y si es necesario reductores y codos de PVC. Esta purga debe estar ubicada siempre en la parte más baja del sistema de tuberías, por lo tanto es importante diseñarla con una pendiente o algún cambio de nivel debido a que en esta es donde se acumula más cantidad de agua condensada, al final de la purga se debe ubicar la válvula de paso tipo bola, para poder evacuar el

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condensado generado con la ayuda de la acción de gravedad, la liberación puede realizarse manualmente, preferiblemente debemos ubicarla antes del filtro de H2S debido a que la humedad puede colaborar a oxidar la viruta de hierro dentro del filtro.

FILTRO DE ACIDO SULFURICO

Para un biodigestor semicontinuo de instalación tipo domiciliar es posible instalarle un filtro de acido sulfúrico (H2S) pequeño. Este filtro se puede fabricar con un tubo de PVC de un diámetro mayor al del resto de la tubería del gas, en este caso, se utilizo una tubería principal de ¾” de diámetro y una tubería de ½” para el filtro de H2S, dentro de este tubo se insertara la mayor cantidad posible de viruta de fibra de hierro, las cuales reaccionan al contacto con el acido sulfúrico absorbiéndolo y dejando a el gas metano libre de H2S. De esta forma se produce el proceso de oxidación en la fibra de acero y no en alguno de nuestros dispositivos del sistema. Es recomendable que este filtro este ubicado ya sea antes o después del gasómetro y con una instalación sencilla debido a que es necesario sustituir periódicamente las limaduras de hierro dentro del filtro ya que estas al oxidarse ya no contaran con la capacidad de filtrar el H2S que contiene el biogás.

Figura 5. Fibra de hierro Figura 6. Trampa de ácido sulfúrico

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GASOMETRO

El gasómetro es la parte del sistema en la cual se almacena el biogás generado por el digestor, el método en el que nos basaremos será por el biodigestor de campana flotante. El gasómetro se realiza con dos barriles, uno de diámetro más pequeño para que pueda entrar dentro del otro, el barril de abajo debe contener agua, la cantidad depende del volumen de biogás que genere el biodigestor, el contenedor de menor diámetro deberá tener orificios en el fondo del barril, esto con el fin de que el agua contenida en el barril de abajo pueda entrar por esos orificios, el agua sirve como seguridad pues si el volumen de gas introducido en el contenedor flotante excede su capacidad, este romperá la barrera que forma el agua y saldrá en forma de burbujas hacia el exterior, es importante fabricarle unas guías al contenedor flotante, debido a que si mantiene el movimiento del agua, será inseguro para el sistema pues este es necesario que este siempre dentro del agua, para esto también es necesario establecerle unos límites fijos, para que el contenedor flotante nunca pierda contacto con el agua.

En este mismo contenedor se le ubicara una salida, la cual estará controlada por una válvula de paso tipo bola, esta será activada manualmente solo cuando el biogás contenido en el gasómetro vaya a ser utilizado. La ubicación del gasómetro debe ser en un lugar lejos de los materiales inflamables y a una temperatura ambiente.

Figura 7. Gasómetro

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AGITADORES

Dentro del biodigestor el mezclado es muy importante ya que esto aceleraría la digestión debido a que por medio de los agitadores se le da mantenimiento de la homogeneidad del contenido del reactor, se prevé la formación de contras, y brinda una utilización máxima del contenido total del digestor y disminución de sólidos inertes en el fondo.

Si el agitador es instalado en un tanque de digestión, es recomendable buscar el tipo de agitador adecuado para este. El objetivo de el agitador es suspender el material orgánico y evitar la formación de de película flotante o costra, la función es crear una recirculación vertical de abaja hacia arriba para mantener siempre fresco el residuo orgánico.

Figura 8. Agitador de doble hélice

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CELDA SOLAR

Se pretende realizar un biodigestor automatizado, por lo cual es considerada la aplicación de energías alternas como lo es la celda solar, para este proyecto se utilizara una celda de 45watts, la cual alimentara a la resistencia calorífica monitoreada por el controlador de temperatura, esto con el fin de obtener un sistema con retroalimentación que evite el uso de energía eléctrica y gasto económico.

Figura 9. Celda solar

FUNCIONAMIENTO DEL BIODIGESTOR

El proceso que se lleva a cabo en el biodigestor es el siguiente:

1. Ingreso de la materia orgánica, preferentemente con un compuesto homogéneo para acelerar el proceso de biodegradación.

