Resumen

La generación de desechos sólidos aqueja a nuestro país de manera severa no sólo alterando la fisonomía del paisaje en forma de contaminación visual, que constituyen el ambiente como el aire, suelo y agua. Utilizando un análisis que va de lo deductivo a lo inductivo de las diversas fuentes de información consultadas de 3 años atrás, se puede denotar que la significancia del nivel de impacto que causa los residuos sólidos es de gran manera significativa.

Este proyecto da una alternativa de solución a este grave problema, con el diseño de una máquina generadora de biogás adecuada a nuestra realidad, desarrollada con la utilización de una metodología para desarrollo de productos que satisfagan las necesidades de usuarios o consumidores. Se realiza el análisis de factibilidad técnica y rentabilidad económica con la finalidad de evaluar la posibilidad de ofrecer tecnología verde al mercado nacional. El trabajo presenta una solución viable de producción de biogás para suplir necesidades energéticas y abono orgánico útil para enriquecer suelos de cultivos a nivel doméstico, además de reducir la contaminación ambiental y emisión de gases de efecto invernadero.

Los resultados esperados del presente trabajo consisten en desarrollar un biodigestor horizontal  a escala doméstica, para obtener biogás de manera continua a base de desechos orgánicos (verduras, frutas, plantas.), a  un costo por debajo del (gas L.P.). Cabe mencionar que el biogás producido cuenta con las mismas características físico-químicas que el comercial (gas L.P.).

Así como generar una composta orgánica  que funja como abono para plantas y cultivos.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La contaminación ambiental, la disminución de la biodiversidad, la tala de grandes áreas de selvas y bosques, la explotación excesiva de recursos marinos y agrícolas, demuestra que el sistema capitalista actual representa una amenaza al stock de muchos recursos naturales no renovables. Es necesario que se tomen medidas por parte de los gobiernos, que la legislación sea acorde a la situación actual y que las personas tomen conciencia de la importancia del tema y cambien ciertas actitudes o estilos de vida que tienen consecuencias ambientales negativas.

La basura orgánica es la que se produce de restos de seres vivos. Se consideran desechos orgánicos a los restos de plantas como hojas, ramas, cáscaras, frutos en descomposición, restos de frutas o verduras, estiércol, huesos, telas de fibras naturales como el lino, la seda y el algodón, el papel, entre otros. Esta basura es biodegradable, se puede descomponer y a través de ella obtener abono orgánico o composta. (Ver figura 1).

Figura 1. Desechos orgánicos [1].

La basura orgánica es muy importante para abonar naturalmente la tierra, por eso, es bueno que la separemos y la podamos aprovechar. Si tienes jardín o una pequeña huerta, es preferible que utilices una composta hecha en casa con restos de alimentos y otros materiales biodegradables antes que utilizar químicos que pueden ser peligrosos para la salud, especialmente si se consumirán los frutos de lo que estamos sembrando.

Antecedentes

Para producir gas en una granja debe tener por lo menos el estiércol de una vaca adulta o de un caballo o de un mular o de dos burros que permanezcan encerrados por lo menos doce horas diarias en una pesebrera, o diez ovejas o cabras o cerdos en levante o tres cerdas de cría encorraladas, quince conejas o cualquier revoltura de animales que le produzcan 10 kg diarios de estiércol fresco. Un biodigestor se compone de las siguientes partes, (ver figura 2 y 3).

* La fosa.

* Bolsa o campana.

* Salida del biogás.

* Válvula de seguridad.

* Tubos conductores del gas.

* Quemador del fogón

Figura 2. Fosa de un biodigestor subterráneo.

Figura 3. Diseño de biodigestor.

Biodigestor tipo chino.

La característica de este modelo es que no posee gasómetro, tiene una bóveda en la parte superior donde se acumula el biogás, requiere de bastante experiencia en su construcción ya que si la bóveda no está bien construida la presión del gas puede romperla, el generador está completamente construido en concreto, parecido a los aljibes de nuestra zona. (Ver figura 4).

Figura 4. Biodigestor tipo chino

Biodigestores de desplazamiento horizontal

Este modelo puede tratar residuos cloacales de localidades que no cuenten con servicios de cloacas, hay un modelo sencillo y económico que puede fabricarse con un silo bolsa de los que se utilizan para guardar forrajes. (Ver figuras 5).

Figura 5. Biodigestor de desplazamiento horizontal.

Objetivo

Diseñar y desarrollar un biodigestor horizontal compacto y económico para producir biogás y a su vez generar  abono orgánico. A partir de la descomposición de desechos sólidos orgánicos podemos obtener biogás y así suplir las necesidades energéticas de gas Lp., reduciendo la sobre explotación de los recursos no renovables. Así como obtener una composta que funja como fertilizante natural para  suelos y cultivos a pequeña escala. (Ver figura 6).

Justificación

Buscar las mejores condiciones para el funcionamiento y manejo seguro de un Eco-Biodigestor Horizontal  aprovechando la materia orgánica.

