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INDICE

OBJETIVO ................................................................................................................................................... 3

JUSTIFICACIN ......................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIN ........................................................................................................................................ 4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................................... 5

IDENTIFICACIN Y ELECCIN DE FACTORES DE LA PROBLEMTICA EN ESTUDIO .......... 6

PLANTEAMIENTO Y ELECCION DE UNA TECNICA DE SOLUCION ............................................. 6

REALIZACION DEL ESTUDIO ................................................................................................................. 8

CAPTURA DE DATOS EN EL PROGRAMA NCSS PARA LA OBTENCIN DE

RESULTADOS ........................................................................................................................................ 9

ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................................................ 10

PROYECCION DE IMPACTO REGIONAL ........................................................................................... 12

RECOMENDACIONES ............................................................................................................................ 12

CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 13

ANEXO: FOTOS DE LA REALIZACIN DEL ESTUDIO ................................................................... 14

REFERENCIAS ......................................................................................................................................... 16

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OBJETIVO

Aplicar un diseo de experimentos para estudiar el efecto que tienen el Tiempo (a) y la

Temperatura (b), sobre el estudio cintico de un inoculo para producir Hidrogeno.

Tomando en consideracin dos niveles para cada factor (alto y bajo), adems de ver

cules son los niveles ptimos a los que se debe tratar dicho inoculo para conseguir

una mejor produccin del gas en mencin.

JUSTIFICACIN

La necesidad energtica mundial crece exponencialmente; sin embargo, debemos

tomar en cuenta que nuestras reservas de combustibles fsiles se agotan

vertiginosamente, lo que ha llevado a explorar nuevas fuentes energticas alternativas,

en este caso se busca que sea energa limpia y renovable.

Adems, un tema inquietante a nivel mundial es la creciente contaminacin ambiental

que est estrechamente ligada con la utilizacin de hidrocarburos que causan gran

parte del calentamiento global por acumulacin de CO2 en la atmsfera y gases como

nitruros, sulfuros y material particulado que deterioran la salud y los ecosistemas.

Debido a esto, en los ltimos aos se ha volcado la atencin al hidrgeno, por ser un

combustible limpio y renovable, el cual posee un alto rendimiento energtico ms alto

que los combustibles hidro-carbonados), siendo el agua el nico producto resulte.

La demanda de hidrgeno no es exclusiva como fuente de energa, ya que es

ampliamente utilizado en las industrias qumica, de alimentos y en la produccin de

derivados electrnicos, entre otros, lo que genera una creciente necesidad de producir

hidrgeno de una manera sostenible y econmicamente viable.

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INTRODUCCIN

El uso de combustibles fsiles para obtener energa ha provocado entre otras cosas el

calentamiento global. Por esta razn, en las ltimas dcadas ha surgido la necesidad

de buscar nuevas fuentes de energa alterna, una de ellas es el hidrgeno (H2). Sin

embargo, actualmente el H2 es ms caro que la gasolina y con un costo ambiental alto

derivado de la energa que se requiere para producirlo. La mayor parte del H2

comercializado proviene del metano o de la oxidacin parcial de las fracciones ms

pesadas del petrleo, o de la gasificacin de carbn mineral, y slo un pequeo

porcentaje se genera electrolticamente. La alternativa es producir H2 por mtodos

biolgicos (biohidrgeno) usando microorganismos, la cual es una nueva y excitante

rea de la biotecnologa que utiliza fuentes renovables como la biomasa (materia

orgnica proveniente de residuos orgnicos, municipales, industriales, agropecuarios y

forestales) para la produccin de hidrgeno por medio de la fermentacin obscura y la

foto-fermentacin. Ayudando adems a encontrar soluciones a la disposicin final de la

basura orgnica.

En Mxico han empezado a aparecer grupos de investigacin que trabajan en la

produccin biolgica de H2. Uno de ellos es el grupo de Procesos Avanzados de

Tratamiento de Aguas encabezado por la Dra. Moreno, en la Unidad Acadmica

Juriquilla del Instituto de Ingeniera de la UNAM. Para la produccin de Hidrogeno. Se

realizan tratamientos lo cuales se hicieron en reactores de 1.8 L, en lote, por duplicado,

incubados a 352 C en condiciones anaerobias, y con un tiempo de operacin de 15

das. Como inculo se emple lodo activado, sometido a choque trmico para

seleccionar microorganismos del gnero Clostridium que son buenos productores de

H2. Diariamente se midi el hidrogeno producido y se realiz la prueba de la flama para

saber si el gas producido era combustible. Una produccin de hidrogeno sustentable y

costeable sera una alternativa viable. La mejor alternativa para el tratamiento de los

residuos es la digestin anaerobia, el cual es un proceso biolgico degradativo, en el

que parte de los materiales orgnicos de un substrato son convertidos en biogs, la

digestin anaerobia se ha reconocido ampliamente como la base de la gestin de

desechos sostenible, por la produccin de metano el cual es una fuente de energa (H.

5

Argun 2011). Este trabajo se basa en la en el estudio cintico de un inoculo

previamente tratado para ver su efectividad en la produccin de hidrgeno utilizando

como sustrato el suero de queso. Se le dio un tratamiento trmico para inhibir el

crecimiento de las bacterias metanognicas y a si se favorezca a la produccin de

biohidrgeno. El estudio cintico ser el experimento a estudiar con lo cual se

estudiaran los factores correspondientes, con un mtodo ideal para poder obtener los

mejores resultados.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La preocupacin sobre el cambio climtico global y la degradacin medioambiental

resultante del uso de los combustibles fsiles como fuente primaria de energa, junto

con las inquietudes sobre la seguridad en el suministro energtico, han llevado a

muchos analistas a proponer al hidrgeno como portador universal de energa para el

futuro. Para producirlo, actualmente se utilizan mtodos altamente costosos que no

resultan factibles.

Se han realizado estudios para la produccin biolgica de Hidrogeno a partir de

biomasa obteniendo resultados favorables, en estos estudios se ha hecho uso de un

inoculo anaerobio el cual tratado trmicamente a un cierto tiempo se inhibe la actividad

de las bacterias metanognicas con lo cual se evita la produccin de metano lo que

lleva a la produccin hidrogeno. Esto es por que actan directamente las bacterias

acidogenicas en el proceso. La temperatura y el tiempo a los cuales, el inoculo

correspondiente es tratado; resulta una parte muy importante de la alta produccin de

hidrogeno, ya que si no se controlan estos factores, la produccin del Hidrogeno se ve

afectada.

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IDENTIFICACIN Y ELECCIN DE FACTORES DE LA PROBLEMTICA

EN ESTUDIO

El inoculo anaerobio a tratar debe de tener las condiciones ptimas para la mxima

produccin de hidrogeno. Los factores son temperatura y tiempo, estos deben ser

evaluados en su nivel alto y bajo correspondiente.

FACTORES

TEMPERATURA

C

(A)

( - )

100

( + )

120

TIEMPO

Min

(B)

( - )

30

( + )

50

COMBINACIN DE TRATAMIENTOS

REPLICAS

I II III IV TOTAL

(1) A Baja, B Baja 278.5 276.8 267.5 289 1111.8

a A Alta, B Baja 260 256 261 254.5 1028.5

b A Baja, B Alta 290.5 278.5 287.5 287 1143.5

ab A Alta, B Alta 260 255.7 256.5 267 1039.2

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PLANTEAMIENTO Y ELECCION DE UNA TECNICA DE SOLUCION

Muchos experimentos se llevan a cabo para estudiar los efectos producidos por dos o

ms factores. Puede mostrarse que en general los diseos factoriales son los ms

eficientes para este tipo de experimentos. En nuestro caso de acuerdo con los dos

factores que intervienen se debe de elegir un diseo factorial para dos factores pero

adems en donde se tomen en cuenta sus dos respectivos niveles. Un diseo factorial

22 tiene por objetivo medir como influyen los factores en un proceso y descubrir si

interaccionan entre ellos; esta sera un principio de una estrategia de solucin

adecuada.

Matriz de experimentos para los diseos factoriales completos

El diseo experimental se realizara con el factor temperatura (A) y factor tiempo (B),

estos se expresan con los valores mnimo y mximo que puede tomar, y se asigna la

notacin codificada 1 al nivel inferior y +1 al superior ( para simplificar).

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REALIZACION DEL ESTUDIO

Primeramente se obtuvo inoculo el cual es proveniente de un reactor (de lecho de lodo

granular extendido) EGSB situado en la planta piloto del Instituto tecnolgico de

Orizaba, El tratamiento trmico se le realiza al inoculo a dos niveles temperaturas y dos

niveles de tiempo. El estudio de la degradacin se realiz en matraces Erlenmeyer de

0.5 L con un volumen til de 0.250 L, utilizando un agitador orbital a 120 rpm. La

preparacin de las cinticas se realiz en una proporcin para el suero de queso de

(1:15), esto una vez conocidos los (slidos totales voltiles) del inculo. Se hicieron 4

rplicas para la validacin de resultados. La captacin del hidrogeno se hace mediante

un mecanismo de desplazamiento de lquido. Los resultados obtenidos se muestran en

la siguiente tabla:

COMBINACIN DE TRATAMIENTOS

REPLICAS

I II III IV TOTAL

A Baja, B Baja 278.5 276.8 267.5 289 1111.8

A Alta, B Baja 260 256 261 254.5 1028.5

A Baja, B Alta 290.5 278.5 287.5 287 1143.5

A Alta, B Alta 260 255.7 256.5 267 1039.2

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CAPTURA DE DATOS EN EL PROGRAMA NCSS PARA LA OBTENCIN DE

RESULTADOS

Con el anlisis un anlisis de varianza (ANOVA), se determina que la temperatura

tiene influencia significativa en la produccin de hidrogeno, y la interaccin no tiene

ningn efecto considerable. Lo que resta es analizar cual son los niveles a los que se

debe adecuar el inoculo con respecto a la temperatura.

10

El modelo estimado con el cual se puede predecir la produccin de hidrogeno es

confiable ya que tiene una R2 =0.843015

ANALISIS DE RESULTADOS

Analizando grficos para determinar las mejores condiciones a las que se debe tratar el

inoculo con respecto a la temperatura se tiene:

255.00

263.75

272.50

281.25

290.00

-1 1

Means of y

Temp

y

255.00

263.75

272.50

281.25

290.00

-1 1

Means of y

Tiempo

y

11

-15.0

-7.5

0.0

7.5

15.0

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0

Normal Probability Plot of Residuals of y

Expected Normals

Resid

uals

of y

La inclinacin prolongada de la lnea de la temperatura hace notoria su afectacin en la

respuesta.

Observando si existe alguna posibilidad de interaccin se analiza la siguiente grafica:

No existe alguna relacin entre el tiempo y la temperatura del tratamiento trmico por lo

que se le debe de atender con ms atencin a los valores de temperatura para tener

una mayor produccin de hidrogeno. Con esta grafica se determina los niveles a los

cuales se debe de trabajar el inoculo: tiempo en niveles altos y una temperatura a

niveles bajos, es decir a una temperatura de 100C con un tiempo de 50 min.

255.00

263.75

272.50

281.25

290.00

-1 1

Means of y

Tiempo

y

Temp

-11

Con esta grafica se puede darle

sustento al experimento al

confirmar la linealidad de los

datos.

R2 = 0.843015

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PROYECCION DE IMPACTO REGIONAL

La regin Crdoba-Orizaba es una regin marcadamente agroindustrial por lo que los

residuos generados tienen importante contenido de materia orgnica. El tratamiento de

los residuos trae aparejado un costo que no se puede evitar ya que se deben cumplir

las normativas. Sin embargo, si el residuo se trata teniendo en cuenta criterios de

minimizacin de consumo energtico, produccin de energa, utilizacin de nutrientes y

la reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero, los tratamientos con

produccin de biogs se tornan sumamente atractivos. Existen diferentes sustratos que

se pueden emplear para la obtencin de hidrogeno, en este trabajo se desarroll con

suero de queso, que contiene cantidades considerables de calcio, fierro, fosforo y

protenas adems de un producto que es todava accesible a la poblacin, debido al

costo relativamente bajo.

RECOMENDACIONES

Disear un plan de trabajo en cual se tomen en cuenta los niveles ideales de

temperatura

Considerar otros factores que puedan estar afectando la produccin de

hidrogeno.

Ya que con frecuencia la estimacin inicial de las condiciones de operacin optimas

para un sistema estar alejada del optimo real, se recomienda usar un

procedimiento experimental simple y econmicamente eficiente, generalmente se

supone que el modelo de primer orden es una aproximacin adecuada.

Aplicar un mtodo de mximo pendiente de ascenso debido a que se desea la

maximizacin de la produccin de hidrogeno.

13

CONCLUSIONES

Con el anlisis del experimento se puede llegar a la conclusin que trabajos anteriores

le han dado significancia al factores que no resultan ser relevantes, el tiempo es uno de

estos ya que ahora se pueden valorar otros factores.

Esto nos ayudara a darle soporte a nuestra investigacin al modificar nuestro plan de

trabajo, ya conociendo los niveles de temperatura a los cuales se debe de trabajar. Es

posible plantearse rangos en los cuales se estudiara una regin de exploracin para

ajustar el modelo.

14

ANEXO: FOTOS DE LA REALIZACIN DEL ESTUDIO

Obtencin del inoculo y preparacin de las replicas

Tratamiento trmico al inoculo

15

Control de temperatura

Montaje de las cinticas

Captacin de hidrogeno

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REFERENCIAS

Nidal M., Grietje Z., Huub G. y Lettinga G (2004). Anaerobic sewage Treatment in a

one-stage UASB-Digester system, Wat. Vol., 38, 2348-2358.

Padin Daz (2002). Suero de quso, propiedades, como utilizarlo, D salud, 122.

Prez, J. M. (1992). Anlisis de flujos y factores que determinan el periodo de retencin.

CEPIS/OPS Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad de Agua para Consumo

Humano. Lima.

Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. - American Public Health

Association (APHA), American Water Works Association (AWWA) Water Pollution

Control Federation (WPCP). - 14 th Edition, 2006.

[H. Argun, F. Kargi (2012). "Bio-hydrogen production by different operational modes of

dark and photo-fermentation: An overview". International Journal of Hydrogen Energy.

Vol. 36, pp. 7443-7459.