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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE MICROBIOLOGÍA Y PARASITOLOGÍA
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN FORMATIVO
“DETERMINACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE NITRÓGENO, FÓSFORO Y POTASIO DEL BIOL Y BIOSOL A PARTIR DE ESTIERCOL DE GANADO
VACUNO”
AUTORES:
RODRIGUEZ JARA, BRENDA ELIZABETH
RODRÍGUEZ QUIÑONES, HEYDI ESTEFANY
RODRÍGUEZ REYES, SHIRLEY DEL ROCÍO
SAGUMA MORENO, ANGIE PAOLA
SALDAÑA GUTIÉRREZ, MIGUEL ÁNGEL
ASESOR: Dr. CARLOS LEÓN TORRES
TRUJILLO - PERÚ
2013
i
DEDICATORIA
i
A Dios, por la vida, por cada día y sobre
todo por brindarnos salud e integridad.
A nuestros padres, por ser los pilares de
nuestras vidas. Gracias a ellos y a su
apoyo constante.
AGRADECIMIENTOS
ii
A Dios por habernos permitido
culminar satisfactoriamente
nuestro trabajo de investigación
Al Dr. Carlos León por ser más
que nuestro asesor, guía y
amigo. Por los conocimientos
brindados y el apoyo
desinteresado, gracias a los
cuales se pudo realizar el
presente trabajo. A nuestros padres por ser
nuestro ejemplo y guía, por
apoyarnos en todo momento,
impulsarnos a alcanzar
nuestros objetivos, por la
confianza depositada y el
amor brindado. A todos los que apoyaron
indirectamente en el proceso
de elaboración de este trabajo,
especialmente a Jeisson y a
Daniel
ÍNDICE
Dedicatoria…………………………………………………………………………. i
Agradecimiento…………………………………………………………………….. ii
Resumen…………………………………………………………………………….iv
Abstract……………………………………………………………………………... v
I. Introducción……………………………………………………………………. 1
II. Materiales y métodos………………………………………………………… 9
2.1. Materiales……………………………………………………………….. 9
2.1.1. Material biológico……………………………………………….. 9
2.1.2. Material de campo……………………………………………….9
2.2. Métodos………………………………………………………………….. 10
2.2.1. Producción de biogás, biol y biosol…………………………… 10
2.2.2. Métodos para el análisis de muestras de biol y biosol……… 14
2.2.2.1. Determinación de (N) – M. Kjeldahl……………….....14
2.2.2.2. Determinación de (P) - M. de Olsen………………….16
2.2.2.3. Determinación de (K)…………………………………. 18
III. Resultados…………………………………………………………………….. 21
3.1. Producción obtenida……………………………………………………. 21
3.2. Análisis de variación del pH y NPK……………………………………. 22
IV. Discusión………………………………………………………………………..
34
V. Conclusiones…………………………………………………………………...54
VI. Referencias Bibliográficas…………………………………………………….55
Anexos
iii
RESUMEN
Los productos de la digestión anaerobia son el biogás y bioabonos ( el biol y
biosol) que son efluentes de solución orgánica estabilizada que tiene valor
como fertilizante y por ello puede ser utilizado en irrigación de pastos y cultivos.
La Estación Experimental de Bioquímica Aplicada (EEBA) de la Universidad
Nacional de Trujillo, fue el medio que hizo posible elaborar estos bioabonos. Se
diseñó, construyó y evaluó el funcionamiento de un biodigestor de
geomembrana de aproximadamente 4m3 de volumen, adaptándole una zanja
acolchonada por una manta de sacos que permitió adoptar condiciones
idóneas para la ejecución del proyecto; alimentado con estiércol fresco de
ganado vacuno (Bos taurus) en relación biomasa-agua de 1:3, la cual fermentó
anaerobiamente por 15 días, obteniéndose como resultado una producción de
aproximada de 1.53 m3/día de biogás, 72 l/día de biol y 18 l/día de biosol. De
este resultado se analizaron las diferentes etapas bioquímicas de fermentación
anaeróbica y algunos parámetros que afectan en la producción. Se evaluó el
sistema de Abril a Julio, donde se controló el pH del lodo y la variación de
concentración de Nitrógeno, Fosforo, y Potasio (NPK), que determina cuán
provechoso es el bioabono. Finalmente se comprendió las ventajas
ambientales y económicas del uso de la energía de biomasa.
Palabras claves: biogás, biol, biosol, N, P, K
iv
ABSTRACT
The products of anaerobic digestion are biogas and effluent. The effluent
(biomanures: biological and biosol) is a stabilized organic solution having
fertilizer value and therefore can be used in irrigation of crops and grasses.
Experimental Station of Biology (EEBA) from the National University of Trujillo,
was the medium that made possible to develop these biofertilizers. We
designed, built, and evaluated the performance of a geomembrane digester
volume of about 4m3, by attaching a ditch cushioned by a blanket of sacks
allowed adopt conditions for project implementation; fed fresh manure from
cattle (Bos taurus) in biomass-water ratio 1:3, which anaerobically fermented for
15 days resulted in a production yield of about 1.53 m3 of biogas, 72 l / day of
biological and 18 l / day biosol. This result was analyzed different stages of
anaerobic fermentation biochemical and some parameters which affect
production. We evaluated the system from April to July, where it controlled the
pH of the sludge and the variation of concentration of Nitrogen, Phosphorus and
Potassium (NPK), which determines how profitable is the biofertilizer. Finally
understood the environmental and economic benefits of using biomass energy.
Keywords: biogas, biological, biosol, N, P, K
v
I. INTRODUCCIÓN
El crecimiento de la población mundial, la industrialización y el consumo
creciente de recursos naturales están produciendo niveles de desechos
orgánicos cada vez más altos. Muchos de estos no tienen un tratamiento
adecuado o la búsqueda de su mejor uso representa altos costos. La
mayor parte de los desechos orgánicos, que representan hasta un 60% del
total de los desechos domésticos, no son reciclados, siendo depositados en
rellenos sanitarios donde ocupan grandes espacios o entran al medio
ambiente como un contaminante de aguas, suelos y atmósfera debido a
sus grandes volúmenes (Dias, 2007).
La crisis energética y el calentamiento global son considerados como los
dos problemas más graves en todo el mundo, y los gobiernos cada vez
prestan mayor interés en buscar nuevas formas de energía. Una de ellas
es la energía de biomasa la cual es cada vez más importante debido al
ahorro de energía que se logra con su aprovechamiento (Varnero, 2011).
A nivel mundial, la disponibilidad de energía se ha convertido en uno de los
principales problemas, los países tanto en vías de desarrollo como
desarrollados, se enfrentan a una demanda creciente de energía para
satisfacer sus expectativas económicas y sociales. Por otra parte el uso de
combustibles fósiles para obtener energía, sobre todo eléctrica, trae como
consecuencia el vertido de sustancias tóxicas al aire, al agua y a los
suelos, dañando la naturaleza a corto, medio y largo plazo. Frente a esta
situación, existe la necesidad de aprovechar estos desechos orgánicos
para la generación de energía eléctrica y de calor, como una manera de
suplir el déficit de energía y disminuir al mismo tiempo la contaminación
ambiental (Moncayo, 2007).
1
Además de generar gas combustible, la fermentación anaeróbica de la
materia orgánica produce un residuo orgánico de excelentes propiedades
fertilizantes, evitando en esta forma la competencia que se podría
presentar con el aprovechamiento tradicional de los residuos animales y
agrícolas con fines fertilizantes o como combustibles (Mandujano, 1981).
Los productos de la digestión anaerobia son el biogás y el efluente líquido.
El efluente (bioabonos: biol y biosol) es una solución orgánica estabilizada
que tiene valor como fertilizante y por ello puede ser utilizado en irrigación
de pastos y cultivos (Cruz, 1995).
El efluente del digestor es un producto más uniforme y manejable que el
estiércol no tratado. La alta cantidad de amoniaco permite una mejor
utilización de los cultivos y permite mejorar las propiedades físicas de los
suelos. Una aplicación apropiada del efluente del digestor reduce la
contaminación de aguas superficiales o subterráneas (Castillo, 2001).
Los biodigestores es que ellos se constituyen en una valiosa alternativa
para el tratamiento de los desechos orgánicos presentes en las aguas
residuales ya que previene la contaminación de los cuerpos de agua y al
mismo tiempo suministra un gas combustible (fundamentalmente metano)
que puede emplearse para satisfacer la demanda de energía de una
comunidad y un efluente que puede ser utilizado como fertilizante (Cruz,
1995)
El uso de fertilizantes inorgánicos constituye una de las principales
prácticas que ha permitido el incremento de la producción de las
actividades agropecuarias. Esta dependencia, anudada a las periódicas
crisis petroleras, ha provocado un gran incremento en el precio de los
2
insumos agropecuarios, principalmente de los fertilizantes, originando a su
vez un aumento en los costos de producción (Gómez, 1990).
Existen varias alternativas, dentro de las cuales la utilización del efluente
de los biodigestores, cobra gran valor ante el aumento del precio de los
fertilizantes, alcanzando niveles que, en muchos casos, hacen prohibitiva
su utilización, sobre todo para agricultores de escasos recursos
económicos. Dentro de este marco deben buscarse nuevas opciones que
sirvan no sólo como fuente de nutrientes para las cosechas sino que
contribuyan también a mantener o incluso mejorar las condiciones de
fertilidad del suelo (Solis, 1991).
Los procesos de tratamiento anaeróbico son especialmente adaptados
para la utilización de desechos orgánicos provenientes de la agricultura y la
industria, así como la parte orgánica de los desechos de hogares. La
degradación anaeróbica es un método muy rentable para tratar desechos
de origen biológico debido a que el biogás producido puede ser utilizado
para generar calor y producir electricidad. Además es posible reciclar los
residuos del digestor a la agricultura utilizándolos como fertilizante
secundario. La tecnología anaeróbica también ayuda a reducir las
emisiones de CO2 de acuerdo al Protocolo de Kyoto (Weiland, 2000).
Los últimos 20 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre
el funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico gracias a
nuevos materiales de laboratorio que permitieron el estudio de los
microorganismos intervinientes en condiciones anaeróbicas. Con la
biotecnología, estos progresos en la comprensión del proceso
microbiológico han estado acompañados por importantes logros de la
investigación aplicada obteniéndose grandes avances en el campo
tecnológico (Hilbert, 2006).
3
Ante esta situación los abonos de origen orgánico resurgen como una
alternativa tecnológica que permite disminuir los gastos por consumo de
fertilizantes inorgánicos, permite el reciclaje de desechos orgánicos que
tradicionalmente han sido fuente de contaminación, y además su aplicación
favorece al mejoramiento de las propiedades físicas y químicas del suelo,
aumentando su fertilidad natural (Gómez, 1990).
Los biodigestores son apropiados para las condiciones técnicas y
posibilidades económicas de los países desarrollados y subdesarrollados.
La tecnología del biogás está bien adaptada a las exigencias ecológicas,
ambientales y económicas del futuro. Es una tecnología de avanzada y de
mucha aceptación por tratarse del aprovechamiento de energías
renovables (Moncayo, 2007).
Las primeras menciones sobre biogás se remontan al año 1600
identificados por varios científicos como un gas proveniente de la
descomposición de la materia orgánica.
En el año 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India y
ya en 1896 en Exeter, Inglaterra, las lámparas de alumbrado público eran
alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los
lodos cloacales de la ciudad (Hilbert, 2006).
Tras las guerras mundiales comienzan a difundirse en Europa las llamadas
fábricas productoras de biogás cuyo producto se empleaba en tractores y
automóviles de la época. Durante los años de la segunda guerra mundial
comienza la difusión de los biodigestores a nivel rural tanto en Europa
como en China e India, que se transforman en líderes en la materia. Esta
4
difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los combustibles fósiles y
recién en la crisis energética de la década de los 70 se reinicia con gran
ímpetu la investigación y extensión en todo el mundo incluyendo la mayoría
de los países latinoamericanos (Roberts, 1974).
Los últimos 20 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre
el funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico gracias al nuevo
material de laboratorio que permitió el estudio de los microorganismos que
actúan en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno) (Roberts, 1974).
El avance de esta técnica ha permitido que importantes ciudades del
mundo, incluyan un importante porcentaje de gas procedente de esta
fuente en la red de distribución urbana de gas natural (Rico, 2013).
El biogás, producto de la descomposición de materia orgánica, es un gas
combustible, el cual puede ser usado para cocción de alimentos,
calefacción y las múltiples aplicaciones que tiene los combustibles
convencionales. Los sistemas de biodigestión junto a la producción de
energía eléctrica a base de biogás son tecnologías aún prematuras a nivel
nacional, existiendo 106 biodigestores (en 15 departamentos) con
predominio en modelos artesanales chinos en todo el Perú (Tardillo, 2008).
En nuestro país el desarrollo de procesos para obtener biogás es
relativamente nuevo (Hernández, 1990).
Como se mencionó anteriormente, el empleo que biomasa genera biogás y
bioabonos (biol y biosol), resultando necesario comprobar la concentración
de NPK, que permitiría su uso potencial como abono.
5
Es muy común que la gente entienda como sinónimo de fertilizantes la
palabra "abonos"; sin embargo, existen marcadas diferencias entre
aquellos y éstos, aunque sus usos y aplicaciones estén encaminados al
mismo fin: la nutrición de las diferentes plantas y vegetales. Los fertilizantes
son nutrientes de origen mineral y creados por la mano del hombre, por el
contrario, los abonos son creados por la naturaleza y pueden ser de origen
vegetal, animal o mixto.
Los elementos nutrientes se encuentran, en diversas proporciones, en
todas las tierras y en los abonos orgánicos (estiércoles, humus, etc.). Las
plantas al crecer, los agotan y deben reponerse mediante la adición
sistemática de abonos y fertilizantes, usados de una manera conjunta.
Los fertilizantes se componen de tres elementos básicos, a saber:
Nitrógeno, Fósforo y Potasio; a estos tres elementos se les denomina
elementos mayores o fundamentales, porque siempre está presente alguno
de los tres o los tres en cualquier fórmula de fertilizante: el Nitrógeno (N)
promueve el crecimiento de la planta; el Fósforo (P) favorece la maduración
de flores y frutos, además de fomentar su perfume y dulzor; y el Potasio (K)
es el responsable de la multiplicación celular y de la formación de tejidos
más resistentes a la sequía y las heladas (Barcelo, 1985).
Estos elementos son los principales nutrientes vegetales y las plantas los
requieren en grandes cantidades para su buen desarrollo, por esto es
necesario volver a incorporarlos al suelo con regularidad como bioabonos.
Las plantas poseen la capacidad de tomar substancias del medio y
utilizarlas para la síntesis de sus componentes o como una fuente de
energía (Mengel, 1982). Con excepción del carbono, los vegetales pueden
absorber del suelo todos los elementos químicos necesarios para la vida
(Rojas, 1993).
6
Existe relación directa entre el crecimiento de una planta y la absorción de
nutrimentos. Al crecer la planta desarrolla el área foliar, aumenta la
cantidad de tejidos, sintetiza proteínas y enzimas y, a la vez, crea mayor
número de sitios de transporte y estimula la absorción de nutrientes.
(Malaver, 1993).
Con el avance en la química analítica, se ha facilitado la determinación de
los componentes de los bioabonos (biol y biosol). La determinación de N, P
y K permite predecir a qué tipo de suelo es aplicable y el desarrollo que
tendrá la planta (Benton, 1991).