El construir un Eco-Biodigestor Horizontal  para  ayudar a la economía y al medio ambiente. Gracias a la construcción del Biodigestor nos  damos cuenta que los desechos orgánicos son una fuente muy rica de la que podemos obtener un combustible tan requerido como el gas.

Hipótesis

Elaborar un Eco-Biodigestor Horizontal capaz de ser manipulado fácilmente, además deberá ser seguro en su operación, de bajo costo, de fácil mantenimiento y que pueda ser controlado por una sola persona sin ponerla en riesgo en el proceso de generación de biogás.

Además desarrollar tecnología verde teniendo como base la utilización de desechos orgánicos generados por la población para la generación de biogás que llegaría a sustituir al gas Lp.

Método (materiales y procedimiento)

La metodología empleada en nuestra investigación, es la utilizada para desarrollar productos diferentes a los existentes que satisfagan las necesidades de un grupo de usuarios o consumidores, la cual inicia:

1. Estudio de mercado. Consistió en realizar un estudio amplio y minucioso de la oferta, demanda, precios y forma de comercializar el biodigestor, que nos permita conocer la viabilidad del producto en el mercado, así como sus ventajas y desventajas.
2. Características del producto. Se establecen los objetivos (generales y específicos), criterios de diseño, especificaciones y restricciones del producto satisfactor.
3. Bosquejos previos. Plasmar la mejor solución posible en un dibujo que muestre las formas y elementos del biodigestor que den respuesta a los criterios de diseño.
4. Esquemas. Utilizar símbolos normalizados para la representación de la interacción de los elementos y mecanismos del biodigestor que actúan en la transmisión de los movimientos a diversos órganos y los aparatos de mando a distancia.
5. Cálculos. Utilizar los procedimientos técnicos para determinar la geometría, materiales y dimensiones de todos los componentes del biodigestor.
6. Dibujos de estudio. Realizar el ensamble de todos los componentes, afín de detectar errores o faltantes en los elementos de máquina
7. Prototipo. Consiste en la construcción del biodigestor utilizando diferentes procesos de fabricación tales como soldadura, corte, doblez y maquinados.
8. Pruebas de funcionamiento. Realizar un programa de pruebas que permitan satisfacer plenamente lo especificado inicialmente: hermeticidad, consumo de energía, producción de biogás y determinación teórica y práctica del poder calorífico. En caso de que alguna prueba resultara insatisfactoria se realizarían ajustes y modificaciones pertinentes.
9. Dibujos de detalle. Definir cada una de las piezas que forman el producto (estructura, tanques de mezclado y almacenamiento, palas, eje horizontal, motor eléctrico, cadenas, catarinas, rodajas, cinchos, tubería, válvulas y compresor) estableciendo sus formas geométricas, dimensiones nominales, tolerancias, material de que está hecha la pieza, tratamientos en su caso y acabados en su caso para cada pieza.
10. Dibujos de conjunto. Definir la relación física que guardan las piezas que los integran, la identificación con números o letras de cada una de las piezas que forman el sistema y se muestra el número de ellas que intervienen en cada conjunto.

Características del producto

Especificaciones:

• Tanque para la mezcla de la materia prima 300 L.
• Tanque de almacenamiento del biogás 75 L.

Criterios de diseño:

• Fácil transportación.
• Fácil mantenimiento.
• Fácil operación.
• Resistente a la corrosión e intemperie.
• De bajo costo.

Figura 7. Vistas del Eco-Biodigestor Horizontal.

Dibujo previo ( Ver figura 8).

Figura 8. Bosquejo del biodigestor.

Esquemas (Figuras 9 y 10).

Figura 9.    Esquema cinemático.

Figura 10. Esquema eléctrico.

Cálculos (tabla 1).

Tabla 1. Resumen de los principales cálculos.

Dibujo de estudio (figura 11).

Figura 11. Isométrico del biodigestor horizontal.

• Pruebas de funcionamiento

Las pruebas a las que fue sometido el biodigestor horizontal son:

1. Prueba de fugas y hermeticidad

Figura 12. Se inyecta aire para verificar que no halla fugas en las conexiones.

2. Medición de corriente, voltaje.

Fugura 13. Verificacion de voltaje.

3. Producción de biogás.

Se describe a continuación la de producción de biogás.

Procedimiento. Abrir la tapa de nuestro reservorio para almacenar la materia orgánica y vaciar 20 kg en cada carga para 5 horas de combustión, Después de cerrar bien el tapón. (Figura 14,15 y 16)

Figura 14. Carga de materia orgánica

Figura 15. Vertiendo la  materia orgánica.

Figura 16. Cerrando la tapa del tanque de almacenamiento.

Energizar la máquina y dejarla trabajar aproximadamente una hora, a fin de lograr la descomposición de la materia orgánica y aproximadamente 48 horas después, volvemos a encender la máquina y la dejamos trabajar nuevamente una hora para que se comience a generar biogás.    (Ver figura 17)

Figura 17. Accionando el botón de arranque.

Después de 48 horas de haber dejado reposar la mezcla procedemos a abrir nuestra llave del tanque de para que valla saliendo biogás. Después abrir válvulas de escape para comenzar a utilizar el biogás. (Ver Figura 18)

Figura 18. Ejemplo de aplicación de biogás.

