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EXTENSIN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ENERGA & MECNICA
CARRERA DE INGENIERA AUTOMOTRIZ OPTATIVA AUTOMOTRIZ II
Proyecto Final
Creacin, obtencin y aplicacin del biogs
agroindustrial.
Nivel: 7 mo
Fecha: Viernes 27 de Febrero del 2015
Integrantes:
Garzn Stalin
Gonzales Cristian
Herrera Cesar
Pasquel Stalin
Robayo Flavio
Villareal Santiago
Latacunga-Ecuador
Periodo: Octubre-Febrero
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CPITULO I - Dimensiones del proyecto
I.1 Escenario del desarrollo de proyecto
Macal alto, regin Cotopaxi , Ecuador
1.2 Descripcin del problema a investigar:
Los residuos biodegradables, tales como los alimentos, aguas residuales y
desechos agroindustriales desaparecen de forma natural gracias al oxgeno o al
aire libre, a causa de la descomposicin causada por los microorganismos. Si no
se controla la eliminacin de residuos biodegradables, puede causar varios
problemas, entre ellos la liberacin generalizada de gases de efecto invernadero
que afectan la salud por el fortalecimiento de los agentes patgenos humanos.
CPITULO II - Tema del proyecto:
Creacin, obtencin y aplicacin del biogs agroindustrial.
2.1 Objetivo principal:
Desarrollar sistemas sostenibles de produccin de biogs y la aplicacin en
entornos agroindustriales, as como la demostracin de su viabilidad y factibilidad
en este campo de aplicacin y la motivacin de su industrializacin.
2.2 Objetivo especfico.
1.- Cuantificar la cantidad y disponibilidad de materias primas, principalmente
residuos orgnicos y su potencial produccin de biogs y la sostenibilidad de su
utilizacin.
2.- Desarrollar nuevas tcnicas para obtencin de Biogs a base de residuos
orgnicos y residuos agroindustriales.
3.- Facilitar el desarrollo y consolidacin del BIOGS AGROINDUSTRIAL como
energa renovable en Latacunga como una contribucin cientfica y tcnica por
parte de los estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-
LATACUNGA.
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4.- Evaluar el uso del BIOGS agroindustrial como combustible para una
trituradora de hierva con motor de combustin interna.
CPITULO 3 - Marco Terico
Qu es el Biogs?
El biogs es un gas que es producido como resultado de ciertos tipos de
fermentacin anaerbica o gasificacin. En muchos pases del mundo ya se est
usando el biogs como fuente de energa limpia. India y China han invertido fuerte
en tecnologas de biogs como fuente de combustible para sus ciudadanos.
Existen interesantes aplicaciones para este gas, interesante para las personas
que estn interesadas en energas sustentables y el cambio climtico.
La base para el biogs es el material orgnico como desperdicio de comida o
excremento que son almacenados en un rea anaerbica, que pueden ser desde
un tanque que no est ventilado hasta un dispositivo especial para producir y
aprovechar el biogs.
Figura.1.1 proceso de obtencin del biogs.
Fuente: http://el-biodigestor.blogspot.com/2010/05/blog-post.html
Estas condiciones atraen bacterias anaerbicas, que empiezan a comer el
material orgnico, produciendo metano y dixido de carbono como bio-producto.
El metano es el biogs ms usado, pero tambin existen otros tipos como los de
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hidrgeno, nitrgeno y monxido de carbono que pueden ser obtenidos mediante
la gasificacin de la biomasa, como la madera.
Figura.1.2 proceso de obtencin de la BIOMASA.
Fuente:
http://www.aulatecnologia.com/BACHILLERATO/1_bg/APUNTES/ALTERNATIVAS/biomasa/energiabiom
asa.htm
PROCESOS DE CONVERSIN DE LA BIOMASA EN ENERGA
Existen diferentes mtodos que transforman la biomasa en energa aprovechable,
expondremos los dos mtodos ms utilizados en este momento, los
termoqumicos y los biolgicos.
Mtodos termoqumicos.
Estos mtodos se basan en la utilizacin del calor como fuente de transformacin
de la biomasa. Estn muy desarrollados para la biomasa seca, sobre todo para la
paja y la madera y los excrementos de los animales secos.
Los gases producidos por la fermentacin anaerbica o la gasificacin con
combustibles (es decir se pueden quemar) y tienen un fuerte olor que nos permite
distinguirlos en casos de fuga. Las fugas de metano en los tiraderos son una
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problema, por lo que los incendios y explosiones en comunes en lugares que no
son controlados de la debida manera.
1. Qu es un biodigestor?
Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestin anaerobia
(en ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estircol,
para transformar este en biogs y fertilizante. El biogs puede ser
empleado como combustible en las cocinas, o iluminacin, y en grandes
instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere
electricidad. El fertilizante, llamado bil, inicialmente se ha considerado un
producto secundario, pero actualmente se est considerando de la misma
importancia, o mayor, que el biogs ya que provee a las familias
campesinas de un fertilizante natural que mejora fuertemente el
rendimiento de las cosechas.
Una gran ventaja del biogs es que puede ser producido de manera local para su
utilizacin. En muchas granjas utilizan el excremento de los animales para llenar
los aparatos que producen el biogs (los biodigestores) y pueden usar este biogs
generado en una estufa, para calentar el agua etc, es decir se usa como el gas
natural o de tanque que llega a nuestras casas; el beneficio, que se produce de
manera local, no contamina, es renovable y fuera de la primera inversin para la
instalacin podemos tener biogs gratuito de por vida.
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Figura.1.3 Biodigestor.
Fuente: Macal alto
En principio el biogs puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseado
para uso con gas natural.
El biogs se produce cuando basura orgnica o estircol se descomponen
en un ambiente en el que no hay oxgeno. Por ejemplo, cuando la basura
es enterrada o cuando el estircol se almacena en un lugar cerrado y
aislado del aire.
Figura.1.4 Biodigestor y material de descomposicin.
Fuente: Macal alto
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Lo que se produce entonces es un gas que est compuesto
aproximadamente de un 50% de metano, un 50% de bixido de carbono y
una parte mnima de otros gases. De esta mezcla, el metano es el
combustible y es al que se le llama biogs.
Tabla 3.1: Cantidad especfica de excrementos
Con este gas se produce electricidad o energa mecnica, quemndolo
para hacer operar con l algn tipo de generador elctrico o motor de
combustin interna. Esta energa puede cubrir las necesidades de la unidad
ganadera, venderse a la empresa elctrica o emplearse para satisfacer las
necesidades de energa elctrica o mecnica para los agroindustriales.
Figura 1. 4: Maquinaria donde se puede aplicar el biogas
Fuente: Macal alto
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Combustin
Es la oxidacin de la biomasa por el oxgeno del aire, en esta reaccin se libera
agua y gas carbnico, y puede ser utilizado para la calefaccin domstica y para
la produccin de calor industrial.
Principios de la combustin
El biogs mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de
artefactos descomponindose principalmente en CO2 y H2O. La combustin
completa sin el exceso de aire y con oxgeno puro, puede ser representada por
las siguientes ecuaciones qumicas:
CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O
H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O
CO2 CO2
El requerimiento de aire mnimo sera del 21% pero esta cifra debe ser aumentada
para lograr una buena combustin.
La relacin aire-gas puede ser ajustada aumentando la presin del aire,
incrementando la apertura de la vlvula dosificadora de gas (el biogs requiere de
una apertura 2 a 3 veces mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la
geometra del paso de aire desde el exterior).
Debido al contenido de dixido de carbono, el biogs tiene una velocidad de
propagacin de la llama lenta, 43 cm/seg y por lo tanto la llama tiende a escaparse
de los quemadores.
La presin para un correcto uso del gas oscila entre los 7 y los 20 mbar. Se debe
tener especial cuidado en este aspecto debido a que se debern calcular las
prdidas de presin de salida del gasmetro (adicionndole contrapesos en el
caso de gasmetros flotantes).
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Diferentes aplicaciones del biogs
En el cuadro se han listado los principales artefactos que utilizan biogs
juntamente a su consumo medio y su eficiencia.
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60
Lmpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50
Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30
Motor a gas 0,5 m 3 /kWh o Hph 25 - 30
quemador de 10 kW 2 m 3 /h 80 - 90
Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99
Co generador 1 kW elect.
0,5 m/kwh
2kW trmica
hasta 90
Las cocinas y calentadores son fcilmente modificables, agrandando el paso del
gas de los quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace
promisoria e interesante su utilizacin a gran escala.
Las lmparas a gas tienen una muy baja eficiencia y el ambiente donde se las
utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el calor que generan.
Las heladeras domsticas constituyen un interesante campo de aplicacin directo
del biogs debido a que tienen un consumo parejo y distribuido a lo largo de las
24 horas del da lo cual minimiza la necesidad de almacenaje del gas. Estos
equipos funcionan bajo el principio de la absorcin (generalmente de ciclo
amonaco refrigerante - agua absorbente). Recientemente se han desarrollado
equipos para el enfriamiento de leche y/u otros productos agrcolas lo que abre un
importante campo de aplicacin directa y rentable del mismo.
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Los quemadores infrarrojos comnmente utilizados en la calefaccin de ambientes
(especialmente en criadores y parideras) presentan como ventaja su alta eficiencia
lo cual minimiza el consumo de gas para un determinado requerimiento trmico.
CARACTERISTICAS DEL BIOGAS
El biogs producido en digestores, es una mezcla de varios gases, entre los cuales
predomina el metano (CH41 l El metano puro es un gas incoloro e inodoro, que
generalmente constituye un 60 a 70 por ciento del total del gas producido en el
proceso anaerbico. Los otros componentes ms importantes son el bixido de
carbono (CO21, aproximadamente 30 por ciento, y concentraciones menores de
otros gases, tales como sulfuro de hidrgeno e hidrgeno. El biogs, se quema
con una llama azul y posee un alto poder calorfico de, aproximadamente
4650 a 6000 Kcal/m3; cuando el contenido de CH4 est alrededor de 60 a 70%.
El biogs puede ser utilizado en motores de combustin interna tanto a gasolina
como disel. El gas obtenido por fermentacin tiene un octanaje que oscila entre
100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relacin
volumtrica de compresin, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de
encendido.
En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un
mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen
funcionando con un 100% de biogs con una merma del la potencia mxima del
20% al 30%.
A los motores de Ciclo Disel se les agrega un mezclador de gases con un sistema
de control manteniendo el sistema de inyeccin convencional. De esta manera
estos motores pueden funcionar con distintas proporciones de biogs disel y
pueden convertirse fcil y rpidamente de un combustible a otro lo cual los hace
muy confiables. El gasoil no puede ser reemplazado en los motores funcionando
a campo del 85% al 90%, debido a que la autonoma conseguida menor
comparada con la original.
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La proporcin de H 2 S en el biogs causa deterioros en las vlvulas de admisin
y de escape de determinados motores obligando a un cambio ms frecuente de
los aceites lubricantes. El grado de deterioro en los motores vara
considerablemente y los resultados obtenidos experimentalmente suelen ser
contradictorios.
Los motores a biogs tienen amplio espectro de aplicacin siendo los ms usuales
el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeadoras en
el rea rural. El otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores
de electricidad.
Un prrafo aparte merecen los sistemas de cogeneracin. Dichos sistemas
buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energa contenida en el
biogs.
En estos casos la potencia mecnica provista por el eje del motor es aprovechada
para generar electricidad a travs d un generador. Simultneamente y por medio
de una serie de intercambiadores de calor ubicados en los sistemas de
refrigeracin (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se
recupera la energa trmica liberada en la combustin interna. De este modo se
logra un mejor aprovechamiento de la energa.
La difusin de estos sistemas estar condicionada por la rentabilidad final. Sin
embargo representa la utilizacin ms racional del biogs ya que se obtiene una
forma de energa extremadamente dctil como la electricidad al mismo tiempo que
una fuente de calor muy necesaria para la calefaccin de digestores en zonas
fras.
El uso vehicular del biogs es posible y en la realidad se ha empleado desde hace
bastante tiempo. Sin embargo su difusin est limitada por una serie de
problemas:
A fin de permitir una autonoma razonable el gas por su volumen debe ser
almacenado en contenedores cilndricos de alta presin ( 200 a 300 bar.);
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este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado
antes de su compresin.
La conversin de los motores es cara (instalacin similar a la del GNC) y
el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehculos.
Por ltimo la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energa
involucrada en la compresin a gran escala de este tipo de uso.
Uso del Biogs en un generador de combustion interna
Figura 1. 5: Compresor donde se aplic el biogas
Fuente: Macal alto
Figura 1. 6: Circuito por donde fluir el biogas
Fuente: Macal alto
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La generacin de energa elctrica a partir de uso del biogs en motores de
combustin interna ha sido el tema central de varios proyectos desarrollados en
la Universidad de las Fuerzas Armadas (ESPE-L) y, finalmente, se ha desarrollado
una alternativa viable para la generacin de energa elctrica en lugares carentes
de sta.
Como es conocido, el biogs es una mezcla de gases provenientes de la
descomposicin de materia orgnica realizada por accin bacteriana en
condiciones anaerbicas (en ausencia de oxgeno). Este proceso puede ocurrir en
forma natural, como en los pantanos, rellenos sanitarios, etc., o en un ambiente
controlado, como en los biodigestores.
