Producción y evaluación del proceso de compostaje a partir de desechos agroindustriales de Saccharum officinarum (caña de azúcar)

RIA. Revista de Investigaciones AgropecuariasISSN: [email protected] Nacional de Tecnologa AgropecuariaArgentina

GORDILLO, F.; PERALTA, E.; CHVEZ, E.; CONTRERAS, V.; CAMPUZANO, A.; RUIZ, O.Produccin y evaluacin del proceso de compostaje a partir de desechos agroindustriales de

Saccharum officinarum (caa de azcar)RIA. Revista de Investigaciones Agropecuarias, vol. 37, nm. 2, agosto, 2011, pp. 140-149

Instituto Nacional de Tecnologa AgropecuariaBuenos Aires, Argentina

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=86421189006

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GORDILLO, F.1; PERALTA, E.1; CHVEZ, E.1; CONTRERAS, V.2; CAMPUZANO, A.1; RUIZ, O.1

Produccin y evaluacin del proceso decompostaje a partir de desechos agroin-dustriales de Saccharum officinarum(caa de azcar)

1 Centro de Investigaciones Biotecnolgicas del Ecuador, Escuela Superior Politcnica del Litoral, Campus Gustavo Galindo, Km 30.5va Perimetral, Apartado 09-01-5863, Guayaquil, Ecuador. Correo electrnico: [email protected] Ingnio azucarero ECUDOS, Sucre 203 y Pichincha, fax. 04-2-320-353, La Troncal, Ecuador. Correo electrnico: [email protected]

RESUMEN

El presente estudio tuvo como finalidad el aprovechamiento de los residuos azucareros de forma tcnica-mente viable por medio de la produccin y evaluacin del proceso de compostaje. Para lograr los objetivos seestablecieron combinaciones de tres tipos de materia prima, dos fuentes de microorganismos y dos mtodosde aireacin. Las pilas se establecieron bajo un diseo de tres factores, y se valoraron dos veces por semanalos parmetros: temperatura, pH y conductividad elctrica. Otros parmetros como materia orgnica, poblacinmicrobiana, porcentaje de humedad, macro y micronutrimentos, cromatografa de Pfeifer y relacin C/N, seevaluaron al inicio y al final del proceso. El mejor mtodo fue el de aireacin por volteos, y la formulacin msequilibrada para macro y micronutrimentos y mayor concentracin de materia orgnica fue la formulacin con50% de bagazo, 25% de cachaza y 25% de ceniza. Al finalizar el proceso, la formulacin conformada por 40%bagazo, 30% cachaza y 30% ceniza tuvo la relacin C/N ms cercana a los valores recomendados entre 20-30. Los microorganismos comerciales mantuvieron una mayor poblacin microbiana durante el proceso hastasu culminacin. La temperatura lleg a la temperatura inicial de 45 C; el pH para el proceso fue el ptimo de8 a 8.5 aunque finaliz elevado 9 a 9.5.

Palabras claves: Residuos azucareros, fuente de microorganismos, mtodos de aireacin.

Recibido 26 de noviembre de 2010 // Aceptado 14 de abril de 2011 // Publicado online 15 de junio de 2011

Produccin y evaluacin del proceso de compostaje a partir de desechos agroindustriales de Saccharum officinarum (caa de azcar)

ABSTRACT

The present study focused in taking advantage of the sugarcane residues in a technical way through the pro-duction and evaluation of the process of compostaje. To achieve the aims were established combinations ofthree row matter types, two microorganisms sources and two aeration methods. The piles were established inthree factor design, and the parameters temperature, pH and electrical conductivity were evaluated twice aweek. Other parameters as organic matter, microbial population, moisture percentage, macro and micronutrients,chromatography of Pfeifer and C/N ratio, were evaluated at the beginning and the end of the process. The bestway to aerate the piles was the mechanical one; the formulation more balanced for macro and micronutrientsand major concentration of organic matter was the formulation with 50 % of bagasse, 25 % of sloth and 25 % ofash. By the end of process the formulation with the C/N ratio closest to the recommended was 40 % bagasse,30 % sloth and 30 % ash with values between 20-30. The commercial microorganisms demonstrate a very highlevel of surviving during and at the end of the process. The temperature to come to the begin temperature initialof 45C; the pH for the process was the ideal of 8 to 8.5 but at the end it was raise 9 to 9.5.

