Tesis / 0028 / I.AG.

EVALUACIÓN DE LAS VARIABLES QUE INFLUENCIAN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS MEDIANTE LA INCLUSIÓN DE RESIDUOS BOVINOS A LA ALTURA DE 2600 MSNM.

JOSE NICOLAS COGUA AGUILERA JUAN SEBASTIAN GIRALDO RIVAS

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA (UNIAGRARIA) FACULTAD INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL BOGOTÁ D.C 2016

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EVALUACIÓN DE LAS VARIABLES QUE INFLUENCIAN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS MEDIANTE LA INCLUSIÓN DE RESIDUOS BOVINOS A LA ALTURA DE 2600 MSNM.

JOSE NICOLAS COGUA AGUILERA JUAN SEBASTIAN GIRALDO RIVAS

PROYECTO DE GRADO

M.Sc. YUDTANDULY ACUÑA MONSALVE DIRECTORA

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA (UNIAGRARIA) FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL BOGOTÁ D.C 2016

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NOTA DE ACEPTACIร N

PRESIDENTE DEL JURADO

JURADO

JURADO

Bogotรก D.C., 7 de octubre del 2016

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DEDICATORIA A dios por darme vida y mucha salud, guiarme e iluminarme y hacer posible el cumplimiento de una de mis tantas metas.

A mis padres, agradezco por todo su amor, confianza y cariño. Por su apoyo incondicional en todo mi proceso de formación académica, por trabajar duro y preocuparse porque nada me faltara.

A mi hermano que de una u otra manera siempre me apoyo y me ayudo en lo que estaba a su alcance.

A mis compañeros por su apoyo, en especial a Viviana Rodríguez y Jeinsleny Martínez que siempre me colaboraron y me impulsaron a seguir adelante.

A mis profesores por brindarme todos sus conocimientos y ayudar a mi formación.

José Nicolás Cogua Aguilera Dedico este logro a Dios por darme salud, ysabiduría, para poder llevar a cabo este proceso y concluir mis objetivos y metas.

A mi familia, por apoyarme y guiarme, por su alentadoras palabras cada vez que sentía complicaciones a lo largo de este camino, a mis padres que se preocuparon por mi bienestar y lucharon por que yo llegara a este momento, a mis hermanos quienes siempre me ayudaron incondicionalmente.

A mis profesores y al programa por su apoyo en el proceso de un buen aprendizaje y un acompañamiento constante.

A mis compañeros, a Viviana Rodríguez y Jeinsleny Martínez que estuvieron a mi alrededor alentándome y apoyándome para nunca desistir y generar confort a lo largo de este proceso.

Juan Sebastian Giraldo Rivas

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AGRADECIMIENTOS A nuestros padres por su sacrificio y apoyo incondicional para desarrollar y cumplir nuestros objetivos y metas.

A la ingeniera Yudtanduly AcuĂąa Monsalve por su conocimiento y apoyo durante el desarrollo del trabajo de grado. A los profesores de la facultad de ingenierĂ­a agroindustrial por compartir sus conocimientos y ayudarnos en nuestra formaciĂłn, de todos y cada uno ellos aprendimos algo.

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CONTENIDO 1. DEFINICION DEL PROBLEMA................................................................................... 19 2. JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 21 3. OBJETIVOS ................................................................................................................ 24 3.1.

OBJETIVO GENERAL ......................................................................................... 24

3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................ 24

4. MARCO REFERENCIAL ............................................................................................. 25 4.1 BIODIGESTOR ......................................................................................................... 25 4.1.1

Clasificación .................................................................................................. 26

4.1.2. Sistema Batch o discontinuo ............................................................................. 26 4.1.3.Sistemas semicontinuos .................................................................................... 26 4.1.4. Sistemas continuos ........................................................................................... 26 4.2

BIOGÁS ............................................................................................................... 27

4.2.1

Volumen gaseoso ......................................................................................... 27

4.2.2

Biodigestión .................................................................................................. 27

4.2.3

Etapas del proceso de anaerobiosis ............................................................. 28

4.3

PARAMETROS DE OPRECION DEL SISTEMA ................................................. 28

4.3.1

Temperatura para la operación del Biodigestor ............................................ 28

4.3.2. Tiempo de retención ......................................................................................... 29 4.3.3. Relación Carbono-Hidrógeno ............................................................................ 30 4.3.4. Valores de pH ................................................................................................... 30 5. SISTEMA DE SEGUIMIENTO Y MONITOREO DE LA TEMPERATURA EN EL BIODIGESTOR .................................................................................................................. 31 5.1.Seguimiento de la temperatura ................................................................................. 31 5.1.1. Sensor de temperatura LM35............................................................................ 31 5.1.2. Protoboard ........................................................................................................ 32 5.1.3. Arduino Uno ...................................................................................................... 33 5.1.4. Cable UTP ......................................................................................................... 33 6. METODOLOGÍA PROPUESTA .................................................................................. 35 6.1. MATERIALESBIODIGESTORES PILOTO: ............................................................. 35 6.2. MATERIALES BIODIGESTOR A ESCALA DE 6 m3:.............................................. 35

6

6.3. BIODIGESTORES PILOTO ..................................................................................... 37 6.3.1. Ubicación .......................................................................................................... 37 6.3.2. Excavación de la zanja ..................................................................................... 37 6.3.3. Construcción biodigestores pilotos ................................................................... 39 6.3.4. Salida del biogás ............................................................................................... 40 6.3.5. Ubicación agitadores ......................................................................................... 41 6.3.6. Amarre de tubo de entrada y salida .................................................................. 41 6.3.7. Materia prima .................................................................................................... 42 6.3.8. Válvula de seguridad ......................................................................................... 43 6.3.9. Biodigestores pilotos instalados ........................................................................ 44 6.3.10. Reservorio de gas ........................................................................................... 45 6.3.11. Construcción de los reservorios ...................................................................... 46 6.3.12. Instalación de la tubería que conduce el biogás al reservorio y quemadores. 46 6.3.13. Medición de las variables del proceso ............................................................ 46 6.3.14. Toma de datos ................................................................................................ 47 6.4. BIODIGESTOR A ESCALA DE 6 M3. ...................................................................... 48 6.4.1. Acondicionamiento de la zanja a escala de 6 m3 .............................................. 48 6.4.2. Armado del biodigestor ..................................................................................... 49 6.4.3. Salida del biogás ............................................................................................... 50 6.4.4. Ubicación de los agitadores .............................................................................. 52 6.4.5. Amarre de tubos de entrada y salida ................................................................ 52 6.4.6. Prueba de inflado .............................................................................................. 54 6.4.7. Materia prima .................................................................................................... 54 6.4.8. Evaluación de las variables ............................................................................... 55 7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.................................................................................... 58 7.1 ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DE LOS BIODIGESTORES PILOTO ............................................................................................ 58 7.1.1 BIODIGESTOR PILOTO 1 ................................................................................. 58 7.1.2 BIODIGESTOR PILOTO 2 ................................................................................. 62 7.1.3 BIODIGESTOR PILOTO 3 ................................................................................. 67 7.1.4. EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL pH. ......................................... 72 7.2.

CRITERIO DE SELECCIÓN DEL PROTOTIPO PARA ESCALADO: .................. 73

7

7.3. ANALISIS DEL COMPORTAMIOENTO DEL BIODIGESTOR A ESCALA 6m3 ...... 74 8. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 79 9. RECOMENDACIONES ............................................................................................... 81 Bibliografía ......................................................................................................................... 83 ANEXOS .............................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.Esquema de un biodigestor y conducción de gas.

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Figura 2.Estructura delSensor LM35 que censa la temperatura en un sistema.

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Figura 3.Protoboard, permite colocar elementos electrónicos y cables utp para montar circuitos sin requerir soldadura.

32

Figura 4. Arduino UNO, hardware que permite guardar información de datos tomados.

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Figura 5. Cable UTP (UnshieldedTwistedPair), pares de cables que permite con mayor facilidad la conexión electrónica sobre una protoboard.

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Figura 6. Ubicación CIDT Tenjo Cundinamarca

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Figura 7. Descripción de las medidas de la zanja biodigestores piloto.

38

Figura 8. Estructura realizada para albergar los biodigestores pilotos antes de hacer la carga inicial del sistema.

38

Figura 9.Presenta las tres zanjas para los biodigestores pilotos con distintas condiciones de recubrimiento como se mencionó anteriormente.

39

Figura 10.Ubicación válvula, permite la salida del biogás

40

Figura 11.Tubos de entrada y salida. Muestra los pliegues que se le debe realizar al plástico antes de realizar los amarres con el neumático.

41

Figura 12.Recolección y llenado de los biodigestores pilotos

43

Figura 13. Válvulas de seguridad.

44

Figura 14. Biodigestores pilotos instalados con diferentes condiciones

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Figura 15. Reservorio para biodigestores pilotos

45

Figura 16. Toma de datos.

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Figura 17. Descripción de las medidas de la zanja biodigestor a escala de 6m3 48 Figura 18.Adecuación de la zanja para biodigestor de 6 m3, paredes con cemento y lona para evitar que el plástico sufra fisuras.

49

Figura 19. Doble capa de plástico – deslizando la otra capa de plástico en su interior.

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Figura 20. Los materiales para la salida del gas y el orden de ensamblarlos.

51

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Figura 21. Elaboración y ubicación válvula para salida de gas.

51

Figura 22.Biodigestor a escala 6m3 con agitadores en su interior.

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Figura 23. Ubicación tubo de entrada y salida del biodigestor.

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Figura 24. Amarres con neumático.

53

Figura 25. Prueba de inflado.

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Figura 26. Recolección materia prima y carga del biodigestor.

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Figura 27. Monitoreo de pH.

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Figura 28.Sistema para medir temperatura.

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Figura 29. Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 1.

58 Figura 30.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 1.

59

Figura 31. Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 1.

61

Figura 32.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 2.

63 Figura 33.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 2.

64

Figura 34. Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 2.

65

Figura 35.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 3.

67 Figura 36.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 3.

68

Figura 37.Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 3.

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Figura 38. Comparación de las temperaturas internas y ambiente de los tres biodigestores pilotos.

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Figura 39. Comportamiento pH en los biodigestores pilotos.

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Figura 40.Biodigestor a escala 6 m3.

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10

Figura 41.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor escala 6m3.

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Figura 42.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor a escala6m3.

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Figura 43.Anรกlisis de comparaciรณn de medias para las temperaturas registradas en el biodigestor escala 6m3.

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Figura 44.Comportamiento pH en los biodigestor a escala 6m3

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Porcentaje de producción de gas

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Tabla 2. Tiempo de retención según temperatura.