Extraer el biofertilizante abriendo el tapón de la parte inferior del tanque de mezclado, primero saldrá líquido, luego extraemos nuestro bioabono.

Aparatos y equipo utilizado.

Materia orgánica, levadura, agua y el Eco-Biodigestor Horizontal.

Resultados. Se obtienen 10 litros de biogás y 10 kg de materia para composta.

Galería Método

Resultados

Estudio de mercado

Por medio del estudio se obtuvieron resultados satisfactorios de nuestro producto; como se ve a continuación en las siguientes graficas (figuras 19, 20,21, 22  y 23).

 Figura 19. Conocimiento de combustible.

 Figura 20. Combustible que utiliza.

 Figura 21. Conocimiento de materia prima que genera biogás.

 Figura 22. Conocimiento de equipos que generan biogás.

Figura 23. Ayuda a la economía familiar.

Los datos obtenidos por la encuesta, y las gráficas realizadas con estos mismos;  nos muestran que existe público que se interesa por nuestro equipo, lo cual nos genera una posibilidad de seguir desarrollando y mejorando, así como modificando nuestra propuesta para diseñar y construir un equipo que genere biogás a partir de desechos orgánicos, también nos damos cuenta en el interés de las personas en este tipo de tecnología ya que esto conlleva a una mejora económica para el público consumidor que adquiera nuestro equipo.

Estudio económico (tabla 2).

Tabla 2. Costos estándar de fabricación del prototipo.

• Estudio físico-químico del Biogás

Así mismo se realizó un estudio de las propiedades físico químicas del biogás que se obtuvo y se puede constatar que es lo suficientemente competitivo con el gas Lp., y gas natural. (Ver figura 24).

Figura 24. Resultados del estudio físico-químico del biogás.

Resultados. Se obtienen 10 litros de biogás y 10 kg de materia para composta.

Galería Resultados

Discusión

Discusión

En aspectos ambientales reduce la emisión de gases efecto invernadero: sabiendo que un kg de materia orgánica produce 0,33 kg de gas metano el cual produce y acelera el efecto invernadero.

El Eco-Biodigestor Horizontal  puede almacenar perfectamente 20 kg de materia orgánica sin ningún problema, tiempo de reacción para la producción de biogás es de 2 a 3 días esto quiere decir que se estará vertiendo 960 kg de materia orgánica anual, por equipo lo cual representa que se estará evitando que 316,8 kg de gas se escape a la atmosfera logrando la reducción en la producción de gas efecto invernadero y al mismo tiempo estamos produciendo un energético alterno.

Para la obtención del biogás solo se necesitará obtener desechos orgánicos, el cual se podrá utilizar en cualquier sistema de combustión a gas y presenta un poder calorífico de 34 352,7 kJ/kg, el cual es más efectivo que el gas LP. Por ejemplo, si un litro de agua tarda 20 min en hervir con el uso del gas LP con el biogás solo tardara 15 min para llegar a la misma temperatura.

Conclusiones

El proyecto fue desarrollado siguiendo la metodología que permitió crear una máquina innovadora y de calidad con una resistencia, que cumple con los objetivos y especificaciones planteadas, logrando la construcción de un Eco-Biodigestor horizontal, de fácil operación, transportación, mantenimiento y sobre todo de bajo costo. Utilizando los desechos orgánicos para la generación de energías alternativas, que permitan utilizar nuevas tecnologías en el desarrollo sostenible del país, además de contribuir a reducir la contaminación ambiental y emisión de gases de efecto invernadero.

De acuerdo a los resultados obtenidos pudimos constatar que nuestro producto es viable al ser capaz de generar y almacenar biogás y se puede instalar sin ningún problema en hogares y empresas pequeñas.

Bibliografía

[1] desconocido. (2013). chimalhuacan basura. 2013, de blogsport Sitio web: http://2.bp.blogspot.com/_SXeUQsELDaI/TG-JPM4ktKI/AAAAAAAAI0k/XgGZgDfO9lY/s1600/chumalhuacan+basura.jpg

[2] desconocido. (2013-2017). desechos organicos. 2017, de definicion abc Sitio web: https://www.definicionabc.com/medio-ambiente/desechos-organicos.php

[3] Basic Information on Biogas, www.kolumbus.fi, consultado 20/07/2008.

[4] Gestión integral de residuos sólidos, Tchobanoglous, Theise, Vigil (1994

[5] http://www.biogas.es Biogás

[6] http://www.textoscientificos.com/energia/biogas

[7] http://www.green-humanity.com/biogas.html

[8] http://www.textoscientificos.com/energia/biogas/usos

[9] http://www.gateinternational.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigest vol1. pdf

[10] Biodigestor.JPG

[11] Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett. (1984) Diseño de ingeniería mecánica de Shigley  9^a edición. México, Mc-Graw Hill.

[12] Chevalier. (2000) Dibujo industrial. México, Limusa.

[13] Lavín, Rubín, Balderas (1996). Estadística para administración y economía. 7ª ed. Prentice Hall.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography