Bio Digest Ores

Universidad EARTH

Utilizacin de Biogs en la Deshidratacin de Pia

Erick Alberto Villalobos Salas

Proyecto de Graduacin

para obtener el ttulo de

Ingeniero Agrnomo

con el grado acadmico de

Licenciatura en Ciencias Agrcolas

Gucimo, Limn, Costa Rica

2008

iii

La Universidad EARTH certifica que el Proyecto de Graduacin titulado


Presentado por

Erick Alberto Villalobos Salas

Rene las condiciones para obtener el ttulo de Ingeniero Agrnomo

con el grado acadmico de Licenciatura

Decano de Asuntos Acadmicos

Manuel Cerrato, Ph.D.

Asesor

Yanine Chan, Ph.D.

Asesor

Ing.David Blanco

Diciembre 2008

v

Dedicatoria El presente trabajo est dedicado a mi familia por el apoyo brindado, a Dios por permitirme tener una

excelente familia y darme las capacidades necesarias para alcanzar el xito.

Le dedico a mi madre Nidia Salas por estar al pendiente de m, durante todos estos aos que llevo de

vida. Por recordarme la importancia de cuidarme en todo momento para poder disfrutar de los logros

alcanzados y por alcanzar.

Le dedico a mi padre Gerardo Villalobos por ensearme el valor del trabajo e incentivar en m el deseo

emprendedor. Las enseanzas e historias sobre los retos que ha debido superar me llenan de esperanza

y deseos de superacin.

Agradecimiento

Agradecer a mi familia por el apoyo brindado durante los cuatro aos en la Universidad y durante toda mi

vida, a Dios por darme las fuerzas para continuar aun cuando sientes que te quieres rendir.

A la Universidad EARTH por la formacin integral, a todos los profesores que han contribuido en el

desarrollo profesional y personal. A mis asesores Yanine Chan y David Blanco por el apoyo brindado en

la realizacin de este proyecto de graduacin.

A todos los compaeros de la promocin 2005-2008, los cuales se han convertido en mi familia durante

estos 4 aos. El compartir durante todo este tiempo ha creado lazos de amistad que duraran por muchos

aos y los recuerdos de los amigos de la Universidad duraran por siempre.

vii

Resumen

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar la utilizacin de biogs como fuente de

energa en el proceso de deshidratacin de pia de una empresa modelo que procesa

9000 kg de pia diaria, esta energa sera producida con los remanentes slidos

(cscaras y corazn) obtenidos del procesamiento de la pia a travs de una digestin

anaerbica. Esta energa sustituira parcialmente la utilizacin de Gas de Petrleo

Licuado (GPL) que tiene un alto y oscilante precio. Al comparar la capacidad energtica

de ambos combustibles, un m3 de biogs tiene el potencial de sustituir 0,98 L de gas

GPL. El sistema tiene un costo de mantenimiento de 510 048 (US$ 927.36) lo que

corresponde a un costo operativo de produccin de biogs de 84/m3, mientras que el

costo del gas GPL oscila los 350/L (US $0.15/m3). El potencial de produccin de

biogs con remanentes de pia corresponde a 0,41m3/kg de slidos voltiles, por lo que

la empresa modelo producira una cantidad diaria de 292 m3 de biogs que corresponde

al 46 % de la necesidad total de energa para el deshidratado de la fruta. El costo de la

implementacin del sistema del biodigestor con el mayor nivel de seguridad es de 50

millones (US$ 90 909); al analizar financieramente este sistema mediante el mtodo de

costos sustitutivos, se obtiene un valor presente neto de la inversin correspondiente a

14,9 millones (US$ 27 091) en un periodo de cinco aos, calculado a una tasa de

descuento del 15 %. La inversin presenta una tasa interna de retorno del 27 %

calculada anualmente.

Palabras clave: Biogs, deshidratacin, pia, gas metano, energas renovables.

viii

Abstract

The objective of this research study was to evaluate the use of biogas obtained from the

dehydration of pineapples as fuel. The study was conducted in a model enterprise that

processes 9000 kg of pineapples daily. This energy would be produced using the solid

wastes (peels and cores) through anaerobic digestion. The main goal is to partially

replace Liquefied Petroleum Gas (LPG) with this biogas because the price of gas keeps

rising and changing. When comparing the energetic capacity of both fuels, a m3 of

biogas has the potential to replace 0,98 L of LPG. The system has an operative cost of

510 048 (US$ 927.36) per month which is 84/ m3 (US$0.15/m3). The cost of LPG

gas is approximately 350/L (US$ 0.64/L). The potential of biogas production with

pineapple peels and cores corresponds to 0,41 m3/ kg of volatile solids. The processing

plant model would produce 292 m3/d of biogas which corresponds to 46 % of the total

amount of energy needed for fruit dehydration. The cost of implementing a biodigestion

system with the maximum level of security is 50 million (US $90 909). The financial

analyses done through the method of substitutive cost shows a net value of 14,9

million (US$ 27 091) in 5 years, with an interest rate of 15 %. The investment shows a

returning interest rate of 27 % annually.

Key words: Biogas, dehydration, pineapple, methane gas, renewable energies.

ix

Lista de Contenido

Pgina

DEDICATORIA V

AGRADECIMIENTO V

RESUMEN VII

ABSTRACT VIII

LISTA DE CONTENIDO VII

1 INTRODUCCIN 1

2 OBJETIVOS 3

2.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 3 2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ........................................................................... 3

3 REVISIN DE LITERATURA 5

3.1 TIPOS DE BIODIGESTORES......................................................................... 5 3.1.1 De cpula fija o tipo chino..................................................................... 5 3.1.2 De cpula mvil o tipo hind................................................................. 6 3.1.3 De estructura flexible............................................................................ 7

3.2 INSTALACIONES INDUSTRIALES DE BIODIGESTORES ............................ 7 3.3 DIGESTIN ANAERBICA ............................................................................ 8 3.4 COMBUSTIN DE BIOGS ........................................................................... 8 3.5 TEMPERATURAS EN LOS BIODIGESTORES .............................................. 9 3.6 PH DE LOS BIODIGESTORES..................................................................... 10 3.7 DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES............................................................ 10 3.8 MEZCLADO .................................................................................................. 10 3.9 CALENTAMIENTO........................................................................................ 10

1. CALENTAMIENTO INTERNO PONIENDO TUBOS DENTRO DEL ESTIRCOL Y HACIENDO PASAR AGUA CALIENTE A TRAVS DE ELLOS 11

3.10 PRODUCCIN DE BIOGS ......................................................................... 11 3.11 USO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO.............................................. 11 3.12 CONSTRUCCIN DE UN BIODIGESTOR ................................................... 13 3.13 PRESIN DE GASES................................................................................... 13 3.14 PIA.............................................................................................................. 14 3.15 GENERALIDADES SOBRE EL SECADO DE LOS ALIMENTOS ................. 15 3.16 SECADORES DE AIRE CALIENTE.............................................................. 16

3.16.1 Secadores tipo horno (plataforma) ..................................................... 17 3.16.2 Secadores de cabina (de bandejas) ................................................... 17 3.16.3 Secadores de tnel............................................................................. 17 3.16.4 Secadores de banda contina ............................................................ 17

x

3.17 EFECTO DE LA DESHIDRATACIN EN LOS ALIMENTOS........................18 3.17.1 Textura................................................................................................18 3.17.2 Aroma .................................................................................................18 3.17.3 Color ...................................................................................................18 3.17.4 Valor nutritivo ......................................................................................18

4 MATERIALES Y MTODOS 21

4.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL LUGAR ......................................................21 4.1.1 Descripcin de la planta modelo .........................................................21 4.1.2 Problemtica de la industria................................................................21 4.1.3 Consumo de gas de una planta deshidratadora de pia.....................21

4.2 CARACTERIZACIN DE LA PIA QUE SE UTILIZA EN EL PROYECTO ..................................................................................................22

4.3 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE DESHIDRATACIN DE PIA ..............................................................................................................22

4.4 DESCRIPCIN DEL GAS GLP .....................................................................23 4.5 OBTENCIN DEL BIOGS...........................................................................23 4.6 COMPARACIN DE LA CAPACIDAD ENERGTICA DEL BIOGS

VS. GAS GPL ................................................................................................24 4.6.1 Condiciones de la prueba ...................................................................24 4.6.2 Definicin de presin manomtrica.....................................................24 4.6.3 Prueba con biogs ..............................................................................24 4.6.4 Prueba con gas GPL...........................................................................25 4.6.5 Variacin entre pruebas......................................................................25 4.6.6 Clculos de energa ............................................................................25

4.7 ESTIMACIN DEL VOLUMEN DE PRODUCCIN DE BIOGS CON CSCARA DE PIA......................................................................................25

4.8 ANLISIS DE UN SISTEMA DE BIODIGESTORES, ALMACENAMIENTO DE BIOGS Y REGULACIN DE PRESIN .............26

4.9 REALIZACIN DE UN ANLISIS DE RENTABILIDAD.................................26 4.9.1 Tasa de inters ...................................................................................27 4.9.2 Parmetros para el clculo de la rentabilidad del proyecto.................27

5 RESULTADOS Y DISCUSIN 29

5.1 COMPARACIN DE LA CAPACIDAD ENERGTICA DEL BIOGS VS. GAS CONVENCIONAL...........................................................................29

5.2 ESTIMACIN DEL VOLUMEN DE PRODUCCIN DE BIOGS CON CSCARA DE PIA......................................................................................31

5.3 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PRODUCCIN DE BIOGS........................32 5.4 DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BIODIGESTORES,

ALMACENAMIENTO DE BIOGS Y REGULACIN DE PRESIN .............34 5.5 REALIZACIN DE UN ANLISIS DE RENTABILIDAD.................................35 5.6 CONCLUSIONES..........................................................................................37 5.7 RECOMENDACIONES..................................................................................37

xi

6 LISTA DE REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 39

7 ANEXOS 43

7.1 ANEXO 1. CLCULOS REALIZADOS EN EL DOCUMENTO ...................... 43 7.1.1 Clculos de energa............................................................................ 43 7.1.2 Clculos produccin de biogs con cscara de pia.......................... 43 7.1.3 Clculos flujo de la produccin de biogs........................................... 43 7.1.4 Clculos reemplazo de biogs............................................................ 43

7.2 ANEXO 2. SISTEMA DE BIODIGESTORES CON 4 RECMARAS............. 44 7.3 ANEXO 3. VISTA INTERNA DE UNA RECMARA DE CONCRETO........... 45 7.4 ANEXO 4. SISTEMA DE BIODIGESTORES CON CUBIERTA DE

PROTECCIN .............................................................................................. 45 7.5 ANEXO 5. VISTA FRONTAL CMARA DE ACUMULACIN DE

BIOGS ........................................................................................................ 46


1

1 Introduccin

El aumento de los costos del petrleo y el cambio climtico obliga a buscar alternativas

energticas de bajo costo que sean amigables con el ambiente. Pero no solo basta con

encontrar estas alternativas energticas, tambin hay que buscar alternativas eficientes

de utilizarlas.

Los beneficios de la digestin anaerbica se pueden ver desde un punto de vista triple:

el gas se puede utilizar para producir energa, el fertilizante que sale por el afluente

puede ser utilizado como abono orgnico de calidad, adems de prestar un gran

servicio ambiental ya que los desechos orgnicos o aguas de lavado no van

directamente a los ros (Instituto de Investigaciones Tecnolgicas, 1987). Segn

Quesada y Salas (2006), el biogs puede ser utilizado para reemplazar la gasolina

hasta en un 100 % mientras que en motores diesel se puede sustituir hasta en un 80 %,

esto muestra el potencial de este combustible para ser utilizado como fuente de

energa.

La suplementacin de los biodigestores con grasas vegetales puede elevar hasta en un

2400 % la productividad de biogs en biodigestores operados con excretas animales,

en este caso los residuos de grasas podran ser utilizados para aumentar la produccin

de biogs (Da Silva y Kreling, 2006).

Existen muchas metodologas para poder producir biogs pero no existen muchos

estudios que busquen alternativas para utilizarlo, de esto se deriva la necesidad de

buscarle usos a esta energa proveniente de fuentes limpias para que pueda ser

utilizada, reemplazando otras tecnologas que utilizan energas que contaminan el

ambiente. El procesamiento de alimentos es un rea interesante para aplicar estas

tecnologas de energa alternativas debido a que en muchos procesos productivos se

producen grandes cantidades de desechos orgnicos y el requerimiento de energa es

generalmente alto.

En la mayora de los pases latinoamericanos, el biogs ha tenido un uso limitado,

dirigido sobre todo al procesamiento de alimentos y la calefaccin de animales, sin

embargo, en los ltimos aos la importancia del biogs para generacin de energa

elctrica ha retomado importancia (Quesada y Salas, 2006).


2

El procesamiento de alimentos funge como una alternativa para mejorar la eficiencia y

aprovechamiento de los sistemas agrcolas, ya que estos pueden absorber grandes

cantidades de productos con calidades segundarias. En el caso de que estos productos

no se transformen, stos se venden a precios menores que el costo de produccin y en

los casos extremos se consideran como un desecho (Ortiz y Rojas, 2006).

Existen muchas metodologas para producir biogs pero existen pocos estudios que

busquen alternativas para utilizarlo, de ah la importancia de identificar escenarios de

uso a esta energa proveniente de fuentes limpias para que pueda ser utilizada

ampliamente, reemplazando otras tecnologas que utilizan energas que contaminan el

ambiente.

En respuesta al creciente desarrollo de la industria de procesamiento de alimentos y

particularmente al alto porcentaje de remanentes de campo (15 % en la cosecha de

pia) (Chamaidn, 2003) y a la necesidad de buscar sistemas que utilicen energas

limpias, se decidi desarrollar un estudio sobre la utilizacin de biogs en la

deshidratacin de pia con el objetivo de evaluar la factibilidad de sustituir el gas

convencional por el biogs.

El diseo de biodigestores para la utilizacin de biogs directamente como energa

permite tener energa limpia a bajo costo adems de una mayor eficiencia en la

utilizacin del biogs en comparacin a su transformacin en energa elctrica antes de

ser utilizado.


3

2 Objetivos

2.1 Objetivo General

Evaluar el uso del biogs en una planta de deshidratacin de pia como alternativa de

sustitucin del gas petrleo licuado (GPL).

2.2 Objetivos Especficos

Comparar la capacidad energtica del biogs en la deshidratacin de pia

con relacin al gas convencional.

Estimar el volumen de biogs producido por la cscara de pia.

Disear un sistema de biodigestores de acuerdo a las necesidades

energticas de la planta.

Disear el sistema de almacenamiento de biogs, regulacin de presin y

filtrado.

Realizar un anlisis de rentabilidad de la utilizacin de biogs comparado con

el gas GPL.


5

3 Revisin de Literatura

3.1 Tipos de Biodigestores

De acuerdo con el tipo de llenado existen dos tipos de biodigestores, los de flujo

discontinuo o de bache y los de flujo continuo. Los biodigestores de tipo

discontinuo o bache corresponden a aquellos diseos cuyo llenado con aguas

residuales se hace una sola vez y son vaciados luego de un tiempo prudencial,

para luego ser llenados nuevamente. Estos se utilizan en lugares donde no existe

disponibilidad constante de materia orgnica y agua.

Los biodigestores de flujo continuo son aquellos que permiten la entrada y salida

constante del fluido, estos son generalmente los ms prcticos para explotaciones

pecuarias y sistemas de descontaminacin. Existen muchos diseos y formas

segn la estructura (Char y Pedraza, 2002).

3.1.1 De cpula fija o tipo chino

Son aquellos armados en una sola estructura construida en materiales rgidos, el

biogs producido es almacenado en la parte superior del mismo compartimiento.

En algunos diseos existe un tanque de compensacin al que se desplaza parte

del lquido cuando hay sobre produccin de gas, retornando una vez que la

presin disminuye. En estos biodigestores la agitacin se da automticamente

debido a su forma achatada y redondeada (Canessa, 1985).


6

Figura 1. Biodigestor de cpula fija o tipo chino (RMR- Prigeds, 2007).

3.1.2 De cpula mvil o tipo hind

Estos biodigestores poseen dos estructuras: la primera es una estructura slida

fija y la segunda en la mayora de los casos es una campana metlica que flota

sobre la primera estructura. Estos son los nicos biodigestores que logran

mantener una presin constante del gas que generan, pero requieren una

inversin bastante alta en la construccin de la estructura y de la campana (Char

y Pedraza, 2002).

Figura 2. Biodigestor de cpula mvil o tipo hind (RMR- Prigeds, 2007).


7

3.1.3 De estructura flexible

Biodigestores que van desde tres hasta cien metros cbicos construidos con

polietileno tubular calibre 8 con un diseo que incluye cajas de entrada y salida del

material lquido. Las principales ventajas que presenta este tipo de biodigestor es

su bajo costo, la facilidad de construccin, instalacin y manejo, adems de su

mnimo mantenimiento (Char y Pedraza, 2002).

Figura 3. Biodigestor de estructura flexible (RMR- Prigeds, 2007).

3.2 Instalaciones Industriales de Biodigestores

Segn Fundacin Hbitat (2005), las instalaciones industriales de produccin de

biogs se tienen que disear de forma que fallen lo menos posible para poder

mantener un flujo constante de biogs, generalmente stas emplean tanques de

metal, ladrillo u hormign que sirven para almacenar la materia orgnica y el

biogs por separado, esto debido a las grandes cantidades de materia orgnica

que se necesita para garantizar la produccin de biogs.

Con el objetivo de lograr un mejor funcionamiento se usan sistemas de bombeo

para transportar los materiales desde los estanques de recoleccin hacia los

biodigestores y el bio-fertilizante de los biodigestores a los tanques de

almacenamiento; los sistemas de presin en los tanques de almacenamiento

permiten que el gas sea transportado mayores distancias. Es necesario algn tipo


8

de dispositivo que provoque la agitacin mecnica ya sea continua o intermitente

que permita al material no digerido entrar en contacto con las bacterias activas y

as obtener una buena digestin de la materia orgnica (Fundacin Hbitat, 2005).

3.3 Digestin Anaerbica

El proceso de digestin anaerbica ocurre por una interaccin compleja entre

distintos grupos de bacterias. Existen tres grupos de bacterias identificadas que

intervienen en cada una de las fases. Las primeras son llamadas bacterias

formadoras de cidos, stas hidrolizan las molculas complejas de materia

orgnica formando cidos grasos de cadena corta y alcohol. El segundo grupo

est formado por bacterias acetognicas, que producen acetato e hidrogeno. El

tercer grupo llamado metanognico, convierte los productos ya degradados a

metano y dixido de carbono (Coto y Maldonado, 2005).

Mediciones tomadas en la provincia de Sicuani por investigadores de la FAO

obtuvieron como resultado cinco tipos de gases que contiene los siguientes

porcentajes en el biogs: metano entre 55 % y 70 %; CO2, entre 28 % y 44 %; O2,

entre 0,14 % y 13,6 %; H2S, entre 0,001 % y 0,135 % (Coto y Maldonado, 2005).

3.4 Combustin de Biogs

Segn Aguilar (2005), el gas GPL tiene una capacidad energtica de 84 000 BTU

(Unidades Trmicas Britnicas) por galn de gas. Lo que equivale a 23 414 kJ/L

de gas. Al comparar este dato con los del biogs 23 000 kJ/m3 se obtiene que el

contenido energtico de 1 m3 de biogs sea equivalente al contenido energtico de

un litro de gas GPL. Debido a su capacidad energtica el biogs puede ser

utilizado en motores de combustin interna.

Segn Char y Pedraza (2002), los motores de combustin interna se pueden

trabajar con biogs siempre que su composicin no sobrepase los 10 mg/L de

cido sulfhdrico. Esto debido a que este cido produce corrosin en los motores

internamente. Para su eliminacin se puede utilizar un filtro con limadura de hierro

el cual se instala en la conduccin del biogs hacia el motor.


9

Adems, el biogs puede ser utilizado en motores de combustin interna, debido a

que posee un alto valor calorfico, posee una capacidad antidetonante con un

octanaje de 115 a 125. Esta caracterstica le permite que sea trabajado con una

compresin alta en un motor; de esta forma, con la utilizacin de biogs se puede

alcanzar una potencia similar a la que se puede generar con un combustible

convencional (Quesada y Salas, 2006).

Segn las condiciones ambientales el metano tiene una capacidad de encendido

que va desde 640 C a 840 C. Accionndolo en presencia de aire su combustin

supera los 2000 C. Debido a la presencia de CO2 en el biogs la temperatura de

encendido es mayor que la del metano, por esta razn el biogs puede soportar

una mayor compresin y evitar que se provoque una combustin instantnea

(Quesada y Salas, 2006).

3.5 Temperaturas en los Biodigestores

La temperatura en la cual el proceso de produccin de gas metano ocurre se

encuentra entre 5 C a 55 C. Segn la temperatura que se tenga en el interior de

la bolsa se forman diferentes tipos de bacterias las cuales se clasifican de la

siguiente manera: crioflicas: se desarrollan en temperaturas menores de 20 C,

mesfilicas: se reproducen a temperaturas que van de 20 C a 45 C y las

bacterias termfilicas las cuales se desarrollan a temperaturas mayores de 45 C

(Guerrero y Prez, 2001).

Segn Santana (1985), se ha encontrado que la temperatura ptima para la

digestin es entre 30 C a 35 C, pues se combinan las mejores condiciones para

el crecimiento de las bacterias y la produccin de metano con un corto tiempo de

retencin de los desechos en el digestor.

Segn Miyashiro y Meggs (2007), el gas metano (CH4) a temperatura ambiente se

encuentra en estado gaseoso y es incoloro e inodoro. Tiene un punto de fusin de

-182,6 C y un punto de ebullicin de 161,7 C. Este gas es insoluble en agua pero

muy soluble en varios disolventes orgnicos no polares y adems no puede ser

licuado.


10

3.6 pH de los Biodigestores

Segn Botero y Preston (1987), aunque el rango de pH para alcanzar la

fermentacin anaerbica ptima puede variar, el proceso de digestin bacteriana

produce biogs a valores de pH entre 6,7 y 7,5, un medio prcticamente neutro.

En algunos casos la acidez en los biodigestores puede ser corregida adicionando

agua con cal a la fase lquida.

Segn Santana (1985), la alcalinidad protege de fluctuaciones del pH y ste se

mantiene por el CO2 durante la formacin de metano. Al iniciar el proceso de

fermentacin, las bacterias comienzan la produccin de cidos, por lo que el pH

del medio puede acidificarse, pero una vez que se regula la produccin ste tiende

a estabilizarse.

3.7 Disponibilidad de Nutrientes

En cuanto a los nutrientes, es de gran importancia la razn C:N

(carbono:nitrgeno). Se ha encontrado que lo ptimo es 25:1. Si se tiene mucho

carbono y una pequea cantidad de nitrgeno, la bacteria no puede utilizar todo el

carbono presente y por lo tanto la degradacin de la materia orgnica ser

ineficiente. Si la presencia de nitrgeno es alta, no habr en que utilizarlo y se

acumula principalmente en forma de amoniaco que puede inhibir el crecimiento de

las bacterias o producir su muerte (Santana, 1985).

3.8 Mezclado

Un aumento en la produccin se relaciona con la agitacin frecuente de la mezcla,

el mezclado se puede hacer por medio del flujo o en forma mecnica y tiene la

ventaja de que el sustrato est ms homogneo, que las bacterias tienen mayor

distribucin dentro de l y que la formacin de nata sea mnima (Santana, 1985).

3.9 Calentamiento

Para mantener una temperatura constante en el digestor y evitar los cambios que

daan la poblacin microbiana, se puede recurrir al calentamiento, usando su

misma energa, a continuacin algunas de las opciones:


11

1. Calentamiento interno poniendo tubos dentro del estircol y haciendo pasar

agua caliente a travs de ellos

2. Calentamiento externo por medio de intercambiadores de calor

3. Llama directa

4. Vapor directo

3.10 Produccin de Biogs

A continuacin se presentan algunas caractersticas del biogs que se deben

tomar en cuenta a la hora de realizar un diseo de un sistema de produccin de

biogs:

Cuadro 1. Algunas caractersticas del biogs.

Parmetros Caractersticas

Temperatura adecuada de operacin

20 C a 45 C

Tiempo de retencin Entre 40 y 100 das

Contenido energtico del biogs

Unos 23 000 kJ/m3 (aproximadamente la mitad que el gas natural)

Generacin de biogs De 0,3 a 0,5 m3 por un m3/d de digestos; entre 0,2 m3/kg y 0,4 m3/kg de biogs de biomasa seca

Produccin para una vaca 9 kg/d a 15 kg/d de estircol = 0,4 m3/da de biogs

Produccin para un cerdo 2 kg/d a 3 kg/d de estircol = 0,4 m3/da de biogs

Gas usado para cocinar 0,1 m3 a 0,3 m3 por persona

Para una lmpara 0,1 m3/h a 0,15 m3/h

Fuente: Da Silva (2006).

3.11 Uso de Tanques de Almacenamiento

Para la utilizacin del gas a una escala industrial, es necesario el uso de tanques

de almacenamiento a presin que permitan almacenar el biogs (Figura 1).


12

Figura 4. Tanque de acero inoxidable y accesorios.

V7 Vlvula de bola , drenaje en el fondo S2 Sensor de nivel (altura 5 cm del fondo) Abanico Compresor de gas, tuberas entrada y salida 1 F1 Tubo flexible 1 M1 Manmetro 0/-5PSI toma lateral V5 Vlvula de bola 1 F2 Tubo flexible 1 V6 Vlvula antirretorno 1 V3 Vlvula de bola 3/8 M2 Manmetro 0/15PSI toma lateral S1 Interruptor de presin toma CH4 Monitor de Metano, toma PR1 Regulador de presin , hembra V9 Electrovlvula 1 M3 Manmetro 0/5PSI toma lateral V8 Vlvula de bola 3/8 F3 Tubo flexible 1 UT Unin de tope para facilidad de montaje


13

3.12 Construccin de un Biodigestor

Una planta de biogs es la instalacin fsica donde el biogs es generado. Una planta

tpica de biogs consiste en un digestor donde la fermentacin anaerbica ocurre, un

tanque de almacenamiento de biogs, los dispositivos de entrada y salida y el sistema

de distribucin de gas (Tata Energy Research Institute, 1985).

La optimizacin de las dimensiones de la planta va de la mano con la economa de

materiales para la construccin de la planta. Adems una mejora en el tiempo de

retencin produce economas significativas (Tata Energy Research Institute, 1985).

En el momento de construir el biodigestor en su interior, se pueden colocar pequeas

paredes muy corrugadas para que las cavidades sirvan de alojamiento a las bacterias.

Para mejorar la produccin de un digestor pueden inocularse cepas de las mejores

especies, seleccionadas con base en la experiencia por su buena produccin de gas

(Santana, 1985).

3.13 Presin de Gases

Segn Tippens (1988), al comprimir un gas a temperatura constante el producto de su

presin y su volumen siempre es constante. Esto quiere decir que si se tiene un gas

almacenado y ste es comprimido de forma de que ocupe la mitad del volumen que

ocupaba antes su presin va ha ser el doble. Hay que recordar que la presin debe ser

la presin absoluta y no la presin manomtrica. Esta afirmacin es una forma de

enunciar la ley de Boyle que dice: Siempre que la masa y la temperatura de una

muestra de gas se mantienen constante, el volumen del gas es inversamente

proporcional a su presin absoluta.

Segn Tippens (1988), la mayor parte de los dispositivos que miden la presin

directamente, miden en realidad la diferencia entre la presin absoluta y la presin

atmosfrica, a este resultado se le llama presin manomtrica. Para realizar clculos

para almacenamiento de un gas se debe pasar todos los valores a presin absoluta.


14

3.14 Pia

La planta de pia es una monocotilednea, herbceo, perenne, algama auto

compatible de reproduccin principalmente asexual a travs de hijos (Picado y

Vsquez, 1999) (Cuadro 2).

Cuadro 2. Clasificacin taxonmica de la pia.

Categora Grupo Reino Vegetal Phyllum Pteridofita Clase Angiosperma Subclase Monocotilednea Orden Farinosae Familia Bromeliaceae Genero Ananas Especie Comosus Fuente: Chamaidn y Guerrero (2003).

La pia es originaria de Amrica Tropical, es una fruta de buena fragancia y agradable.

La fruta presenta buenas condiciones para ser utilizada en deshidratacin, proceso de

rodajas, jaleas, jugos, nctares (De la Cruz, 1987). La disponibilidad de grandes

cantidades de pia de segunda calidad (15 % de la produccin total) permite tener

abundancia de materias primas para su transformacin en la elaboracin de sub-

productos de valor agregado (Chamaidn y Guerrero, 2003).

La pia presenta importantes cualidades nutricionales para la salud de los

consumidores, a continuacin se presenta una tabla con los contenidos nutricionales de

esta fruta por cada 100 g de producto fresco comestible.

Cuadro 3. Contenido nutricional de la pia por cada 100 g de producto fresco comestible.

Parmetro Contenido Energa 49 kcal Agua 86,5 mL Protena 0,4 g Grasa 0,4 g Hidratos de carbono 11,2 g Potasio 113 mg Magnesio 14 mg Provitamina A 2 mg Vitamina C 15,4 mg Folato 10,6 mg Vitamina E 0,1 mg Fuente: Chamaidn y Guerrero (2003).


15

3.15 Generalidades Sobre el Secado de los Alimentos

El deshidratado es un proceso mediante el cual se elimina agua por la interaccin de

tres elementos bsicos: aire, temperatura y humedad. Un buen resultado depende de la

combinacin de estos factores. Los microorganismos pueden deteriorar los productos

frescos debido a que el contenido de humedad supera cierto nivel, el deshidratado

reduce la humedad por debajo de ese nivel, deteniendo el crecimiento de los mismos

(Intermediate Technology Development Group,1998).

El objetivo de la deshidratacin de cualquier alimento es la disminucin del agua

disponible lo que impide el desarrollo de microorganismos. El xito de esta actividad

est en eliminar suficiente humedad del alimento de manera que se pueda conseguir

una actividad de agua (agua disponible) tan baja que impida la multiplicacin

microbiana (Arthey y Dennis, 1991).

Para poder conseguir un producto de primera calidad se debe prestar especial atencin

a los niveles de secado. Como la humedad se pierde a travs de la superficie expuesta

es de gran importancia tomar en cuenta el tamao y geometra de las partculas as

como la humedad relativa del aire usado para la deshidratacin. Se debe controlar la

temperatura ya que una deshidratacin excesivamente rpida produce una costra que

no permite la salida de la humedad del centro del producto (Arthey y Dennis, 1991).

En general se puede decir que cuanto ms corto el periodo de secado mejor son los

resultados, debido a un menor efecto del calor sobre el producto. Sin embargo esto no

se aplica a todos los alimentos, si se apresura el secado de productos ricos en

almidones ocurre un fenmeno conocido como encostramiento. El encostramiento

ocurre cuando el agua que hay dentro del alimento no puede salir debido a la velocidad

con que se ha secado la superficie, ya que se crea una costra que evita que la

humedad que estaba emergiendo pueda continuar su curso. En otros casos aumentar

la temperatura para intensificar el proceso de secado destruye las vitaminas lo que

origina una merma de color, sabor y valor nutritivo (Intermediate Technology

Development Group, 1998).

Segn Bustamante et al. (1993), al ponerse en contacto las frutas hmedas con el aire

caliente seco se establece una transferencia de calor desde el aire hasta el producto y

una transferencia de agua en el sentido contrario, debido a la baja humedad relativa del

aire. Durante el proceso se deben controlar la velocidad, temperatura y humedad del


16

aire. Estas propiedades, as como la presin atmosfrica ejercen gran influencia sobre

la razn de secado. Se deben tomar en cuenta algunas consideraciones en ese sentido.

A una mayor diferencia entre temperaturas del aire y del producto mayor ser la

transferencia de calor.

El aire en movimiento es ms efectivo para la remocin de agua que el aire

estacionario.

Una alta humedad en el aire implica una menor capacidad para aceptar el agua

que se desprenda del producto, requirindose volmenes superiores de aire para

realizar la operacin de secado.

La presin atmosfrica determina la temperatura de ebullicin del agua, de esta

forma al utilizar un vaco se permite evaporar el agua mas rpidamente e incluso

reducir la temperatura de secado.

El tamao de las partculas a secar influyen directamente sobre el costo energtico de

realizar el secado ya que en trozos ms pequeos se reduce la distancia que debe

recorrer el calor para llegar al centro del producto y la del agua para alcanzar la

superficie (Bustamante et al., 1993).

En el caso particular del secado de frutas, una de las ventajas es su alta acidez,

situacin que permite controlar en alguna medida el desarrollo de microorganismos. Los

nicos microorganismos de descomposicin que pueden presentarse son los mohos y

las levaduras los cuales rara vez causan enfermedades; sin embargo en las frutas

tropicales el grado de acidez suele disminuir cuando stas se maduran (Intermediate

Technology Development Group, 1998). La prdida de la acidez se puede compensar

mediante una deshidratacin que disminuye el agua disponible en el producto,

dificultando el desarrollo de microorganismos con lo que se aumenta la vida til del

producto.

3.16 Secadores de aire caliente

Segn Bustamante et al. (1993) y Arthey y Dennis (1991) existe una amplia gama de

secadores con aire caliente, para tomar la decisin del equipo utilizar se debe tomar en

cuenta el capital disponible, volumen de produccin y las condiciones de deshidratacin


17

que se requieran. A continuacin se presentan diversos tipos de secadores que se

pueden utilizar.

3.16.1 Secadores tipo horno (plataforma)

Es el equipo de mayor antigedad que se utiliza actualmente en la deshidratacin

comercial. Este tiene dos niveles, en el nivel inferior se encuentran los quemadores que

proveen calor para calentar el aire y que suba a travs del piso hasta el nivel superior.

El producto se coloca sobre el piso perforado donde es mezclado peridicamente

durante el proceso. Este secador es ineficiente en el uso del calor lo que genera un

secado lento y no permite un control adecuado del proceso.

3.16.2 Secadores de cabina (de bandejas)

Cmaras cerradas dentro de las cuales se coloca el producto acomodado en bandejas.

El aire caliente es introducido en la cmara por medio de ventiladores donde es

distribuido de la mejor manera posible. Se dispone de una salida para el aire hmedo y

en algunos casos con sistemas de recirculacin de aire. Estos equipos son tiles en

operaciones de pequea escala, operan por lotes y proveen algn control y uniformidad

de la temperatura.

3.16.3 Secadores de tnel

Es el sistema ms flexible y eficiente de deshidratacin, ampliamente utilizado en frutas.

Este equipo es similar al secador de cabina, excepto que permite una operacin

continua a lo largo de un tnel rectangular, los carros con el producto se mueven a

travs del tnel. El tnel est provisto de una corriente de aire caliente que se introduce

en uno de sus extremos.

El tamao de estos secadores puede variar mucho. Un sistema utilizado para frutas

consiste en tneles de 2 3 etapas de 9,1 m de largo, 2 m de ancho y 2,1 m de alto.

Generalmente el aire se dirige en direccin contracorriente y puede alcanzar hasta

82 C y 93 C y velocidades del aire entre 3 m/s a 6 m/s.

3.16.4 Secadores de banda contina

Este tipo de secadores son similares a los de tneles con la excepcin de que el

alimento es transportado a travs del sistema con aire caliente sobre una malla en

movimiento continuo, sin utilizar bandejas. Este sistema tiene la ventaja de eliminar el

costoso manejo del producto en bandejas antes y despus del secado. Adems este


18

permite una operacin automtica con respecto a la alimentacin y recoleccin del

producto.

Estos secadores estn equipados con una malla de alrededor 23 m de largo y 2,4 m de

ancho, tardando 2,5 h en atravesar el sistema. Las bandas son construidas de

engranajes de metal entretejidos. La velocidad de la cinta transportadora es variable por

lo que se pueden ajustar las condiciones del proceso.

Para el manejo de frutas con alto contenido de azcar las cuales tienden a adherirse a

la banda en la salida de la descarga requieren de la aplicacin de una cera para

secadores o una atomizacin de aceite mineral grado alimentario.

3.17 Efecto de la Deshidratacin en los Alimentos

3.17.1 Textura

El parmetro ms afectado durante el proceso de secado corresponde a la textura. La

textura que presenta un producto deshidratado depende en gran medida del sistema de

deshidratacin empleado, ya que en la mayora de los casos sta es deteriorada

durante el proceso (lvarez y Sigenza, 2006).

3.17.2 Aroma

La prdida de compuestos aromticos voltiles se da como consecuencia de la

reaccin de Maillard y de otras reacciones qumicas que generan sustancias nuevas. La

intensidad de la prdida de compuestos aromticos voltiles depende de la

temperatura, la concentracin de slidos en el alimento y de la presin de vapor de las

sustancias voltiles y su solubilidad en el vapor de agua (lvarez y Sigenza, 2006).

3.17.3 Color

En los tejidos vegetales el principal cambio de color corresponde al pardeamiento, el

cual puede ser enzimtico o no enzimtico. Durante el almacenamiento el pardeamiento

se ve favorecido por la oxidacin y la actividad enzimtica. Esto se puede evitar

utilizando el escaldado como tratamiento previo a la desecacin o con un tratamiento

con cido ascrbico (lvarez y Sigenza, 2006).

3.17.4 Valor nutritivo

La oxidacin es una causa de prdida del valor nutritivo de los productos. Los

tratamientos con dixido de azufre (SO2) que se utilizan para frenar el pardeamiento

reducen las prdidas de vitamina C pero aceleran las de tiamina. Las reacciones del


19

pardeamiento no enzimtico reducen el valor biolgico de las protenas (lvarez y

Sigenza, 2006).


21

4 Materiales y Mtodos

4.1 Descripcin General del Lugar

La Universidad EARTH est ubicada en la regin tropical hmeda de Costa Rica

especficamente en la regin atlntica, en las Mercedes de Gucimo provincia de

Limn. Geogrficamente est ubicada en la latitud 101245 norte y longitud 833539

oeste, a una altura promedio de 30 msnm. La temperatura media anual vara en un

rango de 24,6 C y 26,3 C con una precipitacin media de 3464 mm/ao (Acosta,

2005).

4.1.1 Descripcin de la planta modelo

La planta modelo con una capacidad de procesar 9000 kg diarios se calcul de acuerdo

a las posibilidades de mercadeo de una empresa en formacin, as como necesidades

logsticas de exportacin y posibilidades de implementar programas de manejo de

remanentes de pia, debido a la necesidad de economas de escala. Se estableci este

tamao debido a que corresponde a la capacidad de un camin que podra transportar

el producto diariamente a la planta. Esto debido a la necesidad de trabajar cargas

completas en el transporte de materias primas para disminuir costos.

4.1.2 Problemtica de la industria

La industria presenta grandes problemas en cuanto al manejo de los remanentes

slidos, actualmente estos son botados en los suelos pieros produciendo problemas

de acidez, contaminacin ambiental severa as como la proliferacin de la mosca del

establo (Stomoxys calcitrans) (Aguasvivas y Alfaro, 2004).

El sistema estudiado tiene como objetivo un manejo de los desechos slidos,

apuntando a la produccin de biogs como sustituto del gas convencional utilizado

actualmente. Esta planta prestar otros beneficios no cuantificados en este anlisis, los

cuales sern comentados en la seccin de resultados y discusin de este trabajo.

4.1.3 Consumo de gas de una planta deshidratadora de pia

Generalmente, las plantas de deshidratacin de pia, similares a la planteada en este

trabajo utilizan deshidratadores de aire caliente, los cuales funcionan generalmente con

gas GPL, este producto tiene un costo de 350 colones por litro1. Los sistemas de

1 Tropi Gas. Precio de gas. Comunicacin telefnica. [Telfono] 30 de julio 2008.Comunicacin personal.


22

secado utilizan normalmente temperaturas entre 60 C a 70 C por tiempos que rondan

18 h y 24 h segn la humedad relativa externa y el tamao de las partculas a

deshidratar, esto produce un consumo de gas GPL de alrededor de 1,15 L/kg de pia

deshidratada.

4.2 Caracterizacin de la Pia que se Utiliza en el Proyecto

En el proyecto se utiliza pia variedad MD2, que es la que mayormente se siembra en

Costa Rica, los datos sobre produccin de biogs provienen de estudios con otras

variedades. Sin embargo, la variacin entre ambas variedades es mnima desde el

punto de vista del potencial de produccin de biogs. Por esta razn los datos

obtenidos por Rani y Nand (2006) en India sobre el potencial de produccin con

remanentes de pia son utilizados para realizar los clculos en las condiciones

establecidas en este proyecto.

La pia que se utiliza tiene un contenido de materia seca del 15 % y un contenido de

humedad del 81,2 % a 86,2 % (De la Cruz y Garca, 2005).

4.3 Diagrama de Flujo del Proceso de Deshidratacin de Pia

A continuacin se presenta el diagrama de flujo del proceso de deshidratacin de pia

tomando como base una planta modelo que procesa 9000 kg de pia fresca diarios; de

los valores tomados de esta planta se procede a realizar los clculos sobre produccin

de biogs y necesidad de energa. Estos datos corresponden a promedios de la

industria, los cuales cambian segn el tamao del fruto, calidad del fruto y habilidad de

las personas que realizan el proceso de pelado.


23

Figura 5. Diagrama de flujo del proceso de deshidratacin de pia.

4.4 Descripcin del Gas GLP

El gas licuado de petrleo (GLP) es un gas incoloro no renovable derivado del petrleo

que se vuelve lquido a presiones moderadas, el tipo de gas GLP utilizado

comercialmente tiene al menos un 90 % de propano, 2,5 % de butano y un balance de

etano y propileno. La mezcla es llamada normalmente gas propano. Este gas tiene la

propiedad de ser licuefacto a presiones menores a 200 psi (libra por pulgada cuadrada),

de esta forma es fcilmente condensable, lo que mejora su almacenamiento y

transporte (LP Gas Association, 2002).

El gas utilizado en la planta modelo es vendido por la empresa Tropigs el cual

actualmente tiene un costo de 350 colones por litro. La capacidad energtica del gas

GPL es de 23410 kJ/L (Aguilar, 2005).

4.5 Obtencin del biogs

El biogs se obtiene del proceso de digestin anaerbica que ocurre por la interaccin

de un grupo de bacterias. Estas bacterias descomponen la materia orgnica

produciendo biogs y generando un desecho lquido que puede ser utilizado como

biofertilizante.


24

La produccin de biogs se puede dar con cualquier tipo de material orgnico cuyo

potencial de produccin depende de la calidad del producto que se utilice.

Para efectos de este proyecto se tiene como objetivo la utilizacin de los remanentes de

pia (4675 kg, Figura 5), de la industria de pia deshidratada para la produccin de

biogs, remplazando las fuentes de energa convencionales utilizadas por la industria

(Gas GPL).

4.6 Comparacin de la Capacidad Energtica del Biogs vs. Gas GPL

Para la determinacin de la capacidad energtica del biogs se realiz una prueba de

calentamiento de agua, utilizando biogs y gas convencional para comparar la

capacidad energtica de ambos. Debido a que los sistemas de biogs y gas

convencional funcionan bajo condiciones totalmente diferentes se ajustaron los datos

utilizando valores tericos.

4.6.1 Condiciones de la prueba

Para la determinacin de la capacidad energtica se utiliz un recipiente metlico con

una capacidad de 25 L el cual fue llenado con 9 L de agua. El agua fue calentada hasta

su punto de ebullicin tomando mediciones de temperatura cada 2 min, la medicin

inici una vez que se colocaba el recipiente sobre la fuente de calor donde la

temperatura fue tomada en el centro del recipiente. La prueba fue realizada por

triplicado.

El recipiente donde se efecto la prueba no tena tapa para facilitar la medicin

constante de la temperatura.

4.6.2 Definicin de presin manomtrica

La presin manomtrica es la diferencia de presin entre el recipiente donde est

introducido el manmetro y la presin ambiental. La presin ambiental a nivel del mar

sobre el Ecuador equivale a una atmsfera lo cual es 14,7 psi. Para efectos del trabajo

todas las presiones sern dadas en presiones manomtricas ya que el flujo de un gas

es dado por el diferencial de presin con respecto a la presin ambiental.

4.6.3 Prueba con biogs

La prueba de biogs fue realizada en la Finca Pecuaria Integrada (FPI), esta energa

proviene de la produccin con los flujos lquidos del lavado de la lechera y porqueriza.

La presin utilizada en la prueba realizada es cercana a la presin ambiental, la presin


25

que permite el flujo es equivalente a 10 cm de lmina de agua lo cual equivale a

0,14 psi de presin manomtrica.

4.6.4 Prueba con gas GPL

La prueba con gas GPL fue realizada en el Laboratorio de Procesamiento de Alimentos

de la Universidad EARTH a una presin manomtrica de 12 psi, la cual es regulada por

la salida del tanque de almacenamiento del laboratorio el cual es prestado por la

empresa Tropigas.

4.6.5 Variacin entre pruebas

Estas pruebas no pudieron ser realizadas en las mismas condiciones debido a la

variacin entre los sistemas. Por ejemplo el flujo del biogs est dado en m3/h, mientras

que en el gas GPL est dado en L/h.

4.6.6 Clculos de energa

La energa necesaria para subir la temperatura de un litro de agua en 1 C es de 1 kJ.

La realizacin de los clculos de energa se hizo mediante una comparacin de la

capacidad de los gases para calentar un volumen de agua correspondiente a 9 L,

aumentando su temperatura 71 C (pasar de 28 C a 99 C) tomando en cuenta una

eficiencia del 20 % (Hechavarria, 2005). Segn la capacidad energtica de cada gas se

procedi a realizar un clculo de la cantidad de gas utilizado a travs del tiempo, el cual

se ajust a un flujo en m3/h en el caso del biogs y L/h con el gas GPL. Para ajustar los

datos se debi recurrir a la capacidad energtica de ambos gases.

4.7 Estimacin del Volumen de Produccin de Biogs con Cscara de Pia

Tomando datos tericos sobre la generacin de metano con remanentes de pia de la

industria de pia enlatada, provenientes del estudio realizado por Rani y Nand (2006)

en India, se pueden transpolar estos datos tomando en cuenta la similitud de estos

remanentes con los de la industria de pia deshidratada, permitiendo realizar una

proyeccin de la cantidad de biogs que se puede producir.

En este estudio se obtuvieron datos sobre la produccin de biogs por kg de slidos

voltiles, (0,41 m3/kg de slidos voltiles (Rani y Nand, 2006)) estos se obtuvieron

tomando el contenido de slidos voltiles de la pia y multiplicndolo por el potencial de

produccin con remanentes.


26

Una vez obtenido el volumen de biogs a producir y al tener una equivalencia con

respecto al gas GPL, se procedi a calcular el porcentaje de energa que podra

sustituir el biogs en la deshidratacin de pia. La sustitucin se obtiene al dividir el

valor energtico del biogs (23 000 kJ/m3) entre el valor energtico del gas LPG

(23 410 kJ/L).

4.8 Anlisis de un Sistema de Biodigestores, Almacenamiento de Biogs y Regulacin de Presin

Analizando datos de costos de los materiales de construccin y necesidades de

seguridad en el sistema, se determin la capacidad del sistema de biodigestores de

manera que se adapten a las necesidades energticas de la planta. Se tom en cuenta

factores de costos, adems de la capacidad de depuracin del sistema en cuanto a los

remanentes slidos.

Se analizaron diferentes opciones de sistemas recomendados y se decidi utilizar el

sistema que proporciona mayor seguridad. Consecuentemente este sistema es el de

mayor costo, pero una inversin alta se justifica cuando el gasto en energa para

deshidratacin asciende a los 205 575 colones diarios. Este nmero se obtiene de

multiplicar los 586,5 L de gas GPL diarios por el costo que actualmente es de 350/L.

La escogencia del sistema se realizara de acuerdo a los parmetros de costos de

implementacin del sistema, aporte financiero del sistema a escoger y la seguridad que

este nos brinda.

Los datos de costos de instalacin del sistema son tomados de informacin

proporcionada por el Sr. Pablo Gonzlez, propietario de la empresa Biosinergia

Alternativa.

4.9 Realizacin de un Anlisis de Rentabilidad

Al integrar los costos de instalacin del sistema, mantenimiento de los biodigestores y

utilizacin del biogs, se compar con el costo de la utilizacin del gas GPL para

identificar si la utilizacin de biogs es rentable. Luego se realiz un anlisis de

rentabilidad del proyecto mediante el mtodo de costos sustitutivos, donde los ingresos

del sistema de biodigestores son considerados como los egresos que se dejan de

realizar por compra de gas GPL, de esta manera se mide la rentabilidad del proyecto.


27

4.9.1 Tasa de inters

Para hacer el anlisis de rentabilidad se utiliz una tasa de inters del 15 % en colones.

Las tasas de inters activas en colones en los bancos pblicos de Costa Rica al 8 de

julio 2008 era de 13,46 % (Banco Central de Costa Rica, 2008), esto permite tener un

margen de seguridad para cubrir otros costos ligados al prstamo.

4.9.2 Parmetros para el clculo de la rentabilidad del proyecto

Se realiz un anlisis del Valor Presente Neto (VPN) de la inversin, tomando en

cuenta la ganancia operativa del proyecto la cual proviene de los ingresos menos los

gastos operativos. Este anlisis se hizo tanto mensual como anualmente teniendo una

variacin a favor de realizarlo mensualmente, debido al efecto acumulativo de los

intereses. Tambin se calcul la Tasa Interna de Retorno (TIR), lo que corresponde a la

tasa de inters que hace que el VPN sea cero. Si dicha tasa es mayor que las tasas de

inters del mercado, indica que el proyecto es rentable, cuanto mayor sea la diferencia

entre ambos mayor es la seguridad.


29

5 Resultados y Discusin

5.1 Comparacin de la Capacidad Energtica del Biogs vs. Gas Convencional

El poder energtico del biogs equivale a 23 000 kJ/m3 mientras que el poder

energtico del gas GPL equivale a 23 400 kJ/L. Al comparar estos datos se obtiene que

un m3 de biogs equivale a 0,98 L de gas GPL.

Al comparar la capacidad de calentar agua del biogs y del gas GPL, se observ que

ambos gases son capaces de aumentar la temperatura de 9 L agua en 71 C (al pasar

de 28 C a 99 C) con lo cual se tiene una necesidad de 639 kJ netos (ver seccin

4.6.6.). Si se toma en cuenta una eficiencia energtica del 20 % en el sistema

(Hechavarria, 2005) debido a la rusticidad (mucha de la energa generada por la llama

es perdida en forma de calor en el ambiente) se obtiene una necesidad bruta de

3195 kJ. La eficiencia energtica cambia segn una gran cantidad de variables

ambientales y de diseo que afectan el sistema; sin embargo, estas variables son

prcticamente las mismas para ambos casos, por lo que no afectan la comparacin que

se realiza.

La realizacin de la prueba de la capacidad energtica del biogs (Figura 6) muestra

similitud entre las curvas de los dos combustibles. Datos de temperatura muestran que

el biogs no tiene limitaciones para ser utilizado en la deshidratacin de pia donde se

necesitan temperaturas cercanas a los 65 C, temperatura menor a los 99 C

alcanzados en el agua. La diferencia en los tiempos para alcanzar la temperatura de

99 C se debe a que el flujo en ambos sistemas fue diferente.

El flujo de biogs fue de 0,35 m3/h, este nmero se obtuvo al ajustar la necesidad total

de energa por el tiempo que llev la estufa en calentar el volumen de agua (24 min) de

los diferentes ensayos. El flujo de gas convencional en la prueba corresponde a

0,23 L/h, al igual que en el caso anterior se obtiene al ajustar la necesidad total de

energa por el tiempo que llev la estufa en calentar el volumen de agua. El tiempo de

calentamiento utilizando gas convencional fue de 36 min.


30

Cuadro 4. Datos de la prueba de comparacin energtica utilizando biogs vs. Gas GPL.

Datos Biogs Gas GPL Energa Total (calentar 9 L) 3195 kJ 3195 kJ Contenido energtico 23000 kJ/m3 23410 kJ/L Volumen de gas necesario para calentar agua (9 L)

0,1389 m3 0,1365 L

Tiempo de calentamiento 0,4 h (24 minutos) 0,6 h (36 minutos) Flujo de gas 0,35 m3/h 0,23 L/h Clculos Anexo 1.1.

Figura 6. Comparacin del poder energtico del biogs vs. gas convencional (GPL).

El biogs es un combustible de menor poder energtico absoluto que otros

combustibles, sin embargo, su produccin abundante permite realizar labores

energticas utilizando mayores volmenes pero a un menor costo. El costo de

produccin es relativamente bajo adems de ser una fuente de energa renovable que

disminuye la dependencia hacia el petrleo. Segn Botero y Aguilar (2007), la

produccin de biogs utilizando biodigestores de tipo flexible en pequeas granjas

agrcolas permite un ahorro de 381,43 L de diesel, que al precio actual de

726/L

(RECOPE, 2008) equivalen a

276 918. El costo de instalacin de un biodigestor de

tipo flexible de aproximadamente 16 m3 equivale a

80000 con una vida til de 10

Biogas Gas GPL

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Tiempo (min)

30

40

50

60

70

80

90

100

Temperatura (C

)

Biogas Gas GPL


31

aos. Esto muestra la rentabilidad de la utilizacin de biogs en otras aplicaciones

prcticas.

Su importancia relativa ha aumentado en los ltimos das debido al aumento en los

precios del petrleo, el gas GPL es un derivado del petrleo, por lo que su precio est

directamente influenciado por los precios de ste (FAO, 1986).

En la Figura 6 se puede apreciar que ambos combustibles pueden ser utilizados como

fuente para generar calor, particularmente en el proceso de deshidratacin de pia

debido a que alcanzan temperaturas mayores a las que se requieren para un proceso

de deshidratacin con aire caliente convencional (65 C). El biogs al ser un gas que

puede ser producido con remanentes de la misma industria, presenta costos menores

aumentando la rentabilidad de la empresa, adems la utilizacin de estos remanentes

permite disminuir la contaminacin ambiental.

5.2 Estimacin del Volumen de Produccin de Biogs con Cscara de Pia

Segn Rani (2003), las cscaras de pia pueden producir biogs en una relacin de

0,41 m3/kg de slidos voltiles, la proporcin de slidos voltiles en relacin a los

slidos totales en la cscara de pia es de 96,12 %. Esto da una produccin de

0,39 m3/kg de cscara de pia seca (clculos Anexo 1.2).

En mediciones realizadas, el contenido de materia seca de la pia es de alrededor de

15 %. Segn De la Cruz y Garca (2005), el contenido de humedad en la pia vara

entre 81,2 % a 86,2 % de humedad, lo que confirma la validez del dato medido en el

Laboratorio de Procesamiento de Alimentos de la Universidad EARTH utilizando el

equipo de medicin de humedad.

En una industria tpica de deshidratado de pia y tomando como base una produccin

de 9000 kg de pia fresca/da se desprenden los siguientes datos tericos de

rendimientos, cantidad de desechos y necesidad de gas GPL (Cuadro 5).

Cuadro 5. Productos y materias primas en el proceso de deshidratacin de 9000 kg de pia (clculos Anexo 1.4)

Producto Valor Remanentes 4674 kg/ da Materia seca remanentes 701,1 kg/da Slidos voltiles 673,9 kg/da Produccin biogs 276,3 m3/da


32

Producto Valor Equivalente gas GPL 271,5 L/da Necesidad gas GPL 586,5 L/da Reemplazo con biogs 46 %

La produccin de biogs (0,41m3/ kg de slidos voltiles) es calculada con base en los

slidos voltiles que tienen los remanentes de pia. Esto es calculado nicamente

utilizando los remanentes de la industria piera, sin embargo, en este sistema se

podran integrar otros componentes que aumenten los rendimientos. Se podra integrar

el sistema de tanques spticos de la empresa para que estos desechos sean incluidos

en el sistema de biodigestores aumentando la produccin de energa por aumento en

volmenes y mejoramiento de las caractersticas de la mezcla.

El reemplazo de gas GPL con biogs es del orden del 46 %. Debido a los altos costos

de los combustibles esto constituye una mejora competitiva muy importante para la

empresa al disminuir costos y dependencia hacia los combustibles fsiles.

5.3 Diagrama de Flujo de la Produccin de Biogs

En la Figura 4, se muestra el diagrama de flujo de la produccin de biogs. Inicialmente

se hara la recepcin de las cscaras, corazn y otros remanentes provenientes del

rea de pelado de la planta de deshidratacin de pia. Posteriormente, stos son

pasados por una picadora que disminuye el tamao de las partculas, de esta forma se

facilita la degradacin de la materia orgnica por parte de las bacterias. Luego se

procede a mezclar la cscara de pia con agua para obtener una proporcin de 6 % de

materia seca disuelta (Rani y Nand, 2003), esta mezcla es pasada por el sedimentador

de slidos no solubles para evitar el acumulamiento de materia en el interior del

biodigestor. Una vez que pasa por el sedimentador ingresa al biodigestor donde las

bacterias realizan la descomposicin. Estas bacterias ingresan al sistema provenientes

de otro biodigestor en funcionamiento y se mantienen en la fase lquida debido al flujo

constante del biodigestor, en el arranque del biodigestor se puede agregar inoculo

proveniente de biodigestores en funcionamiento para facilitar el establecimiento de las

bacterias metanognicas.

El pH de la fase lquida debe mantenerse alrededor de 7, esto normalmente se logra

por s solo debido a la accin buffer del bicarbonato, sin embargo de ser necesaria se

realizara la aplicacin de cal para alcalinizar el pH que podra tender a acidificarse. No


33

se reportan experiencias en la utilizacin de cal para regular el pH por lo que de ser

necesario aplicar, se realizaran anlisis de la fase lquida para determinar la cantidad a

aplicar.

El agua que se utilizara en el proyecto podra ser el agua potable o aguas de lluvia

recogidas por los techos de la planta de deshidratacin de pia. Es importante notar

que en caso de utilizar agua con cloro se debe dejar reposar al menos 12 horas para

permitir la volatilizacin de ste.

Los lquidos se manejaran por flujo constante donde stos ingresan y salen

diariamente. El efluente del biodigestor sera utilizado como fertilizante foliar en las

plantaciones de pia de la empresa. La produccin de biogs diaria sera transportada

por medio de tuberas hasta los quemadores de gas que proporcionan calor a los

sistemas de secado.

Recepcin de remanentes 4674 kg

Picado de los remanentes

Mezcla de slidos con agua 6 % Materia seca

Sedimentacin de slidos no solubles

Incorporacin de la fase lquida11,68 m3 diarios

Retencin de la fase lquida25 das, 292 m3

Biogs 276,30 m3 diarios Biofertilizante 11,68 m3 diarios

Figura 4. Diagrama de flujo de la produccin de biogs (clculos Anexo 1.3).


34

5.4 Desarrollo de un Sistema de Biodigestores, Almacenamiento de Biogs y Regulacin de Presin

Para el desarrollo del sistema de biodigestores se decidi tomar datos de costos

suministrados por el Ing. Pablo Gonzlez de la empresa Biosinerga Alternativa, estos

datos de costos corresponde a la instalacin de un biodigestor de dimensiones

similares en el sistema de descontaminacin de aguas negras de la cafetera de la

Universidad EARTH. Este sistema de descontaminacin en la Universidad EARTH se

instal con el propsito de mejorar el manejo de aguas residuales, adems de ofrecer

una alternativa de produccin energtica amigable con el ambiente como es el biogs.

A continuacin se presentan tres opciones de sistemas de biodigestores que se podran

construir como modelo en la planta de deshidratacin de pia.

Cuadro 6. Comparacin de costos en colones de la implementacin de tres sistemas de biodigestores.

Componente del sistema

Biodigestor polietileno tubular

Biodigestor PVC tubular

Biodigestor cemento

Servicio de consultora 3 120 000 3 120 000 3 120 000 Tanque de separacin de slidos

813 603 813 603 813 603

Biodigestores 13 426 757 14 423 273 41 238 900 Reservorio biogs 3 650 449 3 650 449 3 650 449 Drenaje subterrneo 379 420 379 420 379 420 Compresor 370 000 370 000 370 000 Trituradora 427 628 427 628 427 628 Total 22 187 857 23 184 373 50 000 000

Adaptado de Gonzlez y Mayorga (2006).

En el Cuadro 6 se muestran los costos de la implementacin de tres sistemas de

biodigestores, los costos aumentan conforme aumenta el nivel de seguridad del

sistema. Para realizar el anlisis de rentabilidad se tom el sistema de mayor costo, el

cual brinda el mayor nivel de seguridad, esto se decidi tomando en cuenta que fallos

en estos sistemas provocan grandes prdidas a la empresa, estos sistemas deben ser

diseados de manera que minimicen al mximo las fallas. El servicio de consultora es

el monto que se debe pagar a la empresa asesora por el diseo, construccin e

implementacin del proyecto. El tanque de separacin de slidos se encarga de retener

slidos que se sedimentan fcilmente causando la obstruccin y dao de los

biodigestores. El reservorio de biogs permite almacenar cantidades considerables del

mismo que permite amortiguar la constante variacin en la produccin y consumo. El


35

drenaje subterrneo permite la evacuacin de aguas que se encuentran fuera del

sistema pero que podran causarle daos por corrosin o presin de las partes en

funcionamiento. El compresor permite el aumento de la presin del gas antes de

ingresar al sistema de quemado facilitando su utilizacin. La trituradora tiene el objetivo

de disminuir el tamao de las partculas de cscara de pia facilitando la degradacin

por parte de los microorganismos.

5.5 Realizacin de un Anlisis de Rentabilidad

Tomando en cuenta que la planta modelo trabaje 5 das por semana equivalente a un

promedio de 22 das/mes y tomando en cuenta una produccin de biogs diaria de

276 m3 (Cuadro 5), se tiene un costo de operacin en la produccin de biogs de 84

colones (Cuadro 7) por m3, el m3 de biogs es valorado en 350 colones mediante el

mtodo de anlisis de costos sustitutivos, el valor del biogs calculado es equivalente al

valor del gas GPL que sustituye, lo que corresponde al ahorro por compra de gas GPL.

Para efectos de clculos se tom la ganancia operativa para hacer el anlisis de

rentabilidad, esta ganancia corresponde a 266 colones por m3. Se tom como inversin

inicial 50 millones de colones (Cuadro 8) con una tasa de intereses del 15 %.

Cuadro 7. Costos de operacin en colones de la produccin de biogs

Producto Costo mensual Costo/m3

Operador del sistema 300 000 49,41 Mantenimiento del sistema 100 000 16,47 Electricidad picadora 50 000 8,23 Otros gastos 60 048 9,89 Total 510 048 84

Los 300 000 del salario del operador del sistema corresponden a los 200 000 de salario de este operador ms el 50 % de cargas sociales. El mantenimiento del sistema

se calcula tomando en cuenta el trabajo de un obrero especializado 3 das/mes ms

algunos materiales menores. La electricidad de la picadora corresponde a datos

experimentales proporcionados por empresas ganaderas que utilizan estas mquinas

constantemente. En otros gastos se incluyen todos aquellos gastos imprevistos que

puedan surgir pero que no han sido contemplados.


36

Los costos de operacin del sistema son bajos debido a la simplicidad de ste, adems

al contar con sistemas de produccin grandes se podran obtener economas de escala

reduciendo costos de produccin unitarios.

Cuadro 8. Flujo de caja del proyecto y clculo del valor presente neto (en millones de colones).

Ao Valor corriente Valor presente 0 -50 -50 1 19,38 16,85 2 19,38 14,65 3 19,38 12,74 4 19,38 11,08 5 19,38 9,64 VPN 14,97

El proyecto se perfila con un alto grado de rentabilidad, ya que en 5 aos el proyecto

logra pagar la inversin inicial, obteniendo una alta utilidad. En el cuadro anterior los

ingresos son calculados anualmente, si se calculan los ingresos mensualmente se

obtiene un valor presente neto de la inversin de 17,67 millones de colones, lo cual

corresponde a la utilidad real en este periodo.

El proyecto es calculado con una alta tasa de descuento (15 %), por lo cual podra ser

financiado aun cuando no se tengan fuentes de prstamo de dinero con intereses bajos.

Para efectos de clculo se asume que el valor del gas GPL no va ha aumentar a travs

de los aos, lo cual es poco probable, ya que ste es un producto derivado del petrleo.

Al existir aumentos en los precios del gas GPL la rentabilidad del proyecto aumentara

considerablemente.

El proyecto presenta una tasa interna de retorno del 27 % calculada anualmente y una

tasa interna de retorno del 30 % calculada mensualmente. El periodo de recuperacin

de la inversin inicial es de 3,5 aos.

En el anlisis de rentabilidad (Cuadro 5) no se est tomando en cuenta el ahorro de la

empresa por concepto de gastos de manejo de desechos. El valor del biofertilizante no

es contabilizado, ya que escapa de los objetivos del proyecto, sin embargo, este

producto podra ofrecer grandes beneficios a la empresa debido al aumento constante

de los precios de los fertilizantes. Al tomar en cuenta estos factores, la rentabilidad del

proyecto aumentara a niveles de rentabilidad que pocos proyectos de inversin pueden

ofrecer.


37

5.6 Conclusiones

La capacidad energtica del biogs permitira utilizarlo a escala comercial en

sistemas con presencia de gran cantidad de remanentes. La industria de deshidratacin

de pia produce grandes cantidades de remanentes, los cuales no tienen un uso

alternativo, por lo que su utilizacin deriva un beneficio doble desde el punto de vista de

manejo de desechos y reduccin de la dependencia de los derivados del petrleo.

En una planta modelo donde se procesen 9000 kg de pia diaria para ser

deshidratada, la produccin de biogs diaria es equivalente a un 46 % de la necesidad

de gas GPL, por lo que su utilizacin reducira sustancialmente la dependencia

energtica de la planta a los combustibles fsiles.

Asumiendo una construccin de un biodigestor de 50 000 000 de colones y una

retencin total de 292 m3, la produccin y utilizacin de biogs presenta una tasa

interna de retorno del 27 % al realizar un anlisis econmico por costos sustitutivos, lo

que muestra que es una actividad rentable. En el anlisis no se toman en cuenta otros

beneficios del sistema que aumentaran la rentabilidad de ste.

Los costos de operacin del sistema son bajos, lo que permite tener ganancias

operativas grandes que permitan el pago del sistema en un periodo menor de 4 aos.

5.7 Recomendaciones

Realizar un estudio donde se tomen en cuenta todos los beneficios econmicos

que aporta la utilizacin de remanentes de pia para la produccin de biogs.

El biofertilizante debe ser analizado qumicamente para adaptarlo a las

necesidades nutricionales del cultivo de la pia. Este puede ser enriquecido con

los nutrimentos que no estn presentes.

Realizar un experimento comercial donde se pruebe la aplicacin prctica de

estos conceptos, adems de poder ver otras variables importantes necesarias

para una adecuada implementacin.


39

6 Lista de Referencias Bibliogrficas

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43

7 Anexos

7.1 Anexo 1. Clculos Realizados

7.1.1 Clculos de energa

Energa Total = Energa neta/Eficiencia

3195 J = 639 J/0,20

Volumen de gas necesario = Energa total/ Contenido energtico del gas

Biogas --- 0,1389 m3 = 3195 J/23000 J/m3

Gas GPL --- 0,1365= 3195 J/23410 J/m3

Flujo de gas= Volumen de gas necesario/Tiempo de calentamiento

Biogs 0,35 (m3/h)= 0,1389 m3/ 0,4 h

Gs GPL 0,23 (L/h) = 0,1365 L/0,6 h

7.1.2 Clculos produccin de biogs con cscara de pia

Produccin kg de = Proporcin de slidos voltiles*

cscara de pia seca produccin de biogs por kg de slidos voltiles

0,3941 (m3/kg slidos totales) = 0,9612 * 0,41 (m3/kg slidos voltiles)

7.1.3 Clculos flujo de la produccin de biogs

Incorporacin de fase lquida = (remanentes * contenido materia seca)/ proporcin de slidos en la mezcla

11,68 m3= (4,67 T * 0,15) /0,06 T materia seca/ m3

Retencin de la fase lquida = Incorporacin fase lquida * Tiempo retencin

292 m3 = 11,68 * 25 das

7.1.4 Clculos reemplazo de biogs

Materia seca remanentes = Remanentes * Contenido materia seca

701, 1 kg = 4674 kg* 0,15

Slidos voltiles= Materia seca remanentes * Proporcin de slidos voltiles

673,9 kg = 701,1 * 0,9612


44

Produccin Biogs = Slidos voltiles* Produccin de biogs * kg de slidos voltiles

276,30 m3 = 673,9 kg * 0,41 (m3/ kg slidos voltiles)

Equivalente gas GPL = (Produccin biogs * contenido energtico biogs)/ contenido energtico Gas GPL

270,77 L = (276,30 m3* 23000 J/m3)/ 23410 J/L

Reemplazo con biogs= (Equivalente gas GPL/ Necesidad gas GPL)* 100

7.2 Anexo 2. Sistema de Biodigestores con 4 Recmaras

Gonzlez y Mayorga (2006).


45

7.3 Anexo 3. Vista Interna de una Recmara de Concreto


7.4 Anexo 4. Sistema de Biodigestores con Cubierta de Proteccin



46

7.5 Anexo 5. Vista Frontal Cmara de Acumulacin de Biogs


ResumenIntroduccinObjetivosMateriales y MtodosResultados y DiscusinConclusionesLista de Referencias BibliogrficasAnexos

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