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• Danahe Salazar Baltodano

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA DE BIOTECNOLOGIA

DESARROLLO SUSTENTABLE Y GESTION DE RESIDUOS

“DISEÑO DE UN BIODIGESTOR PARA LA DEGRADACION DE RESIDUOS DE ORGANICOS DE (ESTIERCOL DE CUY, RASTROJO Y RUMEN DE VACA) PARA LA PRODUCCION DE BIOGAS Y BIOABONO”

ALUMNOS

:

     

Celis Portilla, Cinthia García Pérez ,Carlos Márquez Paredes, Erick Melgarejo Ramírez, Alexis Paulo Salazar, Gloria Salazar Baltodano, Danahe

PROFESOR :

 Torres, Luis FECHA

:

29/07/15

INDICE

Resumen………………………………………………………………………………2 I.

Introducción………………………………………………………….…..3

II.

Planteamiento del problema ……………………………….………..…..3

III.

Justificación…………………………..……………………………….…..4

IV.

Objetivos…………….…………………..…………………………….…...4

V.

Materiales y Métodos……………………………………………….…..6 V.1 Materiales.......................................................................................6 V.2 Metodología....................................................................................7

VI.

Procedimientos…………………………………………………………...8

VII.

Resultados………………………………………………………………13

VIII.

Discusión………………………………………………………………..14

IX.

Conclusion.........................................................................................15

X.

Referencias Bibliográficas…………………………………………….17

XI.

Anexos…………………………………………………………………..18

1

E.A.P. Biotecnología

RESUMEN

El objetivo general del trabajo fue degradar los desechos orgánicos domésticos mediante el uso de un biodigestor. De esta manera poder obtener biogás y bioabono generado por la degradación de estiércol de cuy por fermentación en Batch en condiciones ambientales, para la utilización en la vida diaria de cada familia, así como reducir gastos económicos y difundir el uso de tecnologías limpias en la vida diaria de nuestros hogares. Se empleó una mezcla de sustratos; formada por excremento de cuy, rastrojo del alimento vegetal de cuy y agua. Estos substratos fueron sometidos a una fermentación en Batch, anaeróbica, no agitada, en un biodigestor cilíndrico de 60 litros de capacidad en el cual los sustratos estuvieron ocupando alrededor de las dos terceras partes del volumen total del biodigestor.

I.

INTRODUCCION Es muy común observar grandes cantidades de desechos orgánicos resultado de las distintas actividades que realiza la población humana para satisfacer sus necesidades básicas de supervivencia, lo que ha

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E.A.P. Biotecnología

originado la contaminación del medio ambiente por el inadecuado tratamiento y disposición final de dichos desechos. En tal sentido la biodigestión anaeróbica de los desechos orgánicos se ha convertido en alternativa económica y eficiente para degradar estos contaminantes, obteniendo en el proceso anhídrido carbónico y metano (Guevara, 1996). Los alimentos principales de las bacterias anaeróbicas, que son los que intervienen en la fermentación, son el carbono (en la forma de carbohidratos) y el nitrógeno (en forma de proteínas, nitratos, amoníaco, etc.). El carbono se utiliza para obtener energía y el nitrógeno para la construcción de estructuras celulares. Estas bacterias utilizan carbono con una rapidez unas treinta veces mayor al del uso del nitrógeno. Una razón C/N de 30 (30 veces más carbono que nitrógeno) permite que la digestión se lleve a cabo a un ritmo óptimo, a condición de que las otras condiciones sean favorables. II.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Uno de los principales problemas en nuestra sociedad son Los altos índices de desechos orgánicos eliminados al medio ambiente diariamente alto desde hojas de parques, rastrojos de criaderos de cuy, asimismo el estiércol de cuy, cascaras de fruta etc. A los cuales no se les ha dado la importancia necesaria por parte de las familias desconociendo el valor agregado que estos desechos pueden generar como la producción de biogás que es útil como energía renovable. Nuestro país puede generar certificados de fuentes de carbono para la producción de biogás, que representa fuente de divisa, a partir de los residuos que se tienen en vertederos, mercados de abasto, producción agrícola ganadera, residuos cloacales, etc.

III.

JUSTIFICACION Reducir la contaminación por desechos orgánicos domésticos que son liberados al medio ambiente y darle un valor agregado mediante la producción de biogás y bioabono.

IV.

OBJETIVOS

3

E.A.P. Biotecnología

A) OBJETIVO GENERAL - Diseñar un biodigestor domestico para la producción de biogás y bioabono por degradación anaeróbica de residuos orgánicos domésticos (estiércol de cuy, rastrojoy y hojas secas).

B) OBJETIVO ESPECIFICO

V.

4

-

Producción de biogás y bioabono a través del estiércol de cuy y de desechos orgánicos (rastrojos de pancas).

-

Reducir la contaminación de desechos orgánicos domésticos que a diario se eliminan, dándole un valor agregado para beneficiar a las familias, ya que pueden ser utilizados como combustible para la cocción de alimentos y abono para jardines de sus hogares.

ANTECEDENTES. La Localización de proyectos piloto ubican en la microcuenca del Jabón Mayo (Distrito de Yanaoca, Cusco), donde se trabaja en colaboración con el Instituto por una Alternativa Agraria; y en la zona de Cajamarca, donde se colabora en los proyectos de biodigestor impulsados por ITDG-Soluciones Prácticas. En la microcuenca del Jabón Mayo, a una altitud entre 3800-4500 m.s.n.m., viven 1800 familias distribuidas en 11 comunidades campesinas. Su clima se caracteriza por las bajas temperaturas (8-10 ºC), temporadas de lluvia y sequía, y una elevada radiación solar (5.5 kWh/m2 ·día). En este caso, los principales condicionantes para la implementación de los biodigestores son las bajas temperaturas y presiones ambientales que caracterizan la Sierra Andina. La región de Cajamarca se encuentra en la sierra norte de Perú, los biodigestor están situados en tres comunidades. Entre los años 2005-2008 se han implementado un total de 13 biodigestores en Yanaoca y 4 en Cajamarca. La mayor parte son biodigestores de tipo tubular de plástico o geomembrana, excepto un sistema en dos etapas de hormigón en Yanaoca. En general se trata de biodigestores tubulares de polietileno con un volumen útil de 5 m3 .Se diseñan para trabajar a un tiempo de retención de 90 días, y se alimentan diluyendo las estiércol con agua en una proporción 1/3 (v/v), ambos valores bastante conservadores.

E.A.P. Biotecnología

Los biodigestores familiares implementados funcionan a temperatura ambiente, por este motivo su ubicación dentro de pequeños invernaderos permite amortiguar las oscilaciones térmicas día-noche y aumentar la temperatura del proceso. Para su puesta en marcha, los biodigestores se inocularon con estiércol y rumen de vaca y/o oveja. Diariamente se alimentan con estiércol diluido con agua/purines (1/2- 1/3 v/v) para dar una proporción de sólidos máxima del 8 % trabajando a un tiempo de retención de 60 días. Implementación y seguimiento Los biodigestores se implementan a nivel familiar, actualmente dentro de los cursos de capacitación de los llamados yachachiq , que en un futuro serán los encargados de transmitir el conocimiento la de tecnología a los campesinos, para así difundir el uso de los biodigestores. Entre los años 2005-2008 se han ido introduciendo mejoras de diseño del biodigestor tipo y además se ha diseñado un nuevo modelo prefabricado de PVC. Recientemente se ha revisado el estado de los biodigestores implementados y se han realizado encuestas a los usuarios para detectar puntos a mejorar. Paralelamente, se ha implementado una planta piloto con 3 biodigestor tipo en la Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco (UNSAAC) ; donde se llevaran a cabo experimentos para ajustar los parámetros de operación a las condiciones locales, con el objetivo de incrementar la producción de biogás y mejorar su aprovechamiento en cocinas adaptadas, así como determinar las dosis de aplicación de biol en función de los cultivos.

VI.

MATERIALES A) El reactor y la entrada de materiales:   

Un bidón de 60 litros de capacidad con tapa de cierre hermético. Tapón de limpieza sanitario de 4 pulgadas: Tubo PVC sanitario de 3 pulgadas.

B) Para la salida del efluente:

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 

Adaptador de tanque de 1 pulgada para conectar la válvula Válvula de esfera PVC de 1 pulgada para la salida inferior del efluente.

C) Para la salida del biogás y almacén del gas:      

Conector de tanque de ½ pulgada Válvula de esfera con roscas de ½ pulgada Adaptador para manguera Adaptador “T” para manguera Cámara de llanta Manguera

D) Para unir las partes y sellar:    

Empaquetadura Teflón Silicona selladora transparente Abrazaderas para manguera

E) Para la mezcla de desechos:   

Estiércol de cuy Agua Desechos orgánicos (rastrojos y otros)

F) Para la medida de la presión del gas: 

VII.

Manómetro

METODOLOGIA

A) TIPO DE ESTUDIO: Por su Finalidad La presente investigación es de investigación, pues se encuentra

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E.A.P. Biotecnología

orientada a la búsqueda de nuevos conocimientos con un fin práctico específico. B) DISEÑO DE ESTUDIO: Se

enmarcará

dentro

del

DISEÑO

DE

INVESTIGACIÓN

EXPERIMENTAL, la cual se realizara manipulando deliberadamente las variables. Con dicho diseño de investigación buscamos que a través de la obtención de productos como biogás y bioabono por desechos orgánicos domésticos incentivemos la búsqueda de darle un valor agregado de parte de las familias y así reducir los índices de contaminación que son producidos por los mismos.

VIII.

PROCEDIMIENTOS PASO 1: DISEÑO DEL BIODIGESTOR  se procedió a marcar el diámetro de los agujeros que se necesitaran en el biodigestor con una tiza; para luego realizar los cortes con ayuda de un taladro.

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

Se procedió a realizar 3 agujeros de los cuales uno de ellos es para el ingreso de la materia prima, y los dos últimos para la salida del biogás y bioabono.



colocamos la llave de paso para la salida del bioabono, para lo cual es necesario el uso de teflón y empaquetadura para asegurar la ausencia de fugas.



Se procedió a cortar un tubo de PVC a la medida necesaria para el ingreso de la materia prima al biodigestor con ayuda de una sierra eléctrica.



Todas las uniones fueron selladas con teflón y empaquetadura de manera que se eviten las fugas de gas.

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

Y procedimos con el lavado del tanque



9

Bioreactor armado.

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PASO 2: PASOS DE LA ELABORACIÓN DE FILTRO CASERO PARA LA PURIFICACIÓN DE SULFUROS EN LA SALIDA DEL BIOGÁS 

Tomamos de 4 a 5 clavos oxidados teniendo en cuenta el diámetro de la manguera y envolverlos de tal manera que estén comprimidos.



Ingresamos el filtro de clavos oxidados a la manguera que conecta a la cámara de llanta donde se almacenará el biogás.



Colocamos la T de paso y asegurar con abrazaderas a la altura de donde se encuentran los filtros.



Por último, se procedio a sellar con silicona líquida todos los agujeros,

para

garantizar

un

ambiente

hermético

en

el

biodigestor. PASÓ 3: PRE TRATAMIENTO DE LA MATERIA ORGÁNICA (ESTIÉRCOL DE CUY, RUMEN DE VACA Y HOJAS SECAS): 

Se Secó el estiércol de cuy, rumen de vaca y hojas secas Por un periodo de 2 semanas.



Se separó el rastrojo de panca del estiércol de cuy.



Separó los solidos de mayor tamaño del estiércol de cuy, utilizando una red.



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Estiércol de cuy apto para su utilización.

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

Se redujo el

tamaño del estiércol, rumen y

hojas secas

previamente secado.

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

Agregado de las materias orgánicas.



Se Mezcló y adición de agua hasta conseguir la textura adecuada.

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

Sustratos listos para el proceso de fermentación.



Biodigestor puesto en marcha para la obtención de bioabono y biogás



Obtención de productos ( bioabono , biogas)

PASO 4: DETERMINACION DE VOLUMENES DE MATERIA PRIMA A AGREGAR AL BIODIGESTOR 

12

El volumen con el que se trabajara será de 10 L de los cuales: E.A.P. Biotecnología

IX.

-

50% Estiércol de cuy – 5 Kg 25% de Materia Orgánica (Rastrojos y hojas secas) –

-

2Kg 25% Agua – 2.5L



El rango de pH en la fermentación anaeróbica de nuestro proceso puede variar entre 6,7 y 7,5, un medio prácticamente neutro.



El rango de temperatura se mantendrá aproximadamente mesófilico (30 º a 40º) y termofílico (55º a 60º).

RESULTADOS Se diseñó y construyó un biodigestor cilíndrico con una capacidad de 60 litros, para un proceso de fermentación, anaeróbico, no agitado para la producción de biogás. Se obtuvo una mezcla con apariencia de sopa o mermelada, a partir de una mezcla de sustratos de 4KG e excremento de cuy, 2 KG de rastrojo del alimento vegetal del cuy y 2.5 L de agua, en 7 días. Se obtuvieron los siguientes productos de la fermentación bioabono y biogas en un tiempo de 6 semanas.

X.

DISCUSION El agua debe representar alrededor del 90% del peso de la excreta. Demasiada agua puede reducir la tasa de producción de biogás por unidad de volumen; muy poca agua causa una acumulación de ácidos acéticos que inhiben la fermentación y la producción de biogás. Un contenido insuficiente de agua en la mezcla alimentada al biodigestor ocasiona que las bacterias y otros microorganismos no obtengan

el

entorno

apropiado

para

que

puedan

funcionar

efectivamente y la cantidad de biogás producido será pequeña. Si la mezcla es demasiado diluida, se puede digerir relativamente poca materia orgánica y la producción de biogás es limitada (ECHO, 2001). La producción de biogás es un proceso que depende de varios parámetros: actividad bacteriana, temperatura, tiempo de