El presente trabajo de investigación formativo tiene como objetivo
determinar las concentraciones de nitrógeno, fósforo y potasio de los
bioabonos (biol y biosol) a partir de estiércol de ganado vacuno; además de
conocer el fundamento bioquímico de la biodigestión en el proceso de
producción, así como valorar la ventaja ambiental y económica de su uso.
II. MATERIALY MÉTODOS
El TIF de determinación de las concentraciones de nitrógeno, fósforo y
potasio del biol y biosol a partir de estiércol de ganado vacuno, se llevó a
cabo en la Estación Experimental de Bioquímica Aplicada (E.E.B.A.) “Msc.
Julio César Arellano Barragán” de la Facultad de Ciencias Biológicas de la
Universidad Nacional de Trujillo (La Libertad – Perú). Anexo 1
7
II.1. Material
II.1.1. Material biológico
Estiércol de ganado vacuno (Bos Taurus) proveniente del
establo del Sr. Contreras ubicado en el Trópico, distrito de
Huanchaco, Provincia de Trujillo.
Contenido estomacal de ganado vacuno (Bos Taurus)
proveniente del camal “San Francisco” ubicado en el distrito de
Salaverry, Provincia de Trujillo.
II.1.2. Material de campo. Anexo 2, 3 y 4
Biodigestor de geomembrana tubular de PVC Cidelsa
Gasómetro de geomembrana de PVC
Tubo de PVC de ½”
Clavos y alambre
Pegamento de tuberías PVC
Cocina a gas de una hornilla
Manguera transparente de 1/8”
Malla Raschel verde y negra 50:50
Herramientas: martillo, alicate, tijeras
8
Palos de madera de 5 cm de diámetro
Sacos de urea
Palana
Guantes
Baldes PEAD y botellas de plástico PEAT
Embudo y jarra de plástico PEAD
II.2. Métodos
II.2.1. Producción de biogás, biol y biosol
Para la producción de biogás, biol y biosol se llevó a cabo siguiendo
el diagrama de flujo mostrado en el Anexo 5.
II.2.1.1. Adaptación
Para acondicionar el estiércol para su biodigestión, se diluyó en
agua en una relación estiércol agua de 1:3. Luego se
homogenizó la mezcla con la ayuda de un palo de madera.
Antes de ingresarlo al biodigestor, se realizó un filtrado para
evitar que entren sólidos muy grandes y ocasionen la formación
de costras sobre los lodos y evite la liberación del biogás.
Para la carga inicial se emplearon 13 cargas de 200L de la
mezcla de estiércol–agua. Anexo 6.
9
II.2.1.2. Biodigestión
Se realizó en un biodigestor de geomembrana cilíndrico de PVC
de volumen de 3.9m3. La biodigestión se realizó por 15 días.
Cabe señalar, que la temperatura afecta inversamente
proporcional al tiempo de biodigestión; la temperatura promedio
del lecho del biodigestor fue de 20°C. Anexo 7.
II.2.1.3. Purificación
El biogás, producido antes de utilizarlo fue desulfurado haciéndolo pasar por dos lechos porosos de 0.5 m de largo y 2” de diámetro que contuvieron clavos de fierro.
II.2.1.4. Almacenamiento del biogás
El biogás obtenido se almacenó en un gasómetro de
geomembrana cilíndrico de 2.1m3, abriendo la válvula de salida
de biogás del biodigestor y la válvula de entrada del gasómetro.
Anexo 8.
II.2.1.5. Filtrado del biol
El biol se extrajo de la zona de descarga, el cual fue filtrado con
malla Raschel para obtener un producto libre de sólidos.
Anexo 9.
II.2.1.6. Estabilización
Se dejó reposar por 15 días bajo la radiación solar para eliminar
rastros de microorganismos. Anexo 10.
10
II.2.1.7. Envasado del biol
El biol fue envasado y almacenado bajo sombra. Anexo 11.
II.2.1.8. Secado del biosol
El biosol fue extendido en una manta a temperatura ambiente
por 7 días, para alcanzar su humedad de equilibrio. Anexo 12.
II.2.1.9. Molienda y tamizado del biosol
El biosol seco fue molido y tamizado en partículas pequeñas de
1mm de diámetro aproximadamente.
II.2.1.10. Envasado del biosol
El biosol seco fue envasado en bolsas de PP de 500g de
capacidad. Anexo 13.
II.2.2. Métodos para el análisis de muestras de biol y biosol
La toma de muestras se realizó en condiciones óptimas, para evitar
errores en el resultado final. Anexo 14.
II.2.2.1. Determinación de Nitrógeno (N) – Método Kjeldahl
Los nitratos se convierten en nitroderivados por reacción con
ácido salicílico, después se reducen los nitroderivados a aminas
por acción del tiosulfato sódico y, luego, se difieren los
compuestos orgánicos con H2SO4 se alcaliniza la solución, se
destila el amoniaco disuelto y se valora el NH3 desprendido
(López, 1985).
11
a. Material
- Matraz Kjeldahl de 600 ml
- Hornilla eléctrica
- Cuentagotas
- Probeta de 50 mL.
- Probeta de 250 mL.
- Aparato de destilación
- Embudo
- Embudo pequeño
- Bureta de 50 mL.
b. Preparación de reactivos
- Solución de ácido salicílico en H2SO4: Pesar 25g de ácido
salicílico y disolver en 1L de H2SO4 cc.
- Solución de NaOH al 40%: Pesar 40g. NaOH y disolver con
agua destilada. Aforar a 100 mL.
- Solución valorada de Ácido clorhídrico 0.1 N.
- Solución de fenolftaleína: Pesar 0.1 g. y disolver a 100 mL
de alcohol etílico al 96%.
- Solución valorada de NaOH 0.1 N.
- Indicador verde de bromocresol y rojo de metilo, (indicador
del nitrógeno):
1. Pesar 0.1 g de verde de bromocresol. Añadir 2 mL de
NaOH 0.1 N y diluir hasta 100 mL con agua destilada.
2. Pesar 0.1 g de rojo de metilo y disolver a 100 mL con
alcohol etílico al 96%. Añadir 3 mL de NaOH 0.1 N.
3. En una fiola de 200 mL, verter 75 mL de la solución
verde de bromocresol y 25 Ml de la solución de rojo de
metilo. Aforar a la marca con alcohol etílico al 96 %.
12
c. Procedimiento
1. Pesar 1g. de muestra y pasar a un matraz Kjeldahl de 600
ml.
2. Adicionar 10g. de K2SO4 1g. CuSO4.5H2O y 0.1g. de Se
3. Añadir 40 mL. de solución de ácido salicílico en ácido
sulfúrico. Agitar el matraz hasta mezcla completa.
4. Dejar reposar durante 8 horas y luego añadir 5g. de
Na2S2O3. Colocar un embudo de vidrio.
5. Calentar levemente la mezcla hasta que cese la formación
de espuma.
6. Calentar a ebullición, hasta oxidación completa de la
materia orgánica (la solución se aclara).
7. Enfriar la solución y lavar el embudo con agua destilada
vertiendo los lavados en e l matraz de digestión.
8. Diluir hasta 200 mL. con agua destilada y añadir unas
gotas de fenolftaleína.
9. Colocar el matraz Kjeldahl en el equipo de destilación.
10. Añadir 100 mL. de solución de NaOH al 40%. Cerrar el
equipo de destilación inmediatamente.
11. Destilar y recoger aproximadamente 120 mL., recogiendo
el destilado en frascos lavadores de gases que contienen
50 mL de HCl valorado 0.1 N y 3 gotas de la solución
indicadora.
12. Trasvasar cuantitativamente el destilado al matraz y titular
con una solución valorada de NaOH 0.1 N.
13. Calcular el contenido de nitrógeno total del suelo según.
13
Dónde:
V1. Volumen de HCl valorado 0.1 N con normalidad N1
empleando en la valoración = 50
V1. Volumen de NaOH valorado 0.1 N con normalidad N2
empleando en la valoración.
%N=(V 1N1−V 2N2 )∗1.4gramosde muestra
II.2.2.2. Determinación de Fósforo (P) – Método de Olsen
El método de Olsen – (Molibdato de Amonio- Cloruro Estañoso),
se basa en la extracción de fósforo en una muestra con
NaHCO3 0.5 M y posterior cuantificación, del extracto filtrado,
vía espectrofotométrica a 660 nm usando Molibdato de Amonio
(López, 1985) (Harris, 2007).
a. Preparación de reactivos
- Solución de NaHCO3 0.5 M ajustado de pH 8.5 con NaOH.
Agregar aceite mineral para evitar oxidación.
- Carbón activado o negro de carbón Darco G-60.
- Solución Standard de fosfato de 5 ppm de fósforo.
- Solución de Molibdato de Amonio: Disolver 15g de
molibdato de amonio hasta 300 mL con agua destilada
tibia. Enfriar y filtrar de ser necesario.
- Añadir 342 mL de HCl (cc), mezclando gradualmente. Aforar
a 1 L con agua destilada.
- Esta solución hay 50 mL extra de HCl (cc), para neutralizar el
NaHCO3 de la solución extractante.
14
Cálculo de porcentaje de nitrógeno total (Hamilton, 1986)
- Solución normal de SnCl2: Disolver 10g de SnCl2. 2H2O en
25 mL de HCl (cc). Esta solución dura 2 meses. Conservar
en una atmósfera de H2. (Se puede producir hidrógeno
haciendo reaccionar Zn + HCl (cc)).
- Solución diluida de SnCl2: mezclar 0.5 mL de solución
normal de SnCl2 más 66 mL de agua destilada. Prepárese
esta solución para cada conjunto de determinaciones.
b. Procedimiento
1. Pesar 5g de material seco más una cucharada de carbón
activado en matraz de 250 mL.
2. Adicionar 100 mL de solución extractante NaHCO3 0.5 M.
Agitar durante 30 minutos.
3. Filtrar usando papel Whatman Nº40, y tomar una alícuota
apropiada del filtrado en una fiola de 25 mL.
4. Agregar 5 mL de solución de molibdato de amonio.
5. Lavar el cuello de la fiola para evitar contacto directo entre
el molibdato y la solución de SnCl2.
6. Diluir la fiola hasta aproximadamente a 22 mL y agregar 1
mL de solución diluida de SnCl2. Mezclar.
7. Aforar con agua destilada y Agitar bien.
8. Después de 10 min de leer la absorbancia en el
espectrofotómetro a una longitud de onda de 660 nm.
9. Preparar la curva de calibración con 5mL de NaHCO3 0.5
M, incluida con la solución standard de P.
II.2.2.3. Determinación de Potasio (K)
El K en pequeñas cantidades es difícil de determinar por
métodos químicos. Sin embargo, la fotometría de llama permite
medir con exactitud contenidos inferiores a una parte por millón
(Skoog, 2003). La determinación de potasio mediante esta
técnica supone dos procesos: extracción de estos elementos con
una solución de acetato amónico 1N, de pH 7 y la determinación
15
del contenido de potasio en el extracto mediante la fotometría de
llama (López, 1985).
a. Material
- Embudo de 8cm. De diámetro
- Fiolas de 100 mL y 1L
- Pipetas de 1mL, 2mL, 5mL, 10 mL, 20 mL.
- Vasos de 100 mL, vaso de 2.5L de vidrio calentable.
- Un fotómetro o espectrofotómetro de llama.
- Un matraz Erlenmeyer de 250 mL.
- Probetas de 100 mL, 200 mL 1L.
b. Preparación de soluciones
- Acetato amónico 1 N, a pH 7
1. Colocar 57.5 mL de CH3COOH en fiola de 500 mL que
contiene 250 mL de agua. Aforar a la marca
2. Colocar 75 mL de NH4OH (cc) en fiola de 500 mL que
contiene 250 mL de agua. Aforar a la marca.
3. En una vaso de 1.5 L colocar la solución de CH3COOH y
añadir lentamente la solución de NH3 anterior.
4. Enfriar a 20 – 25 ºC. Ajustar el pH a 7, usando
CH3COOH glacial o NH3 (cc), utilizando un pH-metro.
- Soluciones patrón de potasio
1. Pesar exactamente 1.910 g de KCl en un vaso de 100
mL y disolver con 50 mL de agua destilada.
2. Trasvasar a fiola de 1L y aforar con agua destilada. Esta
solución contiene 1g K/L (1000 ppm de K).
3. Tomar 5 fiolas de 100 mL y numerarlas. Colocar en c/u
de ellas 0, 1, 2, 5 y 10 mL de la solución anterior y aforar
a la marca con acetato amónico 1 N a pH 7. En las fiolas
tendremos soluciones de 0.10, 20.50 y 100 ppm de K.
16
4. En fiola de 100 mL depositar exactamente 10 mL de
solución de 1000 ppm K. Esta solución es de 100 ppm K.
5. Tomar otras 4 fiolas de 100 mL, numerarlas y depositar
0, 1, 2 y 5 mL respectivamente de solución de 100 ppm
de K. Aforar a la marca con acetato amónico 1 N a pH 7.
En las fiolas tendremos respectivamente soluciones que
contienen 0, 1, 2 y 5 ppm de K.
c. Procedimiento
1. Extracción
- Pesar 10 g en vaso de 250 mL y añadirle 100 mL de
acetato amónico 1N a pH 7.
- Agitar durante 10 min. Dejar reposar otros 10 min.
- Filtrar a través de papel filtro Whatman a un vaso de 100
mL.
2. Trazado de la curva patrón
- Tomar 9 frasquitos porta muestras previamente
rotuladas 0, 1, 2, 5 y 00, 10, 20, 50 y 100.
- Ajustar el fotómetro de llama, a una longitud de onda de
768 nm.
- Calibrar el instrumento utilizando la porta muestra 0
(blanco). O en todo caso usar agua destilada.
- Leer el % de emisión de las soluciones patrón que
contienen respectivamente 1, 2, 5 ppm K.
- Calibrar el instrumento utilizando la muestra blanco o en
todo caso agua destilada
- Leer el % de emisión de las soluciones patrón que
contienen respectivamente 10, 20, 50 y 100 ppm K.
- Determinar la ecuación de regresión lineal para ambos
intervalos de concentración.
17
- Graficar las tendencias respectivas para cada intervalo.
3. Medida del contenido de potasio
- Leer la muestra blanco (0) para el potasio 768 nm.
- Leer la muestra extracto filtrado y anotar su valor %
emisión para el potasio.
- Utilizando las gráficas para el potasio, o sus respectivas
ecuaciones lineales de la ley de Beer, determinar el
contenido de K correspondientes a lecturas para el
extracto de muestra.
- Calcular el de K del analito, referido a muestra sólida
real.
18
III. RESULTADOS
III.1. Producción obtenida
Características del Biodigestor Cantidad
Unidad
Largo 5.000 mDiámetro 1.000 mVolumen total 3.927 m3
Volumen cargado 2.749 m3
Carga totalProporción de mezcla estiércol-agua 1:3Volumen de agua 2.062 m3
Volumen de estiércol 0.687 m3
Tanques de 200 litros 13.744 tanques
Cargas diariasRetención hidráulica 91.630 L/díaEstiércol necesario aproximado ρ≅ 1 .Rendimiento 60%1
38.179 Kg/día
Tanques diarios 0.458 tanquesEl ganado vacuno produce 10 kg estiércol/díaBovinos necesario 4
ProductosBiogás producido 1.527 m3/díaBiol producido 72.082 L/díaBiosol producido 18.021 Kg/día
Usos del biogás2
Lámpara gas 0.15 m3/h 10.18 hCocina 0.3 m3/h 5.09 h
1 Durante el filtrado de la solución agua-estiércol se pierde el 40% aproximadamente.2 Factores de conversión aproximados (Varnero, 2011).
19
Tabla 1. Producción obtenida en el sistema de biodigestión.
III.2. Análisis de la variación del pH, Nitrógeno, Fósforo y Potasio (NPK)
Elemento a evaluar
Toma deMuestra (Días)
DETERMINACIONES DE NITROGENO(N) FOSFORO (P) Y POTASIO (K)
pH Nitrógeno (N)mg/L
Fosforo(P)mg/L
Potasio(K)mg/L
0ESTIERCOL FRESCO 6.6 58800 374.3 316.8
FERMENTACIÓN
(DÍAS)
Biol Biosol
pH Nitrógeno (N)mg/L
Fosforo (P)mg/L
Potasio (K)mg/L
Nitrógeno (N)mg/L
Fosforo (P)mg/L
Potasio (K)mg/L
15 6.8 56800 313.0 302.2 39600 203.0 198.0
30 6.9 49700 247.0 213.0 43800 237.0 208.0
45 6.9 36200 178 110 32600 141 124
Promedio 6.8 50375 278.08 235.5 43700 238.8 211.7
Error Absoluto 0.0 0.0 -0.02 0.0 0.0 0.1 0.0
Varianza 0.015 78411875 5364.9 6828.8 956904 7302.5 4734.7
Error Estándar 0.14 10224.9 84.6 95.4 9592.2 98.7 79.5
Sabiendo que
1 % = 10 000 ppm = mg/L
21
Tabla 2. Resultado total promedio de pH y parámetros estadísticos de Nitrógeno, Fósforo y Potasio (NPK) del análisis de bioabonos (Biol y Biosol). Ver Anexo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
Variación de Nitrógeno (N) en los bioabonos
N ( Ppm) BIOL
N ( Ppm) BIOSOL
Tiempo transcurrido (días)
Conc
entr
ació
n de
N e
n lo
s Bio
abon
os (p
pm)
Gráfica 1. Comparación de las concentraciones con respecto a los días de Nitrógeno (N) en los bioabonos (Biol y Biosol)
BIOL
BIOSOL
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
50
100
150
200
250
300
350
400
Variación de Fósforo (P) en los bioabonos
P (Ppm)
P (Ppm)
Tiempo transcurrido (días)
Conc
entr
ació
n de
P e
n lo
s bio
aboo
nos (
ppm
)
23
Gráfica 2. Comparación de las concentraciones con respecto a los días de Fósforo (P) en los bioabonos (Biol y Biosol)
BIOL
BIOSOL
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
50
100
150
200
250
300
350
Variación de Potasio (K) en los bioabonos
K (Ppm)
K (Ppm)
Tiempo transcurrido (días)
Conc
entr
ació
n de
K e
n lo
s bio
abon
os (p
pm)
24
Gráfica 3. Comparación de las concentraciones con respecto a los días de Potasio (K) en los bioabonos (Biol y Biosol)
BIOL
BIOSOL
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 506.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7
Variación del pH
Ph
Tiempo transcurrido (días)
pH
Gráfica 4. Variación del pH en los días transcurridos
IV. DISCUSIÓN
Los productos obtenidos a partir de estiércol de vaca, fueron
obtenidos por medio de digestión anaerobia; el biodigestor se
mantuvo en todo momento libre de oxígeno para darle dichas
condiciones. En la digestión anaeróbica más del 90% de la energía
disponible por oxidación directa se transforma en metano,
consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano
frente al 50% consumido en un sistema aeróbico (Kiely, 1999).
La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre en
forma espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico.
La generación de biogás, mezcla constituida fundamentalmente por
metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), y pequeñas cantidades
de hidrógeno (H), sulfuro de hidrógeno (H2S) y nitrógeno (N),
constituye un proceso vital dentro del ciclo de la materia orgánica en
la naturaleza (Antoni, 2007).
La digestión anaeróbica ocurre naturalmente en el tracto digestivo de
animales y debajo de aguas estancadas o pantanos, pero también
puede realizarse en depósitos cerrados herméticamente, llamados
digestores (Moncayo, 2007).
Estos se utilizan cuando se quiere captar todos los productos
obtenidos de la descomposición anaeróbica (gases y sólidos), ya que
al haber en su interior un ambiente oscuro y sin aire, se favorece el
medio óptimo para el cultivo intensivo de bacterias anaeróbicas
(Soria, 2001).
34
La digestión anaeróbica es uno de los procesos más utilizados, para
el tratamiento de residuos orgánicos, en el que la materia orgánica es
transformada biológicamente, bajo condiciones anaeróbicas, en
metano y Dióxido de carbono; además, se produce también una
suspensión acuosa de materiales sólidos (lodos), en los que se
encuentran los componentes más difíciles de degradar, la mayor
parte del nitrógeno y el fósforo y la totalidad de los elementos
minerales (K, Ca, Mg, etc.) (Kiely, 1999).
El proceso de degradación de la materia orgánica (estiércol de
vacuno) en biogás se resume en la siguiente fórmula (Pérez, 2010):
C cHhOoN nSs+ y . H2O→x .C H 4+n . H 2S+ (c−x )CO2
Las bacterias metanogénicas constituyen el último eslabón de la
cadena de microorganismos encargados de digerir la materia
orgánica y devolver al medio los elementos básicos para reiniciar el
ciclo. Se estima que anualmente la actividad microbiológica libera a
la atmósfera entre 590 y 880 millones de toneladas de metano
(Hilbert, 2006).
Además de generar gas combustible, la fermentación anaeróbica de
la materia orgánica produce un residuo orgánico de excelentes
propiedades fertilizantes, evitando en esta forma la competencia que
se podría presentar con el aprovechamiento tradicional de los
residuos animales y agrícolas con fines fertilizantes o como
combustibles (Mandujano, 1981).
35
La producción de biogás a partir de desechos orgánicos para sustituir
la energía fósil o utilizar el compost (reciclaje de carbono y
nutrientes) no causa un incremento en las emisiones de CO2 a la
atmósfera (Galler, 2007)además los residuos de estos métodos de
tratamiento biológico pueden servir como fertilizantes o
acondicionadores del suelo.
De forma alternativa, el gas puede ser comprimido después de la
purificación y enriquecimiento, y luego ser usado para alimentar una
planta, en motores o vehículos de combustión. Su mayor ventaja es
el aspecto de la tecnología amigable con el ambiente, que incluye el
potencial para el completo reciclaje de minerales, nutrientes (fosfato,
etc.) y material rico en fibra proveniente de los campos que es
devuelto al suelo, desempeñando un papel funcional sosteniendo la
vitalidad del suelo para plantaciones futuras. La tecnología es
actualmente madura, pero hay mucho espacio para la optimización,
lo que resulta en grandes plantas de producción de alta tecnología
con la utilización integrada de subproductos (Antoni, 2007)
Se ha venido incrementado el uso del biogás para generar
electricidad. A pesar de que hay ciertos problemas técnicos (trazas
de compuestos como sulfuro de hidrógeno e hidrocarbonos
halogenados), existen buenas perspectivas. Es técnicamente factible
alcanzar, con el biogás, casi la misma calidad del gas natural
removiendo el dióxido de carbono en el biogás y el nivel de metano
aumenta del usual 40-60% a cerca del 95%. Esta aproximación lleva
a una potencial competitividad con el gas natural (Ebenezer, 2007).
La fermentación anaeróbica involucra un complejo número de
microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en
36
tres grupos principales. La real producción de metano es la última
parte del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos
grupos de microorganismos. Las bacterias productoras del biogás
son estrictamente anaeróbicas y por lo tanto sólo podrán sobrevivir
en ausencia total de oxígeno atmosférico. Otra característica que las
identifica es la sensibilidad a los cambios ambientales debido a lo
cual será necesario un mantenimiento constante de los parámetros
básicos como la temperatura (López, 1985).
Las dificultades en el manejo de estas delicadas bacterias explican
que la investigación sistemática tanto de su morfología como de la
bioquímica fisiológica sólo se halla iniciado hace cincuenta años. Hoy
en día se conoce mejor el mecanismo y funcionamiento de este
complejo sistema microbiológico involucrado en la descomposición
de la materia orgánica que la reduce a sus componentes básicos CH4
y CO2 (Botero, 2007).
La fermentación anaeróbica de la materia orgánica se lleva a cabo
por la acción de diversas familias de bacterias. Usualmente se
consideran dos etapas; en la primera, la formación de ácidos y, la
segunda, formación de gases. En la primera etapa la materia prima
es atacada por las bacterias formadoras de ácidos, mismas que
convierten los desechos en compuestos más simples 36 como los
ácidos acético, butírico y propanóico. En la segunda etapa los ácidos
formados en la primera son convertidos a metano y bióxido de
carbono por acción de otro grupo de bacterias (Hilbert, 2006).
Todos estos procesos se llevan a cabo simultáneamente dentro del
digestor, al cual sólo se le alimenta de la materia prima en las
condiciones adecuadas (parámetros que Influyen en la generación de
biogás), tomando en cuenta que las bacterias son el ingrediente
37
esencial del proceso, es necesario mantenerlas en condiciones que
permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. A continuación
analizaremos detalladamente los parámetros que influyen
directamente en la formación de metano, teniendo en cuenta
nuestros resultados de producción obtenida en el sistema de
biodigestión según tabla 1.
De acuerdo a los microorganismos que participan en el proceso de
digestión anaeróbica, este se puede dividir en tres fases; los
microorganismos intervinientes en cada fase tienen propiedades
distintas que son muy importantes y se les debe conocer para lograr
comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un biodigestor
(Hilbert, 2006).
En términos generales los sulfuros permanecen en los residuos, el
CO2 se une con el NH3, por lo tanto el gas resultante es
principalmente CH4 y CO2 en proporción CH4 : CO2 = 71 : 29 (Pérez,
2010).
Para la producción de biogás, biol y biosol, la materia orgánica debe
degradarse (oxidarse) pasando por una serie de reacciones. La
fermentación metanogénica es un proceso complejo que se divide
en 4 etapas de degradación: hidrólisis, ácidogénesis, acetogénesis y
metanogénesis, como se muestra en la figura 1. (Pérez, 2010).
38
Figura 1. Etapas de la degradación de la biomasaFuente: Varnero, 2011
Los números indican la población bacteriana responsable del proceso: 1: bacterias fermentativas; 2: bacterias acetogénicas que producen hidrógeno; 3: bacterias homoacetogénicas; 4: bacterias metanogénicas hidrogenotróficas; 5: bacterias metanogénicas acetoclásticas.
FASE DE HIDRÓLISIS: En esta primera etapa se da la hidrólisis
de polisacáridos (almidón, celulosa, hemicelulosas, etc.),
proteínas y grasas. Las bacterias toman la materia orgánica
compleja, rompiendo sus largas cadenas de estructuras
carbonadas y transformándolas en cadenas más cortas y simples
como oligosacáridos y azúcares, ácidos grasos y glicerol. Este
proceso es seguido por una fase de acidogénesis, la fermentación
de estos productos en ácido acético, propiónico y butírico, dióxido
de carbono e hidrógeno, alcoholes y otros compuestos menores
(Antoni, 2007).
39
En esta etapa (hidrolítica) un amplio grupo de microorganismos
hidrolizan sustratos como la celulosa, proteínas y grasas son
fragmentados en monómeros por enzimas (hidrolasa), estas
enzimas provienen exclusivamente de bacterias de metabolismo
anaeróbico y actúan sobre los polímeros orgánicos u otros
materiales complejos despolimerizándolos enzimáticamente en
los correspondientes monómeros o fragmentos más sencillos
(Metcalf, 1996).
FASE DE ACIDOGÉNESIS: Durante esta etapa tiene lugar la
fermentación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos
que puedan ser utilizados directamente por las bacterias
metanogénicas (acético, fórmico, H2) y compuestos orgánicos
más reducidos (propiónico, butírico, valérico, láctico y etanol
principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias
acetogénicas en la siguiente etapa del proceso. La importancia de
la presencia de este grupo de bacterias no sólo radica en el hecho
que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan
posteriormente, sino que, además eliminan cualquier traza del
oxígeno disuelto del sistema (Varnero, 2011)
La mayoría de los microorganismos acidogénicos también
participan de la hidrólisis. El género Clostridium, Paenibacillus y
Ruminococcus están presentes en todas las fases del proceso de
fermentación, pero son dominantes en la fase acidogénica. El
grupo Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides representa el
segundo grupo más grande de microorganismos durante las dos
primeras fases de la descomposición. Sin embargo, en la fase
metanogénica representan menos del 5% del total de
microorganismos. Esto indica que estos grupos son los principales
responsables de la degradación de compuestos monoméricos.
40
(Varnero, 2011). Resumiendo, podemos observar en la figura 2 el
proceso de degradación acidogénica.
Figura 2. Degradación acidogénica
Fuente: Pérez, 2010
FASE DE ACETOGÉNESIS: Esta etapa la llevan a cabo las
bacterias acetogénicas y realizan la degradación de los ácidos
orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-COOH y liberando
como productos hidrógeno y dióxido de carbono en el proceso de
fermentación anaeróbica (Bagi, 2007), expresado gráficamente en
la figura 3. Esta reacción es endoexergética pues demanda
energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha
relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que sustraen
los productos finales del medio minimizando la concentración de
los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas.
41
Esta baja concentración de productos finales es la que activa la
reacción y la actividad de estas bacterias, haciendo posible la
degradación, manteniendo el equilibrio energético (Hilbert, 2006).
Debido al largo periodo de generación de éstas bacterias, éste
parece ser el paso limitante en el proceso (Antoni, 2007).
Figura 3. Degradación acetogénica
Fuente: Pérez, 2010
FASE DE METANOGÉNESIS: Las bacterias de esta etapa son
bacterias de crecimiento lento que pertenecen al dominio
Archaea. Generalmente son sensibles a la acidificación,
acumulación de amonio, cantidades bajas de oxígeno y otros
factores (Antoni, 2007). La transformación final cumplida en esta
etapa tiene como principal sustrato el ácido acético junto a otros
ácidos orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados
son metano y dióxido de carbono. Se produce aproximadamente
70% (v/v) CH4 y 30% CO2, así como los subproductos NH3 y H2S
(Hilbert, 2006). Ver figura 4.
42
Figura 4. Formación de metano a partir de acetato.
Fuente: Pérez, 2010
La composición química del biogás es: Metano (CH): 55 a 70%;
Anhídrido carbónico (CO): 35 a 40%; Nitrógeno (N): 0.5 a 5%;
Sulfuro de hidrógeno (SH): 0.1%; Hidrógeno (H): 1 a 3%; Vapor
de agua: Trazas. La producción de biogás es un proceso que
depende de varios parámetros: actividad bacteriana, temperatura,
tiempo de retención, relación Carbono/Nitrógeno, porcentaje de
sólidos, pH (Hernández, 1990).
Las comunidades de bacterias involucradas en estas tres etapas son
similares a las que se encuentran en el rumen de las vacas o en las
plantas de tratamiento de aguas residuales (Antoni et al., 2007); sin
embargo, su composición varía dependiendo del sustrato, el tipo de
biodigestor y el proceso.
43
La bioquímica de la metanogénesis es relativamente complejo, que
incluye las siguientes coenzimas y cofactores: F420, la coenzima B,
coenzima M, methanofuran y methanopterin.
El mecanismo para la conversión de CH3-S enlace en metano implica
un complejo ternario de metil coenzima M y la coenzima B encajar en
un canal terminado por el sitio axial sobre níquel del cofactor F430. Un
mecanismo propuesto invoca la transferencia de electrones de Ni, que
inicia la formación de CH4. El acoplamiento de la coenzima M tiilo
radical con SA coenzima B libera un protón y re-reduce Ni por un
electrón, regenerando Ni (Taiganides, 1980).
La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia
orgánica. Durante el proceso de descomposición, aceptores de
electrones se agotan, mientras que el hidrógeno y el dióxido de
carbono se acumulan. Orgánicos luz producida por la fermentación
también se acumulan. Durante las etapas avanzadas de la
descomposición orgánica, todos los receptores de electrones se
agotan, excepto el dióxido de carbono. El dióxido de carbono es un
producto de la mayoría de los procesos catabólicos, por lo que no se
agota como otros aceptores de electrones posibles
Sólo metanogénesis y la fermentación pueden ocurrir en ausencia de
aceptores de electrones distintos al carbono. La fermentación sólo
permite la descomposición de los compuestos orgánicos más
grandes, y produce compuestos orgánicos pequeños. Metanogénesis
elimina de forma efectiva los productos semi-finales de la
descomposición: hidrógeno, pequeños compuestos orgánicos, y
dióxido de carbono. Sin metanogénesis, una gran cantidad de
carbono se acumularía en ambientes anaeróbicos (Moncayo, 2007).
44
Entre los factores ambientales importantes para el funcionamiento de
los digestores figuran: la temperatura, la concentración de sólidos, la
concentración de ácidos volátiles, la formación de espuma, la
concentración de nutrientes esenciales, las substancias tóxicas y el
pH (Taiganides, 1980). Esta dependencia de la metanogénesis a un
pH óptimo 7, se pudo comprobar experimentalmente en el
rendimiento y producción continua de metano y excelente efluente.
Ver tabla 2, donde el promedio de pH es 6.8 y alcanzo un 6.9
considerándose como óptimo.
La digestión ruminal está estratificada en dos sub-fases una líquida, y
otra con alto contenido en sólidos donde es mayor la actividad
metabólica y la concentración de intermediarios. Similarmente los
digestores de dos fases tienen un mejor rendimiento en metano que
los de una sola (Moncayo, 2007).
El residuo orgánico que se descarga del biodigestor es un lodo-líquido
fluido de excelentes propiedades fertilizantes, el cual está constituido
por la fracción orgánica que no alcanza a degradarse y por el material
orgánico agotado. Su constitución puede variar mucho, dependiendo
de las variaciones en el contenido de la materia orgánica utilizada
para alimentar el biodigestor y del tiempo de residencia de dicho
material dentro de él (Moncayo, 2007).
En algunos estudios realizados se ha demostrado que el uso del
efluente líquido representa económicamente más beneficio que el
propio biogás. El tratamiento anaerobio de residuales orgánicos
(específicamente de excretas animales) imita a los procesos que
ocurren en la naturaleza donde no existen los desechos o
45
desperdicios, sino materia prima para crear otro tipo de material útil
para la vida (Hilbert, 2006).
Los biofertilizantes, también conocidos como bioabonos, son
sustancias líquidas orgánicas que se obtienen mediante la
fermentación de estiércoles, plantas y otros materiales orgánicos en
medios líquidos (agua) y que algunas veces son enriquecidos con
sales minerales naturales (Wong, 2009).
La composición del bioabono en promedio tiene 8.5% de materia
orgánica, 2.6% de nitrógeno, 1.5% de fósforo, 1.0% de potasio y un
pH de 7.5. Que al comparar estos valores con los resultados
demostrados anteriormente, se verificó que efectivamente en el
bioabono las diferencias de concentraciones de NPK son
determinantes. Siendo el N en más concentración (Soria, 2001).
El bioabono sólido o líquido no emana malos olores a diferencia del
estiércol fresco, debido a que las sustancias provocadoras del mal
olor son reducidas casi en su totalidad en función al tiempo de retención, el efluente tampoco atrae moscas y puede aplicarse
directamente en las cantidades recomendadas (Soria, 2001).
Como biofertilizante puro, presenta una concentración de nutrientes
relativamente alta, y a pesar de esta característica, puede ser
aplicado directamente a los cultivos. Se lo utiliza también como aditivo
en la preparación de soluciones nutritivas para cultivos hidropónicos
(Soria, 2001).
Como requisito para lograr mayor eficiencia en el proceso de
biodigestión y tener un abono más rico, es necesario que la excreta
46
líquida contenga mínimo 12% de sólidos totales o 2500 mg/l de
sólidos sedimentables (Soria, 2001).
Se ha obtenido valores de referencia donde se dan los valores
aproximados de la composición en los principales macronutrientes,
pero se debe tener en cuenta que estos valores son sólo indicativos
pues según el tipo de alimentación, raza, manejo, etc.; que tengan los
animales y el tratamiento que sufra el estiércol antes y después de su
digestión, estos valores pueden variar en forma significativa. Pues
bien en ganado vacuno hay más concentración de potasio siendo,
5000 ppm en comparación con el N de 4600 ppm y P con 2000 ppm.
Sin embargo en nuestro estudio de determinar el NPK en el biol y
bisol se obtuvo más concentración de N, por lo cual esto explica lo
anteriormente mencionado ya que esto se debe al tipo de
alimentación y otros factores. También cabe mencionar en aviar en
estos valores de referencia el N esta en mucha mas concentración
que en el ganado vacuno siendo de 36000 ppm siguiendo el P con
46000 ppm y el K con 25000 ppm. Como se puede ver el aviar es en
mucha mas alta concentración de todos sus componentes.
Tal como se ve en la tabla 2, el resultado total promedio y parámetros
estadísticos de Nitrógeno, Fósforo y Potasio (NPK) del análisis de
bioabonos (Biol y Biosol); el Nitrógeno presenta una concentración
sobresaliente. Esta concentración de nitrógeno, definitivamente es
favorable para los suelos y plantas, pues necesitan de él en mayor
proporción.
Todos los nutrientes utilizados por los vegetales en forma importante
(nitrógeno, fósforo, potasio y magnesio) al igual que los elementos
menores son preservados durante la fermentación. En el caso del
47
fósforo su porción directamente asimilable no se ve afectada,
conteniendo los efluentes un 50% en esta forma. En contraste con los
otros nutrientes, el nitrógeno contenido en un 75% en
macromoléculas orgánicas y un 25% en forma mineral en el estiércol,
sufre una transformación reduciendo a un 50% el nitrógeno orgánico y
aumentándose a un 50% el nitrógeno en forma mineral directamente
asimilables por las plantas.
Con respecto a este último nutriente es muy importante el tratamiento
que se le dé al efluente después de que sale del digestor debido a
que a medida que transcurren los días se incrementa la pérdida de
nitrógeno mineral (5% en 11 días, 15% en 20 días), y en el caso de
secar el efluente, la pérdida puede llegar al 90% (Hilbert, 2006).
Se puede realizar un análisis de la composición química del efluente
del biodigestor con el fin de evaluar su potencial como bioabono, para
esto se hacen determinaciones de N, P, K, Ca, Fe, Mg, Cu, Zn, con
métodos analíticos de digestión ácida y posteriores lecturas con
espectrometría (Soria, 2001).
Debido a la descomposición, el efluente brinda rápidamente nutrientes
disponibles, los ácidos húmicos presentes en este material
contribuyen a mejorar la estructura del suelo y su porosidad,
aumentando al mismo tiempo la capacidad de intercambio. La
cantidad de humus estable duplica al que se consigue mediante la
utilización de estiércoles, incrementando al mismo tiempo en forma
significativa la actividad biológica del suelo. El elevado contenido de
nitrógeno en forma de amonio (NH4) presente en los efluentes ayuda
a evitar la pérdida por lavado y lixiviación del nitrógeno del suelo al
igual que las pérdidas por volatilización producidas por los procesos
de denitrificación biológica (Hilbert, 2006).
48
El efluente que se obtuvo al final del proceso de biodigestión presentó
un color más transparente en comparación al influente, tenía un olor
desagradable, sin embargo éste olor era de menor intensidad con
respecto al agua residual de carga del biodigestor (Soria, 2001).
En los resultados del análisis químico de nutrientes, se determinó que
los contenidos de nitrógeno, fósforo y potasio varían
considerablemente, siendo el nitrógeno el que presentó mayor
incremento. Se ha reportado que los incrementos de nitrógeno y
fósforo, dos de los macronutrientes esenciales para el desarrollo de
las plantas, mejoran la calidad del efluente ya que la digestión
anaeróbica degrada componentes complejos a formas moleculares
más simples como NH4+, NO3
- y P2O5, favoreciendo la asimilación de
estos nutrientes por el sistema radicular de las plantas (Valdés, 1999).
Con respecto al pH en el efluente, se obtuvo un valor promedio de
6,9, el cual, de acuerdo con Soria et al. (2001), se encuentra en el
rango óptimo para la eficiencia de la biodigestión. Esto fue un
indicador de que los biodigestores estaban operando correctamente.
Se ajustó el pH en los biodigestores (Arévalo, 2007).
El nitrógeno del estiércol entra en el digestor principalmente en dos
formas: Como de amonio o como N. Orgánico de amonio estos se
forman a partir de una reacción que realiza la enzima ureasa en las
heces con la urea en la orina. La formación de amonio es bastante
rápida, se realiza aproximadamente el 95% de la reacción completa
49
en las primeras 12 horas, a menudo antes de que se recogiera el
estiércol. El amonio no se destruye durante el proceso de digestión,
sino más bien, el N orgánico se convierte en amonio durante la
degradación de proteínas. Por lo tanto, el nivel de amonio en el
efluente del digestor es típicamente más alto que el estiércol crudo.
Una cantidad insignificante de gas de amoníaco se escapará con el
biogás (Sarah, 2010).
Cabe destacar que el nitrógeno total en el digestor será igual al
nitrógeno total dejado el mismo. Esto es diferente a la mayoría de las
otras prácticas de manejo del estiércol, que pierden nitrógeno por
volatilización. Como resultado, el contenido de amonio efluente del
digestor puede ser hasta dos veces mayor que en el estiércol
almacenado (Gutierrez, 2012).
Cuando el efluente del digestor es campo aplicado, la mayor parte del
amonio se libera en forma de un gas (amoníaco) a menos que se
incorpora en el suelo. Cuando se incorpora, los microorganismos
pueden convertir el amoníaco a nitrito, que luego se convierte
rápidamente a nitrato, la forma de nitrógeno más fácilmente absorbido
por las plantas (Sarah, 2010).
Siempre hay algo de retención de sólidos en un digestor,
especialmente en diseños de flujo de tapón (biosol). Estos sólidos
sedimentados que se ven como si la concentración de nutrientes
disminuye como abono pasa a través del digestor (Adriana, 1999).
50
Mediciones de fósforo (P) y potasio (K) a menudo ilustran este efecto.
Los microorganismos en el digestor no consumen P (fosforo) y K
(potasio). Algunos P se pueden convertir en orto P (una forma
soluble) en el digestor, sino que la masa total se mantiene constante.
El total de P y K que fluye en un digestor es igual a la P y K en el
efluente, más la cantidad que se ha instalado a cabo. Estos sólidos
sedimentados, que incluyen tanto la materia orgánica y otros sólidos
no digeribles tales como arena, se deben limpiar periódicamente fuera
del digestor, cuando los nutrientes asociados "reaparecerá". (Patrick,
2006)
Las plantas elaboran parte de su alimento extrayendo del suelo agua
y oxígeno, como también hidrógeno y carbono del aire, pero para
completar su alimentación necesitan absorber de la tierra nutrientes
minerales y vegetales. Los fertilizantes y abonos se encargan de
entregar y devolver a la tierra los nutrientes necesarios para el
adecuado crecimiento de plantas, árboles, prados y arbustos. Aquí le
contaremos todo acerca de los fertilizantes, sus tipos y cómo elegir el
más adecuado según cada caso (Adriana, 1999).
Los 3 principales elementos que necesitan las plantas: (Patrick, 2006)
son el Nitrógeno (N) que promueve el crecimiento de la planta,
Fósforo (P) que favorece la maduración de flores y frutos, además de
fomentar su perfume y dulzor y el potasio (K), quien es el responsable
de la multiplicación celular y de la formación de tejidos más
resistentes a la sequía y las heladas. Estos elementos son los
principales nutrientes vegetales y las plantas los requieren en grandes
cantidades para su buen desarrollo, por esto es necesario volver a
incorporarlos al suelo con regularidad como fertilizante.
51
V. CONCLUSIONES
Se conocieron los fundamentos bioquímicos de la biodigestión
anaerobia en la producción de biogás, biol y biosol, y sus
diferentes etapas: hidrolítica, acidogénica, acetogénica y
metanogénica.
Se conoció el proceso de producción de biogás, biol y biosol,
teniendo en cuenta diversos factores como temperatura, pH,
etc., que puedan variar la producción de dichos productos.
Los contenidos de N, P y K, variaron considerablemente en los
bioabonos (biol y biosol), siendo el Nitrógeno (N) el que presento
más variación.
El Nitrógeno se encuentra en mayor proporción que el Fósforo
(P) y el Potasio (K).
El P y K son necesarios para una buena fertilización de suelo y
plantas, sin embargo el Nitrógeno es indispensable.
Nuestro producto presenta mayor concentración de Nitrógeno,
siendo idóneo para la aplicación folicular o capilar, de una planta
y/o suelo.
52
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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59
ANEXO
ANEXO 1: Interior deL Módulo de Produccion de biogás y bioabnos en la Estación Experimental de Bioquímica Aplicada (EEBA)
ANEXO
ANEXO 2: Plano isométrico del módulo de producción biogás y bioabonos (biol y biosol)
ANEXO 3: Plano general del módulo de producción de biogás, biol y biosol (medidas aproximadas en centímetros)
Leyenda
A. Zona de biodigestión1. Puerta a zona de biodigestión2. Entrada de sustrato3. Puerta de almacén4. Almacén herramientas5. Biodigestor6. Gasómetro7. Panel de control de presión
B. Zona de recolección de biol y biosol8. Descarga de biol9. Descarga de biosol10.Puerta de salida11.Almacén de biol
C. Zona demostrativa12.Puerta a la zona demostrativa13.Cocina a gas14.Mesa iluminada con lámpara a gas
A B C
1
2 5
4 6
7
8 911
13
310
12
14
Leyenda
1. Tubo proveniente del biodigestor
2. Lechos porosos de clavos de fierro (desulfurizador)
3. Válvula hacia el recipiente de condensado
4. Recipiente de condensado
5. Piezómetro
6. Controlador de presión
7. Tubo destinado a gasómetro
2
1
3
4
5
1
6
7
ANEXO 4: Panel de control de presión.
ANEXO 6
Estiercol
Adaptación
Biodigestión
BIOGAS
Purificación
Almacenado
BIOL
Reposo
Filtrado
Envasado
BIOSOL
Secado
Molienda yTamizado
Envasado
ANEXO 5: Diagrama de flujo para la producción de biogás, biol y biosol.
ANEXO 7
ANEXO 8
ANEXO 9
FOTOS BIDONES ( TANQUES DE LLENADO) Y FILTRANDO BIOL
ANEXO 10
ANEXO 11
ANEXO 12
ANEXO 13 empaques
ANEXO 14
FALTA: ANEXOS ( métodos NPK), tablas de conversión y varianza, etc
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