optimizacion de biogas

8/6/2019 optimizacion de biogas

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OPTIMIZACION DEL TIEMPO DE RETENCION DEL BIOGAS 2010

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DEDICATORIA:

D edicamos el presente trabajo a D ios que nos ilumina da con da a seguir lasenda del esfuerzo y dedicacin. A nuestros padres y familiares que con susesfuerzos y sacrificios velan por nuestro bienestar, nuestra educacin y nuestro

progreso como estudiantes y buenos ciudadanos. A nuestra querida Alma Mater y nuestra gloriosa escuela que nos ha acogido como un templo de saber y

conocimiento.


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INDICE

INTRODUCCIN 5

OBJETIVOS DEL PROYECTO 6

DEFINICION DEL BIODIGESTOR 6

GENERALIDADES DEL BIOGAS 8

PRODUCCION ANEROBICA DE BIOGAS 9

CONCEPTOS BASICOS SOBRE LA DIGESTION ANAEROBICA 12

CICLO DEL NITROGENO 13

CICLO DEL CARBONO 14

EL PROCESO DE DIGESTION ANAEROBIA 16

PRODUCTOS FINALES 16

EL PROCESO MICROBIOLOGICO Y BIOQUIMICO DE LA DIGESTION 18

BIOMETANIZACION 20

HIDRLISIS 20

ETAPA FERMENTATIVA O ACIDOGENICA 21

ETAPA ACETOGENICA 23

ETAPA METANOGENICA 25

VENTAJAS DE LA BIOMETANIZACION 28

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DEGRADACION ANAEROBICA 29

APLICACIONES DEL BIOGAS

TIPOS DE BIODIGESTORES 33

CONCLUSIONES 38

BIBLIOGRAFIA 39


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1. INTRODUCCIN

Los sistemas integrados para el ciclado y la recuperacin de recursos y mejoraen las condiciones de saneamiento de una zona deben considerar como ejecentral del sistema un digestor anaerobio.

Uno de los objetivos principales para el establecimiento de biodigestores es quellos se constituyen en una valiosa alternativa para el tratamiento de lodesechos orgnicos presentes en las aguas residuales ya que previene lacontaminacin de los cuerpos de agua y al mismo tiempo suministra un gacombustible (fundamentalmente metano ) que puede emplearse para satisfacla demanda de energa de una comunidad y un efluente que puede ser utilizadcomo fertilizante. El biogs es empleado fundamentalmente en la generacielctrica, en motores para bombas de agua, alumbrado, en la coccin dealimentos y equipos de refrigeracin. El efluente en el riego de pasturas y en generacin de biomasa cuando es sometido a pos-tratamiento en lagunasducweed.El tratamiento de excremento de animales y humanos en sistemas de Biogmejora las condiciones de saneamiento para los propietarios de la planta, sufamilias y la comunidad entera ya que el contenido inicial de patgenos dexcremento se reduce apreciablemente debido a los procesos de fermentacin.Infortunadamente en la implementacin de la tecnologa del Biogs se ha presentado dificultades relativas al manejo y operacin de los biodigestoreuso del biogs, pobre seleccin de reactores, escasez de aceptacinsociocultural entre otros. Estas dificultades han conllevado al mal uso de ltecnologa e inclusive a su abandono en algunas regiones (ISAT, 1998).

2 . PLA NTE AM IENTO DE L P ROB L E MA.

En los mtodos tradicionales de obtencin de biogs, se requieren de tiempode retencin de 30 a 50 das para la fermentacin de determinados materialorgnicos en nuestro caso de estircol de vaca

las mezclas se realizan con una mayor proporcin de estircol, que en lmayora de casos, es de difcil recoleccin. La produccin de biogsdependiendo del tipo de mezclas, es inferior al 22 %, cuando se realiza combustin del gas, se obtiene una llama amarillenta de baja entalpa.


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P or lo que en esta investigacin, se pretende obtener un nuevo procedimient para optimizar la generacin artificial de biogs, a travs del suministro de caal biorreactor utilizando el mtodo dehidrlisis trmica, Cargas debidamenteestratificadas, que tienen un mayor componente de residuo vegetal en lamezclas, para aprovechar de manera eficiente este recurso.

3 . OBJETIVOS DE L P ROYECTO

y M ejorar el proceso de generacin de biogs mediante el uso debiomasa residual triturada, cargas combinadas, procesos hemoflicos y potencializar el crecimiento bacteriano.

y O ptimizar el tiempo de retencin en la etapa de hidrlisis y as hacer meficiente la produccin de biogs.

4 . MA RCO TEORICO

4.1.-Definicion de biodigestor

Utilizacin de Biodigestores

P or las anteriores razones el desarrollo y utilizacin de biodigestores ha sidllamado "la tecnologa milagrosa". Sin embargo, an hoy, muchos aos despude que los biodigestores y su utilizacin rural han sido desarrollados, solamenuna proporcin relativamente pequea de campesinos los emplean, tanto e pases desarrollados como en va de desarrollo. La limitada utilizacin biodigestores es debida a que los beneficios, particularmente econmicos, nson claramente justificados si se comparan con la mano de obra y los costoinvolucrados en la construccin, funcionamiento y nivel de produccin dbiogs y fertilizante por cada unidad de materia orgnica utilizada en lobiodigestores tradicionales de alto costo.

4.1.a) Biodigestin.


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Es la fermentacin realizada por bacterias anaerbicas sobre la materiorgnica, componente de un 80% de las excretas, y posee las ventajas de:

- P roporcionar combustible (biogs) para suplir las principales necesidadeenergticas rurales.- Reducir la contaminacin ambiental al convertir las excretas, que hace proliferar microorganismos patgenos, larvas e insectos, en residuos tiles.

- P roducir abono orgnico (bioabono), con un contenido mineral similar al de lexcretas frescas e igualmente til para los suelos, los cultivos y para edesarrollo del fitoplancton y del zooplancton utilizado por algunas especieacuticas en su alimentacin.

- M ediante la digestin por bacterias anaerbicas se destruyenmicroorganismos, huevos de parsitos y semillas de malezas contenidos en laexcretas frescas, quedando el fertilizante residual libre de tales grmenes plantas indeseables.

Segn datos tomados en China y publicados por M cGARRY y STAINF O RTH (1978), una de las ventajas de la biodigestin anaerbica sobre las excretaantes de aplicarlas como fertilizantes, es la reduccin del riesgo en latransmisin de enfermedades. Debido al reciclaje conjunto de las excretaanimales y humanas en biodigestores operando a rangos de temperatura intern

entre 30_C y 35_C, es posible destruir hasta el 95% de los huevos de parsitocasi todas las bacterias y protozoarios causantes de disentera.

4.1.b) Composicin del biogs

El biogs lo constituye una mezcla de gases y su composicin (CUADR O 1)depende del tipo de residuo orgnico utilizado para su produccin y de lacondiciones en que se procesa.

La mezcla debe purificarse, si va a ser utilizada como combustible en motorde explosin. Se eliminan: el gas carbnico haciendo burbujear el biogs travs de agua, el cido sulfhdrico hacindolo burbujear a travs de unsolucin de soda custica en agua que contiene sulfato de cobre disuelto o pasndolo por una trampa de limadura de hierro (esponjilla de alambre), o conintroduccin de pequeas cantidades de aire (3% a 5% del volumen del deps


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para el biogs) reduciendo as hasta en un 95% el cido sulfhdrico producidLa humedad se elimina circulando el biogs entre cloruro de calcio o slica gel

4.2. Generalidades del Biogs

El biogs es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tcomo son los desechos de humanos y de animales, residuos agrcolas, aceitede palma y plantas acuticas. Este gas puede ser utilizado, por ejemplo, comcombustible para motores que mueven una bomba de agua, en alumbrado y ela coccin de alimentos.

El mecanismo predominante para la conversin de la biomasa en biogs es laconversin bioqumica o digestin de biomasa orgnica que debe entenderscomo un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimticossimultneamente.

El mtodo ms comn de produccin de biogs es la digestin anaerbica eun tanque cerrado llamado biodigestor. La biomasa se mezcla en el digescon agua para formar una suspensin, en la cual la digestin anaerbica serealiza en dos pasos. En el primer paso, llamado licuefaccin, la materorgnica es descompuesta por hidrlisis enzimtica y fermentada para produc principalmente cidos y alcoholes.


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Seguidamente, en la etapa de gasificacin, las bacterias metanognicas rompeloscidos y los alcoholes, para producir metano y dixido de carbono, nitrgenocidoSulfhdrico. El diagrama de la figura 1 indica las diversas etapas de la digestianaerobia. ( hidrlisisconcepto)

Figura de (http://www.slideshare.net/guestf5f616/digestion-anaerobia )

4.3P roduccin anaerbica de biogs

La digestin anaerbica de materia orgnica es la conversin directa de lbiomasa en gas, denominado biogs, que es una mezcla de metano y dixido dcarbono con pequeas cantidades de otros gases tales como el sulfuro dehidrgeno. La materia orgnica es biotransformada por microorganismo(bacterias y archaes) en ambiente anaerbico (ausencia de oxgeno) produciendo biogs con un contenido de energa entre 20% a 40% del podcalorfico de la materia prima. La digestin anaerbica es una probadtecnologa y ampliamente utilizada para el tratamiento de desechos con al


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reduccin/dilucin de sustancias inhibidoras debido a la mezcla de los residuo[3,4] O ptimizacin de cualidad reolgica

Residuos con una pobre dinmica de fluidos, pueden ser ms fcilmentdigeridosdespus de ser homogeneizados con sustratos diluidos como ser estircoleslquidos o aguas residuales. La mezcla de diferentes substratos da flexibilida para compensar las fluctuaciones estacinales de residuos permitiendo que e proceso de digestin pueda ser mantenido a velocidad constante. [3] Numerosos materiales orgnicos son posibles de digerir anaerbicamente simayores requerimientos de pretratamiento y con excelentes rendimientosiempre que el contenido de impurezas o componentes inhibidores sean mubajos (Ejemplo: Frutas, sangre) entonces, problemas operacionales no sonesperados. Algunos residuos (como estircol, vegetales) pueden formametabolitos inhibidores (Ejemplo: NH3, acumulacin de cidos voltildurante la digestin anaerbica consiguientemente no son considerados comexcelentes.

M uchos otros residuos orgnicos pueden ser considerados como buenosmateriales, sin embargo estos a menudo requieren pre-tratamiento (Ejempl Alimentos con fecha de expiracin vencida, residuos de mercado, rumen

residuos de estomago, etc.) para obtener buena digestin y alta calidad com producto final (digestato), impurezas como plsticos, vidrio, metales, aren piedras, etc., tienen que ser removidos casi completamente antes de lalimentacin al biodigestor. Esto es necesario para evitar el taponamiento dtuberas, formacin de espuma, capas en la base, fallas de proceso, o daos dbombas, y elementos de agitacin. Estas etapas de pre-tratamiento requieren dmaquinaria altamente sofisticada y frecuentemente causa considerables costooperacionales. 14P royecto 09 CNI IIDE P R OQ .

P roduccin anaerbica de biogs, aprovechamiento de los residuos dematadero y mercado(proyecto9).

P ocos materiales orgnicos pueden ser clasificados como pobres para ladigestin, debido a su alto costo de pre-tratamiento, componentes inhibidore pobre biodegradabilidad, riesgos higinicos o debido a costosos problema


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logsticos de transporte o recoleccin (Ejemplo:P artes de animal, animales deconfiscacin, paja, residuos de jardinera).

El posible uso de residuos como substrato en digestin anaerbica tambin einfluenciada y determinada por legislacin, as como guas o reglas tcnicas. Enecesario considerar la legislacin sobre rellenos sanitarios, proteccin desuelos y aguas, las regulaciones sobre la recuperacin, disposicin ytratamiento de residuos, reglas sobre salud humana y animal y gua deesterilizacin.

Los residuos orgnicos pueden contener bacterias patognicas de diferentesespecies como Salmonella, Listeria, Escherichia coli, CampylobacteM ycobacteria, Clostridia, Yersinia, coliformes fecales y enterobacterias. Lfrecuente polucin de suelos por aguas residuales y estircol de animalestienen adverso efecto en el medioambiente, permitiendo que los patgen permanezcan viables en el suelo par dos meses o ms, especialmente en reahmedas y sombras. La supervivencia de bacterias en el suelo depende, siembargo, de muchos parmetros, tales como temperatura, humedad, pHcomposicin del suelo y la presencia de los otros microorganismos. El procesde digestin anaerbica de estos residuos reduce o elimina la presencia deestos microorganismos [26,27]. La velocidad de decaimiento de bacteria patognicas en DA depende de muchos factores temperatura, tiempo tratamiento, pH, cidos voltiles grasos, tipo de proceso, especie bacterial

disponibilidad de nutrientes [26].La inactivacin de patgenos puede efectuarse en termino de horas endigestin termofilica (50-55oC) o das en digestin mesofilica (30-38oC). La reduccin del 90% de enterobacterias fue alcanzado en 18 dcomparado con S. Typhimurium que requiri del doble de tiempo [28].

4.3. Conceptos bsicos sobre la digestin anaerobia

4.3.1. Ciclos de la materia orgnica: aerobio y anaerobio

Los seres vivos y la materia orgnica estn formados bsicamente por oxgenhidrgeno, carbono y nitrgeno, y en pequeas cantidades otros elementocomo fsforo, azufre, calcio, potasio, y un largo. Estos elementos se encuentratambin la naturaleza no viva, acumulados en la atmsfera (oxgeno


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zonas secas). Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden sertomados de nuevo por las plantas o bien ser usados por algunas bacterias.

Unas bacterias convierten el amoniaco en nitrito y otras transforman este nitrien nitrato. Una de estas bacterias se aloja en ndulos de las races de lasleguminosas (alfalfa, alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son taninteresantes para hacer un abonado natural de los suelos.

Donde existe un exceso de materia orgnica en el mantillo, en condicioneanaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificacin, convirtiendo locompuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrgeno deecosistema a la atmsfera.

Tradicionalmente se han abonado los suelos con nitratos para mejorar lorendimientos agrcolas, por sus cualidades como nutriente. Durante muchoaos se usaron productos naturales ricos en nitrgeno como el guano o elnitrato de Chile. Desde que se consigui la sntesis artificial fue posible fabricabonos nitrogenados que se emplean actualmente en grandes cantidades en laagricultura. Esta introduccin de nitrgeno qumico altera el equilibrio del cidel nitrgeno, provocando problemas de contaminacin por acumulaciexcesiva de nutrientes en los suelos y aguas subterrneas: la eutrofizacin.

Figura 2.1. Ciclo del nitrgeno

Digestin Anaerobia para el Tratamiento de ResiduosO rgnicos El CasoP erP g. 14

Ejemplo 2: CICLO DEL CARBO N O

El carbono es elemento bsico en los seres vivos, pues todas las molculasorgnicas estn formadas por cadenas de carbonos enlazados entre s (carbohidratos, lpidos, protenas y cidos nucleicos).

La reserva fundamental de carbono, en molculas de dixido de carbono (C O 2),est en la atmsfera y la hidrosfera. Este gas est en la atmsfera en unaconcentracin de ms del 0,03% y cada ao aproximadamente un 5% de estreservas de C O 2, se consumen en los procesos de fotosntesis (las plantas


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asimilan el carbono atmosfrico a partir de la energa solar y lo convierten etejido celular), es decir, que todo el anhdrido carbnico se renueva en latmsfera cada 20 aos.

La vuelta de C O 2 a la atmsfera se hace cuando mediante la respiracin losseres vivos oxidan los alimentos produciendo C O 2. En el conjunto de la biosferala mayor parte de la respiracin la hacen las races de las plantas y losorganismos del suelo y no, como podra parecer, los animales ms visibles.

El petrleo, carbn y materia orgnica acumulados en el suelo son resultado dpocas en las que se ha devuelto menos C O 2 a la atmsfera del que se tomaba.Es de esta manera que apareci el oxgeno ( O 2) en la atmsfera. As, si hoy consumiramos todos los combustibles fsiles almacenados, el O 2 desaparecera de la atmsfera. El ritmo creciente al que estamos devolviendC O 2 a la atmsfera, mediante el consumo de las energas fsiles por la actividahumana, es motivo de preocupacin puesto que se acumula una mayorconcentracin de gases de efecto invernadero, con el consiguiente cambioclimtico asociado.Figura 2.2. Ciclo del carbono [1] A parte de los ciclos de los elementos, existen ciclos ms globales, como ciclo de la materia orgnica que puede ser de dos tipos: el ciclo aerobio y eciclo anaerobio.

El ciclo aerobio es llevado a cabo por microorganismos que precisan doxgeno atmosfrico o disuelto en el agua. La materia orgnica es fermentada partir de un aporte energtico, dando lugar a una reaccin exotrmica. Sobtienen como productos finales C O 2 y H2 O .

El ciclo anaerobio se desarrolla en ausencia de oxgeno molecular y precismenor aportacin energtica, pero requiere mayor tiempo de reaccin. Ldegradacin de la materia orgnica es progresiva hasta llegar a obtener com productos finales CH4 y C O 2.

Estos ciclos se muestran en las figuras 3 y 4. Los elementos como el nitrgeny el azufre aparecen como partes integrantes de los ciclos. Estos dos elementoson importantes en la sntesis y descomposicin de la materia orgnica, aunquno son los nicos, y se podran indicar otros elementos y ciclos bioqumicos. Ldenominacin de aerobio y anaerobio se aplica nicamente a la parte derech


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de las figuras, que es la parte de descomposicin de la materia orgnica muertEs en esta parte en donde aparecen los productos iniciales e intermedios, antede que se produzcan los productos estabilizados finales. La parte izquierda dciclo es igual en ambos sistemas. Esta parte comprende la formacin o snteside la materia orgnica necesaria para la vida animal o vegetal.En los sistemas aerobios, los productos finales de degradacin se oxidan ms por lo tanto quedan a un nivel energtico menor que los productos de ldigestin anaerobia. Esto explica el hecho que se precise mucha ms energa ela degradacin aerobia que en la anaerobia. Como consecuencia tenemotambin que la degradacin anaerobia es un proceso mucho ms lento.

La porcin del ciclo que corresponde a la descomposicin es la que debemocontrolar para llevar a cabo los tratamientos de la materia orgnica. El procebiolgico consiste en controlar el medio requerido para el crecimiento ptimde los microorganismos, independientemente del residuo a tratar.

4.4 ELP R O CES O DE DIGESTIN ANAER O BIA.

4.4.1- Introduccin a la digestin anaerobia.

La digestin anaerobia es un proceso biolgico degradativo en el cual, pardela materia orgnica contenida en un sustrato es convertida en una mezcla dgases, principalmente metano y dixido de carbono, mediante la accin de un conjundemicroorganismos en ausencia de aceptores de electrones de carcter inorgnico ( O 2,N O 3-, S O 4=).Frente a los procesos aerobios, los tratamientos anaerobios presentan lasventajasde no necesitar aireacin y de generar un biogs que puede ser recuperado yutilizado en la misma planta con finalidades energticas, permitiendo emuchos casos la autonoma o autosuficiencia de las plantas de tratamiento


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O tro aspecto muy ventajoso es que la generacin de lodos es menor, por lo qutambin se reducen costes en el tratamiento y vertido de los fangos.

P or otra parte, la digestin anaerobia es un proceso complejo, que requierciertocontrol para asegurar su correcto funcionamiento. Un ejemplo de esto, es sensibilidad a las sobrecargas orgnicas que pueden llevar a ladesestabilizacin del proceso. El biogs generado suele estar contaminado codiferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiendel mismo.P or ltimo, los costes de implantacin son altos por lo que lasinstalaciones de pequeo tamao no suelen resultar rentables.

4.4.2-P roductos finales.

Los principales productos del proceso de digestin anaerobia, trabajando esistemas de alta carga y en mezcla completa, son el biogs y un efluentestabilizado:

Biogs:

Es una mezcla gaseosa formada, principalmente, por metano y dixido d

carbono y pequeas proporciones de otros gases, como H2S, H2, NH3, etc. composicin o riqueza del biogs depende del material digerido y defuncionamiento del proceso. En la Tabla 1 se muestran valores medios dcomposicin del biogs en funcin del sustrato utilizado.

Efluente:

Es el otro producto resultante de la degradacin anaerobia y se puede decir ques la mezcla del influente estabilizado y la biomasa microbiana producida.P araun mismo residuo, el tipo de reactor y los parmetros de operacin empleadodeterminan la calidad del lodo digerido en cuanto al nivel de contaminacin yorganismos patgenos. Como ya se ha comentado, durante el procesoanaerobio parte de la materia orgnica se transforma en metano, por lo que contenido en materia orgnica es menor que en el influente.


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Estudio del proceso de digestin anaerobia para optimizar la recuperacin dfsforo en EDAR

sComponente Residuos Lodos de Residuos Gas deagrcolas depuradora industriales vertedero

4.4.3- El proceso microbiolgico y bioqumico de la digestinanaerobia.

La digestin anaerobia es un proceso muy complejo tanto por el nmero dereacciones bioqumicas que tienen lugar como por la cantidad de

microorganismosinvolucrados en ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de formasimultnea.

Los estudios bioqumicos y microbiolgicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposicin anaerobia de la materia orgnica en cuatro fases o procesos:


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Hidrlisis

Etapa fermentativa o acidognica

Etapa acetognicaEtapa metanognica

La primera fase es la hidrlisis de partculas y molculas complejas (protenashidratos de carbono y lpidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidognicos o fermentativos. Comresultado se producen compuestos solubles ms sencillos (aminocidos, azcares y cidograsos de cadena larga) que son fermentados por las bacterias acidognicasdando lugar, principalmente, a cidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrgeno, dixiddecarbono y otros productos intermedios. Los cidos grasos de cadena corta sontransformados en cido actico, hidrgeno y dixido de carbono, mediante accin de los microorganismos acetognicos.P or ltimo, los microorganismosmetanognicos producen metano a partir de actico, H2 y C O 2.


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(Edar`)

En la Figura 3.1 se muestra esquemticamente las distintas fases del proceso ddigestin anaerobia, los microorganismos que intervienen en cada una de ellay los productos intermedios generados.

Estudio del proceso de digestin anaerobia para optimizar la recuperacin defsforo en EDAR

s

Figura 3.1. Esquema de reacciones de la digestin anaerobia de materiales polimricos

( P avlosthatis y Giraldo-Gmez, 1991). Los nmeros indican la poblacinbacterianaresponsable de cada proceso: 1: bacterias fermentativas; 2: bacteriasacetognicas que producenhidrgeno; 3: bacterias homoacetognicas; 4: bacterias metanognicashidrogenotrficas; 5:


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bacterias metanognicas acetoclsticas.

4.5 BI OM ETANIZACI O N

Degradacin anaerobia de la materia orgnica se resume en la siguienteecuacin:

M ateria orgnica + nutrientes + microorganismos CH4 + C O 2 +NH3 + H2S + mat. orgnica (ef.


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anaerobia ya que adems de ser fuente de carbono y energa, los aminocidosderivados de su hidrlisis tienen un elevado valor nutricional. Las protenas sohidrolizadas en Estudio del proceso de digestin anaerobia para optimizar larecuperacin de fsforo en EDAR

s.

P ptidos y aminocidos por la accin de enzimas proteolticas llamadas proteasas.P arte de estos aminocidos son utilizados directamente en lasntesis de nuevo material celular y el resto son degradados a cidos grasosvoltiles, dixido de carbono, hidrgeno, amonio y sulfuro en posteriores etapdel proceso.

La degradacin de los lpidos en ambientes anaerobios comienza con la rupturde las grasas por la accin de enzimas hidrolticas denominadas lipasas produciendocidos grasos de cadena larga y glicerol.

La velocidad de degradacin de los materiales lignocelulsicos, compuestos principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta que suele ser etapalimitante del proceso de hidrlisis y por tanto, de la degradacin anaerobia dedeterminados sustratos. Esto es debido a que la lignina es muy resistente a ladegradacin por parte de los microorganismos anaerobios, afectando tambin la

biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros hidratos decarbono.

Los principales productos de la hidrlisis de la celulosa son celobiasa y glucosa, mientras que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas y cidosurnicos.

4.5.2- Etapa fermentativa o acidognica.

Durante esta etapa tiene lugar la fermentacin de las molculas orgnicassolubles en compuestos que puedan ser utilizados directamente por lasbacteriasmetanognicas (actico, frmico, H2), y compuestos orgnicos ms reducidos(propinico, butrico, valrico, lctico y etanol principalmente) que tienen queser


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oxidados por bacterias acetognicas en la siguiente etapa del proceso.Fermentacin de carbohidratos solubles.

La principal ruta metablica de degradacin de glucosa para formar cidosorgnicos es la de Embden-M eyerhof (Figura 3.2) que tiene como principal intermediario el piruvato.

La fermentacin de azcares se realiza por diversos tipos de microorganismosEn funcin de cada organismo, la ruta metablica y los productos finales sodiferentes.

Los principales microorganismos asociados a la degradacin de la glucosa sodel gnero Clostridium y convierten la glucosa en butrico, actico, C O 2 y H2. Laglucosa se convierte en piruvato mediante la ruta Embden-M eyerhof, y el piruvato se desdobla a Acetil-CoA y C O 2. El Acetil-CoA se reduce en los productos de fermentacinempleando como transportador de electrones el NADH derivado de lareaccionesglucolticas de la ruta Embden-M eyerhof.

Estudio del proceso de digestin anaerobia para optimizar la recuperacin de

fsforo en EDAR

sFigura 3.2. Simplificacin de la ruta metablica de Embden-M eyerhof de degradacin de la glucosa de por las bacterias acidognicas.(edar`s)


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Fermentacin de aminocidos

Los principales productos de la fermentacin de aminocidos y de otrasmolculas hidrogenadas son cidos grasos de cadena corta, succnico,aminovalrico y H2. La fermentacin de aminocidos se considera un procesorpido y que, en general, no limita la velocidad de degradacin de compuestos proteicos.Las bacterias proteolticas que mayoritariamente se han identificado, pertenecenal gnero Clostridium, aunque otras especies tales comoP eptococcus y Bacteroidestambin estn presentes.

Los productos finales de la oxidacin son NH3, C O

2 y un cido carboxlico conun tomo de carbono menos que el aminocido oxidado (n-butrico y cidoisobutrico,isovalrico, caproico, sulfuro de hidrgeno, metilcaptano, cadaverina, putrescina, etc,segn el aminocido del que proceda)O xidacin anaerobia de cidos grasos decadena larga.


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Los cidos grasos de cadena larga son oxidados a cidos grasos de cadenacorta por el mecanismo de -oxidacin. Los cidos grasos libres son introducidos enla clula a travs de la pared celular y una vez en su interior, son transformadoen el correspondiente tio-ester-CoA. La -oxidacin es un ciclo en espiral que valiberandoun acetil CoA en cada bucle, produciendo, principalmente cido actico.

En condiciones anaerobias, este mecanismo es termodinmicamentedesfavorable y muy dependiente de la presin parcial del hidrgeno, por lo ques degran importancia la accin simbitica de los microorganismos consumidores dhidrgeno para que se pueda producir.


s

4.5.3- Etapa acetognica.

M ientras que algunos productos de la fermentacin pueden ser metabolizadosdirectamente por los organismos metanognicos (H2 y actico), otros (etanol,cidosgrasos voltiles como valeriato, butirato, propionato, etc y algunos compuestoaromticos) deben ser transformados en productos ms sencillos, acetato y H2a travs de las bacterias acetognicas. Representantes de los microorganismosacetognicos son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.

Desde el punto de vista termodinmico, estas reacciones no son posibles porqueen condiciones estndar (pH=7, T=25C,P =1 atm), presentan energas libres dereaccin positivas, tal y como se muestra en la Tabla 3.2.


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Tabla 3.2. Reacciones acetognicas que ocurren en los sistemas anaerobios.

Sin embargo, a presiones parciales de H2 bajas (del orden de 10-4-10-5 atmestasreacciones pasan a ser termodinmicamente favorables y la variacin denerga libre es suficiente para permitir la sntesis de AT P y el crecimientobacteriano.P or tanto, el principal inhibidor de la acetognesis, cuya acumulacin provoca la rpi

acumulacinde sustratos, es la acumulacin de hidrgeno molecular. Un tipo especial demicroorganismos acetognicos, son los llamados homoacetognicos. Este tipdebacterias son capaces de crecer heterotrficamente en presencia de azcares ocompuestos monocarbonados (como la mezcla H2/C O 2) produciendo comonico


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producto acetato. Al contrario que las bacterias acetognicas, stas no producenhidrgeno como resultado de su metabolismo, sino que lo consumen comosustrato.Segn se ha estudiado, el resultado neto del metabolismo homoacetognico permitemantener bajas presiones parciales del hidrgeno y, por tanto, permite laactividad delas bacterias acidognicas y acetognicas. Como veremos a continuacin, lasbacterias


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metanognicas hidrogenotrficas tambin consumen H2 ayudando as al mantenimiento de presiones parciales bajas del H2. Los principalesmicroorganismos homoacetognicos que han sido aislados son Acetobacteriumwoodii o Clostridium aceticum.

4.5.4- Etapa metanognica.

Los microorganismos metanognicos completan el proceso de digestinanaerobia mediante la formacin de metano a partir de sustratosmonocarbonados o condos tomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetato, H2/C O 2,formato,metanol y algunas metilaminas. Los organismos metanognicos se clasificadentro del dominio Archaea y tienen caractersticas comunes que lodiferencian del resto de procariotas. Un ejemplo es que todos ellos poseen varias coenzimas especialesiendo la coenzimaM , la que participa en el paso final de la formacin del metano.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en funcin del sustrato principal que metabolizan: hidrogenotrficos, que consumen H2/C O 2 y frmico y acetoclsticos, que consumen acetato, metanol y algunas aminas. L principales reacciones metanognicas se recogen en la Tabla 3.3.


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Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactoresanaerobiosse forma a partir del acetato a pesar de que, mientras todos los organismosmetanognicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sldosgneros pueden utilizar acetato. Los dos gneros que tienen especiesacetotrficas sonM ethanosarcina y M ethanothrix.(hidrolisisconcepto)


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EL P R O DUCT O DE LA BI OM ETANIZACIN

Biogs:

grafico.16

Con el trmino biogs se designa a la mezcla de gases resultantes de ladescomposicin de la materia orgnica realizada por accin bacteriana econdiciones anaerobias. El metano, principal componente del biogs, es el gaque le confiere las caractersticas combustibles al mismo. El valor energticdel biogs por lo tanto estar determinado por la concentracin de metano alrededor de 20 25 MJ /m3, comparado con 33 38 MJ /m3 para el gas natural (Werner et al 1989).

A pequea y mediana escala, el biogs ha sido utilizado en combustin direcen estufas simples en la coccin de alimentos, atenuando de esta manera la presin sobre los materiales dendroenergticos (i.e., madera, lea, carbvegetal)2 y/o representando un ahorro para el agricultor por no tener qucomprar gas natural comercial. Sin embargo, tambin puede ser utilizado pailuminacin (i.e., lmparas de gas o a gasolina), para calefaccin refrigeradoras.

Tambin el biogs puede ser utilizado como combustible para motores diesela gasolina, a partir de los cuales se puede producir energa elctrica por medide un generador. En el caso de los motores diesel, el biogs puede reemplazahasta el 80% del AC PM o DIESEL (la baja capacidad de ignicin del biogs no


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permite reemplazar la totalidad del AC PM en este tipo de motores que carecende buja para la combustin).

Aunque en los motores a gasolina el biogs puede reemplazar la totalidad de lamisma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor msresistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural.

Usos del biogs

Un metro cbico de biogs totalmente combustionado es suficiente para:1. Generar 1.25 kw/h de electricidad.2. Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.3.P oner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.4. Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.5. Hacer funcionar un motor de 1 H P durante 2 horas.

4.5.5VENTAJ AS DE LA BI OM ETANIZACI O N

A nivel macro-econmico:

1.M enos consumo de lea y entonces lucha contra la deforestacin y susconsecuencias (erosin, produccin agrcola baja, pluviomtrica y hidrolgica

irregular, etc.)2. Disminucin de la dependencia en comparacin con los productos petroleroy entonces una economa de devisas para el pas

3. Aumento de las producciones agrcolas para la utilizacin de los efluentes proviniendo del digestor y entonces disminucin de la utilizacin de los abonoqumicos Asentamiento de desechos: disminucin de las fuentes de laenfermedad

4. Creacin de nuevos empleos principalmente en la zona rural para laconstruccin de digestores

5.M ejoramiento de la habitacin rural (lucha contra el xodo) y del medioambiente Desarrollo integrado: produccin descentralizada de energa y defertilizantes


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A nivel micro-econmico:1. Ahorro de lea y de petrleo

2. Ahorro de tiempo y de disminucin de la dureza para la recoleccin de la ley

3. entonces de las posibilidades de las nuevas actividades

4. Aumento de las producciones agrcolas por una mejor fertilizacin

5. Aumento del bienestar: mejor luz, disminucin de las enfermedades y de lodesagrados (olores, insectos) debidos a los desechos, facilidad y cuido de lacocina con biogs (eliminacin del humo), seguridad en aprovisionamiento enenerga, mejor postura social del propietario.

4.5.6Factores que influyen en la degradacin anaerbica

Los factores medioambientales que son relevantes en la tecnologa de ladegradacinanaerbica incluye la temperatura, pH, la presencia de nutrientes y componentes txicos en el proceso.

4.5.6.1Temperatura

Los tratamientos anaerbicos normalmente son efectuados en dos rangosdistintos de

temperaturas: El rango mesofilico (25 40oC) y el rango termoflico (>45oC) propiedades fsicas como la viscosidad y la tensin superficial podran cambiacon latemperatura y mejorar la transferencia de masa y una alta velocidad dedegradacin fue observada bajo condiciones termoflicas. En otros casos, el tratamiento anaerbico en el rango termoflico mostr ser ms inestable quebajo condiciones mesoflicas y esto no mejoro la velocidad de degradacin. La


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metanognesis tambin es posible bajo condiciones psycroflicas (T


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Las bacterias metanognicas son muy sensibles al oxigeno, sin embargo en lamezcla de cultivos de un digestor anaerbico hay bacterias aerbicasfacultativas presentes en el grupo de bacterias hidrolticas y acidognicas y el oxigeno presente en el digestor ser rpidamente consumida por estosmicroorganismos.( P royecto 09 CNI IIDE P R OQ )

P roduccin anaerbica de biogs, aprovechamiento de los residuos dematadero y mercado.

4.5.6.5 M ateria prima

La digestin anaerbica de residuos slidos de matadero como la de restos dfrutas y vegetales recientemente es considerada como una adecuada alternativa en etratamiento de residuos. El conocimiento sobre el proceso de co-digestin sincrement sin embargo, ms estudios son necesarios para investigar el efectde diferentes tipos de materias primas, y como la composicin de los residuoinfluye en el proceso de biodegradacin.

Los residuos resultantes del faeneo de reses y cerdos consisten principalmentede rumen, residuos de panza e intestinos, sangre y estircol. La digestinanaerbica de mezclas de residuos usando sangre, rumen y residuos deintestinos, se reporto que es posible usarlos en la proporcin en los que estosson producidos [7]. Rosenwinkel y M eyer [8] publico los resultados de una planta piloto para el tratamiento de residuos de estomago de cerdo y colas dflotacin de matadero, la digestin anaerbica de los contenidos de estomagfue posible con un tiempo de retencin hidrulico (HRT) de 44 das y la adicde NaO H, la baja produccin especifica de biogs (0.16 m3/Kg ST) y contenide metano de 40% indica que en el birreactor hubo acidificacin y metanognesis fue incompleta, reduciendo el tiempo de retencin a 25 das metanognesis se detuvo completamente, basado en estos resultados, ellosconcluyeron que la digestin anaerbica de solo residuos de estomago no esrecomendable. La co-digestin de los residuos de estomago (25%) con colas dflotacin de matadero despus de larga fase de adaptacin y tiempo de


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retencin de 17 das, fue obtenida una operacin estable. La producciespecifica de gas fue 0.44 m3/kg ST adicionado.

Es importante notar que los rendimientos en los procesos de co-digestindependen del tipo de material, la proporcin de los componentes, el tipo y lcondiciones del proceso; tambin el rendimiento depende del pre-tratamiento la materia prima. Co-digestin de residuos animales pasteurizados (70oC, 1incrementa el rendimiento de biogs (1.14 m3/kg SV) comparado con digestin de residuo no-pasteurizado (0.31 m3/kg SV) [8].

El termino productividad de metano es usado para indicar el rendimiento dmetano por unidad de una variable. La productividad de metano puede semedido en trminos de slido voltil destruido (SVdes), slido voltil adicion(SVad) o produccin animal. La productividad de metano en trminos de SVd(L CH4/kg SVdes) corresponde al

( P royecto 09 CNI IIDE P R OQ )P roduccin anaerbica de biogs, aprovechamiento de los residuos dematadero y mercado rendimiento terico de metano (Bu) y se define como produccin de metano si hubiere una completa degradacin de todos locomponentes orgnicos del substrato. La productividad de metano en trmino

de SVad cuando el tiempo de residencia tiende a infinito es referida como rendimiento final de metano (Bo). El rendimiento ltimo de metano resulta menor que el rendimiento terico de metano en razn de que una fraccin dsubstrato es utilizada para sintetizar biomasa bacterial, otra fraccin de lmateria orgnica podra perderse en los efluentes y finalmente otra fraccin dsubstrato esta compuesto por materia orgnica refractaria (materia que pueddegradarse en limitado grado). Se estableci que la produccin ultima dmetano (Bo) y la produccin volumtrica de metano (m3/m3 substrato) substratos de diferente origen pueden ser muy variables, as en el caso deestircol de animales estos dependern de factores como: la especie de animaalimentacin, etapa de crecimiento de los animales, procesos de degradacidurante el periodo previo a su utilizacin .

Residuos de frutas y vegetales constituyen una potencial fuente de energa sellos pueden ser adecuadamente y biolgicamente convertidos a metanoGunaseelan [9] report el potencial bioqumico de metano de 54 muestras


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residuos de frutas y vegetales, , la productividad ultima de metano reportado eel caso de frutas vara de 180 a 732 l/kg SVad y para los vegetales entre 190400 l/kg SVad. Bouallagui, et al. y Dinsdale, et al. evaluaron residuos de frutvegetales como materia prima para digestin anaerbica, los rendimientos dmetano reportados fueron entre 0.25 0.45 m3/kg SV adicionado. Sin embaellos y otros investigadores sugieren que el contenido de nitrgeno y fsforo eresiduos de frutas y vegetales puede ser bajo, y esta es la razn por la que estoson usados en co-digestin con otros residuos.Hasta hace muy poco la digestin anaerbica fue de simple substrato y procesde simple propsito. Hoy, los limites y las posibilidades de la digestianaerbica son mejor conocidos y la co-digestin de dos o ms substratosviene a ser una tecnologa standard. No obstante, ms estudios son necesarios para investigar los efectos de diferentes tipos de materia prima, pobrbiodegradabilidad, y como la composicin de residuos influye en el proceso ddigestin anaerbica. En el presente estudio bsico preliminar hacemoconocer

( P royecto 09 CNI IIDE P R OQ )P roduccin anaerbica de biogs, aprovechamiento de los residuos dematadero y mercado los resultados de los efectos de la composicin de mezclaen la co-digestin de residuos slidos de matadero con residuos de frutas y vegetales. El estudio fue realizado en reactores batch a nivel laboratorioutilizando diseo experimental de mezclas.

4.6Aplicaciones del Biogas

Centros de consumo => generan desperdicios orgnicos Concentraciones humanas Resultantes de un proceso fabril Actividad agropecuaria

Difcil tratamiento y disposicin Zonas consumidoras de energa aisladas de grandes centros urbanos => usan

generadores de electricidad Utilizacin de desperdicios orgnicos => generacin de biogs => generacide electricidad + disposicin de desperdicios (+ produccin de fertilizante enalgunoscasos)

4.7tipos de biodigestores


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4.7.1Contnuos:

La carga de materia orgnica y la produccin de biogas son contnuos P resentan variaciones de temperatura (carga del digestor)4.7.2 Discontnuos:

Se agota la materia prima => se los vaca y se los recarga => tiempo sin produccin de gas Se trabaja generalmente con 3 digestores P oseen gasmetros o pulmones Trabajan con temperatura ms uniforme

4.7.3 Tipo ind:

Desarrollado a mitad del siglo XX (basado en experiencias de alemanes y franceses durante la Segunda Guerra) O pera a presin constante Gasmetro incorporado O bjetivo: energtico

4.7.4 Tipo chino

Basado en experiencias indes O pera con presin variable No tiene gasmetro O bjetivo: sanitario y ambiental

Tipo ind: Cilndricos, de 1 a 2 m de dimetro y 2 a 2,5 m de profundidad


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Tipo moderno:

P osee 2 membranas flexibles M embrana superior negra


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Accesorios: Filtro de biogs: Elimina H2S O 4 y H2S Utiliza limaduras de hierro y virulana

Gasmetro Serpentina de calefaccin Trampa de agua Agitadores VlvulasM anmetros

Utilizando biogs como combustible en motogeneradores: M otores con combustible dual M otores especiales para biogas (incluyen el pretratamiento del gas)

Utilizando biogs en pilas de combustible Generacin de electricidad Calor generado por la pila => fermentacin


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Requieren un biogs con al menos 60% de metano

5.Solucin al problema planteado

La utilizacin de la hidrlisis trmica para el aceleramiento del procesode tiempo de retencin en el biodigestor.

A continuacin presentamos las bases de la solucin.

Cul es la hidrlisis trmica?

hidrlisis trmica es un proceso en el que las molculas de cadena largaque forman la celulosa y la hemicelulosa se rompen en un medio acuoso para obtener las partes constitutivas de las molculas.

P or qu es la hidrlisis trmica interesante?

El proceso es interesante porque es de carcter econmico de pretratamiento de la biomasa se utiliza para obtener etanol o biogs. Labiomasa contiene lignina, celulosa y hemicelulosa. Los sobres lignina dela celulosa para formar una barrera protectora y en los procesos defermentacin de la celulosa en azcares que a su vez se transforman enetanol o biogs.

Dnde se puede hidrlisis trmica se utiliza?


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Cualquier tipo de biomasa es un candidato potencial para sutransformacin en biocombustible.P ara hacer esto la primera fase es lahidrlisis de la celulosa que hace disponibles para la conversinbiolgica. Esto abre nuevas rutas para los biocombustibles de segundageneracin.

HidrlisisCon el fin de la biomasa proceso de tres tipos de hidrlisis se puede utilizar:

Enzimtica: El uso de enzimas para romper las estructuras. La desventaja deeste mtodo es el alto costo de las enzimas utilizadas.

Diluir el cido: La barrera de la lignina y las cadenas de celulosa se puederomper con los cidos. La desventaja de este mtodo es que el uso de cidosrequiere materiales caros y de los efluentes pueden causar problemas del mediambiente.

Tratamiento trmico: La aplicacin de altas temperaturas y presiones puedenconseguir los mismos efectos; la barrera de la lignina y las cadenas de celulosase rompen. Adems, si la despresurizacin de vapor se utiliza, el proceso demejora.

Figura 1. hidrlisis trmica

Los procesos trmicos son los ms prometedores. un lote de calentamiento delTradicionalmente con una despresurizacin rpida del vapor de agua. Estoimplica una inversin altos costos y tiene ciertas desventajas en comparacincon un proceso continuo.


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6.C O NCLUSI O NES

Se determino los parmetros de funcionamiento para una produccin eficientede biogs que sonP resin interna de 0,7 a 1.4 Kg/cm, temperatura del sustratode 35C a 38C, tiempo de generacin de metano de 12 a 14 das,P H de 6.5 a 6.7

Tomando en consideracin los resultados alcanzados en este trabajo, se puedemanifestar que el proceso de fermentacin anaerbica utilizando mezclas conmayor proporcin de biomasa pulverizada, permite obtener biogs en un tiempde retencin hidrulico, inferior a 20 das, mucho menor que los mtodostradicionales.

Tambin se redujo en forma considerable el volumen final de bioslidos producidos por: mayor destruccin de slidos voltiles mayor sequedad del producto final.

SeM ejoro el rendimiento energtico y se obtuvo mayor produccin de BiogsReduciendo el volumen de la Digestin .

7.REFERENCIAS BIBLI O GRAFICAS


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[1] P royecto 09 CNI IIDE P R OQ P roduccin anaerbica de biogs, aprovechamiento de los residuos dematadero y mercado

[2] O rtegaM ario, Energas Renovables,Editorial P araninfo, 2da. Edicin,M adrid Espaa, 2000 [3] GuasumbaJ ., CarreraP ., Vaca S.,O ptimizacin del P roceso de Fermentacin Anaerbica para Aprovechamiento de Desechos Vegetales, Sangolqu, 2007.

[4] Guasumba J ., Carrera P ., Vaca S.,O ptimizacin del P roceso deFermentacin Anaerbica para Aprovechamiento de Desechos VegetalesSangolqu, 2007

[5] Castillo, Vega, Crdenas, La Bioconversin de la Energa,EdicionesP irmide,M adrid, 1983

[6] Wilson,J , La Energa Solar, 1. Edicin, Editorial Alhambra,M adrid, 1982

[7] Guasumba J ., Vega F., Rodrguez R., Calefaccin Solar en laFermentacin[ Anaerbica, Sangolqu, 2006

[8] GuasumbaJ ., M todo de Degradacin Rpida de Biomasa Residual,Q uito,2004

[9] Inintec, Como Construir un Biodigestor, Instituto de InvestigaciTecnolgica e Industrial, Lima, 1983.

P aginas web consultadas:

1. http://www.slideshare.net/guestf5f616/digestion-anaerobia2. http://www.ainia.es/pdf/asistencia/obtencionbiogas.pdf 3. http://www.bookump.com/dps/pdf-b/1123329b.pdf page 8 4. http://aca-

web.gencat.cat/aca/documents/ca/jornadatecnica003/08_soler.pdf 5. http://ing.unne.edu.ar/pub/biomasa.pdf


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