2. BIODIGESTOR. Dentro del biodigestor se llevara a cabo el proceso bioquímico de digestión anaerobia (en ausencia de oxigeno) dentro del cual serán monitoreadas la temperatura, y la presión , cuando la temperatura desciende de los limites requeridos (40 – 50 grados) el PLC activara la resistencia que será la encargada de proporcionar la temperatura necesaria para mantener la temperatura figura10.biofigestor

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Dentro de los rangos especificados, así mismo contara con un agitador que se activara constantemente para evitar la formación de costras y ayudara a mantener homogénea la mezcla orgánica dentro del depósito, la presión en el sistema será controlada por un sensor de presión digital, el cual al detectar un exceso de presión dentro del digestor, activara la electroválvula encargada de la liberación del gas hacia la tubería principal, esto lo hará por medio del PLC.

3. TUBERIA PRINCIPAL. En la tubería principal es donde se lleva a cabo el tratamiento del biogás antes de ser almacenado en el gasómetro, la tubería principal consta de 4 secciones previas al almacenado de gas.

a. Válvula de alivio. Esta válvula es la encargada de liberar el exceso de gas en el sistema, cuando la presión excede de la presión del agua, el gas se libera en forma de burbujas.

b. Filtro CO2. Este filtro se encarga de eliminar el dióxido de carbono que se encuentra en el biogás, utilizando una solución alcalina por la cual tendrá que pasar el biogás para posteriormente quedar limpio de esta sustancia.

c. Trampa de H2O. también es conocida como purga, sirve para eliminar la humedad en el sistema, una vez que las moléculas de agua que contiene el biogás hayan condensado, quedaran estancadas en este nivel para posteriormente ser evacuadas.

d. Filtro H2S. Este filtro se encarga de eliminar el dióxido de carbono que contiene el biogás, debido a que puede oxidar algunas de las áreas de nuestro biodigestor.

4. GASOMETRO. Esta parte del sistema se encarga de almacenar la mayor cantidad posible de gas metano sin exceder su presión.

5. Válvula de salida. Esta válvula será activada únicamente cuando se desee utilizar el biogás almacenado en el gasómetro. Este sistema contara con un manómetro para medir la presión.

.

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Monitoreo del sistema en el biodigestor

Temperatura

Para el monitoreo del sistema se utilizara un termocople tipo J el cual servirá para toma de temperatura, sensor ira ubicado dentro del biodigestor, este sensor es la mejor opción para censar la temperatura, debido a su cubierta de

metal, la cual nos ayuda a obtener un valor de temperatura más exacto. El termocople tipo J maneja temperaturas de 0 grados hasta 700 grados Centígrados, lo cual lo hace ideal para nuestro sistema puesto que no se manejaran temperaturas tan bajas internamente, este sensor funciona a 110v, es decir que accesible para conectarlo a cualquier toma común de casa, negocio o

estancia.

Este termocople será manipulado mediante un controlador de temperatura udc 3300, el cual tomara la lectura de la temperatura y la controlara por medio de alarmas internas, por lo cual indicaremos rangos máximos y mínimos con los que

deberá estar trabajando el biodigestor, al exceder la temperatura el controlador activara o desactivara salidas mediante relays internos que nos ayudara a mantener la temperatura del biodigestor dentro de los rangos especificados, este controlador de temperatura también tomara la función de activar y desactivar los actuadores necesarios para mantener la temperatura estable en el sistema la cual debe estar dentro del rango de 30°- 50° Celsius.

Figura 11. Thermocouple

Figura 11. Controlador de temperatura

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A la salida del gas, se ubicara un sensor de presión MINDMAN modelo MP40P el cual estará ubicado en la misma bifurcación que la tubería principal, el objetivo es controlar lo mejor posible la presión en el sistema, puesto que el biodigestor no cuenta con un sistema que libere la presión en su interior, por tanto es necesario mantener monitoreado esa variable para no causar algún accidente durante el proceso, lo que hace este sensor es que al detectar un excedente en la presión de gas, manda una señal hacia el controlador, en este caso utilizaremos un PLC, al recibir la señal, se activara la electroválvula que se ubica entre el acceso del biodigestor y la tubería principal del gas.

Figura 12. Sensor MINDMAN MP40P

Figura 13. PLC slc micrologix 1000

El PCL es el dispositivo encargado de controlar las los dispositivos de entrada y salida del sistema, lo que son las electroválvulas, la resistencia, el agitador, el sensor de temperatura y la válvula de salida del fertilizante.

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APLICACIONES DEL BIOGAS

Actualmente existen una variedad de dispositivos de aplicaciones para el biogás, entre ellos tenemos:

Ø MOTORES

El desarrollo de motores utilizando como combustible al biogás, ha llevado al uso de aplicaciones como el bombeo, riego y transmisión de potencia mecánica. Una de las aplicaciones muy útil es la de desplazamiento de líquidos y hasta sólidos por medio de una motobomba.

Figura 14- Motor de combustión interna

Ø GENERADORES

Generador eléctrico a base de biogás, con una relación de consumo de biogás de 0.55 a 0.65 m3 /kWh, potencia nominal de 1200W, potencia máxima de 1300W.

Figura 15. generador

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Ø QUEMADORES

El uso calórico es una de las aplicaciones directas de la producción de biogás, el cual es utilizado para calentar agua, alimentos, crías y cualquier fin que requiera este tipo de aplicación.

La aplicación de tipo calórico más común es la cocción de alimentos por medio de quemadores y cocinas, calentadores, etc. Por ejemplo:

o Quemadores

Figura 16. Estufa de gas

o Calentadores

Figura17. Calentador de agua

o Lámparas

Figura 18 . Lampara de gas

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DESARROLLO DEL PROYECTO

PROTOTIPO #1

A continuación una imagen sobre el prototipo #1 donde se muestra únicamente el contenedor con una tolva de alimentación donde se alimentara de desechos orgánicos, una válvula de desahogo de gas tipo bola manual, para la sustraer el gas, del contenedor, así como una válvula tipo bola manual para agua, donde saldrá el residuo orgánico líquido, el cual servirá como fertilizante, ya sea para su venta o para su uso personal, y por último un motor con una flecha prácticamente larga, sostenido en el centro verticalmente, donde al final de la flecha contiene aspas instaladas para la agitación y mezclar los desechos orgánicos.

Figura20. Prototipo inicial

Para el siguiente prototipo se busca obtener más volumen, donde se pueda agregar más desechos orgánicos, y se pueda obtener más cantidad de gas, en este

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caso de metano, cabe mencionar que para sustraerlo directo del contenedor se tiene que colocar un ¨filtro¨para obtener en gran parte metano, donde se colocará un embase con agua, el cual será conectado por medio de un conector ¨T¨ junto con la salida del gas y por la otra toma hacia el contenedor 2 donde se almacenará finalmente.

Figura 21. Prototipo #2 en Solid Works. Figura 23. Prototipo #2

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PROTOTIPO #3

En base a los prototipos anteriores, se genero el biodigestor final en solid works.

Diagrama 2. Diseño del biodigestor

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Figura 24. Modelo final , biodigestor

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Figura 25. Prototipo fisico

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La programacion para el PLC se hiso con el programa RS Logixs, a continuacion se muetra el programa realizado:

Figura 26. Programacion en PLC micrologix 1000 en RS Logixs

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Figura27. Programa en RS Logixs

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CONCLUSION

En conclusión fue un proyecto ideal para lo propuesto pues cumplía con todo lo pretendido, fue importante conocer el proyecto a pie de letra, pues era necesario para un control optimo de lo requerido, aunque finalmente le hacen falta muchas mejoras, lo cual nos auxiliara para un proyecto de mayor exigencia como de titulación, aunque mencionando que este es solo un prototipo para realizarlo a una escala mayor, que ahí es donde se aprovecharía en gran magnitud pues habría más producción de gas y mayor aprovechamiento, pues es un poco inestable económicamente hablando a esta escala pues se gasta energía por encima de la creada por el biodigestor en sí, pero a una mayor escala podría costear sus propios consumos eh incluso poder sacar alguna ganancia a largo plazo hasta con procesos externos al punto principal del proyecto.

Este biodigestor es ideal para ubicación casera, es factible implementarlo aun sin ser automatizado, pues el generar biogás en base a residuos orgánicos es una técnica que aunque en muchas partes del mundo ha sido implementada no ha llegado a tener tanta demanda.

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Fuentes consultadas

http://concursocacs.com/proyecto/generacion-de-biogas-para-la-

produccion-de-energia-electrica-utilizada-en-el-alumbrado-publico-de-la-

ciudad/

http://html.rincondelvago.com/biogas_1.html

http://www.cje.org/inice/Ter/BIOMA/BIOMA16.htm

http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/4082/

1/franciscomarquez.pdf