facultad de ingenierÍa quimica química

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“OBTENCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DEL ESTIÉRCOL DE GALLINAS

PROCEDENTE DE LA GRANJA AVÍCOLA LESCANO – CHICAMA

UTILIZANDO UN BIORREACTOR ANAEROBIO DE LECHO FIJO”

TESIS PARA OPTAR EL TITULO DE

INGENIERO QUÍMICO

AUTORES:

BR. WILDER AMERICO CUBAS GUARNIZ.

BR. NELSON ANDRES LESCANO LEON.

ASESOR: MSc. ING. VIVIANA KCOMT CHANG.

TRUJILLO – PERU

2007

Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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PRESENTACIÓN

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO CALIFICADOR:

De conformidad con lo normado en el reglamento de Grados y Títulos de la Facultad de

Ingeniería Química de la universidad Nacional de Trujillo. Ponemos en su consideración

de Ustedes el presente trabajo de habilitación profesional que hemos titulado:

“OBTENCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DEL ESTIÉRCOL DE GALLINA

PROCEDENTE DE LA GRANJA AVÍCOLA LESCANO - CHICAMA EN UN

BIORREACTOR ANAEROBIO DE LECHO FIJO ”, con la finalidad de obtener el

titulo de INGENIERO QUÍMICO.

No quisiéramos pasar por alto esta oportunidad y la aprovechamos para expresar nuestro

sincero reconocimiento y agradecimiento a todos los profesores de nuestra gloriosa e

histórica Facultad, quienes de una u otra manera aportaron con sus enseñanzas y

orientaciones para lograr una adecuada formación profesional. Asimismo agradecemos

sinceramente a todas las personas que nos apoyaron para culminar la elaboración del

presente trabajo.

Quedamos de ustedes a su disposición y evaluación.

Trujillo, Mayo del 2007

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Br. WILDER A. CUBAS GUARNIZ Br. NELSON A. LESCANO LEON

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ING. VIVIANA KCOMT CHANG

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ING. JUAN GUERRERO LLUNCOR

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ING. VITO QUILCAT LEÓN

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AGRADECIMIENTO

Nuestro Profundo agradecimiento a la “GRANJA AVICOLA

LESCANO ”, en la persona del Señor Gerente General Alberto

Gonzáles Lescano así como de su Señora Esposa y a los

Trabajadores , por el aporte desinteresado que nos brindaron en el

uso de sus instalaciones, materiales y laboratorios; que nos

conllevaron a la culminación satisfactoria del presente trabajo.

En el mismo sentido queremos expresar nuestros más sinceros

agradecimientos a nuestra asesora Ing. VIVIANA KCOMT

CHANG, por su constante apoyo y perseverancia para poner

coto a este trabajo; que tan gentilmente nos ofreció su dedicación

profesional guiándonos por el camino del éxito durante nuestro

desarrollo profesional en nuestra gloriosa facultad.

Dios Bendiga sus Vidas

Los Autores

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DEDICATORIA

A DIOS por ser el guía en cada etapa de mi

vida y a su amor misericordioso que me

brinda cada día para ser un hombre de bien

de acuerdo a su voluntad.

A mis padres: Juanita y Américo, fuente de mi

existencia que con su esfuerzo y amor siempre

me apoyaron e inculcaron valores para llegar a

ser un profesional exitoso.

A mis hermanos: Erwin, Ingrid, Pedro y Magali,

que con sus consejos y apoyo me supieron guiar por

el camino recto y del éxito.


Wilder Américo Cubas Guarniz

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A DIOS que me da la fuerza y la fe para

seguir hacia adelante para lograr todas

mis metas trazadas y guiándome por el

camino de la verdad.

A mi madre la señora Magna León Ángeles

que siempre me apoyó con su amor y fuerza de

voluntad infinita en cada etapa de mi vida.

A todos los amigos que de una u otra forma nos

apoyaron desinteresadamente para la realización

de este trabajo, nuestra gratitud hacia ellos


Nelson Andrés Lescano León

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ÍNDICE

PRESENTACIÓN…………………….…………………………………………………...I

AGRADECIMIENTO………………..………………………………….…....………….III

DEDICATORIA………………..………………………………….…...……….………..IV

ÍNDICE………………………………..……………………..…….………..……......….VI

RESUMEN……………………………..….…………………………..………….………X

CAPITULO I

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………….…….…..1

1.1 Historia del Biogás…………………………………………………….……..…..4

1.2 Materia Prima..……………………………………………..……….………..…..5

1.2.1. Estiércol de Gallina……………………………………………….…….…5

1.2.2. Residuos vegetales………………….…………………………….……….6

1.3 Proceso de Digestión Anaeróbica……………………………………….……….6

1.3.1 Principios de la Digestión Anaeróbica………………………..…….……6

1.3.2 Factores que Influyen en el Proceso de Digestión Anaeróbica…….…...12

1.3.3 Ventajas y Desventajas de los Procesos Anaeróbicos y Aeróbicos……..24

1.4 Tecnología de los Biorreactores………………………...……………...……....26

1.4.1 Tipos de Biorreactores…………….…………………………….………29

a) Biorreactor Continuo de Tanque Agitado (BCTA)…………….……….29

b) Biorreactor de Lecho Fluidizado………………………….…….………31

c) Biorreactor de Lecho Fijo………………………………………….……32

d) Biorreactor de Lecho Suspendido…………………………………..…...35

e) Biorreactor de Cubierta Fija o Tipo Chino…………….………….…….36

f) Biorreactor de Cúpula Flotante o Tipo Hindú…………………….……38



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CAPITULO II

2. PROCESO EXPERIMENTAL…………………………….……………....…….. 40

2.1 Materiales y Métodos………………….…………………………………………..40

2.1.1. Materiales Utilizados en la Construcción del Biorreactor………………….40

2.1.2. Materiales Utilizados para la Carga del Biorreactor……………………….41

2.1.3. Métodos y Técnicas Utilizados para el Análisis de la Materia Prima……...43

2.1.4. Métodos Experimentales………………………………...…………………49

2.1.4.1. Construcción del Equipo Experimental……………….…………..49

2.1.5. Método de Diseño del Biorreactor………………………………………….52

CAPITULOIII

3. RESULTADOS EXPERIMENTALES …………………………..………………..53

CAPITULO IV

4. DISCUSIÓN DE RSULTADOS ………………………….……………………….58

CAPITULO V

5. CONCLUSIONES …………………………………………...…………………….61

CAPITULO VI

6. RECOMENDACIONES …………………………………………………………..64

CAPITULO VII

7. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………..……65

CAPITULO VIII

8. APÉNDICE ……………………………………………….………………………67

CAPITULO IX

9. ANEXOS. ….………………………………………...……………..………………73

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ÍNDICE DE TABLAS, FIGURAS Y GRÁFICAS

TABLAS

1. Composición del Biogás…………………………………………….………….2

2. Comparación de las fases Acidogénica y Metanogénica………………….……11

3. Tipos de Materia Prima…………………………………………………….…..14

4. Sensibilidad de las Bacterias Metanogénicas a la Temperatura………………..14

5. Tiempos de Retención de diferentes Materias Orgánicas……………………...18

6. Relación de C/N de Diversos residuos Disponibles en el Medio Natural……..22

7. Resultados de los Análisis Preliminares de la Materia Prima…………...…….53

8. Resultados Experimentales……………………………………………………54

FIGURAS

1. Aplicación de la Digestión Anaeróbica…………………………………..…….7

2. Etapas de la Digestión Anaeróbica…………………………………………….10

3. Efecto de la Temperatura en la Digestión Anaeróbica…………………....…...16

4. Tiempos de Retención versus Producción de Metano…………...……………18

5. Crecimiento Bacteriano…………………………………………….……….…20

6. Biorreactor continúo de Tanque Agitado……………………….……………..30

7. Biorreactor de Lecho Fluidizado………………………………….…………...32

8. Biorreactor de Lecho Fijo en Bloques……………………………….………...33

9. Películas Fijas Soportadas Típicas………………………….………….……...34

10. Biorreactor de Cubierta Fija…………………………..……………………….37

11. Biorreactor de Cúpula Flotante………………………………………………..39

12. Diagrama de Flujo del Proceso………………………………………………...51

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GRÁFICAS

1. Temperatura versus Tiempo…………………………………………………..55

2. pH versus Tiempo………………………………………………………..…...56

3. DBO5 versus Tiempo…………………………………………………………56

4. Producción Diaria de Biogás versus Tiempo…………………………………57

5. Producción Acumulada de Biogás versus Tiempo……………………………57

IX



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RESÚMEN

El presente trabajo esta orientado fundamentalmente a diseñar un biorreactor y producir

biogás a partir del estiércol de gallina de la GRANJA AVICOLA LESCANO,

precisando una tecnología adecuada para disminuir el problema de contaminación

ambiental reutilizando estos residuos orgánicos para obtener tal producto.

Antes de construir nuestro biorreactor y con el objeto de saber si nuestra materia prima

necesita ser acondicionada se hicieron los siguientes análisis previos antes de ser cargado

al biorreactor: Determinación de Sólidos Totales, Demanda Bioquímica de Oxigeno

(DBO5), Demanda Química de Oxigeno (DQO), Contenido de Carbono, Contenido de

Nitrógeno y medición del pH. Para Realizar estos análisis en los laboratorios de la granja

se usaron diversos métodos Físicos – Químicos, arrojando una relación de carbono:

nitrógeno de 27:1 y 35,12 por ciento de sólidos totales; estando estos valores en el rango

adecuado para la producción de biogás.

El trabajo se inicio con la construcción de un biorreactor de acero inoxidable de 264,21

litros de capacidad de diseño circular y pequeño.

En el proceso de carga inicial del biorreactor se empleo estiércol de gallina (previo

compostaje) en una cantidad de 29,83 Kg.; mezclado con un volumen de 12,78 litros de

lodo activado (para acelerar el proceso de digestión anaeróbica debido a la presencia de

bacterias Metanogénicas) y se completo con 88,34 litros de agua, cantidades calculadas

para una concentración promedio de sólidos totales de 8 por ciento en la mezcla total de

digestión.

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Luego del sellado del biorreactor, se iniciaron las pruebas de obtención de biogás por

medio de la combustión, lo cual se logro a los 3 días de haber iniciado el proceso,

obteniendo una producción diaria máxima de 0,1928 Kg. de biogás el día 26 y una

producción total acumulada de 6,92 Kg. al final del proceso; lo cual nos permitió poner en

uso el biogás en cocina y calentadores de galpones de las aves.

Como resultado de este trabajo se llego a la conclusión de que los estiércoles de gallinas si

pueden se aprovechados en la obtención de biogás, debido a su buenas características

Físico – Químicas; además podemos afirmar que los parámetros: sólidos totales, DBO5,

DQO, pH; temperatura y la relación C/N, si influyen directamente en el proceso de

digestión anaeróbica; debiendo estar estos en el rango permisible a fin de que los

microorganismos puedan sintetizar sus alimentos en optimas condiciones y de esta manera

puedan producir biogás.

La recomendación principal es eliminar el H2S formado para mayores producciones de

biogás a gran escala, ya que este es un componente muy nocivo para el medio ambiente.

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ABSTRACT

The present work is fundamentally oriented to design a bioreactor and produce biogas

from the chicken dung of the LESCANO AVICOLA FARM, requiring an adequate

technology to reduce the problem of environmental contamination by reusing this organic

waste to obtain such product.