Keywords: Sugar residues, source of microorganisms, methods of aeration.

RIA / Vol. 37 / N. 2ARTCULOS

AUCH-1Resaltar

141Agosto 2011, Argentina

INTRODUCCIN

A nivel mundial los serios problemas de contaminacincausados por los residuos derivados de procesos agroin-dustriales y el uso excesivo de fertilizantes inorgnicos hanincrementado las reas que sufren procesos degradativospor la disminucin de la fraccin orgnica de los suelos [2].Este panorama, renueva el inters por el uso y el manejode sistemas productivos con el manejo de enmiendas agr-colas aplicadas al suelo con la finalidad de recuperar, reu-tilizar y/o transformar los residuos en insumos tiles,conservando la fertilidad del suelo y siendo amigable con elambiente, pues debidamente procesados (parmetros deelaboracin y tipos de materiales que se utilicen) son capa-ces de mejorar la calidad fsica, qumica y biolgica de lossuelos de cultivos [3, 4, 13, 14]. La calidad de las enmien-das orgnicas se determina a travs de las propiedades f-sicas, higinicas, qumicas y biolgicas, as como de sucontenido nutricional y de su capacidad de proveer nutrien-tes a un cultivo [6, 7, 8, 9, 14].

Dentro de los parmetros de proceso ms relevantes se en-cuentra la temperatura que es el que mejor indica el desarrollodel proceso. Durante el proceso de descomposicin aerbica,se observan tres fases: fase mesfila inicial, al final de la cualse producen cidos orgnicos; fase termfila; y fase mesfilafinal, considerndose finalizado el proceso cuando se llegaa la temperatura inicial y se estabilizan a temperatura am-biente [1, 6, 10, 12]. La humedad de la masa de compostajedebe ser tal que el agua no llegue a ocupar totalmente losporos de dicha masa para que permita la circulacin tantodel oxgeno como la de otros gases [8, 9, 14, 15] y el pH,mediante su seguimiento se puede obtener una medida in-directa del control de la aireacin de la mezcla ya que, si enalgn momento se crean condiciones anaerbicas, se pro-voca el descenso del pH [1, 10, 12, 13].

El objetivo de este trabajo fue estandarizar el proceso decompostaje y la evaluacin de la calidad final del productoutilizando los principales residuos del proceso de elaboracindel azcar de caa: cachaza, bagazo y ceniza en tres com-

binaciones, microorganismos producidos en dos fuentes queaceleren la descomposicin y dos mtodos de aireacin.

MATERIALES

Materia prima

Se utilizaron los residuos azucareros (bagazo, ceniza ycachaza) del Ingenio La Troncal localizado en el Cantn Latroncal de la Provincia del Caar (Temperatura promedio26 C, humedad relativa entre 55%-86% y precipitacinentre 1mm-25mm).

Material Biolgico

Se usaron microorganismos producidos de dos manerasdiferentes: uno artesanalmente en la hacienda San Hum-berto ubicada en el Cantn Taura de la Provincia del Gua-yas y el otro es un producto comercial: QBio COMPOSTER.

METODOLOGA

Se utiliz un diseo completamente al azar con arreglomultifactorial donde los factores fueron: dos fuentes de mi-croorganismos, tres combinaciones de residuos y dos tiposde aireacin. Los niveles correspondientes a las tres combi-naciones de formulaciones de los residuos se muestra en latabla 2, los niveles para microorganismos fueron microorga-nismos locales, microorganismos comerciales y sin microor-ganismos adicionados, y los niveles para aireacin fueronaireacin por tubos estticos y aireacin por volteos mecani-zados. Se realizaron tres repeticiones para cada tratamiento.

Los tratamientos fueron dispuestos como se seala en latabla 3.

Las pilas de compostaje fueron evaluadas durante un mesy siete das (tiempo de duracin del proceso), midieron 8 me-tros de largo por 2,5 metros de ancho y 1,5 metros de altura.


Tabla 1. Caracterizacin de materia prima para la elaboracin de las pilas de compost.

RIA / Vol. 37 / N. 2142 ARTCULOS

Fase de campo

La aplicacin de los microorganismos comerciales se hizoen la dosis recomendada por el fabricante (4,5g/t). Para losmicroorganismos locales se aplic la dosis usada por elagricultor (0,001l/g).

Una vez terminada la instalacin de las pilas, se colocarontres tubos en cada pila de los tratamientos que corresponda.Los tubos perforados medan un metro de largo y, fueron co-locados en forma vertical en tres lugares fijos de cada pila.En los tratamientos con aireacin por volteo, se realiz el vol-teo dos veces por semana en cada pila. Para la evaluacinde campo, los datos se tomaron en las 54 pilas establecidas.

Temperatura: Las lecturas de temperatura se tomaron enla parte media de cada pila antes de realizar el volteo (enlas que corresponda), dos veces por semana con un ter-mmetro para pilas de composta, durante todo el proceso.

Altura: La altura, que se refiere a la reduccin de volumeninicial y demuestra el grado de descomposicin de la pila, se

midi en la parte media de cada pila con una regla vertical dosveces por semana, durante todo el proceso de compostaje.

Fase de laboratorio

Para la evaluacin en laboratorio se recolectaronmuestras individuales por repeticin en el campo, y luegose hizo mezcla por tratamiento para posteriormente seranalizadas.

Cromatografa de Pfeiffer: Es una tcnica cualitativa queofrece una descripcin general de la actividad, salud y di-reccin biolgica del suelo o compostas analizadas. Pararealizar la tcnica se mezcl la muestra (1,25 g) con 25 mlde una solucin alcalina (NaOH al 1%) dejando decantarpor 24 horas. Luego se hicieron tres agujeros en los discos(de papel) para delinear las capas que se presentaron pos-teriormente. Para preparar el disco se lo impregn con ni-trato de plata al 95% por medio de una mecha de papel filtrohasta el primer agujero y se lo coloc envuelto en papel ab-sorbente, en una cmara oscura durante seis horas comomnimo [5].

Tabla 2. Porcentaje de los residuos para cada una de las formulaciones.

Tabla 3. Combinacin de las fuentes de variacin.


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Luego, se realiz la corrida de las muestra mediante unasegunda impregnacin. Una vez obtenidos los discos se mi-dieron las diversas capas que los conformaron (capa de ox-geno, mineral, de materia orgnica y enzimtica). Estasmedidas se tomaron al principio y al final del proceso.

Conductividad Elctrica: Se pesaron 10 g de muestra con50 ml de agua destilada (dilucin 1:5, p:v) y se dej en agita-cin por 24 horas para garantizar la homogeneidad de la mues-tra de acuerdo a lo establecido en la Norma Chilena 2880.Luego se tom la lectura con un conductmetro METTLER TO-LEDO GmbH S67 (SevenGo pro) despus de ser calibradocon solucin amortiguadora para conductividad de pH 4.

pH: Se pesaron 10 g de muestra tamizada y se mezclaroncon 50 ml de agua destilada (relacin 1:5, p:v) manteniendoen agitacin. Posteriormente se midi el pH una vez esta-bilizada la lectura.

Poblacin Microbiana: Se realiz mediante siembra lquidaen medio agar nutritivo con cinco diluciones (10-3, 10-4 y10-5) para cada tratamiento.

La primera dilucin (10-1 o 1/10) se prepar mezclandoun gramo de la muestra en 9 ml de agua destilada. A partirde sta, se realizaron diluciones decimales seriadas, to-mando un ml de la dilucin anterior mezclndolo con nueveml de agua destilada hasta obtener la dilucin 10-5.

Se sembraron mediante siembra lquida las diluciones 10-4 y 10-5 con el objetivo de realizar un mejor conteo micro-biano. El conteo se realiz a las 24 horas despus derealizada la siembra.

Contenido de materia orgnica, macro y micronutrientes,relacin C/N y porcentaje de humedad: Los anlisis de ma-teria orgnica, macro y micronutrientes, as como la deter-minacin del porcentaje de humedad y de la relacin C/N,se realiz en un laboratorio particular autorizado.

Anlisis de la calidad del proceso de compostaje

Con los datos recolectados en el proceso se determina-ron las curvas de compostaje para los parmetros ms im-portantes con el objetivo de identificar el tratamiento quemejor se desarroll a lo largo del proceso.

Anlisis de la calidad del producto final

Se recolectaron muestras al inicio y al final del proceso paraanalizar y determinar contenido de macro y microelementos,porcentaje de humedad, materia orgnica, pruebas de pobla-cin microbiana y relacin C/N. Adems mediante el mtodode cromatografa de papel de Pfeiffer, se analiz la dinmicade las sustancias que forman el compost. Estos resultadosse compararon entre s para determinar el grado de madurezque tenan los productos al momento de su recoleccin.

Anlisis estadstico de los datos

Para analizar los datos obtenidos, se realizaron compa-raciones de medias a travs del anlisis de varianza y prue-bas de Fisher y Tukey para las variables de altura, macro y

micronutrimentos, materia orgnica, relacin C/N, humedady poblacin microbiana; y anlisis de correlaciones para lasvariables macro y micronutrimentos, materia orgnica, re-lacin C/N y humedad; adems de grficas en serie tempo-ral para evaluar la evolucin en el tiempo de las variablesaltura y conductividad elctrica.

RESULTADOS Y DISCUSIN

El mtodo de aireacin por tubos demostr ser poco efi-ciente para el material que se compost debido a que el in-terior de las pilas se encontraba hmedo y con coloresverdes-azulados, adems de una limitada reduccin del ma-terial (14+-1%) comparada con la reduccin de los trata-mientos por volteos (30+-2%). Esto indica que existediferencia estadstica significativa entre los promedios delporcentaje de reduccin de las pilas y una aireacin insufi-ciente en el mtodo de aireacin por tubos estticos [11,16]. Por tal motivo, el anlisis de resultados y la discusinse realiz en base a los tratamientos por aireacin mecani-zada o volteos.

Control del proceso de compostaje mediante parme-tros fsico-qumicos.

Altura

En la figura 1, se muestra el grado de descomposicin deacuerdo a la prdida de altura de las pilas. Para efectos decomparacin se utiliz una curva realizada a partir de la in-formacin provista por la bibliografa [11] como modelo paraevaluar la descomposicin y se agruparon los tratamientosde acuerdo a la fuente de microorganismos.

Notoriamente, todos los tratamientos presentaron unadisminucin de la materia orgnica. Los tratamientos conmicroorganismos locales tuvieron una descomposicin de31+-4%, los tratamientos con microorganismos comercia-les, 32+-5% y los tratamientos sin microorganismos, 26+-5%, lo cual indica que no existe diferencia estadsticasignificativa entre los promedios del porcentaje de prdidade altura de las pilas. Los tratamientos que tuvieron mayorprdida de altura fueron T8 (microorganismos comerciales,formulacin uno y volteos) y T10 (microorganismos comer-ciales, formulacin dos y volteos) de acuerdo al promediode descomposicin de dichos tratamientos; aunque, no al-canzaron el ndice de descomposicin deseado que es eldel 50% [11].

Conductividad Elctrica

En la figura 2, se muestra el comportamiento de la con-ductividad elctrica de cada uno de los tratamientos.

Los T2 (microorganismos locales, formulacin uno y vol-teos), T12 (microorganismos comerciales, formulacin tresy volteos) y T14 (ninguno, formulacin uno y volteos) pre-sentaron una curva de CE tpica en descomposicin. Enestos tratamientos se pueden observar las fases de mine-




Figura 1: Variacin de la altura a travs del tiempo.A: Resultados correspondientes a los tratamientos T2, T4 y T6; B: tratamientos T8, T10 y T12; C: tratamientos T14, T16 y T18.


Figura 2: Variacin de la conductividad elctrica a travs del tiempo y fases de mineralizacin.A: Resultados correspondientes a los tratamientos T2, T4 y T6; B: tratamientos T8, T10 y T12; C: tratamientos T14, T16 y T18.



ralizacin de la materia previamente descrita: la primera,mineralizacin de la materia inicial; la segunda, una lixivia-cin de metabolitos secundarios y material desecho en es-tado lquido rico en microorganismos; y la tercera, unaltima etapa de mineralizacin que nos indica el final de pro-ceso [11, 16].

pH

En la figura 3, se muestran las variaciones del pH a travsdel tiempo. Para efectos de comparacin se utiliz la curvaprovista por la bibliografa [1] como modelo para la evaluacin.

Los valores de pH durante el proceso de descomposicinsiempre tendieron a la alcalinidad. Cumpliendo una fase de

acidificacin inicial, una fase intermedia de alcalinizacin yuna fase de maduracin que, aunque tendi a la neutrali-dad, se mantuvo por arriba del patrn en casi todos los tra-tamientos [1, 7].

Temperatura

En la figura 4, se muestran las variaciones de la tempe-ratura con respecto al tiempo. Se utiliz la curva descrita enla bibliografa [1, 15] como modelo para la evaluacin.

Al iniciar el proceso los tratamientos, excepto el T6 (mi-croorganismos locales, formulacin tres y volteos), presen-taron una temperatura menor a 45 C, cumplindose laprimera etapa mesoflica. Transcurridas las tres primeras



semanas de proceso todos los tratamientos incrementaronsu temperatura por encima de los 60 C; incremento que semantuvo por un lapso de cuatro semanas lo cual garantizaque el producto final no contenga microorganismos patge-nos ni contaminantes. sta constituy la etapa termoflica.

Luego, la temperatura present un descenso al finalizardicha etapa para entrar a la ltima fase denominada me-soflica o enfriamiento. Sin embargo, los valores de tem-peratura no descendieron hasta los niveles de maduracin[8, 14, 15, 16].

Figura 3. Variacin del pH a travs del tiempo.A: Tratamientos T2, T4 y T6; B: tratamientos T8, T10 y T12 y C: tratamientos T14, T16 y T18.

Figura 4. La explicacin de la figura completa se encuentra en la prxima pgina



Evaluacin de la calidad final del compost producido

Macronutrimentos

Los tratamientos no presentaron diferencia estadsticasignificativa en cuanto a la relacin de los macronutrimentos(valor p>0,5) de acuerdo al tipo de formulacin. Sin em-bargo, las formulaciones uno, con 25% de bagazo, 50% decachaza y 25% de ceniza y tres, con 50% de bagazo, 25%de cachaza y 25% de ceniza tuvieron valores promedios denitrgeno de 0,56% y 0,64%, respectivamente que son ade-cuados de acuerdo a la bibliografa [6].

Micronutrimentos

Los tratamientos no presentaron diferencia estadstica sig-nificativa en cuanto a la relacin de los micronutrimentos (valorp>0,5) de acuerdo al tipo de formulacin. Sin embargo, las for-mulaciones uno, con 25% de bagazo, 50% de cachaza y 25%de ceniza y tres, con 50% de bagazo, 25% de cachaza y 25%de ceniza, tuvieron contenidos promedios de Cu de 54,87 ppmy 27,47 ppm, respectivamente y contenidos promedios de124,2 ppm y 113,5 ppm de Zn, respectivamente, los cuales seencuentran en el rango de la concentracin mxima permitidade metales pesados referidos en la bibliografa [6].


Figura 4. Variacin de la temperatura a travs del tiempo.A: Tratamientos T2, T4 y T6; B: tratamientos T8, T10 y T1; C: tratamientos T14, T16 y T18.


Humedad, Materia orgnica y Relacin C/N

Desde el punto de vista del contenido de humedad, todoslos tratamientos presentaron una disminucin en la hume-dad. Sin embargo, en ningn tratamiento lleg a disminuirla humedad hasta finalizar en el porcentaje adecuado (30 y40%) ya que los valores se encontraban entre el 41% y el56%, [6, 8, 16] debido al alto contenido de humedad de losmateriales a compostar.

De acuerdo a la relacin C/N inicial, casi todos los trata-mientos mostraron valores entre 21 y 27, que se encuen-tran en el rango para iniciar el proceso (20-30) [7, 14, 15],excepto T6, T8 y T14 con valores entre 13 y 17. Al finalizarel proceso los tratamientos T6 (formulacin tres), T12 (for-mulacin tres), T16 (formulacin dos) y T18 (formulacintres) mostraron valores de relacin C/N de 18,72, 30,98,22,29 y 19,5, respectivamente, los cuales son los requeri-dos para compost final de acuerdo a la bibliografa [6].

De acuerdo al porcentaje de materia orgnica, los tratamien-tos T12 (formulacin tres) y T18 (formulacin tres) presentaronporcentajes finales dentro de los rangos (mayor o igual a 20%)con valores de 27,24%, y 20,84%, respectivamente [6].

Poblacin Microbiana

Todos los tratamientos mostraron una disminucin en lacantidad de colonias debido a los cambios de temperaturadurante el proceso que limitan el crecimiento y la supervi-vencia de algunos grupos de microorganismos [8, 14, 15,16]. El tratamiento que ms redujo su poblacin inicial fueel testigo (sin agregado de microorganismos) en un 40%,seguido del tratamiento con microorganismos comercialescon 35% y, por ltimo, el tratamiento con microorganismoslocales con 9% de reduccin de poblacin microbiana.

Cromatografa de Pfeiffer

Estos parmetros cualitativos mostraron una disminucingeneral en el porcentaje de oxgeno y de materia orgnicadebido a la mineralizacin del material compostado y, porende, un aumento en la parte mineral [1, 5, 8, 13, 14]. Fi-nalmente, en la capa enzimtica todos los tratamientosmostraron una disminucin debido a la actividad de los mi-croorganismos en el proceso [3, 5].

CONCLUSIONES

En la elaboracin del compost result favorable el volteode las pilas dos veces por semana, el empleo de un materialfibroso como el bagazo en cantidades superiores a los otrosmateriales conjuntamente con la aplicacin de microorga-nismos obtenidos y producidos artesanalmente por el nivelde descomposicin demostrado, el contenido de materia or-gnica y una relacin C/N dentro de los rangos de acepta-cin de producto final. Esto podra ser una alternativaeconmicamente viable respecto a los costos de microor-ganismos comerciales; adems de permitir la reutilizacinde materiales altamente contaminantes para obtener mate-ria orgnica de alto valor como enmienda.

RECOMENDACIONES

Realizar un tratamiento de secado a los materiales pre-vio a su mezcla, especialmente a los materiales con altoporcentaje de humedad.

Elaborar compost a partir de este tipo de materiales enpoca seca.

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