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E.A.P. Biotecnología

retención, relación Carbono/Nitrógeno, porcentaje de sólidos, pH (Campos, 1999; Hernández, 1990). La proporción C: N son los principales nutrientes que necesitan los microorganismos. La proporción óptima de C: N es 25:1 - 30:1. Demasiado carbono digiere el nitrógeno rápidamente y el proceso se vuelve más lento; muy poco carbono se consume rápidamente, el proceso se detiene y el exceso de nitrógeno se escapa en forma de amoníaco (ECHO, 2001). De acuerdo con la proporción de C: N con la cual se trabajó, la relación fue de 2:1 la cual respecto a la proporción óptima citada indica que debido a la cantidad de estiércol adicionada fue mínima pudiendo causar la lentitud del proceso. Son varias las investigaciones que se han hecho en este ámbito.Balasubramanya et al. (1988), Brummeler y Koster (1990) realizan un pre-tratamiento que consiste en una fermentación aeróbica previa a la anaeróbica. Según Castillo (2011), manifiesta que los sustratos deben ser expuestos durante dos semanas al sol removiendo y mezclando el material cada dos a tres días, para llevar a cabo el pre fermentado. Los sustratos de la mezcla luego de ser acondicionados deben ser mezclados con agua y ser agregados al pre fermentador junto con el excremento de cuy, y dejar a la intemperie por 3 días, se mezclan constantemente con agua y se deja nuevamente a la intemperie por 26 días, al cabo de los 26 días el pre fermentado es introducido al biodigestor. Asumiendo lo que manifiesta Castillo, se debió realizar un pre fermentado antes de introducir los sustratos al biodigestor, con la finalidad de que la fermentación sea más rápida, se obtenga el biogás y bioabono, y se obtenga resultados esperados. XI.

CONCLUSION

Se diseñó y construyó un biodigestor cilíndrico de plástico con una capacidad

de

60

litros,

anaeróbico,

no

agitado

para

una

fermentación Batch para la producción de biogás. Pero aún no se ha podido comprobar la degradación de los residuos orgánicos domésticos y por ende la producción de biogás debido a que el

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tiempo de fermentación es insuficiente, tal como se revisó en la bibliografía y que manifiesta que la primera producción de biogás debe ser a los 2 meses y 20 días.

Los productos de la fermentación Batch tales como biogás y bioabono tienen como objetivo su utilización para la reducción de gastos económicos en las familias, ya que estos pueden ser utilizados como combustible para la cocina y abono para jardines o huertos con los que se cuente en casa. Aun cuando se ha trabajado con un volumen pequeño de residuos orgánicos, se espera que tras el término de la fermentación se produzca una cantidad no menor a 25 L de Biogás. Fue necesario incluir la utilización de un pre fermentado que constituya el material fermentativo (inoculo) para la fermentación para la producción de biogás para mejores resultados. Con el presente trabajo se pretende difundir el uso de tecnologías limpias en la vida diaria de nuestros hogares, dándole un valor agregado a los residuos orgánicos que se generan en cada familia y que muchas veces lejos de ser utilizados son desechados contribuyendo a la contaminación de nuestra ciudad. XII.

BIBLIOGRAFIA

Balasubramanya, R. H., Khandcparkar, V. G., Sundaram, V. LargeScale Digestion of Willow-dust in Batch Digesters. Biological Wastes 25 (1988) 25 32

Campos Avella, J.C. 1999. La Eficiencia Energética en la Gestión Empresarial. Taller Caribeño de Energía y Medio Ambiente. Cienfuegos, Cuba. 10 p

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E.A.P. Biotecnología

Castillo D, Vargas C. Obtención de Biogás a Partir de Excremento de Cuy en Condiciones Ambientales en Tacna Perú. Revista Ciencia y Desarrollo 2011; 13: 84-91

Echo. 2001 Digestores de Metano. Beth Doerr y Nate Lehmkuhl. EEUU

Guevara, A. 1996. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales. Producción de gas y saneamiento de efluentes. Perú. 80 p

Echo. 2001 Digestores NateLehmkuhl. EEUU.

de

Metano.

BethDoerr

y

Hernández Carlos. 1990. Segundo Forum Nacional de Energía: Biogás. La Habana. 132 p.

XIII.

ANEXOS

FECHA

23/05/2015

16

HORA

1:00 pm - 3:00 pm

25/05/2015

4:00 pm - 9:00 pm

30/05/2015

8:00 am - 9:30 am

05/06/2015

12:00 pm - 1:00 pm

ACTIVIDAD Comprado de materiales

ALUMNOS Melgarejo Ramírez Alexis

García Pérez Carlos. Márquez Paredes Armado del Erick Paulo Salazar biodigestor Gloria. Salazar Baltodano Preparación de la Danahe materia orgánica Celis Portilla Cinthia Inoculación

Todos

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05/07/2014

17

4:00 pm - 10:00 pm

Obtención de productos(1° revisión)

Todos

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