Before building our bioreactor and in order to know if our raw material needs to be

conditioned, the following previous analyzes were done before being loaded into the

bioreactor: Determination of Total Solids, Biochemical Oxygen Demand (BOD5),

Chemical Oxygen Demand (COD) ), Carbon Content, Nitrogen Content and pH

measurement. To carry out these analyzes in the laboratories of the farm, several Physical

- Chemical methods were used, yielding a carbon: nitrogen ratio of 27: 1 and 35.12

percent of total solids; these values being in the adequate range for the production of

biogas.

The work began with the construction of a 264.21 liter stainless steel bioreactor with small

circular design capacity.

In the process of initial loading of the bioreactor, chicken manure (previous composting)

was used in an amount of 29.83 kg; mixed with a volume of 12.78 liters of activated

sludge (to accelerate the anaerobic digestion process due to the presence of Metanogenic

bacteria) and was completed with 88.34 liters of water, calculated amounts for an average

concentration of total solids of 8 percent in the total digestion mixture.

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After sealing the bioreactor, the biogas production tests were started by

medium of the combustion, which was achieved 3 days after starting the process,

obtaining a maximum daily production of 0.1928 Kg of biogas on day 26 and a cumulative

total production of 6.92 Kg. at the end of the process ; which allowed us to put into use the

biogas in the kitchen and heaters of the poultry houses.

As a result of this work, it was concluded that chicken manures can be used to obtain

biogas, due to their good physical and chemical characteristics; we can also say that the

parameters: total solids, BOD5, COD, pH; temperature and the C / N ratio, if they directly

influence the anaerobic digestion process; These must be in the permissible range so that

the microorganisms can synthesize their food in optimal conditions and in this way they

can produce biogas.

The main recommendation is to eliminate the H2S formed for larger biogas production on

a large scale, since this is a very harmful component for the environment.



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Obtención de Biogás a partir del Estiércol de Gallinas Procedente de la Granja Avícola Lescano - Chicama Utilizando un Biorreactor Anaerobio de Lecho Fijo

Wilder A. Cubas Guarniz & Nelson A. Lescano León 1

CAPITULO I

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad el 90% de las necesidades energéticas de nuestro planeta son

satisfechas con la utilización de combustibles fósiles (Petróleo, gas y carbón) todos

ellos extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por

el interés predominante de la producción de energía sobre su efecto ecológico.

En los últimos años las fuentes alternativas de energía han ido adquiriendo una

importancia cada vez mayor, una de estas alternativas es la producción de biogás

como un material energético que fue tratado en este proyecto de investigación.

El biogás es un producto del metabolismo de bacterias metanogénicas que participan

en la descomposición de tejidos orgánicos en ambiente húmedo y carente de

oxígeno. A su vez, durante el proceso de descomposición, algunos compuestos

orgánicos son transformados a minerales, los cuales pueden ser utilizados fácilmente

como fertilizante para los cultivos (m). La producción de biogás va a depender,

principalmente, de los materiales utilizados, de la temperatura y tiempo de

descomposición. Existe una estrecha relación entre la temperatura y tiempo de

descomposición del material en el biorreactor. A mayor temperatura, más rápido es el

proceso de descomposición; esto significa que el material requiere menos tiempo

dentro del fermentador.

El biogás se produce en un recipiente cerrado o un tanque denominado biorreactor el

cual puede ser construido con diversos materiales como latón de acero inoxidable

(material usado en el desarrollo de este proyecto de investigación), metal, plástico

concreto armado, el biorreactor debe poseer un ducto de entrada a través del cual se

suministra la materia orgánica conjunta con agua y un ducto de salida por el cual el



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material ya digerido por la acción bacteriana abandona el biorreactor. El proceso de

digestión que ocurre en el interior del biorreactor y libera la energía química

contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás (c).

TABLA N° 01: COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS.

CARATERISTICAS CH4 CO2 H2 – H2S OTROS BIOGAS

60/40

PROPORCIONES

(% VOLUMEN) 55-70 27-44 1 3 100

VALOR CALÓRICO

(KJ/m3)

35,8 - 10,8 22 21,5

IGNICIÓN % EN AIRE 5-15 - - - 6-12

TEMP. IGNICIÓN

( EN °C)

650-750 - - - 650-750

PRESIÓN CRÍTICA EN

(Mpa)

4,7 7,5 1,2 8,9 7,5-8,9

DENSIDAD (g/l) 0,7 1,9 0,08 - 1,2

DENSIDAD RELATIVA 0,55 2,5 0,07 1,2 0,83

IMFLAMABILIDAD

(VOL. EN % AIRE)

5-15 - - - 6-12

(Fuente: Mandujano M.A.)

Como se observa en el Tabla N º01 el aporte calórico fundamental lo aporta el

metano su contenido de energía bruta es de 21.5 KJ/m3 de biogás (con 60% de

metano). Esto significa una producción aproximada de 6.35 kWh/m3 de corriente

eléctrica.

El proceso en conjunto de digerir anaeróbicamente el estiércol de gallina para

producir biogás tiene numerosos beneficios ambientales incluyendo el control de

olor, la reducción de gas invernadero, el control de amoníaco y la protección de la



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calidad del agua. Los digestores anaeróbicos, también llamados sistemas de

recuperación de biogás, ayudan a trabajadores con aves a minimizar los impactos

ambientales relacionados con la manipulación del desperdicio de animal mientras

provee también un flujo de ingresos adicional si el biogás resultante es convertido a

un coste eficaz en una fuente de energía utilizable.

La producción distribuida a escala de GNL de desecho de animal digerido crea

nuevos flujos de ingresos que aumentarán el desarrollo económico rural y proveerán

beneficios ambientales mensurables. El presente trabajo realizado también está en la

posición de aprovechar el estiércol y demás residuos de la empresa; así como la de

ayudar a comunidades rurales en el Perú para conseguir autosuficiencia de energía

proveyendo una fuente al nivel de energía de producción local, limpia, sostenible y

renovable del desecho animal. El precio, la densidad de energía, y las ventajas

ambientales hacen del GNL un sustituto excelente para el petróleo y el diesel en una

variedad de aplicaciones incluyendo equipo de granja para trabajos pesados. Los

precios al por menor para GNL y los combustibles de gas natural comprimidos

("GNC") están ~ 25-40 % menos que el diesel y la gasolina sobre una base

equivalente de energía más impuestos. Al usarse como un sustituto de diesel y al

producirse en el ámbito local, el GNL puede cortar los gastos de combustible

incurridos por propietarios de granjas a casi a la mitad. Al producir combustible

limpio en el punto de la demanda, este trabajo ayudará a la autosuficiencia de energía

en comunidades rurales y, a través de la sustitución del diesel, reducirán la

dependencia de los EE.UU. en importaciones de petróleo del extranjero (e).



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1.1 HISTORIA DEL BIOGÁS

El biogás, que en su mayor composición es metano, fue utilizado por los pueblos

chinos y persas hace miles de años como generador de temperatura. Pero pasaron

muchos años hasta que se dieran cuenta que el metano no solo se encontraba en el

gas natural fósil, sino que se producía constantemente. 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. En 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

guano de vacas. En 1888 Gayon obtuvo gas al mezclar guano y agua, a una

temperatura de 35°C. Soehngen descubrió en 1906 la formación de metano a partir

de hidrógeno y dióxido de carbono. A su vez, describieron los primeros dos

organismos que participaban en la formación de metano. En 1920 Imhoff puso en

práctica el primer biodigestor en Alemania. Este consistía en un estanque

hermético, el cual era alimentado con material fermentable para la obtención de

“biogás”. Después de la Segunda Guerra Mundial se construyeron cerca de 40

biodigestores, pero su desarrollo se frenó por los bajos precios de los combustibles

fósiles. La siguiente ola de construcción de biodigestores se produjo en los años 70

por la crisis del petróleo. Pero por problemas técnicos, baja producción de gas, alta

inversión y por lo tanto baja rentabilidad, este desarrollo se frenó bruscamente a

fines de los años 80. Con la nueva legislación eléctrica del año 1991 en Alemania,

los agricultores que producían electricidad recibieron un pago por KWh producido

y entregado a las empresas de distribución, lo cual produjo una segunda ola de

construcción de biodigestores que aún no termina. Una nueva ley de energía



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renovable mejora en un 30% el precio de compra a los pequeños productores.

Además, se está considerando un nuevo aumento del precio por el cierre paulatino

de las plantas nucleares. Este proceso comienza el año 2002 con el cierre de dos

reactores en Alemania y termina con el cierre total de los reactores para el año

2030 en toda Europa (c).

1.2 MATERIA PRIMA

1.2.1. Estiércol Gallina:

La avicultura es una actividad que consiste de diversas etapas en la granja y

agrupadas en tres categorías. Una categoría que se podría llamar

"biológica" que incluye reproducción y producci6n de huevo fértil,

incubaci6n, desarrollo de aves, producci6n de huevo comercial. La

categoría "industrial" incluye: producci6n de alimentos balanceados,

proceso y proceso posterior de carne de ave, empaque y proceso de huevo

comercial. La categoría "comercial" incluye: distribuci6n, venta y

publicidad de productos avícolas. La cantidad aproximada de aves es de

600 000 pollas ponedoras dispuestas en galpones donde reciben el alimento

balanceado diario producido en los molinos que dispone la empresa.

Específicamente, en las etapas en que se trabaja con sistemas biológicos, la

empresa así como la avicultura enfrenta el desafió de mantener una

constante revisión de los procesos y optimización de uso de los recursos

disponibles. EI manejo de los desechos se ha convertido en un aspecto

crítico desde el punto de vista económico, de cumplimiento con las

regulaciones ambientales y de imagen social (m). En la medida que el

desecho requiere de tratamiento y no se logra retribución económica neta



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de el, se convierte en una carga que desfavorece la rentabilidad de las

granjas. Por otra parte, si el desecho se transforma en un subproducto que

tiene valor económico neto constituye una fuente de ingreso adicional que

estimula la producción de las granjas (l).

1.2.2. Residuos Vegetales:

La mayoría de vegetales son adecuados para la fermentación anaerobia. La

producción de biogás es elevada según sea la especie a tratar.

En algunas zonas, la intensificación de la actividad agrícola genera una

gran cantidad de residuos leñosos, paja, etc.; como consecuencia de la

actividad estacional o cíclica de estos cultivos. Los residuos de la cosecha

(paja, tallos, hojas, etc.) se usan como forraje o son procesados en otros

productos.

Estos residuos pueden usarse como un co-fermentador en la digestión

anaeróbica, pero solo aquellos que no se usen para otros fines o

compostaje, serán susceptibles a ser tratados (d).

1.3 PROCESO DE DIGESTIÓN ANAERÓBIA

1.3.1 Principios de la Digestión Anaerobia:

La fermentación anaerobia es un proceso natural que ocurre en forma

espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta

forma podrán encontrar el denominado "gas de los pantanos" que brota en

aguas estancadas (el gas natural metano) de los yacimientos petrolíferos;

así como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los

bovinos. En todos estos procesos intervienen las denominadas bacterias

metanogénicas.



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La generación de biogás, mezcla constituida fundamentalmente por metano

(CH4), dióxido de carbono (CO2), pequeñas cantidades de hidrógeno (H),

sulfuro de hidrógeno (SH2) y nitrógeno (N) constituye un proceso vital

dentro del ciclo de la materia orgánica en la naturaleza.

Las bacterias metanogénicas en efecto constituyen el último eslabón de la

cadena de microorganismos encargados de digerir la materia orgánica y

devolver al medio los elementos básicos para reiniciar el ciclo. Se estima

que anualmente la actividad microbiológica libera a la atmósfera entre 590

y 880 millones de toneladas de metano (n).

Figura Nº 01: Aplicación de la Digestión Anaerobia.

(Fuente: Ward O.)



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METANOGÉNESIS

Una idea general sobre el proceso microbiológico involucrado en la

formación de metano es necesaria para poder comprender mejor el

diseño y funcionamiento de los denominados reactores o digestores

productores de biogás.

Prerrequisitos Necesarios para Iniciar el Proceso

La fermentación anaerobia involucra a un complejo número de

microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en tres

grandes grupos principales. La real producción de metano es la última parte

del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos grupos de

microorganismos.

Las bacterias productoras del biogás son estrictamente anaeróbicas y por lo

tanto sólo podrán sobrevivir en ausencia total de oxígeno atmosférico (i).

Otra característica que las identifica es la sensibilidad a los cambios

ambientales debido a lo cual será necesario un mantenimiento casi

constante de los parámetros básicos como la temperatura.

Las dificultades en el manejo de estas delicadas bacterias explican que la

investigación sistemática tanto de su morfología como de la bioquímica

fisiológica sólo se halla iniciado hace cincuenta años.

En la actualidad gracias a estudios podemos conocer mejor el mecanismo y

funcionamiento de este complejo sistema microbiológico involucrado en la

descomposición de la materia orgánica que la reduce a sus componentes

básicos CH4 y CO2 (k).



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Etapas Intervinientes:

Veamos ahora las diferentes etapas intervinientes y sus principales

características:

Fase de Hidrólisis

Las bacterias de esta primera etapa toman la materia orgánica virgen con

sus largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo y

transformando en cadenas más cortas y simples (ácidos orgánicos)

liberando hidrógeno y dióxido de carbono.

Este trabajo es llevado a cabo por un complejo de microorganismos de

distinto tipo que son en su gran mayoría anaerobios facultativos.

Fase de Acidificación

Esta etapa la llevan a cabo las bacterias acetogénicas y realizan la

degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-

COOH y liberando como productos Hidrógeno y Dióxido de carbono.

Esta reacción es endotérmica pues demanda energía para ser realizada y es

posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias

metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando

la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas.

Esta baja concentración de productos finales es la que activa la reacción y

actividad de estas bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo

el equilibrio energético.

Fase Metanogénica

Las bacterias intervinientes en esta etapa pertenecen al grupo de las

achibacterias y poseen características únicas que las diferencian de todo el



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resto de las bacterias por lo cuál, se cree que pertenecen a uno de los

géneros más primitivos de vida colonizadoras de la superficie terrestre.

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.

La siguiente figura resume las distintas características de cada una de las

etapas vistas que por simplificación se han agrupado en dos fases (ácida

que involucra la de hidrólisis y acidificación y la metanogénica), con los

principales compuestos químicos.

Figura Nº 02: Etapas de la Digestión Anaerobia..

(Fuente: Monroy D.)



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Los microorganismos que intervienen en cada fase tienen propiedades

distintas que son muy importantes y se las debe conocer para lograr

comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un digestor.

Estas características han sido resumidas en la siguiente tabla para su mejor

comprensión:

TABLA Nº 02: COMPARACIÓN DE LAS FASES ACIDOGÉNICA Y

METANOGÉNICA.

Fase Acidogénica Fase Metanogénica

Bacterias facultativas (pueden vivir

en presencia de bajos contenidos de

oxigeno)

Bacterias anaeróbicas estrictas (No pueden

vivir en presencia de oxigeno)

Reproducción muy rápida (alta taza

reproductiva)

Reproducción lenta. ( baja tasa de

reproducción)

Poco sensibles a los cambios de

acidez y temperatura.

Muy sensibles a los cambios de acidez y

temperatura.

Principales metabolitos, ácidos

orgánicos.

Principales productos finales, metano y

dióxido de carbono.

(Fuente: Jorgensen A.)

Como vemos el proceso ha sido simplificado aún más reduciendo el mismo

a dos fases principales la ácida generadora de productos intermedios y la

metanogénica.

De la tabla anterior se desprende que una alteración en los parámetros de

funcionamiento incidirá negativamente sobre la fase metanogénica

preponderantemente, lo cual significará una merma importante en la

producción de gas y una acidificación del contenido pudiéndose llegar al

bloqueo total de la fermentación.



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Debido a la lenta velocidad de recuperación de las bacterias metanogénicas,

la estabilización en el digestor será muy lenta, de allí la importancia del

cuidado de los parámetros que gobiernan el proceso y que veremos a

continuación en detalle.

1.3.2 Factores que Influyen en el Proceso de Digestión Anaerobia:

La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico se ve

afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias que

intervienen en las distintas etapas del proceso responde en forma

diferencial a esos cambios no es posible dar valores cualitativos sobre el

grado que afecta cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa

(q).

Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los

siguientes:

TIPO DE MATERIA PRIMA

Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a

los excrementos animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las

industrias (producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos,

carnes, alimenticias en general), restos de cosechas y basuras de diferentes

tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas.

El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y

nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio

sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro,

manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros

menores).



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Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos

cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas.

Sin embargo en la digestión de ciertos desechos industriales puede

presentarse el caso de ser necesaria la adición de los compuestos

enumerados o bien un post tratamiento aeróbico

Las sustancias con alto contenido de lignina no son directamente

aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos

(cortado, macerado, compostado) a fin de liberar las sustancias factibles de

ser transformadas de las incrustaciones de lignina. En lo atinente a

estiércoles animales la degradación de cada uno de ellos dependerá

fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que hayan recibido

los mismos.

Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los

estiércoles presentan grandes diferencias. Esto es debido al sin número de

factores que intervienen y que hacen muy difícil la comparación de

resultados.

Como norma se deberá tomar en cuenta que a raíz de estar trabajando en un

medio biológico sólo los promedios estadísticos de una serie prolongada de

mediciones serán confiables siempre y cuando figuren las condiciones en

las cuales fueron realizadas las pruebas.

En cuanto al volumen de estiércol producido por las distintas especies

animales son variables de acuerdo fundamentalmente al peso y al tipo de

alimentación y manejo de los mismos (m). A modo ilustrativo se expone a

continuación una tabla indicativa sobre cantidades de estiércol producido



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por distintos tipos de animales y el rendimiento en gas de los mismos

tomando como referencia el kilogramo de sólidos volátiles.

TABLA Nº 03: TIPOS DE MATERIA PRIMA.

ESPECIE PESO

VIVO Kg. ESTIERCOL/día l/Kg. S.V. % CH4

Cerdos 50 4,5 - 6 340 - 550 65 – 70

Vacunos 400 25 - 40 90 - 310 65

Equinos 450 12 - 16 200 - 300 65

Ovinos 45 2,5 90 - 310 63

Aves 1,5 0,06 310 -620 60

Caprinos 40 1,5 110 - 290 -

(Fuente: Monroy O.)

TEMPERATURA DEL SUSTRATO

Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4a 5º C

y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 70ºC. Se realiza

generalmente una diferenciación en tres rangos de temperatura de acuerdo

al tipo de bacterias que predominan en cada una de ellas.

TABLA Nº 04: SENSIBILIDAD DE LAS BACTERIAS

METANOGÉNICAS A LA TEMPERATURA.

L

a

.

(Fuente: Ertola R.)

BACTERIAS RANGO DE TEMPERATURAS SENSIBILIDAD

Psiccrofílicas menos de 20ºC ± 2ºC/hora

Mesofílicas entre 20ºC y 40ºC ± 1ºC/hora

Termofílicas más de 40ºC ± 0,5ºC/hora



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Al mismo tiempo se deberá tener en cuenta que al no generar calor al

proceso la temperatura deberá ser lograda y mantenida mediante energía

exterior. El cuidado en el mantenimiento también debe extremarse a

medida que aumentamos la temperatura, dada la mayor sensibilidad que

presentan las bacterias termofílicas a las pequeñas variaciones térmicas.

Los digestores que trabajan a temperaturas meso y termofílicas poseen

generalmente sistemas de calefacción, aislamiento y control los cuales son

obviados en digestores rurales económicos que trabajan a bajas

temperaturas (a).

La temperatura está íntimamente relacionada con los tiempos que debe

permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su degradación

(Tiempo de Retención Hidráulica - TRH). A medida que se aumenta la

temperatura disminuyen los tiempos de retención y en consecuencia se

necesitará un menor volumen de reactor para digerir una misma cantidad de

biomasa.



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Figura Figura Nº 03: Efecto de la Temperatura en las Digestión

Anaerobia.

(Fuente: Smith G.)

TIEMPOS DE RETENCIÓN (T.R)

Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas

discontinuos o batch” donde el T.R. coincide con el tiempo de permanencia

del sustrato dentro del digestor.

En los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se

define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el

volumen de carga diaria.



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De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de

los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de

retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos

valores.

El tiempo de retención está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de

sustrato y la temperatura del mismo.

La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los

tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los

volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de

material.

La relación costo beneficio es el factor que finalmente determinará la

optimización entre la temperatura y el T.R., ya varían los volúmenes, los

sistemas paralelos de control, la calefacción y la eficiencia.

A modo de ejemplo se dan valores indicativos de tiempos de retención

usualmente más utilizados en la digestión de estiércoles a temperatura

mesofílica.

El límite mínimo de los T.R. está dado por la tasa de reproducción de las

bacterias metanogénicas debido a que la continua salida de efluente del

digestor extrae una determinada cantidad de bacterias que se encuentran en

el líquido. Esta extracción debe ser compensada por la multiplicación de las

bacterias que pertenecen dentro del reactor (k).



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TABLA 05: TIEMPOS DE RETENCIÓN DE DIFERENTES

MATERIAS ORGANICAS

MATERIA PRIMA T.R.

Estiércol vacuno líquido 20 - 30 días

Estiércol porcino líquido 15 - 25 días

Estiércol aviar líquido 20 - 40 días

(Fuente: Taiganides E.)

Por esta razón en los últimos años se han buscado diseños de cámaras de

digestión que procuran lograr grandes superficies internas sobre las cuales

se depositan como una película las bacterias u otros sistemas que logran

retener a las metanogénicas pudiéndose lograr de este modo T.R. menores.

Figura Nº 04: Tiempos de Retención vs. Producción de

Metano (Fuente: Chon CH.)



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VALOR DE ACIDEZ (pH)

Una vez estabilizado el proceso fermentativo el pH se mantiene en valores

que oscilan entre 7 y 8,5; debido a los efectos buffer que producen los

compuestos bicarbonato-dióxido de carbono (CO2 -HCO3) y Amonio -

Amoníaco (NH4 -NH3) el proceso en sí mismo tiene capacidad de regular

diferencias en el pH del material de entrada (b).

Las desviaciones de los valores normales es indicativo de un fuerte

deterioro del equilibrio entre las bacterias de la faz ácida y la metanogénica

provocado por severas fluctuaciones en alguno de los parámetros que

gobiernan el proceso

CONTENIDO DE SÓLIDOS

La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve

crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y

por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y producción de gas. En este

punto tampoco existen reglas fijas; mediciones realizadas utilizando

mezclas de estiércoles animales en agua han determinado que para

digestores continuos el porcentaje de sólidos óptimo oscila entre el 8% y el

12%.

INCLUSIÓN DE INOCULANTES

El crecimiento bacteriano dentro de los digestores sigue desde su arranque,

la curva típica graficada en la siguiente figura.



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E

n

Figura Nº 05: Crecimiento Bacteriano

(Fuente: Scragg A.)

En La figura puede distinguirse claramente tres etapas: La de arranque (I),

la de estabilización (II) y la de declinación (III).

