ÍNDICE

Introducción………………………………………………………………………2

Antecedentes…………………………………………………………………….3

Justificación……………………………………………………………………...5

Alcance……………………………………………………………………………5

Objetivos………………………………………………………………………....6

General………………………………………………………………….......6

Específicos…………………………………………………………………..6

Flujograma………………………………………………………………………..7

Metodología……………………………………………………………………....8

Cronograma………………………………………………………………………10

Bibliografía………………………………………………………………………..11

Anexos……………………………………………………………………………….

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PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y FERTILIZANTE ORGÁNICO A PARTIR DE LOS DESECHOS DE FRUTA

INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas más graves que sufren nuestras ciudades es la generación y gestión inadecuada de los residuos sólidos. Generación es cuando se "hace" la basura y gestión es la forma en que se actúa una vez que ya ha sido generada. Cada una de estas dos grandes etapas involucra muchos otros factores que hacen que el daño para el ambiente y la población sea mayor o menor.

En el transcurso de estos tiempos, el uso de los combustibles fósiles ha incrementado significativamente la emisión de gases que generan el denominado efecto invernadero (Biogenicolombia, 2015). Por otra parte, millones de toneladas de desechos orgánicos biodegradables son generados cada año por diversos sectores, como los agropecuarios, municipales e industriales alrededor de todo el mundo, de los cuales un gran porcentaje son finalmente dispuestos en rellenos sanitarios. La digestión anaeróbica es un conjunto de procesos bioquímicos desarrollados en un ecosistema libre de oxígeno, mediante los cuales se logra la desintegración, transformación y estabilización de la materia orgánica biodegradable mediante la acción conjunta de varios grupos de microorganismos.

Como productos finales del desarrollo de este proceso se obtienen una mezcla gaseosa conocida como biogás, la cual está compuesta principalmente por gases como metano (C H 4) y dióxido de carbono (

CO2), además del biol fertilizante, el cual presenta gran cantidad de nutrientes propicios para la fertilización de terrenos cultivables. La digestión anaeróbica es un proceso sostenible que permite establecer una solución concreta a la problemática del manejo de los residuos orgánicos biodegradables y la generación de energía con un impacto ambiental mínimo (Argañaraz, 2008).

La digestión anaeróbica de los residuos agropecuarios provenientes de las explotaciones ganaderas representa una opción viable como fuente de energía, sin embargo la producción reducida de biogás a partir de estos residuos no justifica el costo de inversión de los sistemas de tratamiento. No obstante la productividad de biogás y metano puede ser incrementada drásticamente mediante la codigestión de los residuos ganaderos y los desechos que se generan durante la cosecha o procesamiento de los productos agrícolas, debido a la acción sinérgica que presentan el gran contenido de nutrientes disponibles para el desarrollo de las poblaciones microbianas responsables del proceso.

El aumento en el costo de los combustibles convencionales ha acentuado el interés en el desarrollo de nuevas fuentes de energía renovable. La utilización del metano contenido en el biogás puede llegar a reemplazar gradualmente los combustibles fósiles, debido a la rentabilidad especifica que genera la producción de este biocombustible y la característica de carbono neutro que presenta (Bridgewater, 2009). Debido a que la cantidad de metano generado y el porcentaje de reducción de la demanda química de oxígeno durante la digestión anaeróbica dependen de la eficiencia del proceso bioquímico, es necesario realizar la optimización operacional de las instalaciones destinadas al tratamiento de residuos orgánicos biodegradables.

Hace algunas décadas los estudios dedicados a establecer los parámetros óptimos de tratamiento y la evaluación de la influencia de algunas de las variables del proceso eran desarrollados a escala de planta piloto, lo cual requería una gran cantidad de energía y largos periodos de operación. A partir de la década de 1970 surgió la necesidad de utilizar modelos matemáticos para la predicción del comportamiento del tratamiento anaeróbico dentro del amplio rango de las condiciones de operación. Por tal razón se desarrollaron modelos sencillos compuestos por un número limitado de ecuaciones y aplicabilidad específica.

Estos primeros modelos desarrollaban la simulación de los procesos bioquímicos mediante la simplificación de las cinéticas de las reacciones bioquímicas y la composición de los sustratos complejos. La necesidad de predecir el comportamiento del sistema con una precisión confiable, motivo el desarrollo de modelos más sofisticados que permitieran representar el impacto de las condiciones transitorias sobre las especies químicas y biológicas.

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Como respuesta a la necesidad de un modelo genérico para la simulación del proceso anaeróbico, en el año 2002 se desarrolló por parte del grupo de trabajo sobre el moldeamiento matemático de la digestión anaeróbica perteneciente a IWA1, el modelo ADM-12. Este modelo fue desarrollado bajo la consideración de generar una base común para la generación de modelos subsecuentes y la capacidad de permitir la comparación de resultados entre diferentes estudios sobre sustratos similares (Rivera, Aranda, Espinosa,Robles, & Toledo, 2010). Las principales aplicaciones del modelo ADM-1, son la simulación de procesos en estado transitorio y el moldeamiento en las etapas de diseño, operación y optimización de plantas de tratamiento de diversos residuos orgánicos biodegradables.

ANTECEDENTES:

Al pasar los años, la población boliviana poco a poco va tomando conciencia de la necesidad de reutilizar los desechos producidos ya sea en el hogar, el trabajo, centros de abasto, industrias entre otros. En esta búsqueda de otorgar un valor agregado a los residuos; nace la idea de buscar un uso a los residuos de las plantas de procesamiento de productos agroindustriales.

La Naturaleza de la región de Cochabamba no es sólo valles, ya que cuenta también con llanos tropicales y ríos pertenecientes a la cuenca del Amazonas, además de dos zonas altiplánicas a más de 3.000 metros sobre el nivel del mar. Su variedad en microclimas le dotan gran versatilidad en su producción agrícola y permiten albergar variada flora y fauna. Hay que recalcar su importancia en el sector fructífero, siendo los más abundantes manzana, frutilla, durazno y chirimoya, de los valles; además de mango, banano y cítricos del trópico (Bolivia: Cuentos, s.f.).

Hay un gran consumo local, nacional e internacional de la fruta boliviana. Cada día, hay más microempresas procesadoras de alimentos que se crean y con esto se incrementan significativamente los desechos generados. Actualmente al desecho de las procesadoras de fruta no se le da ningún uso y su manejo es complicado, ya que debe ser recolectado frecuentemente para evitar la generación de olores y plagas. Encontrar una actividad industrial que haga de estos desechos una fuente de ingresos beneficia a las partes involucradas: productores y municipios encargados de la recolección y disposición final del desecho. Con desechos de frutas se puede producir, mediante el proceso de digestión anaerobia, biol fertilizante de muy bajo costo y de grandes propiedades, además de biogás, una fuente de energía.

La digestión anaerobia es el proceso en el cual microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno; siendo este proceso una forma de bioconversión. Este proceso tiene tres ventajas particulares: los desechos orgánicos son transformados en biogás cuyo principal componente es metano, se reduce la masa de desperdicio y el efluente del digestor, llamado biol, puede ser utilizado como fertilizante. La digestión anaerobia de la materia orgánica produce gases que representan del 5 al 10% del total de la materia, el cual puede ser utilizado como una fuente directa de energía. El resto se conserva en forma de lodo que tiene altos contenidos de nitrógeno, fósforo y potasio, materiales esenciales para el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, puede ser utilizado como fertilizante después de ser sometido a un proceso de estabilización.

El biol fertilizante es un valioso abono orgánico. Existen varias ventajas del uso del biol fertilizante frente al uso de fertilizantes químicos, entre ellas son que el lodo lleva los nutrientes en formas que no son biodisponibles inmediatamente (Colque, Rodríguez, Cahuana, Apaza, & Jacobsen, 2005). Esto quiere decir que los nutrientes se liberan en el tiempo mediante ciertos procesos naturales de descomposición de materia orgánica en los suelos. De esta forma la nutrición que recibirán las plantas será lenta y continúa. Además, se incrementa el contenido de humus en el suelo, mejorando la estructura y textura del terreno. Con esto se facilita la aireación, la formación de depósitos cambia, y la capacidad de retención e infiltración del agua mejora. El fertilizante orgánico permite el ahorro de compra de otros abonos convencionales sin disminución de la producción de los campos. Inclusive la producción se incrementa comparada con los suelos no abonados o abonados con fertilizantes químicos (Sección Tecnología, 2009).

1 IWA: Asociación Internacional del Agua, por sus siglas en inglés.

2 Modelo ADM-1: Modelo de Digestión Anaeróbica, por sus siglas en inglés.3

Los residuos de plantaciones, desechos bovinos, avícolas, porcinos y desechos de plantas procesadoras de alimentos son potenciales materiales productores de biogás. La composición del biogás puede variar entre un 55% - 70% deC H 4, 27% - 44% deCO2, 1% de H 2y H 2S, y un 3% de una mezcla de O2, CO y

NH 3.

Hernández J. (2010): Representación esquemática del ciclo sostenible de la digestión anaerobia de desechos de animales junto con otros residuos orgánicos.

El biogás se puede utilizar directamente como una fuente de energía térmica o eléctrica. Para utilizarlo como energía térmica el gas es transportado por mangueras hacia una estufa o caldero y el gas es combustionado para que exista contacto directo del fuego con el material a ser calentado. Si se desea utilizar el biogás como una fuente de energía eléctrica es posible utilizar el calor generado por la combustión del metano para generar vapor. Este vapor es transportado hacia una turbina donde se genera electricidad. Otra forma de producción de electricidad a partir de biogás requiere de la limpieza y purificación del biogás previo su uso. Es necesario remover gases corrosivos como el H 2S, la humedad y se debe mantener una composición constante de metano en la mezcla del biogás para que pueda ser inyectado directamente como combustible en un generador eléctrico. Este tipo de uso del biogás requiere mezclar el biogás con un combustible adicional como naftas refinadas para mejorar los rendimientos en la generación de electricidad. La utilización de biogás como un combustible de motor generador de electricidad presenta eficiencias del 30% de la capacidad total energética del biogás, el resto de la energía es disipada como calor (Karaj, Rehl, Leis, & Müller, 2010).

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CIEMAT (2009): Equivalencias de biogás con otras fuentes de energía.

JUSTIFICACIÓN

Incorporando a la dinámica del crecimiento poblacional, una de las consecuencias que trae consigo el proceso de globalización, en el que se incluyen todas las ciudades del planeta, es el de que a medida que se industrializan dichas sociedades se genera en forma proporcional la producción de basura, de todo tipo, desde orgánicos, inorgánicos hasta desechos tóxicos.

La población que habita en estas ciudades puede percibir con creciente malestar el incremento de los problemas relacionados con la forma con la que es tratada la basura, desde los insuficientes camiones recolectores, la falta de contenedores y basureros al paso, ya sea esta en plazas, mercados, colegios, etc.; hasta el no tratamiento de la misma. Todos estos hechos se traducen en una sola palabra, “problemas”, que están relacionados con insalubridad, enfermedades, pobreza, marginalidad, etc.

Aunque el problema de los residuos sólidos municipales ha sido identificado desde hace varias décadas atrás, especialmente en las áreas de Cochabamba, las soluciones parciales que hasta ahora se han logrado no soluciona nada, convirtiéndose en un tema político permanente que en la mayoría de los casos genera conflictos sociales.

Este proyecto pretende darle un uso a la basura orgánica, industrializándola, pero para un máximo rendimiento de la misma, solo abarcaría la industrialización de los desechos de fruta y estiércol, cuyos productos en nuestro departamento es abundante, ubicándolos en varios y diversos lados de la ciudad, por mencionar ejemplos claros: centros de abasto, industrias de frutas, granjas, entre otros.

El objetivo de industrializar los desechos orgánicos, es producir biogás y fertilizante liquido de muy bajo costo a través de la digestión anaeróbica. El biogás es una mezcla gaseosa que tiene aproximadamente 50% a 70% de metano y un 30% a 50% de dióxido de carbono, además de otros gases en pequeñas cantidades. Este es una alternativa de gas orgánico, generalmente en el ámbito doméstico, y tiene un valor energético de aproximadamente 19 a 22 MJ/m3 y no se estaría lejos al valor real del gas doméstico

que llega a 37 MJ/m3.

ALCANCE

Para alcanzar el objetivo fundamental de este proyecto, de generar biogás y biol orgánico, en vez de ir a buscar y seleccionar, aparte de clasificar en la basura ya acumulada en el botadero de K’ara K’ara, lo que

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se hará es evitar que se siga botando y desperdiciando desechos de fruta, provenientes de la microempresa “Bolivia-Vende”, una planta procesadora de alimentos instalada en Apote, El Paso, a 18 kilómetros al noroeste de Cochabamba.

Un factor muy importante a considerar, es la maquinaria que se usara para lograr todos los procesos que nos darán el producto deseado. Esencialmente y lo básico para llevar a cabo procesos de digestión, se puede diferenciar entre dos tipos de reactores. Un tipo de reactor es el que se utiliza para la siembra y cultivo de microorganismos y el otro tipo de reactor es el que se puede utilizar para llevar a cabo el proceso de digestión de producción continua. Estos reciben los nombres de “Batch” y “semi-continuo”, respectivamente, con ambos reactores se harán pruebas para que al final se pueda determinar cual tiene un mayor rendimiento. Paralelamente se llevaran a cabo pruebas para determinar la mezcla, es decir, desechos de fruta y estiércol, queden como resultado una mayor producción.

Obtenidos los parámetros operacionales en laboratorio, se procederá al diseño del proceso semi-industrial para el tratamiento de los mismos. Dicho proceso contemplará el tratamiento de una tonelada/día de desecho de fruta, el mismo que será capaz de producir 24 m3 de biogás y 3145 Kg de biol/día.

Aparte de llegar con nuestro producto a este lugar; para comenzar, el biogás producido en la planta será reutilizado en los mismos procesos y generara un ahorro del 6% en los costos energéticos. Este proyecto tiene un plazo de 10 años y haciendo nuestro análisis y cálculos se pretende llegar al punto de equilibrio al cabo de 3,3 años, dando como resultado un índice de ganancias de 6,7 años con un costo de 0,29 $U$ por kilogramo de biol.

OBJETIVO GENERAL

A través de la digestión anaeróbica de la mezcla homogeneizada que corresponde a la fracción de los residuos de frutas y estiércol de ganado bovino, en proporciones másicas específicas, el objetivo general es generar gas combustible con una alta capacidad calorífica para su utilización como fuente de energía renovable.

OBJETVOS ESPECÍFICOS

1. Con la obtención de los residuos orgánicos biodegradables, identificar cuales frutas son las más aptas para la producción del biogás caracterizando sus propiedades fisicoquímicas.

2. Llevando a cabo los ensayos de biodegradabilidad anaeróbica, desarrollar la instalación de equipos a escala de laboratorio.

3. Para el uso de los desechos de fruta y estiércol, diseñar una planta semi-industrial con la capacidad de tratar los desechos de frutas generados por la microempresa “Bolivia Vende” en su totalidad.

4. Con el fin de la maximización de la producción de biogás en reactores de operación discontinua y reactores Batch, determinar la mezcla más rentable de fruta con estiércol.

5. Bajo operación semi-continua, obtener las condiciones de operación de mayor capacidad que permita la máxima degradación de la materia orgánica.

6. Para el no desperdicio el biogás procesado, establecer el tipo de quemador ideal que garantiza un mayor rendimiento.

7. Una vez ya con el producto deseado, elaborar estrategias para promocionarlo dentro del mercado, como un sustituto al gas natural otorgado por las empresas petrolíferas del estado.

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FLUJOGRAMA

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓNFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

LIC. EN INGENIERÍA QUÍMICA

PELAÉZ MARTÍNEZ MARÍA JOSÉ

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METODOLOGÍA (© SNV, 2011)

1. Identificación1.1.Definición de variables

1.1.1. Análisis de la demanda química de oxigeno1.1.1.1. Calentando una muestra de volumen1.1.1.2. Oxidación de la materia orgánica1.1.1.3. Introducción del catalizador 1.1.1.4. Titulación del dicromato restante1.1.1.5. Adición de sulfato de mercurio

1.1.2. Medición del pH1.1.2.1. Utilización de indicadores acido-base1.1.2.2. Utilización de potenciómetro

1.1.3. Determinación de la temperatura1.1.3.1. Menor a 28°C1.1.3.2. Entre 28 a 42°C1.1.3.3. Mayor a 42°C

1.2.Reconocimiento de las bacterias a usar según su función1.2.1. Para la acetogénesis

1.2.1.1. Conversión de productos en ácidos grasos y dióxido de carbono1.2.2. En la metanogénesis

1.2.2.1. Utilización del ion acetato e hidrogeno 1.2.2.2. Formación del metano y dióxido de carbono1.2.2.3. Medición del tiempo de producción

1.2.3. Reducción de sulfatos a sulfuros1.3.Selección de la materia prima

1.3.1. Alta disponibilidad 1.3.2. Evaluación de sus propiedades fisicoquímicas

1.3.2.1. Bajo contenido de fibra1.3.2.2. Determinación de sus niveles de acidez

2. Experimentación 2.1.Reactores Batch

2.1.1. Selección de los desechos de fruta apropiados para producir biogás2.1.2. Variación del porcentaje de desecho de fruta (DF) con estiércol (E)

2.1.2.1. 50% de (DF) con 50% de (E)2.1.2.2. 60% de (DF) con 40% de (E)2.1.2.3. 70% de (DF) con 30% de (E)2.1.2.4. 80% de (DF) con 20% de (E)2.1.2.5. 90% de (DF) con 10% de (E)2.1.2.6. 100% de (DF) con 00% de (E)

2.2.Reactores semi-continuos2.2.1. Experimentación con distintos tipos de mezclas de desechos de fruta

2.2.1.1. Experimentación de distintas mezclas de frutas en relaciones constantes de desecho de fruta con estiércol

2.2.1.2. Experimentación de distintas relaciones de desecho de fruta con estiércol con mezclas constantes de desechos de fruta

3. Preparación3.1.Estudio de pre factibilidad técnica y económica

3.1.1. Investigación de los factores que pueden afectar el proyecto.3.1.1.1. Estudio del mercado 3.1.1.2. Estudio de la población3.1.1.3. Estudio de la competencia

3.1.2. Disponibilidad de materia prima y su calidad3.1.2.1. Directo: Industrias que trabajen con fruta

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3.1.2.2. Indirecto: selección de la basura en general3.1.3. Requerimientos de inversión

3.1.3.1. Recursos materiales3.1.3.2. Recursos humanos

3.2.Licenciamiento ambiental3.2.1. Presentación de los respectivos documentos

4. Construcción4.1.Pre- construcción

4.1.1. Elaboración de diseños preliminares4.1.1.1. Descripción de la superficie del terreno (topografía)4.1.1.2. Aplicación de la geotecnia4.1.1.3. Aplicación de los estudios de hidrología

4.1.2. Procesos de cotización 4.1.2.1. Compras de materiales y equipos

4.1.3. Localización de la mano de obra4.1.3.1. Lanzamiento de la convocatoria

4.2.Ajustes4.2.1. Identificación y preparación del terreno

4.2.1.1. Realización de ajustes a los diseños preliminares4.3.Ensamblaje

4.3.1. Unión y armado de partes y equipos diseñados en módulos4.3.1.1. Realización de pruebas de validación

5. Operación 5.1.Capacitación

5.1.1. Elaboración de manuales de operación, seguridad industrial5.1.1.1. Dirigido al personal de la empresa

5.1.2. Proceso de capacitación 5.1.2.1. A través de practicas 5.1.2.2. Siguiendo las instrucciones especiales sobre el uso de cada equipo5.1.2.3. Análisis de riesgos

5.2.Sondeo de marcado5.2.1. Investigar compradores

5.2.1.1. Identificación a los que se encuentran cerca de la planta5.2.2. Identificar la calidad (grado de pureza)

5.2.2.1. Identificación de los requisitos del biogás que necesitan compradores 5.2.3. Demanda del mercado

5.2.3.1. Procedimientos de venta que podrían ser utilizados5.2.4. Forma de distribución

5.2.4.1. Empleo del transporte terrestre 5.3.Modelo de negocios

5.3.1. Determinación de estrategias de aprovechamiento de la producción5.3.1.1. Generación de ahorros energéticos

5.3.2. Oportunidad de sustitución de nuestro producto por el gas natural licuado

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DIAGRAMA DE GANNT (Estupiñan, 2006),(Project 2013 Standard, s.f.)

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BIBLIOGRAFÍA

© SNV. (Febrero de 2011). Modelo integral de producción de bioetanol, biogás y biofertilizantes a partir de los desechos del beneficiado del café. Obtenido de http://www.snvworld.org/download/publications/modelo_integral_de_produccion_de_bioetanol.pdf.

Argañaraz, N. (17 de Febrero de 2008). La basura, un problema mundial. La Nación, pág. 14.

Biogenicolombia. (20 de Febrero de 2015). Incrementos de CO2 en el ambiente y sus posibles efectos. El Tiempo, pág. 16.

Bolivia: Cuentos, C. H. (s.f.). Flora de Cochabamba. Obtenido de http://ibolivia.net/content/flora-de-cochabamba

Bridgewater, A. (2009). Energias alternativas Handbook (1º ed.). Madrid: Paraninfo.

Colque, T., Rodríguez, D., Cahuana, A., Apaza, V., & Jacobsen, S. (2005). Guía técnica, Estación experimental. Obtenido de Producción de biol, abono líquido natural y ecológico: http://www.proinpa.org/tic/pdf/Bioinsumos/Biol/pdf59.pdf

Estupiñan, M. C. (2006). Cómo elaborar trabajos de grado. Bogota D.C.: Ecoe.

Karaj, S., Rehl, T., Leis, H., & Müller, J. (2010). Renewable and Sustainable Energy Reviews. Repec.

Project 2013 Standard. (s.f.). Tareas básicas en Project 2013. Obtenido de https://support.office.com/es-hn/article/Tareas-b%C3%A1sicas-en-Project-2013-8fdbf020-a9e1-45e4-bf15-23a8d2b6797d?ui=es-ES&rs=es-HN&ad=HN

Rivera, V., Aranda, J., Espinosa, T., Robles, F., & Toledo, U. (15 de Enero de 2010). El Modelo de digestión Anaeróbica IWA-ADM1: Una revisión de su evolución. Recuperado el 20 de Abril de 2015, de http://www.chapingo.mx/revistas/phpscript/download.php?file=completo&id=MTIyNQ==.

Sección Tecnología. (22 de Noviembre de 2009). La Biomasa, Una fuente poco explotada. El Diario, págs. 11-12.

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