29

Tabla 3. Presenta las dimensiones de los biodigestores pilotos, y la cantidad de materia prima requerida.

42

Tabla 4. Presenta las dimensiones del biodigestor a escala de 6 m3, la cantidad de cada materia prima y la relación C:N.

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Tabla 5. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 1 y ambiental

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Tabla 6. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 2 y ambiental

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Tabla 7. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 3 y ambiental.

70

Tabla 8. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor escala 6m3 y ambiental.

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TABLA DE ANEXOS

ANEXO 1. Programación realizada al sensor de temperatura LM35 para mediciones en biodigestores piloto y escala 6m3.

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ANEXO 2. Tabla de resultados delAnálisis de varianza ANOVA obtenido por Matlab para el biodigestor 1, 2 y 3.

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ANEXO 3. Tabla de resultados delAnálisis de varianza ANOVA obtenido por Matlab para el biodigestor a escala.

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GLOSARIO BIODIGESTOR: Es un recipiente cerrado herméticamente usado en la degradación anaerobia con una gran variedad de desechos orgánicos para la obtención de un gas combustible, rico en metano (Romero, 2011).

BIOGÁS: Es la mezcla de gases que resultan de la descomposición de la materia orgánica, realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias (sin presencia de oxigeno)(Romero, 2011).

ABONO ORGANICO (BIOL): es un fertilizante líquido usado en los cultivos agrícolas obtenido a partir de estiércol (Fernando Acosta Bedoya, 2003).

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RESUMEN En la actualidad las energías renovables han tomado una gran importancia, así mismo pueden ayudar a mejorar la calidad de vida de los campesinos ya que hoy en día se tiene la necesidad del aprovechamiento de recursos no renovables para la generación de energías alternativas, contribuyendo así a su desarrollo sostenible, la reducción del incremento de los gases de efecto invernadero y la mitigación de los efectos adversos del cambio climático mundial.

El proyecto contempló el diseño y la implementación de tres biodigestores pilotos de un volumen de 360L, en las condiciones medioambientales de la Sabana de Bogotá (2600 m.s.n.m.); a los cuales se les realizó seguimiento del comportamiento de la temperatura y el pH; luego del periodo de evaluación de acuerdo a los resultados se seleccionó el prototipo de mejor comportamiento para su posterior escalamiento y así obtener la producción de biogás a una escala de 6m3; esta etapa de la investigación se realizó en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico CIDT “Pinares de Tenjo”, tenjo (Cundinamarca).

En los resultados obtenidos se seleccionó el biodigestor prototipo 3, que tuvo un recubrimiento en la zanja y está protegido por invernadero, ya que en cuanto al comportamiento de la temperatura fue más estable en el prototipo seleccionado, así mismo, estadísticamente se evidenció que la temperatura ambiental no tiene una influencia directa en el sistema como para evitar la producción de biogás, en cuanto al comportamiento del pH en los tres sistemas evaluados tuvo un comportamiento estable y se mantuvo en el rango establecido teóricamente.

Finalmente con la realización de este estudio se pudo contar con una base inicial que aporte al mejoramiento de aspectos técnicos, sociales, ambientales de esta técnica;para que pueda ser aplicada a la comunidad rural de influencia de la Institucióny que sirva de base para la demostración y el uso de las energías renovables en la sabana de Bogotá.

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PALABRAS CLAVE: Biodigestor, biogás, energía alternativa.

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ABSTRACT

At present renewable energies have taken great importance, and it can help improve the quality of life of farmers and today it is the need of the use of nonrenewable for the generation of alternative energy resources, thus contributing to sustainable development, reducing the increase in greenhouse gases and mitigating the adverse effects of global climate change.

The project included the design and implementation of three digesters pilots a volume of 360L, on the environmental conditions of the Sabana de Bogota (2600 m.s.n.m.); to which were followed up behavior of temperature and pH; after the evaluation period according to the results the best performing prototype for subsequent scaling was selected and obtain biogas production on a scale of 6m3; this stage of the research was conducted at the Center for Research and Technological Development CIDT "Pinares de Tenjo" Tenjo (Cundinamarca).

In the results the prototype digester 3, which had a coating on the trench and is protected by greenhouse was selected because as the temperature behavior was more stable in the selected prototype, likewise, statistically it was shown that the temperature environmental does not have a direct influence on the system to avoid the production of biogas, in behavior of pH in the three evaluated systems had been stable and remained within the range set theoretically.

Finally, with the completion of this study could have an initial base contribution to improving technical, social, environmental aspects of this technique; so that it can be applied to the rural community of influence of the institution and as a basis for demonstration and use of renewable energy in the savannah of Bogota.

KEY WORDS:Biodigestor, biogas, alternative energy 17

INTRODUCCION Al realizar un análisis de los factores fundamentales que influyen en la producción de biogás, se identifica la oportunidad de poner en marcha el proyecto propuesto que genera una energía alternativa en la sabana de Bogotá a una altura de 2600 metros sobre el nivel del mar. Los biodigestores son sistemas naturales que aprovechan residuos orgánicos, procedentes de actividades agropecuarias, principalmente el estiércol, que es el encargado de producir el biogás y biol que funciona

como

abono

orgánico,

mediante

un

proceso

de

digestión

anaerobia(Jaime Marti Herrero).

La implementación de estos biodigestores en la sabana de Bogotá no requiere de altos costos para su construcción. El sistema está hecho de materiales de fácil acceso en una ferretería y el plástico tubular debe ser de un buen calibre para que el tiempo útil del mismo se prolongue por varios meses.

El propósito del proyecto es evaluar el efecto de la temperatura y el pH en la produccion de biogás, así como hacer un seguimiento al comportamiento del sistema en las condiciones de la sabana de Bogotá. Parte fundamental del proyecto fue evidenciar técnicamente el comportamiento de tres biodigestores piloto, cada uno con diferentes condiciones, demostrando una comparación del comportamiento de cada piloto, en cuanto a su temperatura y su pH con datos obtenidos por medio de sensores.

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1. DEFINICION DEL PROBLEMA El departamento de Cundinamarca, basa su desarrollo económico en procesos agrícolas y pecuarios, destacándose en su totalidad los municipios que conforman el departamento. (URPA , secretaria de agricultura y desarrollo rural, 2010), (departamento de cundinamarca, 2012-2016). Sin embargo, en el desarrollo de actividades pecuarias predominan comportamientos y prácticas tradicionales que no generan una alta rentabilidad y valor agregado. El fortalecimiento de los procesos de asistencia técnica rural agropecuaria, es la base fundamental sobre la cual, se soporta el desarrollo agropecuario, bajo los criterios de competitividad, sostenibilidad y participación comunitaria lo que mejorará la rentabilidad y productividad en toda la cadena de valor, a través del desarrollo económico de la población rural, como estrategia de fortalecimiento de gremios y cadenas productivas, mejorando su capacidad de producción y de negociación (departamento de cundinamarca, 2012-2016).

En general las pequeñas y medianas industrias de producción bovina de la región, se caracterizan por manejar un proceso básico de producción, generando un inadecuado tratamiento de las excretas y residuos del sistema, pues éstas son arrojadas, en su mayoría a fosas o directamente al suelo y a vertimientos de agua, propiciando serios problemas de contaminación (PinosRodriguez, 2012).

Cuando no son tratados los residuos orgánicos se convierten en un foco de infección y en un problema al deshacerse de ellos. En la agricultura y ganadería a pequeña escala se ha tratado los residuos para transformarlos en abonos naturales y en algunos casos como combustible (Herrero, 2013).El impacto ambiental como generación de gases de efecto invernadero, eutrofización de cuerpos de agua y sobrecarga de nutrientes en suelos de cultivo ocasionado por excretas de ganado, dependerá en gran medida de la especie pecuaria, del sistema de alimentación y del manejo del estiércol. Los

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estudios comparativos de impacto ambiental entre sistemas de producción animal extensivos y tecnificados son escasos(Thomassen, 2008).

Adicionalmente a lo mencionado en los párrafos anteriores, existen familias en áreas rurales que todavía cocinan con leña, ya sea por economía o costumbre, generando esto deterioros en su salud. En las zonas más alejadas del casco urbano mantienen el uso de la leña, debido a que el tipo de infraestructura de las casas y la lejanía del sector imposibilitan la instalación de gas natural o propano. De acuerdo a lo anterior y al perfil del Ingeniero Agroindustrial UNIAGRARISTA el presente trabajo de investigación pretende responder la siguiente pregunta de investigación. ¿Qué influencia ejerce la temperatura y el pH en la producción de biogás a 2600 msnm?

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2. JUSTIFICACIÓN Debido a la problemática medio ambiental, se tiene el incremento de los volúmenes producidos de estiércol, generando a su vez, una mayor intensificación de las producciones bovinas en el departamento de Cundinamarca, (34% conformada por los departamentos de Cundinamarca, Sabana de Bogotá.

(BERNAL & GÓMEZ, 2006).

Según la teoría, la implementación de biodigestores debe hacerse en climas cálidos, a altitudes bajas, pero en este estudio la idea será buscar el aprovechamiento de los recursos biomásicos

como el estiercol existente,

mediante el uso de biodigestores para la generación de energía y producción de abono orgánico en una altura de 2600 msnm en la sabana de Bogotá. Se toman como referentes los estudios efectuados en municipios tales como el de Cumbal y de poblaciones cercanas en el departamento de Nariño, se encuentran a una altura entre los 3000 y 3600 m.s.n.m predominando el piso térmico muy frío en donde se han desarrollado proyectos eficientes del uso de biodigestores.

(NARIÑO, 2014). Es importante destacar que dicha biomasa tiene un alto potencial energético, constituyéndose en una importante fuente de energía renovable alternativa, que por el momento no se utiliza adecuadamente.

Con la implementación del biodigestor en la sabana de Bogotá, el material orgánico bovino puede ser aprovechado y al mismo tiempo se convierte en una alternativa para la eliminación de los residuos y la producción de un biogás con el que vemos un gran potencial de fuente de energía alternativa.

En el informe que nos comparte Fernando Acosta en el Plan del Programa Nacional de Biodigestores en Perú el cual ve como los biodigestores como una alternativa para solucionar el acceso a energía térmica para cocción de alimentos en reemplazo de la leña en sectores rurales, los biodigestores producen dos sub productos, el biogás que se puede utilizar como combustible para la cocción de

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alimentos y el otro subproducto es el biol, el cual es un fertilizante líquido que incrementa la productividad agrícola y animal, lo cual ayuda a aumentar los ingresos de los agricultores rurales(Fernando Acosta Bedoya, 2003).

La expectativa es aprovechar de manera eficiente los residuos producidos por la actividad pecuaria, que representa la principal actividad económica de la zona rural. Según Jaime Martí Herrero, el éxito radica en facilitar el conocimiento técnico y práctico a las familias del área rural, para que puedan construir y mantener los biodigestores en sus hogares mejorando la calidad de vida y su productividad(HERRERO, 2008).

De acuerdo con el proyecto piloto de Jaime Martí en la región de Palca del departamento de La Paz (Bolivia), la cual se encuentra a una altura de más de 4.200 metros sobre el nivel del mar, en este proyecto de investigación se adaptaron biodigestores en zonas que presentaban

condiciones climáticas

extremas. El estudio permitio evaluar el comportamiento del biodigestor en condiciones controladas de laboratorio como en exteriores en zona rural. La experiencia más relevante que ha tenido Jaime Martí, es que ha logrado hacer funcionar un biodigestor familiar a 4.100 metros de altura sobre el nivel del mar, (Cochabamba, Bolivia). Actualmente ya son cientos los biodigestores que están funcionando a estas alturas en Bolivia bajo el diseño propuesto(Jaime Marti Herrero, 2008).

Seguido a la investigación mencionada anteriormente, Jaime Martí busca compartir sus experiencias en aciertos y que no se repitan los mismos errores, y se muestra en forma de lecciones aprendidas, al difundir e introducir una tecnología apropiada, como son los biodigestores. Una de estas experiencias fue con la participación de siete investigadores y siete tesistas, donde presenta diez biodigestores tubulares funcionando en clima frío (3.900 m.n.m.s., Viacha - La Paz) monitoreados en cuanto a temperatura y producción de biogás, cuatro

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sistemas batch, dos prototipos de biodigestores para saneamiento básico doméstico y una planta piloto de tratamiento de residuos líquidos de un matadero en Cochabamba. Los ensayos están encaminados a optimizar la producción de biogás y digestión de sustratos para mejorar el biol(Jaime Marti Herrero, 2012).

Otro informe por parte de taller inti desde hace 9 años viene promoviendo el uso de energías renovables en Perú,

presentan un manual el cual describe las

características, materiales, pasos para la instalación, operación y mantenimiento de un biodigestor tubular familiar, donde se hace referencia a la instalación de un digestor en zonas alto andinas (4000 msnm), como solución a la falta de acceso a fuentes de energía convencional, y así mejorar la calidad de vida de la población en general y de manera particular del poblador del campo(ROMERO, 2011).

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3. OBJETIVOS 3.1.

OBJETIVO GENERAL

Evaluar el efecto de la temperatura y el pH en la producción de biogás con tres diferentes prototipos mediante la inclusión de residuos bovinos a la altura de 2600 msnm.

3.2.



OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer los parámetros de diseño e instalación de tres biodigestores a escala piloto.



Análisis del seguimiento de la temperatura y el pH en la producción de biogás en cada piloto bajo condiciones de clima frio.



Determinar la mayor efectividad de los pilotos evaluados para escalar el prototipo de mayor eficiencia productiva.

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4. MARCO REFERENCIAL 4.1 BIODIGESTOR El en proceso de un biodigestor, su funcionamiento depende siempre y cuando el material se encuentre en un ambiente cerrado libre de oxigeno (fermentación anaeróbica). El gas o producto principal se llama biogás; los subproductos o residuos son el biol (efluente) y el bioabono (residuo sólido). Tanto el biogás como el biol y el bioabono son de gran utilidad. El biogás puede ser empleado de igual modo que el gas propano convencional, incluso con los mismos artefactos (cocinas, lámparas, motores a gas, etc.). El biol y el bioabono se encuentran entre los mejores abonos naturales, pues concentra nutrientes como el nitrógeno, fósforo y potasio(Romero, 2011), a continuación en la figura 1 se observa la estructura que conforma un biodigestor.

Figura 1.Esquema de un biodigestor y conducción de gas.

Fuente:(JAIME MARTI HERRERO, 2008)

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4.1.1 Clasificación De acuerdo a la frecuencia de cargado, los sistemas de biodigestión se pueden clasificar en: 

Batch o discontinuo



Semi continuos



Continuos.

4.1.2. Sistema Batch o discontinuo Este tipo de digestor se carga una sola vez en forma total y la descarga se efectúa una vez que ha dejado de producir gas combustible. Normalmente consiste en tanques herméticos con una salida de gas conectada a un gasómetro flotante, donde se almacena el biogás (Diego Torres Guillen, 2009).

4.1.3.Sistema semicontinuos Es el tipo de digestor más usado en el medio rural, cuando se trata de digestores pequeños para uso doméstico. Entre los digestores clásicos tenemos: Tipo Chino (de Estructura fija), tipo Hindú (de campana flotante) y tipo balón (de estructura flexible). El modelo más extendido es el digestor tipo Chino, por su durabilidad, funcionalidad y seguridad(Diego Torres Guillen, 2009).

4.1.4. Sistema continuos Este tipo de digestores se desarrollan principalmente para tratamiento de aguas residuales. En general son sistemas muy grandes, en las cuales se emplean equipos comerciales para realizar las cargas necesarias y proporcionarles calefacción y agitación, así como para su control. Por lo tanto este tipo de sistemas son más bien instalaciones tipo industriales, donde se genera una gran

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cantidad de biogás el que a su vez se aprovecha en aplicaciones al interior de la industria(Diego Torres Guillen, 2009).

4.2 BIOGÁS Es la mezcla de gases que resultan de la digestión anaerobia (en ausencia de oxigeno) de la materia orgánica, efectuada por la acción de bacterias específicas.

La composición del biogás tal como se muestra en la tabla 1(Romero, 2011).

Tabla 1. Porcentaje de producción de gas Gases Metano Anhídrido carbónico Nitrógeno Hidrogeno Sulfuro de hidrogeno

Formula

Porcentaje en Vol 55%-65% 34%-45% 0.3% 0.1% 0.1%

Fuente: (Romero, 2011) 4.2.1 Volumen gaseoso Dentro del biodigestor, bajo ciertas condiciones (temperatura, pH, anaerobiosis, etc.,) en condiciones anaerobias (en ausencia de oxígeno) se va a producir biogás, y éste se acumulará en la parte superior. Al estar construido el biodigestor de polietileno en configuración tubular. Se formará una campana de biogás que sirve para almacenar gas y darle forma al biodigestor(JAIME MARTI HERRERO, 2008).

4.2.2 Biodigestión Es la fermentación realizada por bacterias anaerobias sobre la materia orgánica posee las siguientes ventajas: 

Proporcionar

combustible

para

energéticas rurales.

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suplir

las

principales

necesidades



Reducir la contaminación ambiental al convertir las excretas, que hacen proliferar microorganismos patógenos, larvas e insectos, en residuos útiles.



Producir abono orgánico, con un contenido similar al de las excretas frescas e igualmente útil para los suelos(LONDRES, 2015).

4.2.3 Etapas del proceso de anaerobiosis El estiércol fresco contiene bacterias que continúan digiriéndolo y producen metano, dióxido de carbono y otros gases. Si esta digestión se hace en ausencia de aire (digestión anaerobia) se produce biogás, que es uno de los intereses de un biodigestor. Realmente hay una producción en cadena de diferentes tipos de bacterias. Unas inicialmente producen la hidrólisis del estiércol generando ácidos orgánicos. Otro tipo de bacterias digieren estos ácidos orgánicos a través de una deshidrogenación y acetogenésis dando como resultado ácido acético e hidrógeno. Y finalmente otras bacterias, llamadas metanogénicas, digieren el hidrógeno y el ácido acético para transformarlo en metano, que es el gas más importante del biogás y el que permite la combustión(JAIME MARTI HERRERO, 2008).

4.3 PARAMETROS DE OPRECION DEL SISTEMA 4.3.1 Temperatura para la operación del Biodigestor La tasa de fermentación anaerobia de los sólidos orgánicos y su conversión parcial en biogás, están directamente relacionadas con la temperatura interna de operación. El proceso se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde los 15°C hasta 60°C, la mayor eficiencia de producción de biogás se obtiene en los rangos de temperatura de 30°C a 40°C y de 55°C a 60°C (LONDRES, 2015).

La mayoría de las bacterias metanogénicas digieren la materia orgánica más eficientemente en el rango 30°C a 40°C, no solo por efecto de la temperatura 28

ambiental, sino también porque la temperatura interna se incrementa debido a la generación

de

calor

ocurrida

durante

la

fermentación

de

la

materia

orgánica(LONDRES, 2015).

4.3.2. Tiempo de retención De acuerdo con lo planteado por (JAIME MARTI HERRERO, 2008) el tiempo de retención se basa en la digestión anaerobia por medio de bacterias metanogénicas encargadas de producir el biogas. Las bacterias metanogénicas requieren una temperatura para trabajar de forma óptima.

A menores temperaturas se sigue produciendo biogás, pero de manera más lenta.

A temperaturas inferiores a 5ºC se puede decir que las bacterias ya no producen biogás.

Por ello es necesario estimar un tiempo de retención según la temperatura a la que se trabaje. El tiempo de retención da una idea de la duración del proceso de digestión anaerobia, es el tiempo que requieren las bacterias para digerir el lodo y producir biogás. Este tiempo, por tanto, dependerá de la temperatura de la región donde se vaya a instalar el biodigestor entre otros factores. Así, a menores temperaturas se requiere un mayor tiempo de retención que será necesario para que las bacterias que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás, tabla 2.

Tabla 2.Tiempo de retención según temperatura.

REGION CARACTERISTICA Trópico Valle Altiplano

TEMPERATURA (GRADOS CENTIGRADOS) 30 20 10

29

TIEMPO DE RETENCION (DIAS) 20 30 60

Fuente:(JAIME MARTI HERRERO, 2008) 4.3.3. Relación Carbono-Hidrógeno Los carbohidratos y las proteínas son los nutrientes indispensables para el crecimiento, desarrollo y actividad de las bacterias anaerobias. El carbono contenido en el estiércol, es el elemento que las bacterias en el proceso de anaerobiosis convierten en metano (CH ). El nitrógeno es utilizado para la multiplicación bacteriana y como catalizador en el proceso de producción de biogás(LONDRES, 2015).

4.3.4. Valores de pH Aunque el rango de pH óptimo, para alcanzar la mayor eficiencia en la fermentación anaerobia de la materia orgánica, puede variar, el proceso de digestión bacteriana produce biogás a valores de pH entre 6.7 y 7.5, un medio prácticamente neutro(Griffis, 1980).

El pH se mantiene en ese rango, solo si, el Biodigestor está operando correctamente. Si el pH se torna muy ácido, la acción de las bacterias se inhibe, aumentando la proporción de gas carbónico en el biogás (Taiganides, 1980).

Las causas por las que se puede acidificar la fase líquida contenida dentro del Biodigestor son: 

Un cambio excesivo de la carga.



El permanecer por largo tiempo sin recibir carga.



La presencia de productos tóxicos en la carga.



Un cambio amplio y repentino de la temperatura interna

30



La generación de CO2 al interior del biodigestor es una de las causas de acidificación del sistema y a su vez es una de las medidas del funcionamiento del equipo

5. SISTEMA DE SEGUIMIENTO Y MONITOREO DE LA TEMPERATURA EN EL BIODIGESTOR 5.1. Seguimiento de la temperatura La medición de la temperatura se puede realizar con diversos instrumentos, a continuación se describe uno de los más utilizados.

5.1.1. Sensor de temperatura LM35 El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C, figura 2.

Características Sus características más relevantes son: 

Está calibrado directamente en grados Celsius.



La tensión de salida es proporcional a la temperatura.



Tiene una precisión garantizada de 0.5 °C a 25 °C.



Baja impedancia de salida.



Baja corriente de alimentación (60 μA).



Bajo coste.

Fuente:(NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION, 2000)

31

Figura 2.Estructura delSensor LM35 que censa la temperatura en un sistema.

Fuente:(Google Imagenes, 2016).

5.1.2. Protoboard La protoboard es un aparato que sirve para montar y modificar, fรกcil y rรกpidamente, circuitos electrรณnicos sin necesidad de soldaduras y herramientas.

Una vez que el circuito estรก funcionando satisfactoriamente en la protoboard, puede ser construido de forma definitiva sobre un circuito impreso utilizando soldadura para fijar los componentes.

Fuente:(CEKIT, 1998) Figura 3.Protoboard, permite colocar elementos electrรณnicos y cables utp para montar circuitos sin requerir soldadura.

Fuente:(Google Imagenes, 2016)

32

5.1.3. Arduino Uno Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (opensource) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar.

El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, puertos digitales y analógicos de entrada/salida, los cuales pueden conectarse a placas de expansión (shields), que amplían las características de funcionamiento de la placa Arduino. Asimismo, posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación serial con el computador Fuente: (ARDUINO CORPORATION, 2016)

Figura 4. Arduino UNO, hardware que permite guardar información de datos tomados.

Fuente:(Google Imagenes, 2016) 5.1.4. Cable UTP Se compone de varios conductores de cobre, recubiertos por un material plástico aislante. Estos conductores están agrupados de a pares y trenzados o retorcidos, para disminuir la incidencia de las interferencias externas o provenientes del resto de los otros cables.La cantidad de pares de cables trenzados es de 4 (8 conductores).

33

Características 

Permite transmisión de datos y voz.



Buena tolerancia interferencias.

Fuente:(NACIONAL, 2011) Figura 5. Cable UTP (UnshieldedTwistedPair), pares de cables que permite con mayor facilidad la conexión electrónica sobre una protoboard.

Fuente:(Google Imagenes, 2016)

34

6. METODOLOGÍA PROPUESTA

6.1. MATERIALESBIODIGESTORES PILOTO: En los biodigestores piloto se utilizó el material descrito a continuación.                  

12 m de plástico tubular para el biodigestor calibre Nro. 8 que abre a 1,40 de circunferencia.

Aproximadamente 3 m de tubo de PVC de ventilación (naranja) de 4 pulgadas 3 adaptador hembra de media 3 adaptador macho de media 3 codos de media 3 T de media 1 llave de paso lisas de PVC 6 m de tuvo PVC de media Neumático de carro usado.

3 botellas de 600ml vacía (trampa de gas) Tarro de aceite de vehículo Alambre o fibra para amarrar Pegante PVC Limpiador de PVC. Trapo para limpiar Pedazo de lija.

Manila Nro. 8 (el doble del largo del biodigestor + 2 m) para el mezclador Lona para estirar el plástico en el momento de la instalación.

6.2. MATERIALES BIODIGESTOR A ESCALA DE 6 m3:a continuación se discrimina el material utilizado en la construcción del biodigestor de mayor escala.    

15 m de plástico tubular de 2 m de ancho que abre a 4 m de circunferencia, calibre 8 con protección UV Aproximadamente 3 m de tubo de PVC de ventilación (naranja) de 4 pulgadas 1 adaptador hembra de media (revisar que enrosque muy bien al macho) 1 adaptador macho de media (revisar que enrosque muy bien en la hembra) 35

              

1 codo de media 1 te de media 1 llave de paso lisas de PVC 3 m de tubo de PVC de media Neumático de carro usado.

Botella de 2 litros de gaseosa vacía (trampa de gas) Tarro de aceite de vehículo Alambre o fibra para amarrar Pegante PVC Limpiador de PVC o alcohol Trapo para limpiar Pedazo de lija.

Manila Nro. 8(el doble del largo del biodigestor + 2 m) para el mezclador 2 tapas de cuñete de pintura de 20 litros para el mezclador LONA para estirar el plástico en el momento de la instalación y sitio barrido y limpio

36

6.3. BIODIGESTORES PILOTO 6.3.1. Ubicación Los modelos experimentales se instalaron en CIDT Tenjo Cundinamarca, teniendo en cuenta las directrices planteadas por(Romero, 2011).

Figura 6. Ubicación CIDT Tenjo Cundinamarca

Fuente:(Google Maps, 2016) 6.3.2. Excavación de la zanja Para la excavación se tuvo en cuenta que las paredes de la zanja tuvieran forma de v, evitando de esta manera que se desmoronen las paredes; además, se aproxima más a la forma tubular del biodigestor tal como se muestra en la figura 7.

Se verificó el piso y las paredes, teniendo en cuenta que debían estar lisos, sin piedras o raíces que sobresalgan y que pudieran dañar el plástico(Romero, 2011).

37

Figura 7. Descripciรณn de las medidas de la zanja biodigestores piloto.

Fuente: (Autores, 2016) En la figura 8se presenta la elaboraciรณn de la zanja para los biodigestores pilotos con medidas de profundidad 60cm, en la parte de la base 30cm y la parte superior 50cm.

Figura 8. Estructura realizada para albergar los biodigestores pilotos antes de hacer la carga inicial del sistema.

Fuente: (Autores, 2016) Posteriormente se realizรณ el acondicionamiento de las zanjas de acuerdo a las siguientes condiciones establecidas para cada biodigestor tal como se muestra en la figura 9.

38



Biodigestor N° 1: sin recubrimiento de la zanja y a temperatura ambiente.



biodigestor N° 2: recubrimiento en toda la zanja con icopory a temperatura ambiente.



biodigestor N° 3:recubrimiento en toda la zanja con icopor bajo e invernadero.

Figura 9.Presenta las tres zanjas para los biodigestores pilotos con distintas condiciones de recubrimiento como se mencionó anteriormente.

B. #1

B. #3

B. #2

Fuente: (Autores, 2016).

6.3.3. Construcción biodigestores pilotos Para la instalación de los biodigestores pilotos se tuvieron en cuenta distintos factores que se describen a continuación: Se realizó la construcción de tres biodigestores pilotos cada uno con un volumen de 0,36 m3(360L), con un plástico tubular de 2m de largo por 70cm de circunferencia.

39

6.3.4. Salida del biogás Tal como se describe en la figura 10, se instaló una tubería de escape de gas con un acople macho y hembra de rosca de ½” en el centro del biodigestor. Teniendo en cuenta la guía de instalación por (JAIME MARTI HERRERO, 2008), se elaboró dos discos de neumático y dos de plástico, con un diámetro de 10cm, a estos discos se les realizo un agujero en el centro del mismo tamaño que el acople de pvc (acople macho) garantizando así un acople a presión de los discos. .

La configuración del sistema de salida queda entonces de la siguiente forma: Macho – disco de plástico rígido – disco de caucho (neumático) – doble plástico disco de caucho (neumático) - disco de plástico rígido – hembra.

Se debe asegurar un perfecto sello entre los acoples (hembra y macho) para evitar escape del biogás. A continuación se procede a colocar, un ducto de PVC de ½” que lleva una válvula de bola, que cierra o abre la conducción del biogás, tal como se observa en la figura 10.

Figura 10.Ubicación válvula, permite la salida del biogás

Fuente: (Autores, 2016)

40

6.3.5. Ubicación agitadores Se procedió a instalar con tapas de pintura y una manila (agitadores) en el interior del plástico (membrana) con el fin de agitar el líquido y los sólidos que se encuentran en el fondo de cada uno de los biodigestores piloto(LYLIAN RODRIGUEZ, 2015).

6.3.6. Amarre de tubo de entrada y salida Seguido a esto se colocó en cada biodigestor piloto una tubería de 2” en cada extremo, cada una de 50cm, teniendo en cuenta que cada biodigestor debe de tener una entrada y una salida.

Se realizaron los pliegues en forma de acordeón, garantizando que no quedaran con arrugas y que fueran largos los pliegues. Los amarres se ajustaron estirando la tira de neumático de manera que se comenzaron a realizar los amarres tomando el plástico desde la zona de abajo y por consiguiente seguir realizando los amarres de manera ascendente hasta cubrir todo el plástico,

realizando

vueltas para prevenir escapes de gas como se muestra en la figura 11.

Figura 11.Tubos de entrada y salida. Muestra los pliegues que se le debe realizar al plástico antes de realizar los amarres con el neumático.

Fuente: (Autores, 2016)

41

6.3.7. Materia prima Se utilizó como materia prima mezcla de estiércol bovino y agua en relación 1:6 de acuerdo a lo planteado por(JAIME MARTI HERRERO, 2008).Se garantizó que la materia prima estuviera fresca y libre de material sólido. Se determinó la cantidad de material que requería cada uno de los biodigestores pilotos con una matriz de cálculo como se muestra en la siguiente tabla.

La tabla 3 presenta las dimensiones de los biodigestores pilotos, la cantidad de cada materia prima para cada biodigestor y la relación C:N. Tabla 3.Presenta las dimensiones de los biodigestores pilotos, y la cantidad de materia prima requerida.

Longitud 1,5 m Diámetro Superior 0,5 m Diámetro Inferior 0,3 m Altura 0,6 m Área trapecio 0,24 mt3 Volumen total (A*L) 0,36 mt3 Volumen total (A*L) 360 L Relación de carga inicial = Kg Estiércol/Kg alimentación 51 (1/6) (agua+estiércol) L o mt3 Estiércol de carga inicial 51 Kg Agua de carga inicial 309 L Volumen total 360 L Fuente: (Autores, 2016)

A continuación se realizó la recolección del estiércol asegurando que estuviera fresco, la carga que se realizó fue de 51kg de estiércol bovino y 309L de agua para cada uno de los biodigestores pilotos.

42

Figura 12.Recolección y llenado de los biodigestores pilotos

Fuente: (Autores, 2016) 6.3.8. Válvula de seguridad La válvula de seguridad se coloca cerca del biodigestor. Esta válvula va a permitir que en caso de que no se consuma biogás, éste tenga un lugar por donde escapar y a la vez evitar que entre aire de fuera (que mataría el proceso interno del biodigestor que produce biogás).

Se elaboró una válvula de seguridad o trampa de agua con una botella de agua.

Se le realizo un hueco a la botella en la parte superior para ir llenándola de agua a medida que se vaya evaporando el agua. Se muestra en la figura 13, esta válvula en caso de estar lleno el biodigestor y el reservorio permite el escape por presión de los gases.

43

Figura 13. Válvulas de seguridad.

Fuente: (Autores, 2016) 6.3.9. Biodigestores pilotos instalados En la imagen se evidencia los tres biodigestores pilotos, cada uno con sus respectivas condiciones como se mencionó anteriormente: 

Biodigestor N° 1: sin recubrimiento de la zanja y a temperatura ambiente.



biodigestor N° 2: recubrimiento en toda la zanja con icopor y a temperatura ambiente.



biodigestor N° 3: recubrimiento en toda la zanja con icopor bajo invernadero.

44

Figura 14. Biodigestores pilotos instalados con diferentes condiciones

Fuente: (Autores, 2016) 6.3.10. Reservorio de gas Almacena el gas producido por los biodigestores pilotos.La figura 15 muestra el prototipo de los reservorios para los biodigestores piloto, los cuales solo tienen una entrada que funciona tambiĂŠn como salida. El reservorio contiene una vĂĄlvula que permite cerrar el paso o abrirlo para evacuar el gas almacenado(LYLIAN RODRIGUEZ, 2015).

Figura 15. Reservorio para biodigestores pilotos

.

Fuente (autores).

45

6.3.11. Construcción de los reservorios Se construyó con plástico tubular calibre número 8, con dimensiones de 1,5 m de largo por 70cmcircunferencia, en el cual se empleó solo una capa. Los demás biodgestores contaron con reservorios similares.

En un extremo del reservorio, se le realizo un amarre con neumático. Los amarres se ajustaron estirando el caucho con el fin que quedara más prensado para evitar escapes de gas almacenado. En el otro extremo del reservorio se coloca un tubo PVC de½”; al plástico a la unión de este tubo con el reservorio, también se le efectúan pliegues en forma de acordeón y amarres con neumático, para evitar fugas.

El reservorio se sujetó al techo del biodigestor como se muestra en la figura 15.

6.3.12. Instalación de la tubería que conduce el biogás al reservorio y quemadores Se instaló tubería de PVC de media pulgada de diámetro. Esta adecuación se realizó una vez trascurrido el tiempo de retención y los biodigestores pilotos iniciaron la producción de biogás. La tubería que sale del biodigestor (conduce el biogás) se instaló en forma ascendente (con pendiente de 1%). Teniendo en cuenta que debía contener la válvula de seguridad a la salida del biodigestor y antes de la primera llave de paso(Romero, 2011).

6.3.13. Medición de las variables del proceso El registro de las variables de proceso (temperatura y pH) se efectuó cada tres días, se realizaron las mediciones con un medidor de pH marca HANNA y la temperatura con un sensor de temperatura LM35; teniendo en cuenta que la temperatura es uno de los factores que afectan el crecimiento de las bacterias responsables de la producción de biogás.

46

Para el sensor LM35 se utilizó el programa arduino 1.6.9, con el cual se realizó la programación dicho sensor para que realizará la medición de la temperatura diariamente intervalos de dos horas. La programación del sensor esta descrita específicamente en el anexo 1.

6.3.14. Toma de datos La extracción de datos se realizó por medio del programa arduino 1.6.9, dos días por semana, al inicio se efectuaron cuatro (4) tomas de datos al día, y posteriormente se estas se llevaron a cabo

cada dos horas al día como se

muestra en la figura 16.

Figura 16. Toma de datos.

Fuente (autores).

47

6.4. BIODIGESTOR A ESCALA DE 6 M3.

6.4.1. Acondicionamiento de la zanja a escala de 6 m3 A continuación se describe el proceso de construcción del biodigestor a mayor escala. En la figura 17se observa las medidas utilizadas para la elaboración de la zanja.

Figura 17. Descripción de las medidas de la zanja biodigestor a escala de 6m3

Fuente: (Autores, 2016) La figura 18 presenta la elaboración y adecuación de la zanja con un pañete en cemento para evitar desmoronamiento de la tierra, se realizó un recubrimiento en las paredes y en la base con icopor y una lona para cubrirlo de algún elemento corto punzante.

48

Figura 18.Adecuación de la zanja para biodigestor de 6 m3, paredes con cemento y lona para evitar que el plástico sufra fisuras.

Fuente (autores).

La figura 18 presenta la elaboración del biodigestor a escala de 6 m3,donde se extendió una lona del mismo largo del biodigestor que se utilizó como base para armarlo, posteriormente se estiró el plástico sobre la lona para protegerlo de algún elemento corto punzante, utilizando dos personas cada una en un extremo.

6.4.2. Armado del biodigestor Se procedió a recoger el plástico de calibre N°8 de 7m de largo por 2m de diámetro en los brazos de las personas como se muestra en la figura 19 y posteriormente a esto, se tomó con el brazo el extremo delsegundo plástico con las mismas medidas para introducir un plástico dentro de otro, con el fin de tener doble plástico por si se rompe alguno.

49

Figura 19. Doble capa de plástico – deslizando la otra capa de plástico en su interior.

Fuente (autores).

6.4.3. Salida del biogás Según el manual de instalación de biodigestor planteado por (LYLIAN RODRIGUEZ Y TR PRESTON), el primer paso es, marcar el lugar donde se colocará la salida de gas. Este debe ir en el centro de la parte superior del biodigestor. El tamaño del orificio se determina con relación al diámetro externo del adaptador macho de PVC. Los círculos arandela de goma y plástico se

cortan de un diámetro talque,

permita cubrir de manera eficiente los componentes ensamblados asegurando los acoples macho y la hembra.

Los componentes de la salida de gas y el orden en el que se colocan en el tubo de plástico se indican a continuación en las figuras 20 y figura 21.

50

Figura 20. Los materiales para la salida del gas y el orden de ensamblarlos.

Fuente:(LYLIAN RODRIGUEZ Y TR PRESTON) Figura 21. Elaboraciรณn y ubicaciรณn vรกlvula para salida de gas.

Fuente: autores

51

6.4.4. Ubicación de los agitadores Al interior del biodigestor se ubican tres tapas sujetas por un cordel que sale por ambos extremos del biodigestor como se puede observar en la figura 22con el fin de poder agitar los lodos y el líquido que contiene el sistema.

Figura 22.Biodigestor a escala 6m3 con agitadores en su interior.

Fuente (autores) 6.4.5. Amarre de tubos de entrada y salida En la figura 23 se puede observar la ubicación de los tubos de entrada y salida del biodigestor los cuales van centrados dentro de la cubierta polimérica.

52

Figura 23. Ubicación tubo de entrada y salida del biodigestor.

Fuente (autores).

Seguido a esto se realizaron los pliegues en forma de acordeón, garantizando que no quedaran con arrugas y que fueran largos los pliegues. Los amarres se ajustaron estirando la tira de neumático de manera que se comenzaron a realizar los amarres tomando el plástico desde la zona de abajo y por consiguiente seguir realizando los amarres de manera ascendente hasta cubrir todo el plástico, realizando vueltas para prevenir escapes de gas como se muestra en la figura 24.

Figura 24. Amarres con neumático.

Fuente (autores)

53

6.4.6. Prueba de inflado Se ubicó el biodigestor en la zanja y se inflo con el fin de revisar escapes en los amarres o en la salida del gas como se muestra en la figura 25(LYLIAN RODRIGUEZ, 2015).

Figura 25. Prueba de inflado.

Fuente (autores)

6.4.7. Materia prima De acuerdo a la guía de (LYLIAN RODRIGUEZ, 2015), se determinó la cantidad de material que requería el biodigestor a escala de 6 m3 como se muestra en la siguiente tabla 4: Tabla 4. Dimensiones del biodigestor a escala de 6 m3, la cantidad de cada materia prima y la relación C:N. Longitud Diámetro Superior Diámetro Inferior Altura Área trapecio Volumen total (A*L) Volumen total (A*L)

54

6,5 1,1 0,9 1 1 6,50 5500

m m m m mt3 mt3 L

Relación C:N de la carga inicial= Kg Estiércol/Kg alimentación (agua+estiércol) L o mt3

786

(1/6)

Estiércol de carga inicial Agua de carga inicial Volumen total

786 4.714 5.500

Kg L L

Fuente (autores).

Una vez finalizada la construcción del biodigestor, se colectaron 786kg de estiércol bovino asegurando que estuviera fresco como se muestra en la figura 26, se realizó un aforo para el llenado de agua de un total de 4714L. Figura 26. Recolección materia prima y carga del biodigestor.

Fuente (autores) 6.4.8. Evaluación de las variables En el biodigestor de 6 m3 se monitoreo el pH, por medio de un peachimetro marca HANNA cada 3 días como se muestra en la figura 27. La temperatura se

55

midió por medio de un circuito localizado en una protoboard, utilizando el arduinouno, sensor LM 35 y un regulador de energía lo anterior debido a que el sistema del arduino funciona a 5V y se utilizó energía directa de 120W como se muestra en la figura 28.

Figura 27. Monitoreo de pH.

Fuente (autores).

56

Figura 28.Sistema para medir temperatura.

Fuente (autores) Análisis estadístico Los datos obtenidos se

evaluaron estadísticamente mediante un análisis de

varianza con un nivel de confianza del 95%, determinando si existe diferencia significativa entre las medias por una prueba de Tukey usando el software Matlab®.

