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