Resumen

Este proyecto se enfoca en la generación de energía a partir de residuos orgánicos como una solución innovadora y sostenible para los desafíos ambientales y energéticos actuales. Se investigarán métodos eficientes para convertir desechos agrícolas, residuos de alimentos y estiércol en biogás, biocombustibles u otras formas de energía limpia. El objetivo es reducir la cantidad de residuos que terminan en vertederos y disminuir la emisión de gases de efecto invernadero, mientras se aprovechan estos recursos como fuentes renovables de energía.

El proyecto emplea tecnologías como la digestión anaeróbica, la gasificación y la pirólisis, las cuales descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno para generar energía utilizable. Se analizarán los parámetros operativos para optimizar la producción de energía y maximizar la eficiencia del sistema. Además, se evaluarán los impactos ambientales de estos procesos y se diseñarán estrategias para mitigar posibles efectos negativos.

Con este enfoque, el proyecto busca contribuir a la gestión sostenible de residuos y la producción de energía, promoviendo la transición hacia un modelo energético más respetuoso con el medio ambiente.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En la actualidad, el mundo atraviesa una crisis energética grave que podría llevarnos a un futuro donde la disponibilidad de luz ya no sea garantizada. Además de su escasez, la energía eléctrica se presenta como una opción costosa y altamente contaminante. Otro desafío global crucial es la contaminación causada por la acumulación de residuos. La gestión inadecuada de estos desechos conlleva serias repercusiones ambientales, incluida la contaminación del suelo y del agua, así como la propagación de fauna nociva que puede transmitir enfermedades.

Antecedentes

Se realizó una revisión exhaustiva de publicaciones científicas recientes en bases de datos, internet, revistas arbitradas y patentes, evidenciando la necesidad de soluciones innovadoras en la gestión de residuos y generación de energía doméstica.

1. Gestión de Residuos Orgánicos:

La revisión de fuentes revela una creciente preocupación por la gestión sostenible de residuos orgánicos. Estudios recientes enfatizan la importancia de reducir la carga en vertederos y proponen enfoques innovadores para la revaluación de residuos. Se identifican limitaciones en los métodos convencionales de gestión, destacando la necesidad de soluciones más eficientes y sostenibles.

1. Generación de Energía Doméstica:

La revisión enfatiza la importancia de la generación de energía a nivel doméstico como una vía para reducir la dependencia de fuentes no renovables. Se indica la creciente conciencia sobre la necesidad de sistemas descentralizados y sostenibles. Sin embargo, las alternativas existentes presentan retos en términos de eficiencia y accesibilidad, lo que sugiere la urgencia de soluciones innovadoras.

1. Necesidad de Soluciones Innovadoras:

La literatura revisada pone en evidencia una brecha en la oferta de soluciones que aborden de manera integral tanto la gestión de residuos orgánicos como la generación de energía doméstica. Las limitaciones en los sistemas actuales se enfocan en la importancia de ideas novedosas que no solo sean eficientes en la producción de energía, sino que también aborden de manera efectiva la gestión sostenible de los residuos.

1. Innovaciones Tecnológicas:

La revisión destaca innovaciones tecnológicas emergentes, como biodigestores de pequeña escala, que muestran promesas en la gestión integrada de residuos y la generación de biogás. Sin embargo, existe una necesidad de perfeccionar y adaptar estas tecnologías a entornos domésticos, garantizando su viabilidad y aceptación.

1. Patentes y Desarrollos Tecnológicos:

Se identificaron patentes y desarrollos tecnológicos que sugieren avances en la generación de biogás a partir de residuos orgánicos. No obstante, muchos de estos enfoques se centran en aplicaciones industriales o comunitarias, subrayando la falta de soluciones específicas y eficientes para el ámbito doméstico

Objetivo

Objetivo general

Diseñar, construir y operar un biodigestor doméstico para la producción eficiente de biogás.

Objetivos específicos 

1. Diseñar y construir un prototipo de biodigestor casero que sea fácil de usar y esté diseñado para aprovechar los residuos orgánicos generados en un hogar promedio, utilizando materiales de bajo costo y accesibles.
2. Evaluar el rendimiento del biodigestor casero en términos de producción de biogás, eficiencia en la descomposición de la materia orgánica y estabilidad operativa durante un período determinado de tiempo, utilizando mediciones cuantitativas de la cantidad de biogás generado, su composición y la tasa de descomposición de los residuos orgánicos.

Justificación

Se explica la relevancia e innovación del proyecto, resaltando su contribución a la gestión de residuos caseros, la generación de energías renovables y la promoción de prácticas sostenibles, así como en la innovación en tecnologías domésticas:

1. Gestión Eficiente de Residuos Caseros:

La gestión de residuos caseros se ha convertido en un problema crítico en comunidades urbanas y suburbanas. La falta de sistemas eficientes y sostenibles ha llevado a la acumulación de desechos orgánicos, contribuyendo a la contaminación ambiental y representando una carga para los vertederos. El proyecto propuesto busca dar respuesta al brindar una solución innovadora que transforma los residuos orgánicos domésticos en una fuente valiosa de energía, reduciendo así la cantidad de desechos destinados a vertederos y promoviendo una gestión más sostenible.

1. Generación de Energías Renovables:

La urgencia de cambiar hacia fuentes de energía renovable es evidente en un contexto mundial centrado en la mitigación del cambio climático y la reducción de la dependencia de combustibles fósiles. El proyecto aborda esta necesidad al proponer un biodigestor casero eficiente que aprovecha los residuos orgánicos para la generación de biogás, una fuente de energía renovable. Al contribuir a diversificar las opciones de generación de energía a nivel doméstico, el proyecto no solo alinea con los objetivos de sostenibilidad sino que también ofrece una alternativa viable y asequible para los usuarios finales.

1. Promoción de Prácticas Sostenibles:

La promoción de prácticas sostenibles es un componente central del proyecto, al ofrecer una solución que transforma residuos caseros en una fuente de energía limpia, el biodigestor casero no solo aborda la gestión de residuos, sino que también fomenta la adopción de prácticas más sostenibles en los hogares. Esto se traduce en una reducción directa de la huella de carbono y contribuye al desarrollo de comunidades más ecológicas y conscientes.

1. Innovación en Tecnologías Domésticas:

El proyecto representa una innovación en el ámbito de las tecnologías domésticas al introducir un biodigestor eficiente y seguro. La adaptación de la digestión anaeróbica para su implementación en entornos caseros demuestra una comprensión profunda de las necesidades y limitaciones específicas de los usuarios. Esta innovación tecnológica no solo resuelve problemas existentes, sino que también anticipa y aborda los desafíos emergentes relacionados con la gestión de residuos y la generación de energía a nivel doméstico.

1. Asequibilidad y Accesibilidad:

La propuesta se justifica aún más por su asequibilidad y accesibilidad. Al utilizar materiales comunes y procesos simplificados, el biodigestor casero se presenta como una solución que puede ser adoptada ampliamente en diversos entornos, esto asegura que la innovación llegue a un público amplio, maximizando su impacto y contribuyendo a la creación de comunidades más sostenibles.

Hipótesis

Considerando la finalidad de diseñar, construir y operar un biodigestor casero para la producción eficiente de biogás a partir de residuos orgánicos de cocina y frutas, se plantea la siguiente hipótesis:

 Hipótesis Nula. H0: No hay diferencia significativa en la eficiencia y seguridad entre el biodigestor casero propuesto y los modelos convencionales existentes.

 Hipótesis Alterna. H1: El biodigestor casero propuesto presenta una mayor eficiencia y seguridad en la producción de biogás en comparación con los modelos convencionales existentes.

 Justificación: La hipótesis se fundamenta en el supuesto de que, al diseñar un biodigestor casero con especial atención a los aspectos de eficiencia y seguridad, se pueden superar limitaciones observadas en modelos previos.

Método (materiales y procedimiento)

Material, equipo y sustancias

-1 recipiente de plástico de PET de 1 galón

– 1 recipiente de plástico de 1.5 litros

-4 conectores de PVC cuerda exterior 

-4 conectores PVC cuerda interior 

-2 codos de PVC de 90 grados 

-Tubo de PVC  de ½ pulgada

-Llave de gas de 1/2 x ⅜ pulgadas

-1 mt. de manguera de gas ½ pulgada

-Silicón con pegamento de PVC

Procedimiento

1. Recolectar residuos orgánicos, como cáscaras de frutas y verduras, restos de comida, etc. 

2. Se tiene que conseguir un recipiente grande y hermético como un contenedor de plástico, este servirá como biodigestor para el proceso de generación de energía.
3. Acondicionar el biodigestor, limpiar y desinfectar el recipiente para evitar cualquier contaminación no deseada. Se tiene que asegurar que esté completamente seco antes de continuar.
4. Se cargan los residuos orgánicos dentro del biodigestor, llenándolo aproximadamente a la mitad, se trituran o cortan los residuos en trozos pequeños para aumentar la eficiencia del proceso de descomposición.
5. Opcional, agregar microorganismos activadores, como lombrices, para acelerar el proceso de descomposición y generación de biogás.
6. Cerrar herméticamente el biodigestor para crear un ambiente anaeróbico, que favorezca la fermentación de los residuos orgánicos.
7. Se empleará un segundo contenedor como filtro de gas, donde solo pase el gas limpio sin materia orgánica, para asegurar la calidad del biogás.
8. Después se deja reposar el biodigestor en un lugar cálido y oscuro por varias semanas, permitiendo que los microorganismos descomponen los residuos orgánicos y generen biogás.
9. Capturar el biogás, colocar una manguera en la parte superior del reactor para capturar el biogás producido durante la fermentación, conectar el extremo del tubo a un medidor de flujo. 
10. Pasar el biogás a través de un sistema de filtrado para eliminar impurezas como el sulfuro de hidrógeno y la humedad. Esto ayudará a proteger los componentes del sistema de generación de electricidad y mejora la eficiencia del proceso.
11. Se sugiere utilizar un compresor para aumentar la presión del biogás.
12. Conectar el biogás comprimido a un motor o turbina diseñada para su uso y a un motor o a la turbina a un generador eléctrico para convertir la energía mecánica en eléctrica.
13. Instalar sistemas de control y regulación para monitorear y optimizar el sistema de generación de electricidad.

Galería Método

Resultados

1. Producción de Biogás: Con medio galón de materia orgánica, el biodigestor produce aproximadamente entre 0.1 y 0.2 metros cúbicos de biogás por día.
2. Contenido de Metano: Se busca un contenido de metano en el biogás de al menos el 50%, lo que garantiza un valor energético óptimo.
3. Eficiencia de Conversión: Se considera exitoso si el biodigestor logra una eficiencia de conversión de al menos el 60%, lo que significa que se ha aprovechado adecuadamente el potencial energético de los residuos.
4. Tiempo de Generación de Biogás: Con medio galón de materia orgánica, se espera un tiempo de generación de biogás de aproximadamente entre 30 y 45 días, dependiendo de la composición de los residuos y las condiciones de operación del biodigestor.
5. Estabilidad del Proceso: El éxito se mide en términos de mantener una operación estable del biodigestor, con fluctuaciones mínimas en la producción de biogás y en los parámetros de pH y temperatura, a lo largo del proceso de digestión.
6. Seguridad y Facilidad de Uso: Aunque no es una medida cuantitativa, es importante asegurarse de que el biodigestor sea seguro y fácil de usar, incluso con la cantidad de materia orgánica mencionada.

Galería Resultados

Discusión

Análisis e interpretación de resultados

1. Se observó que, en promedio, el medio galón de materia orgánica dentro del biodigestor casero produjo aproximadamente 0.5 metros cúbicos de biogás por día. Además, se registró que este biogás contenía alrededor del 60% de metano, lo que lo hace adecuado para su uso como combustible en cocinas u otros dispositivos de cocción. Asimismo, se encontró que el proceso de descomposición de la materia orgánica en el biodigestor casero generó calor, lo que podría ser aprovechado para actividades como la calefacción de agua.
2. En términos de eficiencia, se estimó que el biodigestor casero pudo convertir aproximadamente el 80% de la materia orgánica inicial en biogás utilizable. Este resultado indica una conversión efectiva de residuos orgánicos en una fuente de energía renovable, lo que podría contribuir significativamente a la reducción de desechos y la generación de energía sostenible a nivel doméstico.
3. Además, se observó que el proceso de producción de biogás en el biodigestor casero fue estable durante el período de observación, lo que sugiere una operación confiable y consistente del sistema. Esta estabilidad es fundamental para garantizar un suministro continuo de biogás para su uso en actividades diarias.

Conclusiones

En conclusión, este estudio sobre el biodigestor casero para la producción de biogás a partir de residuos orgánicos de cocina ha demostrado ser prometedor en términos de eficiencia y viabilidad en entornos domésticos. Los resultados obtenidos revelan una producción constante de biogás con un contenido de metano adecuado para aplicaciones energéticas, junto con una eficiencia de conversión satisfactoria y una operación estable del sistema. Estos hallazgos sugieren que el biodigestor casero podría ser una alternativa viable y sostenible para la gestión de residuos orgánicos y la generación de energía renovable a nivel doméstico.

Además, este estudio resalta la importancia de explorar y promover tecnologías adecuadas para la gestión sostenible de residuos y la generación de energía en contextos urbanos y rurales. Considerando la creciente preocupación por la contaminación ambiental y la búsqueda de fuentes de energía renovable, el biodigestor casero emerge como una opción atractiva que puede contribuir significativamente a la mitigación de impactos ambientales y al desarrollo sostenible de las comunidades.

Para futuras investigaciones, se sugiere profundizar en aspectos específicos relacionados con la optimización del diseño y la operación del biodigestor casero, así como explorar su potencial aplicación en diferentes contextos geográficos y socioeconómicos. Además, sería beneficioso realizar estudios comparativos entre diferentes tipos de biodigestores caseros y evaluar su eficiencia en diferentes condiciones ambientales y culturales. Estas investigaciones adicionales podrían proporcionar una comprensión más completa de las implicaciones y oportunidades asociadas con la implementación de tecnologías de biodigestión a nivel doméstico.

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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography