DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS TECNOLÓGICOS,...
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DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS TECNOLÓGICOS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
UN PROTOTIPO DE SECADOR QUE EMPLEA BIOGÁS PARA EL SECADO DE
HORTALIZAS Y FRUTAS EN EL DISTRITO DE MAJES, PROV. CAYLLOMA –AREQUIPA
Gustavo Pacheco Pacheco,[email protected]
Max Delgado Montesinos
Vicerectorado de Investigacion - Universidad Católica de Santa María Universidad Católica de
Santa María
RESUMEN
Biogás producido en la Ciudad de Majes, Arequipa, Perú, zona de alta actividad Pecuaria, se empleó
como combustible en un Secador diseñado específicamente para el uso del mismo. El Secador es
utilizado para el secado de Frutas y Hortalizas, el funcionamiento implica el uso de aire caliente con
flujo forzado para absorber la humedad del producto dispuesta en un mallas de acero inoxidable con un
área de 9.6 m2 y distribuidas de manera vertical. Para lograr el aire caliente de secado, se diseño un
área de intercambio de calor con los gases de combustión del biogás de 2.275 m2, alcanzado una
temperatura de 45-50°C.
Los resultados de la evaluación en cuanto a determinar el decremento de humedad libre y velocidad de
secado fueron de Orégano 0.521 Kg agua/hora m2 en el periodo de velocidad constante con un tiempo
de 4.5 horas y para el plátano 0.466 Kg agua/hora m2 en el periodo de velocidad constante con un
tiempo de 5 horas
Los tiempos en que se logró el secado son similares a los equipos similares que utilizan gas licuado de
petróleo, por lo que su empleo se encuentra factible para las zonas como Majes que es una zona
pecuaria.
Palabras clave Fuerza verde
INTRODUCCIÓN
UBICACIÓN DEL PROYECTO:
Región: Arequipa, Departamento: Arequipa, Provincia: Caylloma, Distrito: Majes
Población Censada – 2007: 39`445 Habitantes, Superficie (Km2): 1,625.8 km2
Densidad población. (Hab. /Km2): 9.6, Región Geográfica: Costa, Altura: 1482 m.s.n.m
El distrito de Majes se localiza ocupando las pampas Alta y Baja de Majes, accesible
entre los Km. 862 y 913 de la carretera Panamericana Sur, a una distancia de 100 Km.
de la ciudad de Arequipa.
CONDICIONES CLIMÁTICAS
Es desértico. Las lluvias son escasas y no significativas con un promedio mensual acumulado de 0.6 mm.
La temperatura máxima es de 30 ºC y la mínima 7 ºC, siendo la media anual de 19 ºC, con medias
mensuales muy uniformes. La humedad relativa tiene un promedio anual es de 52 %, en ciertos meses del
año,por neblinas se valores en verano (87%) y en invierno (26%). La velocidad del viento es en promedio
4 m/s, lo que puede ser reducida en un 20 a 25 % por efecto del microclima de las plantas. -La presión
media de 855,7 mm Hg en Majes, dato de SENAMHI, Oficina General de Estadística e Informática. Abril
del 2,009
ACTIVIDAD PECUARIA
La actividad pecuaria es una de las actividades económica - productivas más significativas para el distrito
de Majes.
La población pecuaria en el Distrito de Majes está compuesta por ganado vacuno, ovino, porcino, caprino
y aves, de las cuales la principal producción es la de ganado vacuno con 9997 unidades (saca), siendo la
producción lechera la que más se aprovecha de esta especie con un total de 70 472.6 TN. Registradas en
el año 2007, las aves ocupan el segundo lugar con una producción de 7 367 unidades (saca), de los cuales
se aprovecha su carne. Ver Cuadro N° 01- Anexos
En promedio la cantidad de producción de heces húmedas por vacas de 30 litros de producción de leche
/día es de 70 Kg de heces húmedas /día de acuerdo al artículo “Estrategias de alimentación para disminuir
la producción de estiércol de vacas lecheras” cuyo autor es William P. Weiss y Normand St-Pierre
Department of Animal Sciences,Ohio Agricultural Research and Development Center,The Ohio State
University.
Existe otros estudios que refieren un aproximado de 40 Kg de heces húmedas /400 Kg de peso vivo del
animal, considerando este último dato podríamos mencionar que según la población de 9997 de unidades
(saca) para el año 2007, se deduce, disponer de 399.88 ton/día, en Majes lo que explica el creciente
empleo de biorreactores de Biol, que también producen Biogás.
Asimismo la zona es Agroindustrial, lo que implica que existe potencial aplicación para el secado de
frutas y hortalizas del equipo propuesto, pues actualmente el secado es al sol y al aire libre lo que arroja
un producto de pobre calidad en cuanto a contaminación microbiana y no uniforme en cuanto a
características como el color,es decir perdidas de carotenos y similares, además existe riesgos físicos del
producto es decir material extraño y también exposición a vectores como aves y roedores e insectos.
Por lo tanto es probable que se pueda usar el biogás como medio calefactor en un secador para Frutas y
Hortalizas diseñando un área de calefacción idónea donde exista una idónea transmisión de calor y lograr
un secado que emplee aire caliente, y que para el logro de ello podamos usar gases de combustión de
Biogas.
Respecto al combustible empleado en nuestro trabajo podemos mencionar que el biogás es una mezcla de
gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en
condiciones anaerobias. La composición de biogás depende del tipo de desecho utilizado y las
condiciones en que se procesa. Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido
de carbono (CO2).
Aunque la composición del biogás varia de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición en promedio
es: (Werner 1989):
Metano, (CH4 )54 - 70% volumen
Bióxido de carbono, (CO2 ) 27 – 45%
Hidrógeno, (H2) 1 - 10%
Nitrógeno, (N2) 0.5 – 3%
Acido Sulfhídrico, (H2S) 0.1%
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características combustibles al
mismo.
El Objetivo general es el uso del biogás como fuente energética para producir secado de frutas y
hortalizas producidos en majes que cumplan los requisitos de calidad y minimizar el impacto ambiental
por las heces de vacunos y otros en el distrito de Majes.
MATERIAL Y MÉTODOS
El combustible Biogas usado fue producido en las instalaciones del fundo ubicado en Asentamiento B-4
Parcela 58,Distrito Majes y cuyas características de la instalación son:
Tabla N° 1 Caracteristicas de las Instalaciones de Producción de Biogas
N° de
Bioreactores
Volumen
y Forma
Volumen de
Biogas
Teorico/dia
Volumen de
Biogas
Práctico/día
Otras características
04 10m3,
Tubular 1,5m3/
día 1,0 m3/día Longitud 7.9 m de
longitud y diámetro 1.27
m volumen de liquido, 8.5
m3
Fuente: Fabricantes Cidelsa,2014
Fuente: Fabricantes Cidelsa,2014
Asimismo las características químicas del biogás usado se expresan en la Tabla Nº 2
Tabla Nº 2 –Analisis quimico del gas usado –Majes 2013
Punto de Muestra %CH4 %CO2 %O2 %H2S
Biogas Salida de biodigestor 49,3 31 5 0,13
Biogas luego de filtros para eliminación
acido sulfihidrico
32,7 20 11,2 880 ppm
Fuente: Laboratorio de Ensayo y Control de Calidad –Universidad católica de Santa Maria, 14 de
Noviembre 2013-El análisis se efectúo con sensor infrarojo y electroquímico –Analizador de gases
Multitech 450 Sewerin
Para minimizar la cantidad de Ácido sulfihidrico se uso viruta de Hierro en un tubo de diámetro 2
pulgadas(5,08 cm) y 100 cm de largo.
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO DEL EQUIPO
Los criterios mínimos a cumplir para el diseño del equipo y que logro obtener en nuestro secador fue:
Temperatura: menor a 70 °C (de acuerdo a las temperaturas máximas usadas en el secado de
alimentos).
Velocidad de aire: de 1 a 4,1 m/s (promediando las velocidades de aire usadas por secadores
comerciales empleados industrialmente).
Tipos de flujo: radial y transversal.
Tipo de Secador elegido para nuestro proyecto,para frutas y hortalizas es, un secador de bandejas, de
cabina y por lotes que consiste en una cabina aislada provista interiormente de un ventilador para
forzar el aire frio del ambiente y que atraviesa un intercambiador de calor; el aire caliente saliente es
direccionado con deflectores ó láminas ajustables, horizontalmente entre bandejas cargadas de
alimento ó producto a secar
Fig. Nº 1 Vista General del secador
Fig Nº 2- Detalle de la Cámara de secado-ubicación de las Bandejas
Fig Nº 3.- Detalle de los tubos Intercambiadores de calor-Gases de la combustión de biogás y aire
frio del ambiente
Fig Nº 4 Dimensiones de las bandejas de Acero inoxidable donde se dispone el producto a secar
Fig Nº 5 Producto y Bandejas en la cámara de secado
Material:
Acero inoxidable
Detalle de luz
0.003 m
0.003 m
0.08 m
0.8 m
0.60 m
Fig Nº 6 Ubicación del ventilador para forzar el flujo de aire frio al equipo
OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL SECADOR
Secador de Flujo forzado,ventilador con motor ¼ HP,220 Voltios
Material de Fabricación: Cabina Interna donde se ubican las mallas de secado: Acero Inoxidable, Parte
externa planchas de acero fundido,Aislante Lana de vidrio espesor 10 cm.
Sistema de intercambio de calor: Indirecto con tubos de fierro fundido de 1.5” y 2” distribuidos de la
manera siguiente así:
Tabla Nº 3 Intercambiadores de calor de tubos que integran la zona de Intercambio de calor del
aire frio y los gases de combustión del biogás
Tubos Intercambiadores de calor
Que integran la intercambio de calor del
equipo
Diametro del tubo
(Pulgadas)
Area de
calefacción(m2)
01 1.5 0,62
02 1.5 0,307
03 1.5 0,439
04 1.5 0,213
05 1.5 0,4092
06 2.0 0,2873
Total 2,2755
Fuente : Elaboración propia-2014
Temperatura de Entrada de aire a la camara de secado donde se ubica el producto 50°C
Quemadores distribuidos en 03 puntos de la zona de calefacción con sus salidas de gases de combustión
correspondiente.
Gasto de combustible: 2.4 m3/hora
Salida de Aire húmedo de salida con recirculación parcial opcional al 30% regulable con válvula
Desviadores de flujo regulables de ingreso del aire caliente: 04
Área de secado disponible en el equipo: 02 Pilas de Bandejas distribuidas cada 08 cm entre bandeja y bandeja en número de 10 unidades por pila
de bandejas con un área por bandeja de 0.8 x0.6 m es decir 0,48 m2 considerando 20 bandejas en total son
9,6 m2 de superficie en bandejas. El Material de las bandejas es de malla de acero inoxidable luz de 3 mm
con marcos de acero inoxidable.
Control de Temperatura con dos termómetros de 0 a 100°C distribuidos al ingreso de aire a la cámara y
a la salida de los gases de calefacción
Combustible empleado: Biogás
PROCEDIMIENTO
Para evaluar la operatividad del equipo se procedio a analizar los parámetros de
a.-El decremento de la humedad libre en el tiempo y
b.-La velocidad de secado
El Procedimiento de operatividad para el secado del producto en el del equipo fue:
1. Encendido y regulación de los quemadores
2. Pesado y disposición del producto en las bandejas de secado y en la camara de secado con las puertas
cerradas
3. Calentamiento 0.5 horas hasta alcanzar los 50°C con la carga del material a secar en bandejas
4. Inicio de encendido de ventilador para el tiro forzado
5. Regular la válvula de recirculación salida del aire caliente a desicion del operador, si es que se
recircula aire humedo
6. Evaluar los pesos de las bandejas en intervalos de 30 minutos, las bandejas evaluadas fueron
previamente taradas.
7. Los pesos se registran hasta que no exista variación y luego se procede a los cálculos de decremento
de la humedad libre en el tiempo y velocidad de secado
8. Al término de haber alcanzado la Humedad del producto deseada, siga haciendo
circular aire con los quemadores apagados aproximadamente 15 minutos
RESULTADOS
SECADO DE OREGANO
Decremento en el tiempo del contenido de agua en el producto
Para determinar experimentalmente la velocidad de secado se procedió al secado de orégano Humedad
inicial del Orégano, 55.6%.
Se colocó 1,15 Kg /bandeja y se evaluó el peso cada 30 minutos hasta obtener peso constante, el ratio de
peso por área expuesta es 2,4 Kg/m2, la altura del lecho fue de 3 cm aproximadamente
Tabla Nº 4 -Decremento en el tiempo del contenido de agua en el producto
Peso (W),Kg Tiempo Decremento de
peso(Kg) masaH2O/ss
Minutos Xt=(W-Ws)/Ws
1.15 0 0 1.252
1.025 30 0.125 1.007
0.902 60 0.123 0.767
0.812 90 0.09 0.590
0.743 120 0.069 0.455
0.685 150 0.058 0.342
0.638 180 0.047 0.250
0.608 210 0.03 0.191
0.588 240 0.02 0.152
0.578 270 0.01 0.132
0.578 300 0 0.132
Fuente: Elaboración Propia –Majes 2014, ss=solido seco
Obtención de curva de velocidad de secado
Se procede al cálculo del contenido de masa total del agua por masa total del solido Xt
Xt= W-Ws = Masa Total de agua
Ws Masa total del solido seco
Donde,
W= Peso del solido húmedo (masa total del agua + solido seco) a diferentes tiempos de (t) horas de
secado
Ws= Peso del solido seco (cuando el peso de la muestra se mantiene constante, es decir ya no Pierde
humedad
Habiendo establecido las condiciones de velocidad constante, se determinó el contenido de humedad de
equilibrio, X*
X*= Masa de Humedad de equilibrio
Masa de solido seco
Con esto se procede a calcular el valor del contenido de humedad libre X en masa de agua libre/masa de
solido seco para cada valor o dato obtenido
X= Xt- X*
Usando los datos calculados con la ecuación anterior se traza una gráfica del contenido de humedad libre
en función del tiempo t en horas.
Los datos previos obtenidos en laboratorio de humedad de equilibrio para el orégano 10.26%
X*= 1.15 Kg x 0.1026= 0.118 Kg
La humedad del Orégano también fue obtenido en laboratorio y fue 55.6%
Presencia de agua: Considerando un peso en bandeja de 1. 15 Kg de Orégano, tenemos
1.15 Kj x 0.556 = 0.6394 Kg de agua
La materia seca es:
1.15 Kg-0,6394 Kg = 0.5106 Kg, que se denomina Ws
Tabla N° 5 Datos obtenidos de secado y Humedad Libre
Peso Tiempo
H2O gr. Humedad Humedad Libre
Minutos Xr=(W-Ws)/Ws X=Xr-X*; X*=0.118
1.15 0 0 1.252 1.134
1.025 30 0.125 1.007 0.889
0.902 60 0.123 0.767 0.649
0.812 90 0.09 0.590 0.472
0.743 120 0.069 0.455 0.337
0.685 150 0.058 0.342 0.224
0.638 180 0.047 0.250 0.132
0.608 210 0.03 0.191 0.073
0.588 240 0.02 0.152 0.034
0.578 270 0.01 0.152 0.034
0.578 300 0 0.132 0.014
Fuente: Elaboración Propia –Majes 2014
Figura N° 7 –Grafica de la Humedad libre en relación al tiempo obtenida en el secado de Orégano
El paso siguiente es efectuar los cálculos para obtener una curva de velocidad se secado se miden las
pendientes de las tangentes de la curva lo que proporciona los valores dx/dt para ciertos valores de
tiempo(t).Se calcula entonces, la velocidad R para cada punto con la expresión:
R= - Ls dx
A dt
Donde
R= Velocidad de secado, masa de agua/tiempo x área
Ls= Masa del solido seco, 0,5106
A= Área superficial expuesta al secado, 0,48 m2
Tabla N° 6 Data para el caculo de Velocidad de Secado
Tiempo Humedad Libre Diferencial Diferencial Vel.Secado (R)
horas
X=Xr-X*;
X*=0.1313 húmedo libre dx tiempo dt Kg agua/Hora.m2
5 0.014 0
4.5 0.034 0 0.5 0.000
4 0.034 -0.039 0.5 0.083
3.5 0.073 -0.059 0.5 0.126
3 0.132 -0.092 0.5 0.196
2.5 0.224 -0.113 0.5 0.240
2 0.337 -0.135 0.5 0.287
1.5 0.472 -0.177 0.5 0.377
1 0.649 -0.24 0.5 0.511
0.5 0.889 -0.245 0.5 0.521
0
Fuente: Elaboración Propia.Majes 2014
Figura N° 8 Grafica de la velocidad de secado(R) en función de la Humedad libre
1.134 0.889
0.649 0.472 0.337 0.224 0.132 0.073 0.034 0.034 0.014
0.000
0.500
1.000
1.500
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300Hu
med
ad li
bre
Tiempo
Decremento de Humedad Libre versus tiempo
Fuente: Elaboración Propia. Majes 2014
El contenido de humedad libre que corresponde al valor 0.889, hasta el punto 0.649, a temperatura de la
superficie alcanza digamos valores parecidos o constantes, es decir hasta aquí es el periodo de velocidad
constante de secado, de allí la velocidad de secado empieza a disminuir es decir estaría en el periodo de
velocidad decreciente hasta llegar al punto 0.034 de Humedad Libre.
De donde deducimos que el tiempo de secado es 4.5 horas. para el Orégano, de acuerdo a la data obtenida
en la tabla N° 6
Secado de Plátano
La variedad que se eligio para esta operación fue el de Isla tratado con una solución de bisulfito de sodio
al 0.2% por 30 segundos.
La humedad es 72.5%,determinado experimentalmente en laboratorio.se procedio a colocar 0.895 Kg
/bandeja en rodajas de 0.3 -0.5 cm y se evaluo el peso cada 30 minutos hasta que se obtenga peso
constante, el ratio de peso por área expuesta 0.895Kg/0.48m2,es decir 1,9 Kg/m
2.
Tabla Nº 7 -Decremento en el tiempo del contenido de agua en el producto
Peso Solido
Humedo(W), Kg
Tiempo Decremento de
Peso(Kgr)
masaH2O/ss
Minutos Xr=(W-Ws)/Ws
0.895 0 0 2.623
0.783 30 0.112 2.170
0.676 60 0.107 1.737
0.591 90 0.085 1.393
0.522 120 0.069 1.113
0.472 150 0.05 0.911
0.43 180 0.042 0.741
0.397 210 0.033 0.607
0.382 240 0.015 0.547
0.378 270 0.004 0.530
0.378 300 0 0.530
Fuente: Elaboración Propia –Majes 2014 ss=Solido seco
Obtención de curva de velocidad de secado
Se procede al cáculo del contenido de masa total del agua por masa total del solido
Xt= W-Ws = Masa Total de agua
Ws Masa total del solido seco
0 0.000 0.083 0.126
0.196 0.240 0.287 0.377
0.511 0.521
0
0.2
0.4
0.6
0.014 0.034 0.034 0.073 0.132 0.224 0.337 0.472 0.649 0.889
Vel
oci
dad
de
seca
do
Humedad Libre
Velocidad de secado (R)en funcion de la Humedad Libre
Donde,
W= Peso del solido húmedo (masa total del agua + solido seco) a diferentes tiempos de (t) horas de
secado
Ws= Peso del solido seco (cuando el peso de la muestra se mantiene constante,es decir ya no Pierde
humedad
Habiendo establecido las condiciones de velocidad constante,se determino el contenido de humedad de
equilibrio,X * cuyo valor es 15%
X*= Masa de Humedad de equilibrio
Masa de solido seco
Con esto se procede a calcular el valor del contenido de humedad libre X en masa de agua libre/masa de
solido seco para cada valor de -Xt
X= Xt- X*
Usando los datos calculados con la ecuación anterior se traza una grafica del contenido de humedad libre
en función del tiempo t en horas.
Humedad de equilibrio:/18% para el platano)
x*=
0.895 x 0.18 = 0.161
El producto tiene 72.5% de humedad, eso es:
0.895 x 0.725= 0.648 Kg,de agua por tanto,
la cantidad de solido seco (Ws)es 0.895-0.648 =0,247 Kgr
Luego de ello se procede al cálculo de la humedad libre (X)
Tabla N° 8 Datos obtenidos de secado y Humedad Libre
Peso Tiempo
H2O gr. Masa de Agua /Masa ss Humedad Libre
Minutos Xr=(W-Ws)/Ws X=Xr-X*; X*=0.161
0.895 0 0 2.623 2.462
0.783 30 0.112 2.17 2.009
0.676 60 0.107 1.737 1.576
0.591 90 0.085 1.393 1.232
0.522 120 0.069 1.113 0.952
0.472 150 0.05 0.911 0.75
0.43 180 0.042 0.741 0.58
0.397 210 0.033 0.607 0.446
0.382 240 0.015 0.547 0.386
0.378 270 0.004 0.53 0.369
0.378 300 0 0.53 0.369
Fuente: Elaboración Propia –Majes 2014,ss=solido seco)
Figura N° 9 –Grafica de la Humedad libre en relación al tiempo obtenida en el secado de Platano
2.462 2.009 1.576 1.232 0.952 0.75 0.58 0.446 0.386 0.369 0.369
0
5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Hu
med
ad li
bre
Tiempo
Humedad Libre
Fuente: Elaboración Propia, Majes 2014
Para obtener una curva de velocidad se secado se miden las pendientes de las tangentes de la curva lo que
proporciona los valores e dx/dt para ciertos valores de t .Se calcula entonces,la velocidad R para cada
punto con la expresión:
R= - Ls dx
A dt
Donde
R= Velocidad de secado,masa de agua/tiempo x area
Ls= Masa del solido seco, 0,246
A= Area superficial expuesta al secado,0,48 m2
Tabla N° 9 Data para el caculo de Velocidad de Secado
Tiempo Humedad Libre Diferencial Diferencial Velocidad de
Horas X=Xr-X*; X*=0.161 húmedo libre dx tiempo dt
Secado
Kg agua/hr. m2
5 0.369 0 0
4.5 0.369 -0.017 0.5 0.017
4 0.386 -0.06 0.5 0.062
3.5 0.446 -0.134 0.5 0.138
3 0.58 -0.17 0.5 0.175
2.5 0.75 -0.202 0.5 0.208
2 0.952 -0.28 0.5 0.288
1.5 1.232 -0.344 0.5 0.354
1 1.576 -0.433 0.5 0.446
0.5 2.009 -0.453 0.5 0.466
0 2.462
Fuente: Elaboración Propia.Majes 2014
Figura N° 10 Grafica de la velocidad de secado(R) en función de la Humedad libre
Fuente: Elaboración Propia.Majes 2014
El contenido de humedad libre que corresponde al valor 2.009,hasta el punto 1.576,la temperatura de la
superficie alcanza digamos valores parecidos o constantes, es decir hasta aquí es el periodo de velocidad
constante de secado, de allí la velocidad de secado empieza a disminuir es decir estaría en el periodo de
velocidad decreciente hasta llegar al punto 0.369 Humedad Libre.
El tiempo de secado logrado fue de 5 horas.
Analisis del Impacto económico
0 0.017 0.062
0.138 0.175 0.208 0.288
0.354 0.446 0.466
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.369 0.369 0.386 0.446 0.58 0.75 0.952 1.232 1.576 2.009 2.462
Vel
oci
dad
de
seca
do
Humedad Libre
Velocidad de secado
Los Biodigestores con los que se trabajó son tubulares y de 10 m3 de capacidad cuya producción real en
Biogás es de 1 metro cubico (m3)/día.
Para la evaluación económica se tomó como referencia el comparar el Biogás con el Gas Licuado de
Petróleo (GLP) que una mezcla de propano y butano, que sería el combustible que se podría usar en lugar
del biogás, por ello se asume el precio de 38.00 soles por 10 Kg de GLP, y en base a ello se menciona el
ahorro generado al uso del biogás en lugar de GLP
Así mismo en la producción de Biogás el biodigestor produce Biol(Biofertlizante), cuyo precio es de
12.50 soles /100 litros, lo que incrementa el ingreso y el beneficio que se tiene al desarrollar la
biodigestión de la heces del ganado.
El Biol es un biofertilizante producido en la fermentación anaerobia de las heces de animales, en este caso
de vacunos, rico en potasio, fosforo, nitrógeno capaz de reemplazar a los fertilizantes químicos, que son
más caros y dañan al medio ambiente.
En la tabla siguiente también se hace un indicador del periodo de recuperación de la inversión por la
compra de Biodigestores.
Tabla N° 10 Indicadores técnico económicos del empleo de biogás
Concepto Valores
Poder Calorífico del Biogás 5258 Kcal /m3
Poder calorífico del Gas Licuado de
Petróleo(GLP)
26695 Kcal/m3
Peso del contenido / Balón de GLP 10 Kg
Peso del Gas especifico 0.447 m3/Kg
Poder calorífico del balón de GLP
119326.65 Kcal
Precio del Balón de gas al 11.06.2014
38.00 soles
Precio de la Kcal en soles 3140.2 Kcal/soles
Ahorro al quemar 1 m3 de biogás en lugar del
GLP
1.48 soles /5258 Kcal
Gasto de Biogás por hora en el secador
2.4 m3/hora
Ratio de Equivalencia de Biogás/GLP respecto
del poder calorífico
0.197
Ahorro en soles por hora al quemar biogás en
lugar de GLP
1.48solesx 2.4 m3= 3.552 soles
Ahorro en 5 horas de secado 17.76 soles
Biol producido/1 m3 de Biogás 100 litros
Precio de Mercado de Biol 12.50soles/100 litros
I ingresos por Biogás y Biol al producir 1 m3 de
Biogás
12.50 +1.48 =13.98 soles
Inversión por Bioreactores cuya característica es
10 m3 de volumen total y producción de 1 m3 de
Biogás /día
5500.0 soles /unidad ,de la empresa CIDELSA,
en Perú
Periodo de recuperación de capital en años solo
con venta de Biol(abono producido en el
Biodigestor) y el empleo de biogás en el secador
1.09 años
Fuente: Elaboración propia-2014
Analisis del Impacto Ambiental
Cuando los residuos orgánicos se someten a una degradación aeróbica, se generan compuestos de bajo
poder energético como CO2 y H2O. Gran parte de la energía se pierde y se libera a la atmósfera. Se
estima que la pérdida de energía de un proceso aeróbico es aproximadamente veinte veces superior al de
un proceso anaeróbico.
En el caso de la degradación anaeróbica, se generan productos del metabolismo con alto poder energético
(por ejemplo, alcoholes, ácidos orgánicos y metano), los cuales sirven como nutrientes de otros
organismos (alcoholes, ácidos orgánicos), o bien son utilizados con fines energéticos por la sociedad
(biogás),que es el caso nuestro
Potencial de Calentamiento Global (PCG).
El Potencial de Calentamiento Global (PCG) es utilizado para medir la capacidad que tienen
diferentes gases de efecto invernadero en la retención del calor en la atmósfera. El dióxido de
carbono (CO2) es la base para todos los cálculos y su potencial de calentamiento global es medido en 1.
Cuanto más alto sea el PCG que produce un gas, mayor será su capacidad de retención del calor en
la atmósfera. Entonces podemos afirmar que cuantos más altos sean los índices de PCG en la
atmósfera más rápido se producirá el cambio climático.
La siguiente tabla N° 11 indica la capacidad de retención del calor de los gases de efecto invernadero en
comparación con el dióxido de carbono (CO2) en un período de 20 y 100 años.
Tabla N° 11 Potencial de Calentamiento Global de Gases de Efecto Invernadero
Potencial de Calentamiento Global de Gases de Efecto Invernadero
(Comparado al CO2)
Gas de Efecto Invernadero PCG Después de 20 Años PCG Después de 100 años
Dióxido de Carbono 1 1
Metano 62 23
Óxido de Nitrógeno 275 296
HFC-23 9400 12000
HFC-125 5900 3400
HFC-134ª 3300 1300
HFC-143ª 5500 4300
CF4 3900 5700
C2F6 8000 11900
SF6 15100 22200
Fuente: Climate Change 2007: the Fourth Assessment Report (AR4), Intergovernmental Panel on Climate
Change.
Nuestro proceso involucre tener un aproximado de 50% de metano en nuestro biogás
Del cual se produce para el proceso de secado 2.4 m3 /hora por un aproximado de 5 horas se ha logrado
evitar el 12.0 m3 de metano, es decir el impacto positivo es el usar el metano para el secado y no
liberarlo al medio ambiente.
El impacto negativo es que al combustionar el metano también liberamos dióxido de carbono CO2
En base a la ecuación o reacción química siguiente:
metano + oxígeno = dióxido de carbono + agua
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O (1)
es decir por cada mol de metano se forma 1 mol de CO2, de manera que el impacto ambiental neto
tomando en consideración solo el metano por ser el gas que está presente en mayor proporción, se
representa en la tabla N° 12
Utilizando la ecuación general de los gases:
P x V = N x R x T (2)
Dónde: P=Presión, V= Volumen, N= Número de moles, R= constante Universal de los gases ideales,
T=Temperatura en ° Kelvin.
P= 855.7 presión en majes
V= 1 m3 de biogás donde el 50% es metano es 500 litros
R= 62. 4 mmHg x litros/mol kelvin
T= 25 °C, temperatura promedio en Majes.
N= Número de moles
Reemplazando y despejando moles en la ecuación (2):
N= 23 moles
Al combustionar también se genera 23 moles de CO2, pero de acuerdo a la tabla N° 11, el impacto es
mucho menor
Asimismo la producción de biogás involucra un 40% de CO2 que aplicando la ecuación anterior (2)
tenemos
N=18.4 moles
Tabla N° 12 Potencial de calentamiento global ,PCG, por el Impacto en las operaciones de
combustión de metano en la operación de secado
Gas de Efecto Invernadero PCG Después de 20 Años PCG Después de 100 años
Metano sin combustionar 62 x 23 = 1426 23 x 23 = 529
Metano al combustionar y
producir CO2, ecuación (1)
1 x 23 =23
1 x 23 = 23
CO2 presente en el biogás 40%
en promedio
1 x 18.4 =18.4
1 x 18.4 =18.4
Subtotal al aplicar el biogás 23 + 18.4 = 41.4 23 + 18.4 = 41.4
Diferencia de no aplicar en
secado y aplicar en secado el
biogás
1426-41.4 = 1384.6
1426-41.4 = 487.6
Fuente : Elaboración propia -2014
De acuerdo al cuadro anterior el impacto de la aplicación en el secado tiene un Potencial de
Contaminación Global (PCG) expresado en moles de 41.4 mucho menor que un PCG de 1426 en 20 años
y expresado en 100 años también es menor pues tiene un PCG con 529 y un PCG de 41.4 si lo usamos en
el secador , de donde apreciamos el beneficio de atenuar el impacto de PCG cuando lo aplicamos en el
secado .
Existe entonces una reducción del PCG para después de 20 años de 1384.6 y para 100 años un PCG de
487.6, si es que se aplica el secado
Gases de efecto Invernadero (GEI) por año con y sin proyecto
Aplicamos la ecuación siguiente para el metano
RE= ELB-EP (3)
Donde:
RE= Reducción de emisiones de Gases de Efecto invernadero GEI, Toneladas/año
ELB=Emisiones Línea Base de GEI ton/año
EP=Emisiones con proyecto ton/año
Tabla N°13 Reducción de Emisiones de Metano, ton/año
GAS moles/m3 de
Biogas(a)
Peso
Molecular(b)
Metros cúbicos
de Biogas
/dia(c)
TONELADAS/AÑO
a x b x c x 360 dias/año
Metano(ELB) 23 16 gr/mol 12 1.59
Metano(EP) 0 0
Metano (RE) 23 1.59
Fuente : Elaboración propia -2014
Tabla N°14 Reducción de Emisiones de Dioxido de carbono,ton/año
GAS moles/m3 de
Biogas(a)
Peso
Molecular(b)
Metros cúbicos
de
Biogas/dia(c)
TONELADAS/AÑO
a x b x c x 360 dias/año
CO2(ELB) 23 44 gr/mol 12 4.37
CO2 (EP) 18.4 44 12 3.49
CO2 (RE)** 41.4 7.86
Fuente : Elaboración propia -2014 ** En este caso no hay reducción sino mas bien se incrementa por la
combustión del metano y el CO2 que se tiene en la producción de Biogas
CONCLUSIONES
1. Se logró la construcción y el diseño de un secador de flujo forzado cuyas características principales
son:
Material de Construcción: Revestimiento interno de Acero Inoxidable, de aproximadamente 3.80 m
de largo, 1.72 m de altura y 0,88 m de ancho. Mallas de acero inoxidable de 9.6 m2, de área de
secado, dispone asimismo de ducto de recirculación para optimizar el secado con válvula para su
regulación de acceso opcional.
2. El sistema de intercambio de calor que logra elevar la temperatura del are frio tiene
aproximadamente 2,28 m2 distribuidos en 06 intercambiadores de tubo de 1.5 “ y 2”, lo que logra
elevar la temperatura del aire de secado a 50°C.
3. El combustible que se emplea es Biogas.lo que también lo hace diferente a sus similares con un gasto
de 2.4 m3 /hora, la distribución de quemadores en la zona de calefacción es en 03 puntos, lo que hace
que el aire que logre ingresar al equipo tenga una temperatura ideal para el proceso de secado.
4. Se logró secar Orégano tomando un tiempo de 4.5 horas y 2.5 Kg de Orégano/m2, asimismo plátano
que logro 5 horas aproximadamente, los tiempos alcanzados son muy similares a los de gas y
eléctricos, con la diferencia de que en este equipo si se respeta el medio ambiente.
5. El desarrollo del proyecto fue ubicado en la Irrigación del Pedregal, donde existe disponibilidad de
Materia prima para operar con Biogás o equipos industriales que usen energía térmica.
6. El impacto económico tiene los ratios siguientes
Ahorro en soles por hora al quemar biogás en
lugar de GLP
1.48solesx 2.4 m3= 3.552 soles
Ahorro en 5 horas de secado 17.76 soles
Biol producido/1 m3 de Biogás 100 litros
Precio de Mercado de Biol 12.50soles/100 litros
I ingresos por Biogás y Biol al producir 1 m3
de Biogás
12.50 +1.48 =13.98 soles
Inversión por Bioreactores cuya característica
es 10 m3 de volumen total y producción de 1
m3 de Biogás /día
5500.0 soles /unidad ,de la empresa CIDELSA,
en Perú
Periodo de recuperación de capital en años solo
con venta de Biol(abono producido en el
Biodigestor) y el empleo de biogás en el
secador
1.09 años
7. El impacto ambiental considerando el potencial de calentamiento global de los gases invernadero
(PCG), emitidos evaluados a 20 años y 100 años tenemos que al aplicar el biogás en secado
expresado en moles de CO2 es 41.4 moles de CO2 /metro cubico de biogás a 20 y 100 años , y el
impacto en términos de PCG si es que no se efectúa el proyecto es 1326 moles de CO2 /m3 de biogás
en 20 años y 529 moles de CO2/ m3 de biogás en 100 años
8. El Impacto ambiental consideración la emisión de gases de efecto invernadero ,si es que no se efectúa
el proyecto de 1.59 toneladas de metano /año y si se efectúa es de cero toneladas de metano /año
Respecto al dióxido de carbono es de 7.86 toneladas de CO2/año ,si es que se efectúa el proyecto y
de 3.49 toneladas de CO2/año si es que no se efectúa esto se explica por la combustión del metano en
el secador ,sin embargo se sabe que el metano es varias más incidente e las causas del calentamiento
global .
9. minimiza con los proyectos al monitorear el metano producido por degradación de las heces y que es
una opción en lugar de dejar libremente al metano que contamina el ambiente en la región por la alta
actividad pecuaria.
BIBLIOGRAFÍA
1. J. Ocon Garcia y G. Tojo Barreiro(1974) ,Problemas de Ingeniería Química –
Operaciones Básicas –Tomo II...Capitulo Secado Editorial Aguilar, Mexico 2.- Robert Perry y Cecil Chitón(1986),Biblioteca del Ingeniero Químico-Volumen V, Editorial Mc Graw Hill, México... 3.- Martí, J. (2008) Biodigestores Familiares. Guía de diseño y manual de instalación. Cooperación Técnica Alemana - GTZ. Bolivia. ISBN: 978-99954-0-339-3. Disponible en: http://www.upc.edu/grecdh/cas/energia/publicacions.htm 4.- Ferrer, I., Gamiz, M., Almeida, M., Ruiz, A. (2009) Pilot project of biogas production from pig manure and urine mixture at ambient temperature in Ventanilla (Lima, Perú). Waste Management 29(1), 168-173 5.- Paz, A. y Cristóbal, S. (2008) Estudio de biogás en Biodigestores tubulares unifamiliares de bajo costo en el Departamento de Cajamarca. Anexos
Cuadro N° 01 Producción Pecuaria-Majes 2007
Especies Variables Unid. de Medida Ejecución Año 2007
Aves / Carnes Producción Unidades (Saca) 7367
Carne (t) 15.8
Vacuno
Producción Unidades (Saca) 9997
Carne (t) 1690.8
Leche (t) 70472.6
Ovino Producción Unidades (Saca) 2345
Carne (t) 44.1
Porcino Producción Unidades (Saca) 1589
Carne (t) 69.9
Caprino Producción Unidades (Saca) 309
Carne (t) 3.7 Fuente: Gobierno Regional de Arequipa, Dirección de Información Egasa - GREA
ABSTRACT
Biogas produced in the city of Majes, Arequipa, Peru, Near Livestock high activity, was used as fuel in a
dryer specifically designed for use. The dryer is used for drying fruits and vegetables, the operation
involves the use forced warm to absorb the moisture of the product arranged on a stainless steel mesh
with an area of 9.6 m2 and vertically distributed air flow. To achieve the warm air drying, an area of heat
exchange with the combustion gases is 2.275 m2 biogas design, reached a temperature of 45-50 ° C.
The evaluation results in determining the decrease of free moisture and drying rate were 0.521 Kg
Oregano water / m2 hour period in constant speed with a time of 4.5 hours and water plantain 0.466 Kg /
hr m2 the period of constant speed with a time of 5 hours
The times when the drying is achieved are similar to similar equipment using liquefied petroleum gas, so
its use is feasible for areas like Majes is a livestock area.
Key Word
Green Force.