UNIVERSIDAD NACIONAL DE UCAYALI VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN VICERRECTORADO DIRECCIÓN GENERAL DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
PROYECTO DE INVESTIGACION FORMATIVA Título: Cálculo de la Producción de Metano Generado por Distintos Restos Orgánicos.
Facultad
: Ciencias Agropecuarias
Carrera
: Ingeniero Agrónomo
I.
PROBLEMA
1.1. Título descriptivo del proyecto. Cálculo de la Producción de Metano Generado por Distintos Restos Orgánicos.
1.2. Formulación del problema. La asignatura de química orgánica como curso básico, es de vital importancia su conocimiento para los estudiantes de la carrera de Ingeniería Agrónomo; el mismo que se imparte con carácter teórico y práctico. Y teniendo como uno de sus objetivos el conocimiento de los alcanos, dentro de ellos el metano (CH 4), hidrocarburo que viene siendo aprovechado como biogás en diferentes zonas rurales del Perú. La importancia de la producción de biogás en el Perú sobre todo en zonas rurales, se ha incrementado en los últimos años. Tal producción es uno de los caminos estratégicos, elegido por el gobierno tendiente a reducir la emisión de gases tóxicos emitidos por los combustibles, para proteger el medio ambiente. La aplicación del proceso de digestión anaeróbica para el tratamiento de restos orgánicos sólidos y semi-sólidos se ha incrementado en los últimos años en diversos países entre ellos el Perú. El aumento de la aplicación de la técnica de degradación de la materia, viene alcanzando un gran logro en el gobierno peruano, quien financia parte de la construcción de biodigestores en áreas rurales para que sus habitantes posean plantas generadoras de electricidad.
1.3. Objetivos de la investigación. Objetivo general
Proponer una expresión matemática que describa el proceso de generación de metano (por Distintos Restos Orgánicos) en un equipo piloto, como alternativa para conocer la evolución del proceso productivo de metano en un digestor.
Objetivos específicos
Realizar la parte experimental teniendo como materia prima, el excremento de vaca, excremento de cerdo y una mezcla de resto de silo y maíz. Donde l a fuente de excremento de vaca y ejecución de la experiencia, se recolectara y ejecutara en la UNU – Perú.
1.4. Justificación. El proyecto de investigación formativa planteado, permitirá a los estudiantes del III ciclo de la carrera de ingeniería agrónomo poner en práctica los conocimientos adquiridos en clase, aplicando método científico como herramienta de investigación para el análisis de los aspectos de plantear una expresión matemática que describa el proceso de generación de metano en un digestor, a partir de la colección y sistematización de datos de temperatura, pH, cantidad de metano producido, solidos suspendidos totales y volátiles, con la finalidad de calcular la producción de metano a partir de la degradación de diferentes sustratos orgánicos.
II. MARCO DE REFERENCIA. 2.1. Fundamentos teóricos Un biodigestor es un sistema sencillo de conseguir solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales. En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como excremento y desechos vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de hidropresión y postratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento
fenómenos climáticos. Tipos: Existen dos tipos generales de biodigestores: el sistema Hindú y el Chino. El biodigestor hindú fue desarrollado en la India después de la segunda guerra mundial en los años 50, surgió por necesidad ya que los campesinos necesitaban combustible para los tractores y calefacción para sus hogares en época de invierno, luego cuando terminó la guerra se volvió a conseguir combustibles fósiles por lo que dejaron los biodigestores y volvieron a los hidrocarburos. Como India es pobre en combustibles se organizó el proyecto KVICK (Kaddi Village Industri Commision) de donde salió el digestor Hindú y el nombre del combustible obtenido conocido como biogás. Este digestor trabaja a presión constante y es muy fácil su operación ya que fue ideado para ser manejado por campesinos de muy poca preparación. El biodigestor chino fue desarrollado al observar el éxito del biodigestor Hindú, el gobierno chino adaptó esta tecnología a sus propias necesidades, ya que el problema en China no era energético sino sanitario. Los Chinos se deshicieron de las heces humanas en el área rural y al mismo tiempo obtuvieron abono orgánico, con el biodigestor se eliminan los malos olores y al mismo tiempo se obtiene gas para las cocinas y el alumbrado. El biodigestor chino funciona con presión variable ya que el objetivo no es producir gas sino el abono orgánico ya procesado. 2.2. Antecedentes del problema. El potencial para el uso de la biomasa como fuente de energía en el Perú es bastante
Por ello, el uso de biodigestores se debe considerar como compromiso de mediano a largo plazo, ya que tiene rentabilidad favorable por los diversos planes que ofertan los programas bioenergéticos, además de los beneficios que obtendrían los ganaderos con la puesta en prueba de este nuevo y muy rentable producto. 2.3. Elaboración de Hipótesis. El cálculo matemático adecuado, permitirá describir el proceso de generación de metano (por Distintos Restos Orgánicos) en un equipo piloto, como alternativa para conocer la evolución del proceso productivo de metano en un digestor.
2.4. Identificación de las variables. Variables independientes
Centro de producción de ganado del establo de la UNU (X). X1 = Excremento de vaca X2 = Excremento Cerdo X3 = Mezcla de Silo y Maíz
Variables dependientes Cantidad
de metano producido
de biogás el cual fue elaborada por el Dr. Schulz H. Institute of Technology and Biosystems Engineering – Branschweig – Germany. (1996). Los estudiantes serán capacitados en la aplicación del cálculo matemático a aplicarse para la producción de metano generado por distintos restos orgánicos. 3.1.2.
Fase de análisis: La producción de metano generado por distintos restos orgánicos, se realizará utilizando la siguiente expresión matemática:
4 =
4
∗
1
Donde:
4 : es el volumen de metano generado : es el volumen de materia dispuesta en el recinto fermentador : es el tiempo considerado
3.1.3. Materiales y equipos: Laptop. Información de procesos de digestión y de expresiones matemáticas para el cálculo de la producción de metano. Procedimiento de cálculo de la producción de metano.
El Dr Schulz H. (1996) llevó a cabo un gran número de experiencias, para con el fin de contar con mayor información sobre la duración de la digestión, que permite el agotamiento de los sólidos volátiles, trabajando a diferentes temperaturas, según se presenta en la Figura N° 1.
Figura N° 1. Producción de gas a partir de la degradación de materia orgánica sometida a diferentes temperaturas. La figura N° 1, muestra la cantidad total de gas producido por
valor posible, es decir la máxima cantidad de metano que puede generar el resto orgánico que se encuentra dentro del
fermentador.
M gen=
∗ ( 1 −/ )
La investigación será descriptiva y experimental, con técnica de muestreo paramétricas.
3.4. Índice analítico tentativo del proyecto. 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA, Se formula el problema a investigar, se fija los objetivos, justificación y limitaciones del proyecto. 2. MA R C O TE ÓR IC O, Se formula los fundamentos teóricos. Antecedentes del problema, Elaboración de Hipótesis, y la identificación de las variables. 3. ME TODOL OG ÍA , Se diseña las técnicas de recolección de información, Población y muestra, Técnicas de análisis y la guía de trabajo de campo. 4. AS PE CTOS ADMINISTR ATIVOS, Se elabora las necesidades de Recursos Humanos, Presupuesto y el Cronograma. 5. B IB LIOG R A FÍA , Se presenta la bibliografía consultada. 3.5. Guía de práctica de campo El trabajo se inicia con un taller donde se planificara, para luego capacitar respecto al cálculo matemático a aplicarse para la producción
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
TAKESKI CARHUA ROMERO KESTRIN TORRES RENGIFO CRISTOFER YACHI HUACHO R. MELSSA CRUS QUINO FRANKLIN SANTIAGO MURGA RUSSELL DAVID FALCON DIAZ HENDRIX HIDALGO ISUIZA VICTOR CAMPOS MURRIETA ANDRIOS MACEDO NAVARRO LUGWIN CHOTA TRUJILLO GRECIA VALERA GUILLEN ROY DEYVI SANTOS MALLQUI
4.2. Presupuesto. N°
Materiales e insumos
Unidad
Costo total (S/.)
1.2. Aprobación del proyecto.
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1.3. Reuniones de trabajo, talleres, capacitación y revisión de información sobre el cálculo de la Producción de Metano Generado por Distintos Restos Orgánicos.
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2. Fase de Análisis
2.1. Colección de datos de agentes químicos más utilizados en el laboratorio de químicas de la UNU. 2.2. Análisis de los resultados.
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3. Fase de preparación de informe y publicación 3.1. Capacitación para la elaboración de informe técnico.
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3.2. Capacitación para la elaboración de artículo científico.
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3.3. Presentación del Informe Técnico y borrador del artículo científico para publicación.
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V. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
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