57

7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

7.1 ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DE LOS BIODIGESTORES PILOTO

7.1.1 BIODIGESTOR PILOTO 1 Luego del montaje de los biodigestores piloto descrito en el capítulo anterior, se procedió a monitorear el comportamiento de la temperatura en el tiempo, de acuerdo a lo planteado se registró la temperatura cada tres días siempre a las 12:00 del mediodía,

durante ocho meses, en la figura 29 se observa el

comportamiento de las temperaturas monitoreadas para las condiciones del biodigestor piloto 1.

Figura 29. Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 1.

35,0 30,0

Temperatura °C

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

T B1D1

Tiempo ( semanas) T B1D2 T B1D3

T ambiente

Fuente (autores) Como se puede observar en la figura 29 se registró la temperatura para 24semanas de muestreo abreviadas como S1, S2, hasta S24; los días

58

monitoreados en el tiempo fueron martes, jueves y sábado y están abreviados como D1, D2 y D3 respectivamente; efectuando un total de 72 registros del comportamiento de la temperatura en los meses de monitoreo.

El seguimiento de la temperatura en las tres primeras semanas de arranque de los piloto 1 presentó un comportamiento de manera ascendente, registrando temperaturas de arranque del sistema de 25.1 ± 2.1 °C,; 27,3 ±1,2 °C y29,0 ±1,3 °C en promedio para el biodigestor 1, seguidamente tiene un comportamiento estable hasta la semana 18, donde en el segundo día de monitoreo semanal existe una baja de temperatura que coincide con la temperatura ambiental.

En la figura 30, se puede observar el comportamiento de los promedios de la temperatura registrada semanalmente, donde se observa más detalladamente lo expuesto anteriormente en cuanto a las tres primeras semanas, así como, que la temperatura ambiental no genera una influencia significativa en el comportamiento de la temperatura del biodigestor 1.

Figura 30.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 1.

35,0

Temperatura °C

30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Tiempo (semanas)

T °C promedio semanal

59

T amb

Fuente (autores) A los datos de las temperaturas obtenidos se les realizó un análisis de varianza en cual se puedo observar que las medias de las temperaturas a lo largo del tiempo son significativamente diferentes con un valor de P (< 0.01), denotando esto que aun cuando la temperatura ambiental no influye en la temperatura interna del biodigestor, si hace que fluctué en un rango muy variable que puede afectar la producción de gas en el sistema en el Anexo 2 se puede observar la tabla del ANOVA. Seguidamente se realizó un análisis de comparación múltiple para determinar cuáles de las semanas monitoreadas presentaban un comportamiento fuera del patrón, en la figura 31 se puede observar el resultado, donde se encontró que el comportamiento de la temperatura de ocho de las 24 semanas monitoreadas son significativamente diferentes respecto a la semana veintiuno. En general

se

pueden observar tres grupos principales; un primer grupo en el que la temperatura oscila en aproximadamente 25°C este grupo lo conforman las lecturas de la semana 1 a la semana 17, un segundo grupo correspondiente a las lecturas de la semana 18 a 24 el cual registro una lectura promedio de 19°C y por último el grupo con un registro de temperatura promedio de 22°C correspondiente a la semana 22.

60

Figura 31. Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 1.

Fuente (Matlab) Así mismo, para analizar el comportamiento de los datos obtenidos y poder determinar si existe influencia de la temperatura ambiental sobe la temperatura del piloto 1 se realizó una prueba t entre las temperaturas promedio del biodigestor y la temperatura ambiental monitoreada en el tiempo del proceso. Los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 5, en la mayoría de los datos el valor de P

<

0,05denotando

esto

que

no

existe

diferencia

significativa,

más

específicamente en 11 de las 24 semanas monitoreadas no presentaron diferencia significativa, corroborando esto que la temperatura ambiental no ejerce una influencia directa en la temperatura del biodigestor, teniendo en cuenta que las condiciones de operación de este prototipo son de exposición total al medio.

Tabla 5.Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 1 y ambiental

Semana

Promedio T Biodigestor

S1

25,1

Desviación T Promedio T biodigestor ambiente ±2,1

25,7

61

Desviación T ambiente

Valor P

±6,7

0,10

S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24

27,3 29,0 23,8 28,1 22,4 22,7 23,5 22,8 26,2 23,5 22,6 23,2 24,9 24,3 25,6 26,3 19,3 20,7 18,0 18,3 11,0 15,3 15,3

±1,2 19,0 ±1,3 23,3 ±1,2 19,7 ±0,5 20,7 ±0,8 22,3 ±1,3 21,3 ±1,0 20,7 ±0,7 22,7 ±3,4 22,0 ±2,2 21,7 ±0,1 21,0 ±0,8 19,3 ±0,3 22,7 ±0,6 20,0 ±1,8 22,0 ±1,7 22,0 ±3,1 20,0 ±4,5 18,7 ±2,6 19,7 ±4,7 19,3 ±1,7 19,7 ±1,2 19,3 ±2,5 20,3 Fuente (autores)

±0,6 ±4,6 ±0,6 ±1,2 ±0,6 ±1,2 ±1,2 ±3,5 ±1,2 ±2,3 ±1,2 ±1,2 ±1,2 ±0,6 ±0,0 ±1,7 ±0,0 ±0,6 ±0,6 ±0,6 ±0,6 ±0,6 ±1,2

<0,01 0,25 <0,01 <0,01 0,61 0,71 0,07 0,59 0,09 0,38 0,02 <0,01 <0,01 <0,01 0,02 0,02 0,72 0,42 0,07 0,73 <0,01 <0,01 0,02

Tiempo de Producción de gas: En el biodigestor 1 se determinó un tiempo de retención experimental de37 días. Este Tiempo se determinó al momento en el que el prototipo inicio la producción de gas.

7.1.2 BIODIGESTOR PILOTO 2 El piloto 2 se registró la temperatura cada tres días siempre a las 12:00 del mediodía, durante ocho meses, en la figura 32 se observa el comportamiento de las temperaturas monitoreadas para las condiciones del biodigestor piloto 2.

62

Figura 32.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 2.

35,0

Temperatura °C

30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24

Temp B2D1

Tiempo (semanas) Temp B2D2 Temp B2D3

T amb

Fuente (autores) De acuerdo a lo que se observa en la figura 32, se registran 24 semanas de muestreo abreviadas como S1, S2, hasta S24; los días monitoreados en el tiempo fueron martes, jueves y sábado y están abreviados como D1, D2, D3; se presentan para las condiciones del biodigestor 2, un total 72 registros del comportamiento de la temperatura en los meses de monitoreo.

Con relación al seguimiento de la temperatura en las tres primeras semanas de arranque del proceso, estas

presentaron un comportamiento de manera

ascendente, registrando temperaturas en el sistema de 23,0 ± 3,1 °C; 26,1 ± 1,0°C y 28,2 ±1,1 °C en promedio para el biodigestor 2, seguido de un comportamiento estable hasta la semana 17, donde en el segundo día de monitoreo semanal existe una baja de temperatura que coincide con la temperatura del día tres.

En la figura 33, se puede observar el comportamiento de los promedios de la temperatura registrada semanalmente, donde se observa más detalladamente lo expuesto anteriormente en cuanto a las tres primeras semanas, así como, que la

63

temperatura ambiental no genera una influencia significativa en el comportamiento de la temperatura del biodigestor 2.

Figura 33.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 2.

35,0 30,0 Temperatura °C

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Tiempo (semanas)

Promedio

T amb promedio

Fuente (autores) A los datos de las temperaturas obtenidos se les realizó un análisis de varianza con el que se pudo observar que las medias de las temperaturas a lo largo del tiempo son significativamente diferentes con un valor de P (<0,01), denotando esto que aun cuando la temperatura ambiental no influye en la temperatura interna del biodigestor, si hace que fluctué en un rango muy variable que pude afectar la producción de gas en el sistema en el Anexo 2, se puede observar la tabla del ANOVA. Así mismo, este piloto se le acondicionó la zanja con el fin de retener más temperatura y de que haya menos pérdida en el sistema de la misma. Al comparar la el comportamiento de este piloto con el anterior figura 30 y figura 33, se puede observar que la adecuación realizada en la zanja ayuda a mantener un poco más estable la temperatura del sistema ya que se puede observar en las gráficas una menor fluctuación en el comportamiento de la temperatura.

64

Seguidamente se realizó un análisis de comparación múltiple para determinar cuáles de las semanas monitoreadas presentaban un comportamiento fuera del patrón, en la figura 34 se puede observar el resultado, donde se encontró que el comportamiento de la temperatura de diez y siete semanas de las monitoreadas son significativamente diferentes respecto a la semana veintidós, corroborando así lo dicho en el párrafo anterior acerca de la estabilidad de la temperatura en este piloto. En detalle se pueden observar tres grupos principales; en el primer grupo la temperatura oscila en 25°C este grupo está conformado de la semana 1 a la semana 17; en el segundo grupo la temperatura cae a un valor promedio de 19°C de la semana 18 a la semana 21 y por último se encuentra un pico mínimo de T en la semana 22 a la 24.

Figura 34. Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 2.

Fuente (Matlab) Así mismo, para analizar el comportamiento de los datos obtenidos y poder determinar si existe influencia de la temperatura ambiental sobre la temperatura del biodigestor piloto 2 se realizó una prueba t entre las temperaturas promedio del

65

biodigestor y la temperatura ambiental monitoreada en el tiempo del proceso. Los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 6, en la mayoría de los datos el valor de P<0,05 no existe diferencia significativa, más específicamente en 15 de las

24

semanas

monitoreadas

no

presentaron

diferencia

significativa,

corroborando esto que la temperatura ambiental no ejerce una influencia directa en la temperatura del biodigestor, teniendo en cuenta que las condiciones de operación de este prototipo cuentan con adecuación en la zanja esto ayudó a que la mayoría de las semanas monitoreadas tuvieran un comportamiento más estable.

Tabla 6. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 2 y ambiental Semana S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22

Promedio T Desviación T Promedio T Desviación Valor P Biodigestor biodigestor ambiente T ambiente ±3,1 25,7 ±6,7 23,0 0,55 ±1,0 19,0 ±1,0 26,1 <0,01 ±1,1 23,3 ±4,2 28,2 0,12 ±3,4 19,7 ±0,6 23,9 0,09 ±0,5 20,7 ±1,5 26,7 <0,01 ±1,5 22,3 ±0,6 22,0 0,73 ±0,8 21,3 ±1,5 21,2 0,92 ±0,7 20,7 ±1,2 22,5 0,07 ±1,2 22,7 ±3,1 21,7 0,64 ±0,4 22,0 ±1,0 23,6 0,77 ±1,1 21,7 ±2,3 20,6 0,51 ±0,1 21,0 ±2,0 22,5 0,25 ±0,1 19,3 ±1,2 22,7 <0,01 ±0,5 22,7 ±3,1 23,6 0,61 ±0,2 20,0 ±1,0 22,9 <0,01 ±0,8 22,0 ±0,0 23,6 0,02 ±0,2 22,0 ±1,7 23,6 0,19 ±3,6 20,0 ±0,0 19,0 0,65 ±5,1 18,7 ±0,6 16,3 0,47 ±2,6 19,7 ±3,2 19,0 0,79 ±3,2 19,3 ±0,6 18,7 0,74 ±1,5 19,7 ±0,6 12,7 <0,01 66

S23 S24

14,3 15,7

±1,2 19,3 ±3,1 20,3 Fuente (autores)

±0,6 ±1,5

<0,01 0,07

Tiempo de Producción de gas: En el biodigestor 2se determinó un tiempo de retención experimental de33 días. Este Tiempo se determinó al momento en el que el prototipo inicio la producción de gas.

7.1.3 BIODIGESTOR PILOTO 3 En el biodigestor 3 se registró la temperatura cada tres días siempre a las 12:00 del mediodía, durante ocho meses, en la figura 35 se observa el comportamiento de las temperaturas monitoreadas para las condiciones del biodigestor piloto 3.

Figura 35.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor 3.

70,0 60,0

Temperatura °C

50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10S11S12S13S14S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24 Tiempo (semanas) Temp B3D1

Temp B3D2

Temp B3D3

T amb

Fuente (autores) De acuerdo a lo que se observa en la figura 35, se registran 24 semanas de muestreo abreviadas como S1, S2, hasta S24; los días monitoreados en el tiempo fueron martes jueves y sábado y están abreviados como D1, D2, D3; se presentan

67

para las condiciones del biodigestor 3, un total 72 registros del comportamiento de la temperatura en los meses de monitoreo.

El seguimiento de la temperatura en las tres primeras semanas de arranque de los pilotos presentó un comportamiento de manera ascendente, registrando temperaturas de arranque del sistema de 22,1 ± 2.5 °C; 24,6 ±0,7 °C y 26,6 ±0,7 °C en promedio para el biodigestor 3, seguidamente tiene un comportamiento estable hasta la semana 18, donde en el primer día de monitoreo la temperatura tiende al alza pero en el segundo día de monitoreo existe una baja de temperatura que se podría atribuir a las condiciones ambientales del día.

En la figura 36, se puede observar el comportamiento de los promedios de la temperatura registrada semanalmente, donde se observa más detalladamente lo expuesto anteriormente en cuanto a las tres primeras semanas, así como, que la temperatura ambiental no genera una influencia significativa en el comportamiento de la temperatura del biodigestor 3, teniendo en cuenta que el prototipo tiene una protección adicional ya que se encuentra bajo invernadero.

Figura 36.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor 3.

60,0

Temperatura °C

50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

Tiempo (semanas)

Promedio

68

T amb promedio

Fuente (autores) Alos datos de las temperaturas obtenidas se les realizó un análisis de varianza en cual se pudo observar que las medias de las temperaturas a lo largo del tiemposon significativamente diferentes con un valor de P (<0,01), denotando esto que aun cuando la temperatura ambiental no influye en la temperatura interna del biodigestor, si hace que fluctué en un rango muy variable que pude afectar la producción de gas en el sistema en el Anexo 2 se puede observar la tabla del ANOVA. Seguidamente se realizó un análisis de comparación múltiple para determinar cuáles de las semanas monitoreadas presentaban un comportamiento fuera del patrón, en la figura 37 se puede observar el resultado, donde se encontró que el comportamiento de la temperatura de la semana veintitrésy veinticuatro son significativamente diferentes, corroborando así lo dicho en el párrafo anterior acerca de la estabilidad de la temperatura en este piloto. En detalle se pueden observar dos grupos principales; en el primer grupo la temperatura oscila en 25°C este grupo está conformado de la semana 1 a la semana 22 y en el segundo grupo la temperatura presenta a un valor promedio de 35°C en la semana 23. En este grafico se puede observar mejor la estabilidad en el comportamiento de la temperatura ya que los resultados se agrupan bajos dos temperaturas promedio que son relevantes para el proceso de biodigestión de acuerdo a la teoría descrita(Herrero, 2013).

Los resultados obtenidos para el promedio de la

temperatura que está en 25°C son comparados con los obtenidos por el estudio de (Martí-Herrero, (2016) ).

69

Figura 37.Análisis de comparación múltiple para las temperaturas registradas en el biodigestor 3.

Fuente (Matlab) Seguidamente para analizar el comportamiento de los datos obtenidos se realizó una prueba t entre las temperaturas promedio del biodigestor y la temperatura ambiental para evaluar su influencia en el proceso. Tal como se observa en la tabla 7 en la mayoría de los datos de temperatura del biodigestor y la temperatura ambiente no se presentan diferencias significativa (P < 0,05) con un nivel de significancia del 95%, esto se puede observar especialmente en las 17 de las 24 semanas monitoreadas.

Tabla 7. Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor 3 y ambiental.

Semana S1 S2

Promedio T Desviación T Promedio T Desviación Valor P Biodigestor biodigestor ambiente T ambiente 22,1 ±2,5 25,7 ±6,7 0,43 24,6 ±0,7 19,0 ±1,0 <0,01

70

S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24

26,6 22,8 26,0 20,7 20,3 22,7 22,9 23,7 23,0 23,7 23,8 23,4 23,3 23,4 23,6 23,0 20,0 35,3 28,0 23,0 38,4 25,0

±0,7 23,3 ±2,3 19,7 ±1,0 20,7 ±1,1 22,3 ±0,6 21,3 ±0,8 20,7 ±0,7 22,7 ±1,1 22,0 ±0,5 21,7 ±0,2 21,0 ±0,2 19,3 ±0,4 22,7 ±0,5 20,0 ±0,2 22,0 ±0,6 22,0 ±5,0 20,0 ±1,7 18,7 ±2,5 19,7 ±3,0 19,3 ±3,5 19,7 ±17,9 19,3 ±2,6 20,7 Fuente (autores)

±4,2 ±0,6 ±1,5 ±0,6 ±1,5 ±1,2 ±3,1 ±1,0 ±2,3 ±2,0 ±1,2 ±3,1 ±1,0 ±0,0 ±1,7 ±0,0 ±0,6 ±3,2 ±0,6 ±0,6 ±0,6 ±1,5

0,25 0,08 <0,01 0,07 0,34 0,06 0,90 0,12 0,39 0,08 <0,01 0,70 <0,01 <0,01 0,19 0,35 0,27 <0,01 <0,01 0,17 0,13 0,06

Tiempo de Producción de gas: En el biodigestor 3 se determinó un tiempo de retención experimental de20 días. Este Tiempo se determinó al momento en el que el prototipo inicio la producción de gas.

En un análisis global de los sistemas evaluados, para los datos obtenidos en cada piloto, se pudo observar que el comportamiento de la temperatura es más estable en el biodigestor que tiene un recubrimiento en la zanja y está protegido por invernadero, aun cuando estadísticamente se evidencia que la temperatura no tiene una influencia directa en el sistema como para evitar la producción de biogás, si se puede afirmar que estas adecuaciones ayudan al sistema a mantener una temperatura optima en el sistema para que se dé un tiempo de retención más corto en las condiciones medioambientales de la sabana de Bogotá.

71

Figura 38. Comparación de las temperaturas internas y ambiente de los tres biodigestores pilotos.

40,0

Temperatura °C

35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24

Tiempo (semanas) Temp BPD1 Temp BPD2

Temp BPD3

Fuente (autores)

7.1.4. EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL pH. De acuerdo a lo que se observa en la figura 38, el comportamiento del pH, se mantuvo estable a lo largo de los ocho meses de medición, lo cual permitió la producción de gas en el sistema, ya que teóricamente se establece un rango entre 6 y 7,5 en el cual se debe mantener el pH de los biodigestores para su buen funcionamiento (HERRERO, 2008).

72

Figura 39. Comportamiento pH en los biodigestores pilotos.

8,5 8,0

pH

7,5 7,0 6,5 6,0 5,5

Tiempo (semanas)

pH B1

pH B2

Fuente (autores) 7.2.

CRITERIO DE SELECCIÓN DEL PROTOTIPO PARA ESCALADO:

Para la selección del equipo que se escalaria a un mayor volumen se tuvo en cuenta el comportamiento de las temperatura y el menor tiempo de retención, seleccionándose de esta forma el biodigestor piloto 3, en las cuales el comportamiento de la temperatura fue más estable, que se atribuye a sus condiciones de aislamiento de la zanja con icopor, y recubrimiento por medio de un invernadero en plástico, adicionalmente se realizó un recubrimiento en cemento para ayudar con el aislamiento de la zanja como se muestra en la figura 39.

73

Figura 40.Biodigestor a escala 6 m3.

Fuente (autores) 7.3. ANALISIS DEL COMPORTAMIOENTO DEL BIODIGESTOR A ESCALA 6m3 Luego del montaje del biodigestor a escala, se procedió a monitorear el comportamiento de la temperatura en el tiempo, de acuerdo a lo planteado, se registró la temperatura cada tres días siempre a las 12:00 del mediodía, durante un mes, en la figura 40 se observa el comportamiento de las temperaturas monitoreadas para las condiciones del biodigestor piloto a escala 6m3.

74

Figura 41.Comportamiento de la temperatura en las condiciones del biodigestor escala 6m3.

35,0 30,0

Temperatura °C

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 S1

S2

S3

S4

Tiempo (semanas) Temp BPD1

Temp BPD2

Temp BPD3

T amb

Fuente (autores) De acuerdo a lo que se observa en la figura 40, se registran 4 semanas de muestreo abreviadas como S1, S2, hasta S4; los días monitoreados en el tiempo fueron martes jueves y sábado y están abreviados como D1, D2, D3; para un total de 12 registros del comportamiento de la temperatura en el mes de monitoreo.

El seguimiento de la temperatura en las tres primeras semanas de arranque del biodigestor a escala 6m3 presentó un comportamiento de manera ascendente, registrando temperaturas de arranque del sistema de 21,7 ± 1,5 °C; 27,0 ± 2,6 °C y 26,7 ± 3,5 °C en promedio para el biodigestor a escala 6m3, seguidamente tiene un comportamiento estable hasta la semana 4 semana en la cual va la medición de las temperaturas.

En la figura 41, se puede observar el comportamiento de los promedios de la temperatura registrada semanalmente, donde se observa más detalladamente lo expuesto anteriormente en cuanto a las tres primeras semanas, así como, que la

75

temperatura ambiental no genera una influencia significativa en el comportamiento de la temperatura del biodigestor 6m3.

Figura 42.Comportamiento del promedio de la temperatura semanal en las condiciones del biodigestor a escala6m3.

Fuente (autores) 30,0 Temperatura °C

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 S1

S2

S3

Tiempo (semanas)

Promedio

S4

T amb promedio

A los datos de las temperaturas obtenidos se les realizó un análisis de varianza en el que se pudo observar que las medias de las temperaturas a lo largo del tiempo no son significativamente diferentes con un valor de P (0,117), con lo cual se puede establecer que hasta el momento la temperatura del biodigestor a escala está se mantiene estable, esto se ve reflejado que en 25 días se inicia la producción de gas en el sistema, y replica las condiciones seleccionadas, con 5 días de diferencia, en la actualidad el bbiodigestor no se encuentra en su producción total de gas, pero se encuentra inflando el plástico y se le realizó una prueba quemando el gas y dio positiva.

En la figura 42 se puede observar gráficamente el comportamiento de las medias de las temperaturas, donde se evidencia el comportamiento estable en las semanas 2, 3 y 4; en cuanto a la semana 1 que presenta una media diferente se

76

puede atribuir este comportamiento a la estabilidad del sistema ya que es un volumen grande en comparación con los otros sistemas evaluados.

Figura 43.Análisis de comparación de medias para las temperaturas registradas en el biodigestor escala 6m3.

Fuente (Matlab) Seguidamente para analizar el comportamiento de los datos obtenidos se realizó una prueba t entre las temperaturas promedio del biodigestor y la temperatura ambiental para evaluar su influencia en el proceso. Tal como se observa en la tabla 8 en los datos donde el valor de P < 0,05 no existe diferencia significativa, para lo cual en 2 de las 4 semanas monitoreadas no presentaron diferencia significativa.

Tabla 8.Resultados de la prueba T para la temperatura del biodigestor escala 6m3y ambiental.

Semana s1 s2 s3

Promedio T Desviación T Promedio Desviación Valor P biodigestor biodigestor T ambiente T ambiente 21,7 ±1,5 19,7 ±0,6 0,10 27,0 ±2,6 19,3 ±0,6 <0,01 26,7 ±3,5 21,0 ±1,7 0,06 77

s4

26,6

Âą2,7 19,7 Fuente (autores)

Âą1,2

<0,01

El comportamiento del pH en el biodigestor a escala hasta el momento ha presentado un comportamiento estable figura 43, esta variable corrobora el que el sistema haya iniciado la producciĂłn de gas en el tiempo experimental esperado.

Figura 44.Comportamiento pH en los biodigestor a escala 6m3 8,0 7,5

pH

7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 S1

S2

S3

Tiempo (semanas)

Fuente (autores)

78

S4

pH B escala

8. CONCLUSIONES

o De los sistemas evaluados, para los datos obtenidos en cada piloto, se pudo observar que el comportamiento de la temperatura es más estable en el biodigestor piloto 3, ya que tiene un recubrimiento en la zanja y está protegido por invernadero, aun cuando estadísticamente se evidencia que la temperatura ambiental no tiene una influencia directa en el sistema como para evitar la producción de biogás, si se puede concluir que estas adecuaciones ayudan al sistema a mantener una temperatura optima en el sistema para que se dé un tiempo de retención más corto en las condiciones medioambientales de la sabana de Bogotá. o En el monitoreo de la temperatura se concluye que estadísticamente no existe diferencia significativa que influencie el biodigestor por parte de la temperatura ambiental, sin embargo las adecuaciones de infraestructura mantiene la temperatura en el sistema más estable. En cuanto al comportamiento del Ph en los tres sistemas evaluados tuvo un comportamiento

estable

y

se

mantuvo

en

el

rango

establecido

teóricamente, por lo cual se puede concluir que no es relevante las condiciones físicas de operación a las cuales se establezca el sistema, el pH se puede estabilizar por la carga regular de la biomasa. o Las condiciones seleccionadas para la instalación del biodigestor a escala de 6m3, fueron replicables en el mismo ya que se pudo corroborar que el tiempo de retención fue similar al del prototipo seleccionado, concluyendo que el biodigestor escalado mantiene las características funcionales de los pilotos. Por lo tanto se concluye que la eficiencia del proceso fue óptima tanto en el prototipo como en el escalado del proceso.

79

o Cuando se tiene una geografĂ­a elevada sobre el nivel del mar las temperaturas en las noches pueden llegar a ser muy bajas, por lo que un sistema de aislamiento como el aplicado al reactor 3 en el que se efectuo un recubrimiento a la zanja y se aplicĂł un sistema de invernadero al equipo permite mantener estable y disminuir las fluctuaciones de calor al interior del biodigestor que permitan mantener un buen crecimiento microbiano mejorando las condiciones de operaciĂłn.

80

9. RECOMENDACIONES o A lo largo del desarrollo del proyecto, para posteriores investigaciones a futuros estudiantes, se recomienda en las mediciones de temperatura realizarlas con un termómetro que llegue al fondo del biodigestor con el fin de llevar un registro óptimo del funcionamiento del sistema, porque el superficial (5cm) cambia rápidamente de temperatura mientras la parte de lodos es más estable. o Realizar pruebas de llenado con aire antes de hacer la carga al biodigestor, con el fin de no tener escapes de aire y poder realizar las correcciones en el momento debido, revisar los amarres realizados con neumático y

la

instalación de la tubería de salida de gas para el reservorio. o Desarrollar los biodigestores pilotos con los mismos materiales y la misma técnica, verificar la calidad del plástico que sea calibre #8 y con protección U.V para asegurar una duración prolongada y óptima de las pruebas y conocer los comportamientos del biodigestor a escala. o Realizar cálculos por medio de la elaboración de una matriz en Excel para poder llevar a cabo la carga inicial y las cargas programadas. o Buscar sensores de temperatura que puedan soportar humedad, o buscar una forma óptima de hacerlos herméticos, ya que el arduino no se puede exponer a humedad. o asignar un espacio cerrado y techado destinado solamente para los reservorios

81

o para la vรกlvula de seguridad, se hace con una botella plรกstica, que se llena de agua. Esta botella deja escapar el exceso de gas. Es necesario mantener el nivel de agua de la botella.

82

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84

ANEXOS

ANEXO 1.Programación realizada al sensor de temperatura LM35 para mediciones en biodigestores piloto y escala 6m3. 

Gravar datos: esta configuración permite gravar 250 datos por sensor y cada arduino se configuro con 2 sensores.

#include<EEPROM.h> //Librería para controlar la EEPROM de la Arduino floattempC; floattempB; inttempPin = 0; intaddr = 0; //Cantidad de espacios (bytes) iniciales int addr2 = 250; voidsetup() { Serial.begin(9600); //Abre el puerto serial a 9600 bps } voidloop() { tempC = analogRead(tempPin); //Toma los datos del sensor tempC = (5.0 * tempC * 100.0)/1024.0; //Convierte la señal análoga en temperatura Serial.println((byte)tempC); //Envía los datos al computador mediante el puerto serial tempB = analogRead(tempPin2); //Toma los datos del sensor tempB = (5.0 * tempB * 100.0)/1024.0; //Convierte la señal análoga en temperatura Serial.println((byte)tempB); EEPROM.write(addr, tempC); addr = addr + 1; //Por cada dato recibido lo guarda en una de los 512 espacios disponibles en la EEPROM if (addr == 249) //Sí el número total de datos excede los 512 addr = 0; //Borrar todo y comenzar de nuevo EEPROM.write(addr2, tempB); addr2 = addr2 + 1; //Por cada dato recibido lo guarda en una de los 512 espacios disponibles en la EEPROM if (addr == 512) //Sí el número total de datos excede los 512 addr = 0; delay(7200000); //Espera 6 segundos antes de enviar y almacenar la información en la EEPROM y enviarla al computador } 

Leer datos: esta configuración muestra del 1 al 249 los datos del sensor 1 y del 250 al 500 los datos del sensor 2.

/* * EEPROM Read * * Reads the value of each byte of the EEPROM and prints it * to the computer. * This example code is in the public domain. */ #include <EEPROM.h> // start reading from the first byte (address 0) of the EEPROM int address = 0; byte value; void setup() { Serial.begin(9600); } void loop()

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{ // read a byte from the current address of the EEPROM value = EEPROM.read(address); Serial.print(address); Serial.print("\t"); Serial.print(value, DEC); Serial.println(); // advance to the next address of the EEPROM address = address + 1; // there are only 512 bytes of EEPROM, from 0 to 511, so if we're // on address 512, wrap around to address 0 if (address == 512) address = 0; delay(500); }



Formatear: esta configuración elimina los datos de la memoria para realizar de nuevo la configuración.

/* * EEPROM Clear * * Sets all of the bytes of the EEPROM to 0. * This example code is in the public domain. */ #include <EEPROM.h> void setup() { // write a 0 to all 512 bytes of the EEPROM for (inti = 0; i< 512; i++) EEPROM.write(i, 0); // turn the LED on when we're done digitalWrite(13, HIGH); } void loop()

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ANEXO 2.Tabla de resultados del anรกlisis de varianza ANOVA obtenido por Matlab para el biodigestor 1, 2 y 3.

Biodigestor 1.

'Source'

'SS'

'df'

'MS'

'F'

'Prob>F'

'Groups'

1321,50986

23

57,4569505 12,9512881

'Error'

212,946667

48

4,43638889

[]

[]

'Total'

1534,45653

71

[]

[]

[]

1,37E-13

Biodigestor 2.

'Source'

'SS'

'df'

'MS'

'F'

'Prob>F'

'Groups'

1008,795

23

43,8606522 10,4825299

'Error'

200,84

48

4,18416667

[]

[]

'Total'

1209,635

71

[]

[]

[]

'SS' 1222,38986 803,626667 2026,01653

'df' 23 48 71

7,36E-12

Biodigestor 3.

'Source' 'Groups' 'Error' 'Total'

'MS' 'F' 'Prob>F' 53,1473853 3,17445227 0,00036598 16,7422222 [] [] [] [] []

87

ANEXO 3.Tabla de resultados delAnรกlisis de varianza ANOVA obtenido por Matlab para el biodigestor a escala.

'Source' 'Groups' 'Error' 'Total'

'SS' 58,3225 58,06 116,3825

'df' 3 8 11

'MS' 'F' 'Prob>F' 19,4408333 2,67872316 0,1179002 7,2575 [] [] [] [] []

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