La primera etapa puede ser acortada mediante la inclusión de un

determinado porcentaje de material de otro digestor rico en bacterias que se

encuentran en plena actividad. Esto es particularmente importante en los

digestores discontinuos que deben ser arrancados frecuentemente.

Al llegarse en forma más rápida a la estabilización puede incrementarse la

producción de gas por Kg. de estiércol.

Los dos factores a tener en cuenta en la inoculación de un digestor son la

proporción en que se agrega y la edad del mismo. Cuanto mayor sea la

proporción y menor la edad mayor será la eficacia.



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RELACION CARBONO – NITROGENO (C/N)

Los organismos vivientes requieren de carbono aprovechable como fuente

de energía, y necesitan nitrógeno para sintetizar su protoplasma.

El carbono como el nitrógeno son utilizados por los microorganismos para

sus procesos vivientes, sin embargo el carbono es consumido de 25 a 30

veces más rápido que el nitrógeno, por lo tanto se requiere que el contenido

de carbono y nitrógeno del material orgánico tenga una relación de carbono

- nitrógeno de 25:1 a 30:1 (k).

Si la relación de carbono - nitrógeno fuera más alta habría un exceso de

carbono que causaría la formación y acumulación de ácidos volátiles, el pH

bajaría a extremos no permisibles para las bacterias metanogénicas y la

producción de biogás cesaría.

Si por el contrario la relación C/N, fuera menor, entonces se acumularía

nitrógeno en forma de amoniaco (NH3) pudiéndose llegar a

concentraciones que afectarían a las sensibles bacterias productoras de

metano.

Cuando el sustrato tiene un pobre contenido de carbono, entonces a este se

le agregara residuos agrícolas, como pajilla de trigo, pajilla de arroz,

rastrojos de maíz, hojas de árboles y otros vegetales que contienen un alto

contenido de carbono. Y si nuestro sustrato contiene muy poco contenido

de nitrógeno, entonces se le mezcla con desechos de animales, o se les

agrega compuestos nitrogenados, como urea, sulfato de amonio, etc.



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TABLA 06: RELACIÓN DE C/N DE DIVERSOS DESECHOS

DISPONIBLES EN EL MEDIO NATURAL

MATERIAL %NITRÓGENO

(base seca)

%C

(base seca) C/N

Desechos Animales

Bovinos 1,7 30,6 18:1

Equinos 2,3 57,6 25:1

Ovinos 3,8 83,6 22:1

Porcinos 3,2 79,0 25:1

Aves 2,4 50,0 201

Excretas humanas 0,85 2,50 3:1

Desechos Vegetales

Paja de trigo 0,53 46,0 87:1

Paja de arroz 0,63 42,0 67:1

Rastrojo de maíz 0,75 40,0 53:1

Hojas secas 1,00 41,0 41:1

Rastrojo de soya 1,30 41,0 32:1

(Fuente: Crueger W.)

SUSTRATO

Es el material orgánico que las bacterias transforman hasta convertirlo en

biogás. Es indispensable que este sustrato contenga todos los elementos

necesarios y en las proporciones adecuadas para su aprovechamiento por la

flora bacteriana (o).

DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO5)

La demanda bioquímica de oxigeno (DBO5) informa sobre el consumo de

oxigeno de un sustrato necesario para la degradación bioquímica de los

compuestos orgánicos por la acción de microorganismos, en general en un

peridoto de 5 días (DBO5) a 20 °C y a oscuras (i).



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El método es adecuado para determinar la DBO5 en muestras de agua sin

diluir o diluidas, en las que el contenido de oxigeno, después de el tiempo

de duración del consumo, reporte todavía como 2mg de O2/L.

La mezcla de microorganismos utilizados debe contener tipos capaces de

metabolizar las sustancias presentes en la muestra. Los residuos que

contengan venenos parciales requerirán una mezcla especialmente adaptada

de microorganismos. Los residuos que contengas fenol puede dar CERO de

DBO, ya que si todos los microorganismos están muertos, no se consumirá

O2.

La muestra debe diluirse de tal forma que utilice de 1/3 a ½ de O2 disuelto.

Muestra muy concentrada se gastara rápidamente el O2 y muy diluida solo

se consume en pequeña parte de O2.

Para que una prueba sea significativa no debe ocurrir cambio alguno entre

el muestreo y la prueba.

La prueba de DBO5 da una indicación de la cantidad de nutrientes

fácilmente degradables, presentes en una muestra y es apropiada para

residuos que consistan principalmente de nutrientes carbonaceos (i).

Materia + O2 + nutrientes Nuevas + CO2 + H2O + Residuos No

Orgánica Células Biodegradables

DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO

La demanda química de oxigeno (DQO) informa sobre el consumo de

oxigeno de un agua para la oxidación de casi todas las sustancias orgánicas

solubles en agua, exceptuando una serie de compuestos nitrogenados y de

hidrocarburos apenas soluble en agua (i).



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Muchos tipos de materia orgánica son oxidados mediante ebullición en una

mezcla de ácido crómico y sulfúrico. La muestra es sometida a reflujo en

una solución fuertemente ácida con un exceso conocido de K2Cr2O7.

Después de la digestión el remanente de dicromato de potasio no reducido

se titula con sulfato ferroso amoniacal. (SFA), se determina la cantidad de

dicromato consumido y la cantidad de materia orgánica oxidable se

calcula en términos de oxigeno equivalente.

Los compuestos alifáticos volátiles de cadena lineal o abierta no son

oxidados en alguna extensión apreciable. Esto es debido, en parte, a que los

organismos volátiles están presentes en la fase de vapor y no llegan a hacer

contacto con el líquido oxidante. Los compuestos alifáticos de cadena

lineal son oxidados más efectivamente cuando se adiciona sulfato de plata

(Ag2SO4) como catalizador. Sin embargo, el Ag2SO4 reaccionaria con

cloruros, bromuros y yoduros para producir precipitados que solo son

oxidados parcialmente (q).

1.3.3 Ventajas y Desventajas de los Procesos Anaerobios y Aerobios:

Explicados ya los fundamentos básicos de los procesos de digestión aerobio

y anaerobio, es conveniente comparar las ventajas e inconvenientes de

ambos procesos y las condiciones; y circunstancias en que cada uno de

ellos pueda resultar óptimo. Sin embargo, como en toda cuestión técnica,

no se puede olvidar que en los casos limite será siempre necesaria una

comparación directa entre ambos.



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VENTAJAS

SISTEMA AEROBIO SISTEMA ANAEROBIO

Permites Realizar en todo o en

parte, la nitrificación de la

materia prima.

Tiene un menor coste de

mantenimiento.

Control total de estanqueidad.

No contiene partes móviles ni

demasiados accesorios como

son cañerías, controladores de

presión temperatura., etc.

Tiene una velocidad de

degradación mayor que el

sistema aeróbico.

Sus procesos biológicos en la

marcha son sencillos y sus

productos de degradación son:

CO2, H2O Y NO3.

Dispone y utiliza los desechos de

las industrias de una manera

higiénica y libre de influencias

nocivas a la salud.

Clausura los muladares que son

lugares propios para la cría de

moscas, ratas que despiden olores

mefíticos y propagan muchas

enfermedades.

Se evita el sistema de cremación

de los desechos que es una medida

antihigiénica debido a que el aire

se llena de impurezas.

Menores costos energéticos al no

tener que aportar oxigeno y

eliminación de un menor volumen

de fangos

Aprovechamiento del biogás

como combustible, al igual que el

lodo efluente (bioabono).



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DESVENTAJAS

SISTEMA AEROBIO SISTEMA ANAEROBIO

No se aprovecha el biogás como

combustible.

No se aprovecha el bioabono

como fertilizante en la

agricultura.

Mayor cuidado en el tratamiento

y reciclaje de los fangos

activados.

Tiene costo de inversión mayor

que el sistema aeróbico.

Precisa un depósito de mayor

tamaño y cerrado, con

instalaciones poco costosas para

la conducción de gases.

El control del digestor es poco

mas complicado, y su tiempo de

puesta en marcha es mas largo.

Mayor dificultad para la

limpieza, necesitando operadores

experimentados.

Necesidad de un tanque de

homogenización y

neutralización.

1.4 TECNOLOGÍA DE LOS BIORREACTORES

El Biorreactor es un depósito completamente hermético, es decir sin

presencia de oxígeno dentro de su área de fermentación y esta compuesto de

una serie de componentes como gasómetro, tanque de Biol., tuberías,

accesorios entre otros. Los desechos urbanos o naturales (sustratos orgánicos

biodegradables) son digeridos, en otras palabras son reducidos o degradados



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a elementos más simples de gran utilidad como son el biogás y los

biofertilizantes (Biol y Biosol). Al conjunto de biorreactor, gasómetro,

tanque de biol se le denomina biorreactor (biodigestor), que puede ser

construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico

(a).

Características esenciales para la implementación de un biodigestor

Existen zonas del mundo dónde la única fuente de energía de la población es

la madera. Esto ha provocado en algunos países problemas graves de

deforestación, como podría ser el caso de Bolivia, Colombia y Perú. Como

respuesta a esta situación, han surgido organizaciones para promover en estos

países el uso del biogás.

Para que un biodigestor de desechos orgánicos opere en forma correcta,

deberá reunir las siguientes características:

Deberá de ser totalmente hermético con el fin de evitar el ingreso de

oxígeno ya que interfiere con la producción y fugas de biogás.

Deberá estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de

temperatura en climas fríos menores a temperaturas ambientales.

Deberá contar con medios necesarios para efectuar la carga y

descarga del sistema de digestión como lampas, recipientes de

almacenamiento, etc.

Los sistemas de digestión deberán tener acceso para el

mantenimiento que se realizara según el tiempo en que se termine el

biogás, quizás una compuerta en el digestor.



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Sistema de digestión

Un sistema de digestión, es una planta de tratamiento de biomasa residual,

que tiene por finalidad evitar la contaminación ambiental. Una de las

clasificaciones, es por la forma de llenado:

a) Carga Semi-Continua: Este modelo es de carga intermitente; la frecuencia

de carga la determina el usuario. Son depósitos cerrados herméticamente que

se abren para cada carga y descarga, son fáciles de construir y operar.

Son los mas efectivos produciendo lodos completamente estabilizados para

un mejor uso como fertilizante.

b) Carga Continua: Se trata de un sistema abierto, la solución nutritiva se

añade continuamente en una cantidad equivalente de solución (nutrientes,

con los microorganismos). Tienen un sistema de alimentación y un sistema

de salida diferencial, el cual permite operar sin abrir el tanque de

fermentación.

Son generalmente para el tratamiento de aguas residuales, en consecuencia

son plantas grandes, lo cual se emplea equipos comerciales para alimentarlos,

proporcionarles agitación y calefacción (c).

c) Carga por Lote (Batch): Estos tipos de biorreactores solo son cargados una

vez en forma total y la descarga se realiza terminada la producción con

biogás. Generalmente son tanques con una salida conectada a un gasómetro,

donde finalmente es almacenado el biogás.

Loa factores que influyen en la elección entre los diferentes tipos de

biorreactores pueden incluir: las características físicas y químicas del residuo

considerado, la concentración de contaminantes que se traten, la presencia o



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ausencia de oxigeno, la eficiencia del tratamiento y fiabilidad del sistema

requerido, las condiciones climáticas bajo las cuales va a operar el

biorreactor, el numero de procesos biológicos diferentes a los que afecta el

sistema de tratamiento de conjunto, la profesionalidad y experiencia de

quienes van a trabajar en la instalación y los costes de unos emplazamiento y

tiempo determinados para la construcción y operación de las posibles

configuraciones del Biorreactor (c).

1.4.1 Tipos de Biorreactores:

a) Biorreactor Continuo de Tanque Agitado (BCTA)

Un Biorreactor continuo de tanque agitado (BCTA) no necesita ser

básicamente diferente al biorreactor discontinuo excepto que se añaden

dispositivos para la alimentación y descarga en continuo.

Para una operación continua se requiere un conocimiento detallado de todas

las relaciones existentes entre la relación de reacción y las variables de

operación. Una complicación adicional surge del hecho de que los medios

naturales; al contrario que las soluciones de sustrato químico especialmente

preparadas, son los normalmente usados en las industrias de fermentación,

y la determinación de los efectos de todas las variables de concentración es

escasamente factible.

Una aplicación detallada de los datos discontinuos a un sistema continuo

presenta pues dificultades importantes y estas difícilmente pueden

simplificarse por los cambios fisiológicos y bioquímicos que se sabe

ocurren en los microorganismos durante el periodo de una fermentación

discontinua. Una característica del biorreactor de tanque agitado continuo



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en la industria química reside en la utilización de varios biorreactores en

serie, por que el efluente de un biorreactor único contiene normalmente una

concentración apreciable de los reactantes. El BCTA trabaja normalmente

con altas conversiones de sustrato, por tanto la concentración del sustrato

en la corriente de efluente es bastante baja y la pérdida de sustrato no es

una característica importante; sin embargo si se usan varios biorreactores

en serie deberá añadirse mas sustrato a cada unos de ellos (a).

Los sistemas de etapas múltiples para reacciones microbianas son

particularmente útiles cuando en los procesos discontinuos equivalentes es

preciso variar las condiciones ambientales durante el curso de la reacción

(a).

F

Figura Nº 06: Biorreactor Continuo de Tanque Agitado (BCTA)

(Fuente: Atkinson B.)



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b) Biorreactor de Lecho Fluidizado

El fermentador utilizado en la figura Nº 07 representa una fluidización, el

cual es una característica de los lechos de partículas regulares suspendidas

en un corriente liquida ascendente.

Dos importantes características de lechos con mezclas de partículas con

distintos tamaños, como en el caso de floculos microbianos, son el

incremento de la porosidad desde el fondo hasta la parte superior del lecho

y la disminución del movimiento de las partículas cuando se compara con

lechos que contienen partículas de tamaños uniforme.

Durante la fluidización las partículas mas pequeñas ascienden en relación

con las partículas mas grandes y se produce una situación en la que las

partículas mas pequeñas están en la parte superior y las mas grandes en el

fondo de el lecho, como las partículas mas pequeñas tienen menor

velocidad de sedimentación el lecho se organiza de forma que las partículas

mas pequeñas estén en la región de porosidad mas grande y velocidad

lineal menor.

Un modelo cualitativo razonable, para el modelo de flujo liquido – sólido,

implicaría un liquido en flujo “de pistón” ascendiendo por un lecho de

partículas suspendidas relativamente estacionarias. Esta situación es

análoga al uso de películas microbianas fijadas en fermentadores tubulares

y contrasta con los fermentadores tubulares que contienen floculos

microbianos, donde los floculos están expuestos a unas condiciones

ambientales cambiantes como en el fermentador discontinuo (c).



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A causa de las pequeñas diferencias de densidad entre los floculos y el

fondo son inevitables velocidades de líquidos bajos. El crecimiento y

agotamiento de los floculos son también consideraciones importantes ya

que producirían el movimiento de las partículas, el primero en sentido

descendente y el ultimo en sentido ascendente.

El fermentador en forma de torre, que se ha desarrollado para la producción

continua de cerveza, se basa en estos principios generales.

Figura Nº 07: Biorreactor de Lecho Fluidizado (BLF)


c) Biorreactor de Lecho Fijo

Llamado también biorreator de precolación, consiste en un lecho fijo de

elementos de relleno sobre la que la fase liquida pasa en forma de película,

fluyendo bajo la acción de la gravedad. La elevada fracción de huecos de

los lechos utilizados como fermentadores de percolación es tal que su

comportamiento no esta limitada usualmente por la transferencia de

oxigeno.



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Figura Nº 08: Bioreractor de Lecho fijo en Bloque

(Fuente: Cooney C.L)

En la práctica los elementos de relleno son más bien grandes, se puede dar

un tamaño de 4 – 6cm y las porosidades de los lechos varían desde 50 al 98

% (c). Las dimensiones de la superficie están limitadas solo por la

disponibilidad de terreno y por los medios adecuados para distribuir el

efluente uniformemente sobre la superficie del filtro. Para delimitar el

lecho pueden usarse muros de contención, de hormigón y metal expandido

o tela metálica.

Estas secciones tienen una porosidad alta (> 90 %) y su estructura interna

es menos tortuosa que los lechos de elementos dispuestos al azar, con lo

que resultan menos susceptibles a bloquearse por la acumulación del

crecimiento bacteriano y por la evaluación de un gas como producto

bioquímico.

Operando bajos estas condiciones, el área superficial del relleno mojado

por la película de líquido (sustrato) depende de la velocidad de aplicación



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del liquido, es decir; del caudal másico por unidad de área transversal del

lecho. Para los propósitos actuales se supondrá que el área mojada y el área

biológicamente activa son una y la misma.

La película microbiana cubre a los elementos de relleno en la forma

ilustrada en la siguiente figura:

Figura Nº 09: Películas Biológicas Soportadas Típicas.


La retención microbiana, es decir; la cantidad de masa microbiana por

unidad de volumen de biorreactor, puede controlarse mediante lavado

hidráulico o por procedimiento mecánicos (h). Para los objetivos presentes

se supondrá que el espesor microbiano se mantiene constante e

independiente de la posición dentro del biorreactor.

Para el proceso de fermentación anaerobia del sustrato llevado acabo bajo

condiciones semicontinuas, en este tipo de biorreactor con tiempos de

proceso típicos de dos a tres semanas.

El sustrato alimentado al biorreactor se hidroliza a compuestos solubles

tales como azucares sencillos, péptidos, aminoácidos, gliceroles, y ácidos

grasos. Estas sustancias proporcionan los sustratos para las bacterias



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productoras de metano. El producto gaseoso final es una mezcla de metano

y dióxido de carbono (aproximadamente de 3:1) con trazas de amoniaco,

sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y oxigenó.

El proceso, obviamente es no aséptico y la eficiencia de la digestión se ve

afectada significativamente por factores tales como temperatura, pH,

composición de fango (inoculo), grado de mezclado y concentración de

sólidos.

Las dimensiones de un tanque de digestión típico pueden ser de 7 metros de

altura y 14 metros de diámetro. El sustrato digerido se vende como

fertilizante o se utilizan como materiales de relleno. El gas producido se

usa frecuentemente como fuente de energía para los trabajos de

tratamiento.

d) Biorreactor de Lecho Suspendido

Esta tecnología se inicio hace menos de 10 años y esta basada en la

acumulación de microorganismos de un reactor cuyas características de

sedimentación impida su arrastre fuera del mismo.

Este tipo de biorreactor reúne dos propiedades esenciales; por una parte un

dispositivo de separación Gas - Liquido – Sólido, por un medio de

campanas colectoras situadas en su parte alta, mediante la cual se consigue

la sedimentación de los floculos de pequeño tamaño, que ascienden

adheridos a las burbujas de gas. La segunda, el disponer de un sistema de

introducción y distribución uniforme del efluente., en la base del

biorreactor.



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Para un bioreractor de tipo batch, la carga y descarga del mismo se hace

por la parte superior, de los floculos de pequeño tamaño que se encuentran

en el sustrato, por fermentación ascienden por acción del gas, y mediante el

dispositivo de separación por medio de las campanas colectoras se

consigue la sedimentación y retorno al compartimiento de digestión. Las

concentraciones de biomasa van desde 60 gr/L de sólidos totales, en el

fondo, hasta 10g/L cerca de la salida.

A condiciones normales de trabajo, actuando un solo biorreactor, el pH

debe mantenerse en el rango de 6,5 – 7,8 y la temperatura debe estar

comprendida entre 18 y 30°C.

Para sistemas continuos debido a la gran concentración de lodos dentro del

biorreactor, pueden conseguirse velocidades de carga orgánica de 5 – 30

kg. DQO/m3 día, y tiempos de residencia de 2 días.

Esa última es la principal ventaja de este tipo de biorreactor ya que con

poco volumen consigue una gran efectividad depuradora.

e) Biorreactor de Cubierta Fija o Tipo Chino

También es conocido como planta de cúpula fija, este tipo de biodigestor

fueron creados en la República Popular China el cual tiene una gran

experiencia en la producción y utilización del biogás. La construcción de

más de ocho millones de biorreactores la han ubicado a la vanguardia de la

tecnología del biogás para el medió rural.

Este tipo de biodigestor posee una estructura altamente resistente, lo que

permite ahorrar materiales de construcción, se puede construir en diferentes



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capacidades desde 6 a 20m3 de volumen según la aplicación y los costos

para dicha construcción.

Esta es la tipología de planta más sencilla de explotación debido a que no

tiene partes móviles, tiene un diseño muy compacto que ahorra espacio,

está bien aislada térmicamente. La construcción es laboriosa y necesita

mano de obra con cierta preparación, así como técnicos experimentados en

el tema que hagan la supervisión adecuada. Este hecho favorece la creación

de empleo local durante la fase de construcción.

Figura Nº 10: Biorreactor de Cubierta Fija

(Fuente: Chon CH.)



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f) Biorreactor de Cúpula Flotante o Tipo Hindú

Como su propio nombre lo indica, el biodigestor hindú fue un modelo

creado y desarrollado en la india y se caracteriza por englobar en un solo

conjunto la cámara de fermentación y el gasómetro. Consiste en un digestor

subterráneo y una parte móvil superior que sirve de almacén de gas. La

cúpula de gas flota directamente sobre el sustrato en digestión o en una

película acuosa, disponiendo de algún tipo de guía externa para evitar las

desviaciones en la trayectoria de la cúpula y que a la vez permita retirar el

tambor flotante para hacer el mantenimiento. El gas se almacena en la

cúpula, desplazándose esta hacia arriba cuando se acumula y hacia abajo

cuando el biogás se consume, así que el nivel de la cúpula dependerá del

biogás almacenado.

La cúpula puede desplazarse directamente sobre el lodo que está siendo

digerido o bien en una película acuosa. Si se hace la película acuosa, la

cúpula no quedará encallada, aún tratándose un sustrato con alto contenido

en sólidos, y el aumento del coste de la construcción es muy modesto.

Tenemos a la vez una apariencia más estética de la planta, mejorando las

condiciones higiénicas. Se recomienda el uso de esta película si se tratan

excretas humanas.



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CÁMARA DE CARGA

CONDUCTO DE DESCARGACONDUCTO DE CARGA

FILTRO DE SULF HÍDRICO

CÁMARA DE DESCARGA

CÁMARA DE DIGESTIÓN

GASÓMETRO

Figura Nº 11: Biorreactor de Cúpula Flotante.




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CAPITULO II

2. PROCESO EXPERIMENTAL

2.1 MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizo en la Granja Avícola “LESCANO”, propiedad privada,

localizada en el distrito Chicama a una hora de la ciudad de Trujillo, en una

zona apartada de la población y a una temperatura promedio de 27°C.

2.1.1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DEL

BIORREACTOR

Entre los materiales principales tenemos:

Tuberías.

Mangueras.

Tanques de latón de acero inoxidable.

Codos de acero.

Tes.

Reducciones.

Tapones.

Abrazaderas.

Uniones.

Válvulas.

Manómetro.

Válvulas de retención.

Piedras pómez (que constituye el lecho).

Balanza, otros.



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2.1.2. MATERIALES UTILIZADOS PARA LA CARGA DEL

BIORREACTOR

Estiércol o Gallina:

El estiércol utilizado fue obtenido de las aves ponedoras alojadas en

jaulas en cada galpón; de donde se tomaron las muestras de un día de

edad y llevadas al laboratorio de zootecnia y patología con que cuenta

la granja para los análisis Físico-Químicos respectivos.

Adicional a las deyecciones de estas aves, el estiércol estaba compuesto

por el desperdicio de alimento, plumas, cáscaras y demás residuos. En

conjunto todo el estiércol también llamado gallinaza, son depositados

en sacos de polietileno, para su posterior uso directo como abono en la

producción agrícola del valle.

Residuos de Vegetales

Los residuos vegetales se usaron conjuntamente con los excrementos

como un co-fermentador en pequeñas cantidades sometidos ambos a un

pre-tratamiento (pre-compost). Cualquier material fibroso, como la paja

se deberá trocear a un tamaño de 2 a 6 cm.

Estos fueron tomados de las plantas y forrajes verdes de la granja

como adicional a la materia prima, dispuestos para otros animales con

que cuenta la granja.

Lodos Activados

Los lodos activados son lodos sedimentados de las aguas residuales

crudas previamente agitados en la presencia de abundante oxígeno

atmosférico. Los lodos activados son diferentes de otros lodos tanto en



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apariencia como en características físicas y composición biológica. Un

lodo activado de buena calidad tiene un particular olor a tierra húmeda

y mohosa cuando está en circulación en los estanques de aireación.

El lodo de color café claro que precipita y sedimenta rápidamente en el

líquido de origen dejando un sobrenadante claro sin olor ni color y

brillante.

Las bacterias presentes en un lodo activado incluyen los géneros

Pseudomonas, Zoogloea, Acliromobacter, Flavobacterium, Nocardia,

Bdellovibrio, Mycobacterium, y las dos bacterias nitrificantes más

comunes, los Nitrosomas y las Nitrobacter. Adicionalmente, se pueden

presentar diversas formas filamentosas tales como la Sphaerotilus,

Begiatoo, Thiorhrix, Lecicothrix, y Geotrichum.

En tanto que las bacterias son los microorganismos que realmente

degradan el residuo orgánico presente en el biorreactor de lecho fijo

actuando como un acelerador de la fermentación, las actividades

metabólicas de otros microorganismos son, igualmente, importantes en

el sistema de fermentación anaeróbica.

Por ejemplo, los protozoos y rotíferos ejercen una acción de refino de

los efluentes. Los protozoos consumen las bacterias dispersas que no

han floculado y los rotíferos consumen cualquier partícula biológica

pequeña que no haya sedimentado.



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2.1.3 MÉTODOS Y TÉCNICAS UTILIZADOS PARA EL ANÁLISIS DE

LA MATERIA PRIMA

A. DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS TOTALES

Material Instrumental:

Balanza Analítica.

Cápsula de Porcelana.

Estufa de Laboratorio( 0- 300°C)

Procedimiento:

Se calienta la cápsula en la estufa (250°C) durante 1 hora

Se agrega a la cápsula una cantidad de desecho, se pesa el

conjunto de la cápsula mas la muestra.

Se coloca la cápsula con la muestra dentro de la estufa de 103°C a

105C durante dos horas.

Se extrae la cápsula de la estufa y se deja enfriar durante cinco

minutos en el desecador. Se pesa la cápsula con la muestra seca.

B. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE

OXIGENO (DBO5) “METODO DE WINKLER”


Botellas de DBO5 con tapa esmerilada de 300ml.

Pipeta volumétrica de 25ml.

Fiolas y Pipetas.

Probetas.

Bureta de 50ml.



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Matraz Erlenmeyer de 100ml y vasos de precipitación de 50 y

100ml.

Reactivos:

MnSO4.5H2O, al 50%

H3PO4, s.g =1.75 (Ácido Fosfórico).

Solución Yoduro Alcalina-Azida.

Na2S2O3, 0.025 N (Tiosulfato de Sodio).

Procedimiento:

Tomar dos muestras de sustrato en cada botella de DBO5,

evitando formar burbujas dentro de ella.

Incubar la segunda botella a 20°C en un lugar oscuro o taparlo

evitando el contacto con el medio ambiente.

Añadir a la primera botella 1ml de MnSO4 justo por debajo del

cuello de la botella y 1ml de solución Yoduro Azida en la

superficie (verter rápidamente).

Inclinar y tapar la botella, mezclando el contenido por inversión

y rotación de la botella (10seg.) y luego dejarlo en reposo.

Agregar 2 ml de H3PO4, tapar y mezclar.

Tomar en un Erlenmeyer una alicuota (50ml. de muestra) e

inmediatamente titular con Na2S2O3, usando como indicador

2ml. de la solución de almidón soluble.

Con la segunda botella guardada hacer el mismo procedimiento

después de 5 días de incubado a 20 ºC.



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C. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE

OXIGENO (DQO)


Matraz de reflujo de 500ml.

Un refrigerante de reflujo.

Bureta de 50ml.

Pipetas de 1,5 , 10ml y 25 mL..

Probetas de 50ml y fiola 50.

Matraz Erlenmeyer de 100ml y vasos de precipitación de 50 y

100ml.

Reactivos:

K2Cr2O7, 0.025 N (Solución Patrón de Dicromato de Potasio).

Ag2SO4 (Sulfato de plata, grado reactivo).

H2SO4 cc (Ácido Sulfúrico concentrado).

HgSO4 (Sulfato de Mercurio en polvo).

Procedimiento:

Tomar 50 ml. de muestra en el matraz de reflujo de 500ml.

Adicionar 1 g de HgSO4, varias perlas de vidrio y muy

lentamente 5 ml. de H2SO4 cc, mezclando para disolver el

HgSO4.

Adicionar 25 ml. de solución de K2Cr2O7, 0.025 N y mezclar .

Conectar el matraz al refrigerante y aplicar el agua de

enfriamiento.



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Adicionar 70 ml. H2SO4 a través de la entrada que esta en la

parte final del refrigerante.

Una vez que el equipo este totalmente montado, someter la

mezcla a reflujo por dos horas, enfriar y lavar el refrigerante

hacia abajo con agua destilada.

Desconectar el refrigerante de reflujo y diluir a la mezcla casi al

doble de su volumen con agua destilada. Enfriar a temperatura

ambiente y titular el exceso de Dicromato de potasio con la

solución SFA.

Correr un blanco, el cual consiste en un volumen de agua

destilada igual a la muestra; se adiciona lo mismos reactivos, se

somete a reflujo y se titula con la solución SFA.

D. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CARBONO


Balanza analítica.

Capsula de porcelana.

Horno de rango de temperatura de 0ºC a 1200ºC.

Procedimiento:

Se calienta la capsula en el horno durante 1hora (aprox.250 ºC).

Se agrega a la capsula una cantidad de desecho y se pesa el

conjunto de la capsula mas la muestra húmeda colocándolo en el

horno a600-610ºC.

Finalmente se pesa la capsula con la cenizas, se resta el peso de

la capsula seca y obtenemos el peso de las cenizas.



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E. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE NITRÓGENO

TOTAL

El método descrito consta de los siguientes pasos:

Disgregación de la materia orgánica y su transformación en

amoniaco.

Destilación del amoniaco.

Titulación.


Balón Kjeldahl de 250 mL.

Balón de 500 mL.

Matraz Erlenmeyer de 150 mL.

Tubo refrigerante.

Bureta de 50 mL y vaso de precipitación de 200 mL.

Reactivos:

Acido sulfúrico concentrado.

Solución de hidrogeno de sodio al 40%.

Mezcla catalizadora: Sulfato de potasio y sulfato de cobre, en

proporción de 10 a 1 en peso.

Una pizca de selenio.

Solución de Hidróxido de sodio 0,1 N. (valorado)

Solución de acido clorhídrico 0,1 N. (valorado)

Indicadores. Fenoftaleina, rojo de metilo.

Agua destilada.



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Procedimiento:

Primera Etapa: En el balón Kjeldahl se colocan las siguientes

sustancias:

Muestra previamente desecada: 0,5 g aproximadamente.

Mezcla catalizadora: 11 g.

Acido sulfúrico: 20mL.

El balón con su contenido se coloca en forma inclinada y se

calienta sobre una rejilla hasta que la sustancia se haya carbonizado

por completo, enseguida se quita la rejilla y se calienta

directamente, agitándolo. Al final de la misma, la solución adquiere

un color verde esmeralda cristalino.

Segunda Etapa: Terminada la primera etapa se deja enfriar la

muestra y se realizan las siguientes operaciones:

El contenido del balón Kjeldahl se pasa al balón de 500 m y se

diluye con 200 mL. de agua destilada.

Se agrega NaOH al 40% hasta una reacción ligeramente alcalina,

utilizando el papel de tornasol como indicador.

Se instalo el equipo de destilación. En el matraz erlenmeyer se

colocan 50 mL. de HCl 0,1 N. luego se destila.

Tercera Etapa: Una vez terminada la destilación, se procede a

titular el acido restante. Para titular, se añade gotas de rojo de

metilo al acido; luego se titula con el NaOH 0,1 N. hasta el cambio

de color del indicador del rojo al amarillo.



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2.1.4. MÉTODO EXPERIMENTAL

2.1.4.1. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL

Para efectos del presente trabajo de investigación, el biorreactor se

construyó en un tanque de latón de acero inoxidable de forma

cilíndrica totalmente acondicionado:

El biorreactor de construyó de 58 cm. de diámetro y una altura

de 100 cm. lo que representa una capacidad aproximada de 264

litros.

En su parte inferior se ubicó un conducto de descarga controlado

por una llave de paso que también permitió tomar muestras

liquidas para los análisis de DBO5, pH y temperatura

En su interior se acondiciono dos bloques de piedra pómez, cada

bloque tuvo una altura promedio de 7 cm. constituyendo el lecho

fijo representando un volumen total de 70,4 litros.; debido a su

forma permitieron en su interior el desarrollo de microorganismos

metanogénicos.

El lecho permitió la suspensión e inmovilización del inoculo

constituido por la mezcla de varios microorganismos benéficos.

El proceso de cargado consistió, inicialmente en cargar el

biorreactor con un volumen de 12.78 Litros (aprox.13 litros), de

lodo activado (inoculo), el cual por su densidad tan baja es

considerado como una parte del volumen de agua, esto se hizo



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con el objeto de acelerar el proceso de producción de biogás al

inocular la masa a digerir con bacterias metanogénicas.

El estiércol fresco más los residuos se albergo bajo condiciones

durante 7 días (pre-compostaje), luego se cargo al biorreactor

29,83 Kg. (aprox. 30 Kg.) y se completo con 88,34 litros de agua.

Luego del proceso de cargado y sellado del biorreactor

asegurando las condiciones de hermeticidad del sistema, el gas se

acumulo por 2 días, al cabo de los cuales se comprobó una

existencia pobre de biogás dejándolo escapar al abrir la llave de

paso.

Se hicieron pruebas de combustión pero no se detecto, este

efecto, lo cual es debido probablemente a que el sistema por ser

recién cargado existía en el medio oxígeno, además las bacterias

recién iniciaban su actividad; produciendo probablemente metano

pero la concentración de este era menor que la del CO2

La aplicación del inóculo, es un factor importante para acelerar el

proceso y la generación de gas combustible en forma pronta, así

al aplicar en el presente trabajo la cantidad recomendada (10 por

ciento del volumen de la mezcla ) se obtuvo al tercer día gas

combustible.

Las mediciones llevados a cabo en los laboratorios de la granja se

hicieron cada 24 horas para el control del pH y temperatura; el

control de DBO5 se realizo cada 5 días.



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Figura Nº 12: Diagrama de Flujo del Proceso



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2.1.5 MÉTODO DE DISEÑO DEL BIORREACTOR:

Sistema de Tratamiento: ANAEROBIO.

Régimen: BATCH (Una sola Etapa).

Tipo: BIORREACTOR DE LECHO FIJO.

Volumen Total del Biorreactor: 264,21 litros.

Porcentaje de Trabajo: 75 por ciento.

Volumen de Trabajo: 198,16 litros.

Numero de Bloques del Lecho: 2.

Volumen Total del Lecho: 70,4 litros

Volumen de Sustrato(mezcla en digestión): 127,76 litros

Volumen de Inoculo: 12,78 (aprox. 13 litros - 10% en volumen

del sustrato)

Condiciones de Operación:

Presión: 1 atm.

Temperatura Promedio: 27,5 ºC

Tiempo de Residencia: 55 días

ph: 6,7

Materiales de Construcción: Latón de acero inoxidable.

Forma: Cilíndrica



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CAPITULO III

3. RESULTADOS EXPERIMENTALES

En este capitulo se muestran los resultados de los análisis realizados antes y

durante el proceso de la digestión anaerobia. Estos resultados están representados

en tablas, figuras y graficas, en el orden que se muestran.

TABLA Nº 07: RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS PRELIMINARES DE

LA MATERIA PRIMA

PRUEBAS RESULTADOS

pH 6,2

DBO5 (mg/L) 804

DQO (mg/L) 611,33

% S.T 35,12

% C 46,03

% N 1,70

RELACION C/N 27,03

DBO5: Demanda Bioquímica de Oxigeno.

DQO : Demanda Bioquímica de Oxigeno.

S.T : Contenido de Sólidos Totales.

C : Contenido de Carbono Total.

N : Contenido de Nitrógeno Total.



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TABLA N º 08: RESULTADOS EXPERIMENTALES

TIEMPO

(días)

TEMPERATURA

(ºC) pH

DBO5

(mg/L)

PRODUCCIÓN

DIARIA

(Kg)

PRODUCCIÓN

ACUMULADA

(Kg)

1 28,0 6,5 804 0 0

2 28,2 5,5 0 0

3 28,6 5,8 0.0575 0.0575

4 29,0 6,0 0.0577 0.1152

5 27,6 5,5 0.0590 0.1742

6 27,5 5,0 0.0923 0.2664

7 27,0 6,0 0.1005 0.3670

8 27,0 6,0 0.1090 0.4759

9 25,5 6,5 684,0 0.1122 0.5881

10 26,7 6,2 0.1194 0.7075

11 27,8 6,3 0.1308 0.8383

12 27,5 6,5 0.1324 0.9708

13 26,6 6,0 0.1433 1.1141

14 27,0 6,2 0.1419 1.2560

15 27,5 6,2 0.1531 1.4091

16 27,0 6,0 0.1589 1.5679

17 28,8 6,1 564,2 0.1643 1.7323

18 26,5 6,2 0.1659 1.8982

19 26,5 6,0 0.1687 2.0669

20 27,5 6,5 0.1783 2.2451

21 28,0 7,2 0.1802 2.4253

22 27,5 7,5 0.1869 2.6122

23 26,5 7,8 0.1868 2.7990

24 26,3 7,6 0.1857 2.9847

25 26,0 7,5 444,2 0.1829 3.1675

26 26,0 7,0 0.1928 3.3603

27 26,5 7,2 0.1917 3.5520

28 27,0 7,4 0.1914 3.7434

29 26,0 7,0 0.1899 3.9333

30 27,5 7,5 0.1858 4.1191

31 27,3 7,5 0.1814 4.3005

32 27,0 7,5 0.1798 4.4803

33 26,0 7,2 324,0 0.1799 4.6602

34 26,3 7,1 0.1800 4.8403

35 26,5 7,0 0.1728 5.0130

36 27,0 7,2 0.1660 5.1790

37 27,0 7,0 0.1779 5.3569

38 27,5 7,1 0.1686 5.5255

39 28,0 7,2 0.1600 5.6855

40 27,5 7,5 0.1545 5.8400

41 26,5 7,0 204,2 0.1461 5.9861

42 27,0 7,0 0.1377 6.1238

43 26,5 7,2 0.1347 6.2585

44 27,0 7,2 0.1206 6.3791

45 26,8 7,2 0.1074 6.4865



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46 26,5 7,2 0.0909 6.5774

47 27,0 7,3 0.0798 6.6571

48 26,5 7,0 0.0692 6.7263

49 27,0 7,0 102,1 0.0533 6.7796

50 26,8 7,0 0.0440 6.8237

51 27,0 7,0 0.0406 6.8642

52 26,9 7,0 0.0308 6.8950

53 26,8 7,0 0.0200 6.9150

54 27,0 7,0 0.0068 6.9218

55 27,0 7,0 56,2 0.0005 6.9223

TEMPERATURA vs TIEMPO

25

26

27

28

29

30

0 20 40 60

TIEMPO (días)

TE

MP

ER

AT

UR

A

(ºC

)

Gráfica Nº 01: Temperatura vs Tiempo.



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pH vs TIEMPO (días)

1

4

7

10

0 20 40 60

TIEMPO (días)

pH

Gráfica Nº 02: pH vs Tiempo

DBO vs TIEMPO

0

300

600

900

0 20 40 60

TIEMPO (días)

DB

O

Gráfica Nº 03: DBO vs Tiempo



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PRODUCCION DIARIA DE BIOGAS vs TIEMPO

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50 60

TIEMPO (días)

PR

OD

UC

CIO

N D

IAR

IA D

E B

IOG

AS

(Kg

)

Gráfica Nº 04: Producción Diaria de Biogás vs Tiempo

PRODUCCION ACUMULADA DE BIOGAS vs TIEMPO

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60

TIEMPO (días)

PR

OD

UC

CIO

N A

CU

MU

LA

DA

DE

BIO

GA

S

(Kg

)

Gráfica Nº 05: Producción Acumulada de Biogás vs Tiempo



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CAPITULO IV

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En la Gráfica Nº 01, se observa un comportamiento variable de la

temperatura que cambia a medida que transcurre el tiempo debido a las

reacciones metabólicas llevadas a cabo por las bacterias mesofílicas, estas

reacciones son exotérmicas en la gran mayoría. El proceso de producción

se inició con una temperatura de 28 ºC hasta un máximo alcanzado de 29

ºC el cuarto día, luego la temperatura empieza a decaer alcanzando un

mínimo de 25,5 ºC en el noveno día. La temperatura sigue variando hasta

el día 36, donde se estabiliza hasta el final del proceso con una

temperatura de 27 ºC.

En la Gráfica Nº 02, se puede afirmar que el pH va cambiando con el

transcurso de los días del proceso de fermentación anaerobia, esto se

debe a que el proceso pasa por sus diferentes etapas, donde en las dos

primeras se realizan reacciones en forma simultanea y forman una

sucesión biológica, y luego de esta biosucesión el pH se estabiliza.

El proceso de fermentación se inicia con un pH 6,5; después del sexto día

empieza a descender llegando a un pH de 5,0; es decir el sustrato se torna

acido (fase acidogénica). A partir de este día el pH va a aumentar hasta

llegar a neutralizarse el día 21 con un pH de 7,2. Después de este día el

pH se vuelve ligeramente alcalino llegando a un pH de 7,8 el día 23 y

finalmente este decrece logrando estabilizarse a partir del día 41 hasta el

final del proceso con un pH de 7,0; debido a que todo el material

orgánico ha alcanzado su total estabilización.



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En la Gráfica Nº 03, la relación: Demanda Bioquímica de oxigeno con el

tiempo son inversamente proporcionales, lo que significa que mediante

van transcurriendo los días en la fermentación, la DBO5 va

disminuyendo gradualmente, esto se debe a que las bacterias están

consumiendo todo el oxigeno del sustrato para degradar la materia

orgánica y producir biogás. Partimos con una DBO5 804 mg O2/ L, y

logramos disminuirlo hasta 56,2 mg O2/ L al final del proceso.

En la Gráfica Nº 04, se observa que la relación: Producción diaria de

biogás sigue un comportamiento exponencial. La producción de biogás

empieza al tercer día de iniciado el proceso, debido a que se le ha

agregado un sustrato adicional (lodo activado), para acelerar el proceso

de digestión anaerobia. La producción de biogás va ha seguir aumentando

conforme van transcurriendo los días del proceso de fermentación, hasta

llegar a un punto de inflexión, donde esta empieza a descender

gradualmente, pero el tiempo va ha seguir avanzando, debido a que las

sustancia nutritivas del sustrato se van agotando, haciéndose nula el día

55 donde el sustrato alcanza su total estabilización. La producción diaria

del biogás llego a su máximo el día 26, con 0,1928 kg. de biogás.

En la Gráfica Nº 05, se puede afirmar que la relación: Producción

acumulada de biogás con el tiempo, también sigue un comportamiento

exponencial. La producción de biogás se va acumulando y ascendiendo a

medida que transcurre el proceso de fermentación anaeróbica, debido a

que los microorganismos van degradando la materia orgánica para

sintetizar sus alimentos (nutrientes) y producir biogás. La Producción de



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biogás se estabiliza apartir del día 55 alcanzando una producción total

acumulada fue de 6,92 kg. de biogás, debido a que se van agotando los

nutrientes del sustrato, es decir el desecho se va estabilizando

orgánicamente.



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CAPITULO V

5. CONCLUSIONES

De acuerdo a la Grafica Nº 01. se concluye que la temperatura se

encuentra dentro del rango mesofílico (20ºC – 40ºC), durante la acción

enzimática favorecidos por estas temperaturas; dicha acción enzimática

es máxima a una temperatura optima de 26ºC que se alcanza el día 26 con

una producción máxima de biogás. Así entonces la temperatura es uno de

los factores de mayor importancia en el proceso de digestión anaerobia

por su acción directa sobre las bacterias metanogénicas.

De acuerdo a la Grafica Nº 02, las variaciones de pH se debe a las tres

etapas de digestión anaerobia que sigue el proceso, dichas variaciones

son intensas al inicio del proceso, debido al material usado como inóculo

(lodo activado). Este sustrato adicional ligeramente acido, permite que las

reacciones metabólicas se lleven a acabo desde el inicio del proceso;

además el pH se estabiliza debido principalmente a que toda la materia

orgánica degradable a sido consumida disminuyendo así las actividades

metabólicas.

Así también la Grafica Nº 03, nos lleva a la conclusión de que el

oxigeno disuelto del sustrato a sido consumida casi en su totalidad por

los microorganismos, para degradar la materia orgánica (nutrientes) y

producir biogás. También podemos afirmar que al final del proceso la

DBO5 disminuyo hasta en un 5 por ciento, este valor alcanzado es

aceptable y no contamina el medio ambiente.



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La producción optima de biogás de alcanza después de transcurrir 26 días

de acuerdo a la Grafica Nº 04, así de esta forma el sustrato adicional

agregado a nuestra materia prima es fundamental para iniciar el proceso

de digestión en menor tiempo, ya que usualmente estos procesos

empiezan a producir biogás en un rango de 10 – 15 días, mientras que

nuestro bioerreactor obtuvimos biogás al tercer día de iniciado el proceso.

Así también la mayor cantidad de biogás se hace constante el día 54

debido al agotamiento de las sustancias nutritivas del residuo, al final del

proceso obtuvimos 6,92 kg. de biogás que constituye el potencial

máximo de generación de biogás por el estiércol de gallinas.

De acuerdo a los resultados preliminares concluimos que los parámetros

(pH, DBO5, DQO5, sólidos totales, relación C/N, temperatura y tiempo de

retención), son determinantes e influyen directamente en el proceso de

digestión anaerobia para que los microorganismos puedan sintetizar sus

alimentos en optimas condiciones de operación y degraden la materia

prima para producir biogás. Además podemos afirmar que la relación

C/N (27,03) se encuentra en el rango permisible (25:1 – 30:1), ya que si

fuera menor el exceso de nitrógeno formaría amoniaco y la producción

cesaría; si fuera mayor entonces el exceso de carbono formara y

acumulara ácidos volátiles, bajando así el pH a extremos no permisibles

para las bacterias metanogénicas.

De acuerdo al estudio llevado a cabo en la granja se puede llegar a la

conclusión final de que el estiércol producido por las gallinas diariamente

puede ser aprovechado favorablemente en la producción de biogás,



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además de un efluente llamado bioabono; debido a sus factibles

características Físico - Químicas.

El biogás producido permitió ser usado en los galpones para el

calentamiento de las aves, también como en el uso de la cocción de

alimentos.

El pequeño diseño desarrollado demostró ser eficiente y

económicamente factible, constituyendo en una interesante alternativa

técnica para mejorar las condiciones de uso del los estiércoles.



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CAPITULO VI

6. RECOMENDACIONES

Se recomienda usar un termómetro digital o un termostato para medir la

temperatura y esta debe hacerse desde el seno de la mezcla en digestión

(sustrato) para así obtener una mayor exactitud.

Al hacer los análisis del DBO5 por el método de “WINKLER”, se debe

tener mucho cuidado de que no se formen burbujas en los frascos de

DBO5 ,por que estos alterarían nuestros resultados; así mismo estos

frascos se deben cubrir completamente y con papel de aluminio para que

no penetre la luz durante los 5 días de incubación.

Se recomienda eliminar el H2S del biogás formado y mezclado con el

biogás obtenido para grandes producciones, por métodos químicos,

bioquímicas o físicos, ya que este es un componente muy nocivo para el

medio ambiente.

Emplear en próximas cargas de los digestores otro tipo de materia prima

de las cuales deben analizarse su contenido de carbono, nitrógeno y

sólidos totales, así como ver la efectividad de la producción de biogás.

Incentivar la participación del Estado mediante sus Organismos como

Ministerio de agricultura, Ministerio de Energía, Banco Agrario y

Empresas Privadas ligadas al Agro, a fin de procurar la amplia difusión

de estos sistemas en el medio rural del Perú.



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CAPITULO VII

7. BIBLIOGRAFÍA

a) ATKINSON B., Reactores Bioquímicos, Editorial Reverte,

Barcelona – España, 1986.

b) CATE PRESCOTT S. & CECIL GORDON D., Microbiología

Industrial, 3ra. Edición, Editorial Aguilar S.A., Madrid, 1972.

c) COONEY C.L., Biorreactors: Design and Operations, Editorial Mc-

Graw –Hill, New Cork, 1991.

d) CRUEGER W. 1993. Manual de Biotecnología de Microbiología

Industrial, Tercera Edición. Editorial ACRIBIA S.A. Zaragoza.

España.

e) CHON, CH. Gas Metano Fuente de Energía Inagotable, Pekín

Informa Nº 50, Republica Popular de China, Diciembre 1978.

f) ERTOLA R. & YANTORNO D., Microbiología Industrial, Centro

de Investigación y Desarrollo en Fermentaciones Industriales,

argentina, 1994.

g) FORONDA, R. Contaminación ambiental de la ciudad de

Chimbote- Instituto Ecologista, Natural Chimbote, 1941.

h) GATE (GERMAN APROPIATE TECHNOLOGY EXCHNGE),

Instrucciones para la Construcción de una Planta de Biogás,

Bremen-Alemania, 1983.

i) HACH C., KEIN R. L, Introduction to Biochemical Oxygen

Demand, Hach Company-Loveland, Colorado-U.S.A., 1985.



Bibliot

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j) HURTADO J., Tratamiento de la sanguaza para la obtención de

biogás y bioabono. Tesis para optar el título de Ingeniero Químico.

Trujillo, Perú: Universidad Nacional de Trujillo, Facultad de

Ingeniería Química, carrera de Ingeniería Química.

k) JORGENSEN A., Microbiología de las fermentaciones Industriales,

Editorial Acribia –Zaragosa-España, 1969.

l) MANDUJANO M.A., ELIX A, MARTINES A.M., Biogás

Energía y Fertilizantes a partir de Desechos Orgánicos, Manual

para el Promotor de la Tecnología; Serie de Publicaciones Nº 06,

México, 1981.

m) MONROY D., & VINIEGRA G., Biotecnología para el

Aprovechamientote los Desperdicios Orgánicos, AGT Editorial

S.A., México, 1981.

n) SMITH, G. 1963. Introducción a la Microbiología Industrial.

Editorial ACRIBIA S.A. Zaragoza. España.

o) SCRAGG A. , Biotecnología para Ingenieros, Editorial Limusa S.A

, Mexico D.F , 1995.

p) TAIGANIDES E., Biogás–Recuperación de Energía de los

Excrementos Animales. Parte I, Revista Mundial de Zootecnia Nº

35, Italia 1990.

q) WARD, O. 1991. Biotecnología de las Fermentaciones. Editorial

ACRIBIA S.A. Zaragoza. España.



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CAPITULO VIII

8. APÉNDICE

A. DETERMNACIÓN DE SÓLIDOS TOTALES

Cálculos:

La diferencia entre el peso de la capsula y el peso de la muestra húmeda

mas el peso de la capsula, es igual al peso de la muestra. La diferencia del

peso de la cápsula y el peso de la cápsula mas los sólidos secos nos da el

peso de estos:

Contenidos de sólidos Totales( %S.T)

%S.T. = Peso de sólidos secos * 100

Peso de muestra húmeda

%S.T. = 35,12 * 100

100

%S.T. = 35,12

B. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE

OXÍGENO (DBO5) – “MÉTODO DE WINKLER”

O2mg = (mL de Tiosulfatogastado)*(normalidad de Tiosulfato)*(8)*(1000)

mL de muestra titulada* (mL del frasco-2)

mL del frasco

DBO (mg/L) = OD1 – OD2

P

Donde:

OD1: Oxígeno disuelto inicial.

OD2: Oxígeno disuelto después de 5 días de encubamiento.

P : Fracción de la muestra analizada



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Normalidad del Tiosulfato de sodio: 0,025 N

Volumen de las botellas para DBO5: 300 mL.

Volumen de la muestra titulada: 50 mL.

OD1 (mg/L) = (8,6)(0,025)(8000) = 34,63 mg/L

50 * (300 – 2)

300

OD1 (mg/L) = (8,1)(0,025)(8000) = 32,62 mg/L

50 * (300 – 2)

300

NOTA: La muestra esta diluida al 0,25 %

DBO5 = 34,63 – 32,62

0,0025

DBO5 = 804 mg/L

C. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO

(DQO)

DQO(mg O2/L) = N*(a – b)*(8000)

mL de muestra

Donde:

N (Normalidad de SFA) = 0,025071

a (mL de SFA gastado para el blanco): 20,9

b (mL de SFA gastado para la muestra ) : 5,66

Volumen de la muestra: 5,00 mL

DQO (mg O2/L) = 0,025071*(20,9 – 5,66)*(8000) = 611,33mg/L

5

NOTA: La relación de DBO5 y DQO debe ser mayor o igual que 0,35



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DBO5 ≥ 0,35

DQO

Relacionando obtenemos que si esta dentro de la relación:

DBO5 = 804 mg/L = 1,32 ≥ 0,35

DQO 611,33 mg/L

DBO5 = 1,32 ≥ 0,35

DQO

D. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CARBONO

% cenizas = Peso de Cenizas * 100

Peso de la muestra

% cenizas = 0,4113 * 100 = 17,14

2,40

El porcentaje de carbono se encuentra usando la siguiente ecuación:

%C = 100 - % cenizas

1,8

%C = 100 – 17,14

1,8

%C = 46.03.

E. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE NITRÓGENO TOTAL

“MÉTODO DE KJEIDAL.”

La cantidad de acido clorhídrico que se a combinado con el amoniaco se

determina con la diferencia de los militros de acido colocados

originalmente en ele matraz e los mililitros de hidróxido de sodio gastados

en la titilación.



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Nº m-eq. N = Nº m-eq. HCl - Nº m-eq. NaOH

Nº m-eq. N = Nº m-eq. HCl - Nº m-eq. NaOH

W1 = NHCl * VHCl – NNaOH * VNaOH

0,014

%N = W1 * 100

W2

Donde:

W1: Peso de nitrógeno

W2: Peso de la muestra

En el análisis realizado ala materia prima de la primera prueba, se

obtuvieron los siguientes resultados:

Peso de la muestra W2 = 0,5006

Volumen de HCl = 50 mL

Normalidad del HCl = 0,1071

Volumen de NaOH gastado en la titulación = 46,3 mL

Normalidad del NaOH = 0,1025

W1 = (0,1071*50 – 0,1025*46,3) * 0,014

W1 = 8,5295 x 10-3 g.

%N = 8,5295 x 10-3 * 100 = 0,01704

0,5006

%N = 1,7



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F. CÁLCULO DE LA MATERIA PRIMA Y AGUA A CARGAR EN EL

BIORREACTOR

Cálculo del Peso Total de la mezcla en digestión:

PT = VT * dT

PT = 127,76 Lts. * 1,025 Kg/Lts.

PT = 130,95 Kg.

PT: Peso total de la mezcla en digestión (Kg)

VT: Volumen total de la mezcla en digestión (volumen total

trabajo – volumen total del lecho)

dT : Densidad de la mezcla en digestión. Para diluciones de 7 -

10 por ciento de sólidos totales se considera densidades de

1,025 Kg/Lts.

Calculo del Peso de Materia Prima y Peso de Agua a cargar:

Partiendo del siguiente concepto:

Peso seco de la Materia Prima a cargar = Peso seco de la mezcla en

digestión

PT * ST = PM * SM

PM = PT * ST

SM

PM = 130,95 * 8

35,12

PM = 29,83 Kg.

Cantidad de agua a cargar:

PT = PM + PA

PA = 130,95 -29,83

PA = 101,12 Kg. (101.12 litros)



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ST: Sólidos totales de la mezcla en digestión (Kg). Para el presente trabajo, se

considero 8 por ciento de sólidos totales; ya que la tecnología y el diseño

empleado trabajan con soluciones de bajas concertaciones (alta dilución) que va

en los rangos de 8 – 10 por ciento, considerando 8 por ciento para climas

cálidos y 10 por ciento para climas fríos o épocas de invierno. Dado que el

lugar presenta un clima calido se considero 8 por ciento de solidos totales.

SM: Sólidos totales de la materia prima. Mediante los análisis de la muestras del

estiércol de gallina se determino un porcentaje de sólidos totales de 35,12 por

ciento.

PA: Peso de agua a cargar (Kg).

PM: Peso de la materia prima a cargar (Kg).



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CAPITULO IX

9. ANEXOS



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facultad de ingenierÍa quimica química

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