En el desarrollo del proyecto se logr implementar un sistema que permite un fcil
arranque del motor y una alimentacin confiable y segura de biogs, lo cual
permiti hacer funcionar de manera adecuada el motor estacionario (a gasolina)
Honda GX-240 (relacin de compresin: 8/1; cilindrada: 242 cm3; dimetro x
carrera: 73x58mm; potencia mxima: 5,97 kW @ 3600 rp.m.) con un combustible
no especificado por el fabricante, esto es muy importante ya que con esto se
vislumbra la posibilidad de electrificacin de muchas comunidades rurales y
urbano marginales que no tengan acceso a la energa elctrica.
La implementacin del sistema de alimentacin de biogs no requiere de ninguna
modificacin en el sistema de alimentacin de gasolina ni en el regulador de
velocidad del motor utilizado.
La potencia mxima desarrollada por el motor con biogs es 4,25 kW, la cual es
aproximadamente 29% menor que la potencia nominal del motor (5,97 kW)
trabajando con gasolina.
Los resultados de las pruebas con biogs arrojaron un consumo especfico de
aproximadamente 0,650,70 m3/(kW.h) a plena carga.
El motor trabaj de manera estable en ralent, pese a no contar con un sistema
de alimentacin de biogs para bajas cargas.
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Las emisiones txicas de los gases de escape son notoriamente menores
utilizando el biogs como combustible, lo cual es muy importante desde el punto
de vista ecolgico.
USO DEL BIOGS COMO COMBUSTIBLE
Uso en la propia instalacin generadora ("On-site").
Motores de combustin interna (ciclo OTTO):
Produccin de electricidad (autoconsumo/ export). Rendimiento
Hasta 41%.
Aprovechamiento de la energa trmica de refrigeracin del motor
y/o gases de escape.
Tratamiento de los gases de combustin para adecuarse a la
Normativa de emisiones.
Amplsimo rango de potencias disponibles, 50 kWe hasta >2,5 MWe.
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CAPTULO IV - METODOLOGA.
4.1 Diseo de la investigacin.
La parte experimental para desarrollar el proyecto se llev a cabo en la
ciudadela de Macalo Alto en donde se produjo el biogs.
Los experimentos realizados sirvieron para establecer los parmetros que
influyen directamente en la produccin del biogas.
4.2. Modalidad de la Investigacin
Antes de efectuar el proyecto, se investig a fondo acerca del biogas, los procesos
que conllevan, elementos qumicos, materiales y equipos que son necesarios, los
mtodos, inductivo, deductivo y experimental son de fundamental ayuda para el
desarrollo del proyecto.
4.2.1. Inductivo
Para conocer los parmetros especficos (temperatura, agitacin y concentracin)
que influyen en la elaboracin de biogs y determinar el volumen de biogs
obtenido de dicha mezcla.
OBTENCIN DEL BIOGAS
M. Inductivo
Parametros del biogas
M.deductivo
Anlisis del biogas obtenido
Tcnicas
Informacin para sustenta la
investigacin
DISEO EXPERIMENTAL
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La agitacin es necesaria en el momento de la mezcla ya que debe ser una mezcla
proporcional.
4.2.1 Deductivo
En diferentes casos de produccin de biogs se analizado que es muy importante
el uso ya que se disminuye el dixido de carbono y se logra contaminar en menos
cantidad al ambiente.
Estos avances guiaron al desarrollo del presente proyecto para conocer las
cantidades de sustancias a usar y resolver problemas que se presentaron en el
transcurso de la investigacin.
4.3. Metodologa
La metodologa de nuestro proyecto es experimental; se raliz las diferentes
pruebas de anlisis para poder lograr el biogs.
Se establecieron las proporciones de las sustancias con respecto a la cantidad de
estircol de vaca mediante clculos estequiomtricos.
Tabla 3.1 Proporciones establecidas de los elementos para la obtencin de
biogas
PRODUCTOS Cantidad de sustancia
Estircol vacuno 30% del deposito
Suero de leche 30 lt
Agua de rio 30 lt
Fuente: Grupo de investigacin
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3.1.1 Obtencin del Biogs
Recoger estircol vacuno en recipiente y colocar en el tanque de
alamacenamiento.
Ilustracin 1: Colocando del estircol vacuno en el tanque de almacenamiento
Fuente: Grupo de investigacin
Ilustracin 2: Mezcla proporcional del suero con el agua de ro
Fuente: Grupo de investigacin
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Tanque de almacenamiento lleno de estircol vacuno y la mezcla de
suero con agua de ro.
Ilustracin 3 Tanque de almacenamiento con la mezcla.
Fuente: Grupo de investigacin
Revisar que el tanque de almacenamiento est bien sellado, que
disponga de una vlvula para poder extraer el biogs
Tanque de almacenamiento con la mezcla, listo para producir biogs
Ilustracin 4 Inicio de la primera etapa
Fuente: Grupo de investigacin
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Generando el biogs se puede notar que el tanque de
almacenamiento se ha inflado, podemos decir que dispone de gas
en su interior
Ilustracin 1 Tanque de almacenamiento
Fuente: Grupo de investigacin
CAPTULO V MARCO ADMINISTRATIVO
Para el desarrollo del proyecto se utilizaron varios recursos que permitieron la
investigacin, construccin e implementacin del prototipo. Estos recursos son:
5.1. Recursos humanos
La parte investigativa y experimental para el proyecto de produccin de biogs con
el asesoramiento del ingeniero Lenidas Quiroz tutor de Optativa II.
Tabla 5.1. Recursos humanos
GRUPO DE INVESTIGACIN
Garzn Stalin
Gonzales Cristian
Herrera Cesar
Pasquel Stalin
Robayo Flavio
Villareal Santiago
Fuente: Grupo de investigacin
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4.2. Recursos tecnolgicos
Comprende todo el equipo y herramientas que se utilizaron en las diferentes
etapas de desarrollo del proyecto en la tabla 5.2 se detallan estos recursos.
Tabla 5.2. Recursos tecnolgicos
INVESTIGACIN
HERRAMIENTAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIN
Internet
Computadoras
Libros
HERRAMIENTAS
EQUIPO PARA LA PARTE EXPERIMENTAL
Recipiente
Vlvula check
Maquinaria agrcola
Tanque de almacenamiento
Fuente: Grupo de investigacin
Ventajas
La utilizacin del biogs con fines energticos tiene las siguientes ventajas
medioambientales:
Disminucin de las emisiones de CO2
Aunque para el aprovechamiento energtico de esta fuente renovable
tengamos que proceder a una combustin, y el resultado de la misma sea
agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se
puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas
durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este
gas a la atmsfera.
No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partculas
slidas.
Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce
en un reciclaje y disminucin de residuos. Canaliza, por tanto, los
excedentes agrcolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las
tierras de retirada.
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Los cultivos energticos sustituirn a cultivos excedentarios en el mercado
de alimentos. Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrcola.
Permite la introduccin de cultivos de gran valor rotacional frente a
monocultivos cerealistas.
Puede provocar un aumento econmico en el medio rural.
Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.
En la actualidad la tecnologa aplicada a la biomasa est sufriendo un gran
desarrollo.
La investigacin se est centrando en los siguientes puntos:
1. En el aumento del rendimiento energtico de este recurso
2. En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos
aprovechados y de las propias aplicaciones
3. En aumentar la competitividad en el mercado de los productos
4. En posibilitar nuevas aplicaciones de gran inters como los
biocombustibles
Desventajas
Menor rendimiento energtico de los combustibles derivados de la
biomasa en comparacin con los combustibles fsiles.
Produccin estacional.
La materia prima es de baja densidad energtica lo que quiere decir que
ocupa mucho volumen y por lo tanto puede tener problemas de transporte
y almacenamiento.
Necesidad de acondicionamiento o transformacin para su utilizacin.
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CONCLUSIONES:
Se verific que realizando la mezcla adecuada se pudo producir biogs, mediante
la utilizacin de estircol de vaca, el cual es capaz de sustituir al combustible.
Este modelo de energa alternativa productor de biogs a base de estircol, ofrece
beneficios adicionales porque contina con el ciclo de reutilizacin total de la
materia inicial.
Se analiz y se pudo verificar que hubo disminucin de dixido de carbono CO2.
RECOMENDACIONES
Por seguridad revisar todos los componentes antes de poner en marcha el digestor
que se estar manipulando.
Revisar diariamente el tanque, de lo contrario se puede observar anomalas en el
recipiente.
Verificar que no existan fugas del recipiente, de lo contrario no se lograr obtener
el biogs.
Bibliografa:
1.- http://www.probiogas.es/SP00.PDF
2.- http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20922/Objetivos.pdf
3.http://www.aulatecnologia.com/BACHILLERATO/1_bg/APUNTES/ALTERN
ATIVAS/biomasa/energiabiomasa.htm
4.- http://es.wikipedia.org/wiki/Basura
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ANEXOS: