UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS … VEGA LADY... · 2020. 12. 1. · Raúl...
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UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL PRODUCCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE FRUTAS Y HORTALIZAS GENERADOS EN EL MERCADO GÓMEZ RENDÓN. TRABAJO EXPERIMENTAL Trabajo de titulación presentado como requisito para la obtención del título de INGENIERÍA AMBIENTAL AUTOR VITERI VEGA LADY LISBETH TUTOR ARIZAGA GAMBOA RAÚL ENRIQUE GUAYAQUIL – ECUADOR 2020
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PORTADA
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
PRODUCCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE FRUTAS Y HORTALIZAS GENERADOS
EN EL MERCADO GÓMEZ RENDÓN. TRABAJO EXPERIMENTAL
Trabajo de titulación presentado como requisito para la obtención del título de
INGENIERÍA AMBIENTAL
AUTOR
VITERI VEGA LADY LISBETH
TUTOR
ARIZAGA GAMBOA RAÚL ENRIQUE
GUAYAQUIL – ECUADOR
2020
2
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERIA AMBIENTAL
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, ARIZAGA GAMBOA RAÚL ENRIQUE, docente de la Universidad Agraria del
Ecuador, en mi calidad de Tutor, certifico que el presente trabajo de titulación:
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE FRUTAS
Y HORTALIZAS GENERADOS EN EL MERCADO GÓMEZ RENDÓN, realizado
por la estudiante VITERI VEGA LADY LISBETH; con cédula de identidad N°
135054333-4 de la carrera INGENIERIA AMBIENTAL, Unidad Académica
Guayaquil, ha sido orientado y revisado durante su ejecución; y cumple con los
requisitos técnicos exigidos por la Universidad Agraria del Ecuador; por lo tanto se
aprueba la presentación del mismo.
Atentamente, ______________________________ Blgo. Raúl Enrique Arizaga Gamboa, M.Sc
Guayaquil, 19 de noviembre del 2020
3
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN
Los abajo firmantes, docentes designados por el H. Consejo Directivo como
miembros del Tribunal de Sustentación, aprobamos la defensa del trabajo de
titulación: “PRODUCCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS
DE FRUTAS Y HORTALIZAS GENERADOS EN EL MERCADO GÓMEZ
RENDÓN”, realizado por la estudiante VITERI VEGA LADY LISBETH, el mismo
que cumple con los requisitos exigidos por la Universidad Agraria del Ecuador.
Atentamente,
Ing. Diego Muñoz Naranjo, M.Sc. PRESIDENTE
Oce. Leila Zambrano Zavala, M.Sc. Phd. José Hernández Rosas M.Sc. EXAMINADOR PRINCIPAL EXAMINADOR PRINCIPAL
Guayaquil, 19 de noviembre del 2020
4
Dedicatoria
A Dios, por ser el pilar fundamental en mi vida.
A mi esposo Angello e hija Isabella, que son mi fuente
de inspiración y fortaleza para lograr todos mis
objetivos, por apoyarme en cada decisión y
proyectos, por estar conmigo dándome la fuerza
necesaria para cumplir con mis objetivos, y por ser mi
inspiración para poder convertirme en profesional y
mejorar como persona.
A mis padres Carlos y Soraya, por todo su amor,
paciencia y dedicación, por haberme forjado como la
persona que soy en la actualidad y por estar conmigo
en todo momento.
A mis hermanas Katherine y Viviana, quienes me han
apoyado en cada paso que doy, por brindarme su
apoyo a lo largo de mi vida, por estar conmigo y
ayudarme para poder cumplir con mis metas.
5
Agradecimiento
Agradezco a Dios, por su amor y su bondad, por
prestarme vida y darme la fortaleza para seguir
adelante.
A la Universidad Agraria del Ecuador por permitirme
convertir en un profesional de lo que tanto me
apasiona, y a todos sus docentes en especial a mi
tutor de tesis el M.Sc Raúl Arizaga.
Finalmente, a los amigos que me dejo mi etapa
universitaria, especialmente a mi amiga Sammy por
compartir conmigo cada momento que atravesé,
dándome los ánimos necesarios para continuar y
cumplir con mis objetivos.
6
Autorización de Autoría Intelectual
Yo Lady Lisbeth Viteri Vega, en calidad de autor del proyecto realizado, sobre
“PRODUCCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE
FRUTAS Y HORTALIZAS GENERADOS EN EL MERCADO GÓMEZ RENDÓN”
para optar el título de INGENIERÍA AMBIENTAL, por la presente autorizo a la
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que
me pertenecen o parte de los que contienen esta obra, con fines estrictamente
académicos o de investigación.
Los derechos que como autora me correspondan, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en
los artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Guayaquil, 19 noviembre del 2020
VITERI VEGA LADY LISBETH
C.I. 135054333-4
7
Índice general
PORTADA ............................................................................................................ 1
APROBACIÓN DEL TUTOR ................................................................................ 2
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN ........................................ 3
Dedicatoria .......................................................................................................... 4
Agradecimiento ................................................................................................... 5
Autorización de Autoría Intelectual ................................................................... 6
Índice general ...................................................................................................... 7
Índice de tablas ................................................................................................. 11
Índice de figuras ............................................................................................... 12
Resumen ............................................................................................................ 13
Abstract ............................................................................................................. 14
1.Introducción ................................................................................................... 15
1.1 Antecedentes del problema........................................................................ 15
1.2 Planteamiento y formulación del problema .............................................. 17
1.2.1 Planteamiento del problema ............................................................... 17
1.2.2 Formulación del problema .................................................................. 18
1.3 Justificación de la investigación................................................................ 18
1.4 Delimitación de la investigación ................................................................ 19
1.5 Objetivo general .......................................................................................... 19
1.6 Objetivos específicos ................................................................................. 19
2.Marco teórico ................................................................................................. 21
2.1 Estado del arte ............................................................................................ 21
2.2 Bases teóricas ............................................................................................. 22
2.2.1 Biodigestor ........................................................................................... 22
2.2.1.1 Biodigestor de flujo continuo ....................................................... 22
8
2.2.1.2 Biodigestor de flujo semicontinuo ............................................... 22
2.2.1.3 Biodigestor de flujo discontinuo .................................................. 22
2.2.2 Procesos de biodigestión .................................................................... 23
2.2.2.1 Digestión aeróbica......................................................................... 23
2.2.2.2 Digestión anaeróbica .................................................................... 23
2.2.3 Metano .................................................................................................. 24
2.2.4 Grupos metabólicos en la producción de biogás .............................. 24
2.2.4.1 Bacterias homoacetógenas .......................................................... 24
2.2.4.2 Bacterias reductoras de sulfato ................................................... 25
2.2.4.3 Arqueas metanógenas .................................................................. 25
2.2.5 Metanógenos hidrogenotróficos ......................................................... 27
2.2.6 Metanógenos acetoclásticos .............................................................. 27
2.2.7 Metanógenos metilotrópicos .............................................................. 27
2.2.8 Fermentación metanogénica ............................................................... 28
2.2.8.1 Hidrólisis ........................................................................................ 28
2.2.8.2 Etapa acidogénica ......................................................................... 28
2.2.8.3 Etapa acétogenica ......................................................................... 29
2.2.8.4 Etapa metanogénica ...................................................................... 29
2.2.9 Biogás ................................................................................................... 30
2.2.9.1 Componentes ................................................................................. 30
2.2.9.2 Proceso de biodegradación .......................................................... 30
2.2.9.3 Proceso de producción ................................................................. 31
2.2.9.4 Proceso de fermentación .............................................................. 32
2.2.9.5 Usos del biogás ............................................................................. 33
2.2.9.6 Beneficios ...................................................................................... 33
9
2.3 Marco legal .................................................................................................. 34
3.Materiales y métodos ..................................................................................... 40
3.1 Enfoque de la investigación ....................................................................... 40
3.1.1 Tipo de investigación .......................................................................... 40
3.1.2 Diseño de investigación ...................................................................... 41
3.2.1 Variables ............................................................................................... 41
3.2.1.1. Variable independiente .................................................................... 41
3.2.1.2. Variable dependiente ....................................................................... 41
3.2.2 Tratamientos ........................................................................................ 42
3.2.3 Diseño experimental ............................................................................ 42
3.2.4 Recolección de datos .......................................................................... 43
3.2.4.1. Recursos........................................................................................... 43
3.2.4.2. Métodos y técnicas .......................................................................... 44
3.2.5 Análisis estadístico .............................................................................. 44
4.Resultados ...................................................................................................... 47
4.1 Caracterización de los residuos orgánicos generados en el mercado
Gómez Rendón mediante la selección de frutas y Hortalizas........................ 47
4.2 Obtención de biogás a partir de residuos orgánicos de frutas y hortalizas
mediante un biodigestor anaerobio discontinuo. ........................................... 49
4.3 Comparación de la cantidad de biogás proveniente de residuos de frutas
y de hortalizas mediante estadística descriptiva y estadística inferencial. .. 49
4.3.1 Tratamiento N° 1 .................................................................................. 51
4.3.1.1 Media aritmética ............................................................................ 51
4.3.1.2 Varianza .......................................................................................... 51
4.3.1.3 Desviación estándar ...................................................................... 51
10
4.3.2 Tratamiento N° 2 .................................................................................. 51
4.3.2.1 Media aritmética ............................................................................ 51
4.3.2.2 Varianza .......................................................................................... 52
4.3.2.3 Desviación estándar ...................................................................... 52
4.3.3 Tratamiento N° 3 .................................................................................. 52
4.3.3.1 Media aritmética ............................................................................ 52
4.3.3.2 Varianza .......................................................................................... 52
4.3.3.3 Desviación estándar ...................................................................... 53
4.3.4 Prueba ANOVA ..................................................................................... 53
4.3.5 Método de rango múltiple de DUNCAN .............................................. 54
5.Discusión ........................................................................................................ 56
6.Conclusiones ................................................................................................. 57
7.Recomendaciones ......................................................................................... 58
8.Bibliografía ..................................................................................................... 59
9.Anexos ............................................................................................................ 66
11
Índice de tablas
Tabla 1. Descripción de la biomasa a utilizarse .............................................. 42
Tabla 2. Recursos materiales ......................................................................... 43
Tabla 3. Caracterización de residuos del mercado Gómez Rendón ................ 47
Tabla 4. Tratamiento N° 1 - Residuos de frutas .............................................. 48
Tabla 5. Tratamiento N° 2 - Residuos de hortalizas ........................................ 48
Tabla 6. Tratamiento N° 3 - Residuos de frutas y hortalizas ........................... 48
Tabla 7. Resultado de tratamiento N° 1 .......................................................... 50
Tabla 8. Resultado de tratamiento N° 2 .......................................................... 50
Tabla 9. Resultado de tratamiento N° 3 .......................................................... 50
Tabla 10. Prueba ANOVA ............................................................................... 53
Tabla 11. Sumatoria de Cuadrados ................................................................ 54
Tabla 12. Test Duncan .................................................................................... 54
Tabla 13. Rp de Duncan ................................................................................. 54
Tabla 14. Comparación de Rp y diferencia de medias .................................... 55
12
Índice de figuras
Figura 1. Ubicación mercado Gómez Rendón................................................. 66
Figura 2.Esquema de la digestión anaeróbica de materia orgánica compleja. 66
Figura 3. Vías metabólicas para la formación ................................................. 67
Figura 4. Vía metabólica favorecida en BSR. .................................................. 67
Figura 5. Vía de los metanógenos hidrogenotróficos. ..................................... 68
Figura 6. Vías de los metanógenos acetoclásticos. ........................................ 68
Figura 7. Materiales para la construcción del biodigestor ................................ 69
Figura 8. Construcción de biodigestores ......................................................... 69
Figura 9. Recolección de residuos en el mercado Gómez Rendón ................. 70
Figura 10. Caracterización y pesaje de los residuos orgánicos ....................... 70
Figura 11. Pesaje de residuos orgánicos de frutas ......................................... 71
Figura 12. Licuado de residuos orgánicos ....................................................... 71
Figura 13. Adición de rumen de vaca .............................................................. 72
Figura 14. Fermentación de biomasa en biodigestores ................................... 72
Figura 15. Cocineta encendida con biogás ..................................................... 72
Figura 16. Prueba de desplazamiento de líquidos .......................................... 73
13
Resumen
Los residuos orgánicos representan uno de los mayores problemas ambientales,
debido a que no son aprovechados y son emisores de gases de efecto de
invernadero. En este trabajo de titulación se utilizaron los residuos orgánicos de
frutas, hortalizas y rumen de vaca para la producción de biogás. Se pudo verificar
que con estos diferentes tipos de biomasa se logra obtener biogás. Se analizó qué
biomasa genera mayor cantidad de biogás. Para lograr este propósito se
recolectaron y caracterizaron los residuos orgánicos de frutas y hortalizas en el
mercado Gómez Rendón. Se construyeron 12 biodigestores y se utilizaron 3
tratamientos con 4 repeticiones, teniendo como resultado que los 3 tratamientos
generan biogás, pero con diferentes cantidades. El tratamiento N° 1 ( residuos de
frutas más rumen de vaca) es el que generó mayor cantidad con un valor promedio
de 1,161𝑥10−3 𝑚3 y el que menos generó fue el tratamiento N° 3 (residuos de
frutas, residuos de hortalizas, y rumen de vaca) con un valor promedio de
2,312𝑥10−4 𝑚3.
Palabras clave: biodigestores, biogás, biomasa, residuos orgánicos.
14
Abstract
Organic wastes represent one of the biggest environmental problems, due to they
are not exploited and emit greenhouse gases. In this research the organic residues
of fruits, vegetables and cow rumen were used for the production of biogas. It was
possible to verify that with the different biomass it is possible to obtain biogas.
Moreover, it was analyzed which biomass generates the greatest amount of biogas.
To achieve this objective, the organic residues of fruits and vegetables were
collected and characterized in the Gomez Rendon market. Twelve biodigesters
were built and three treatments were used with four repetitions. The result showed
that the three treatments generate biogas, but with different amounts. Treatment N
° 1 ( residues of fruits + cow rumen) is the one that generated the highest amount
with an average value of 1,161𝑥10−3 𝑚3 and the one that generated the least was
treatment N ° 3 (residues of fruits, residues of vegetables and cow rumen) with an
average value of 2,312𝑥10−4𝑚3.
Keywords: biodigesters, biogas, biomass, organic waste
15
1. Introducción
1.1 Antecedentes del problema
África es uno de los continentes en el que el 6,8% de las emisiones de gases de
efecto de invernadero son generadas por los residuos sólidos, principalmente
metano liberado desde los vertederos abiertos (Diener & Zurbrügg, 2011). Siendo
éste uno de los más grandes problemas ambientales a nivel mundial, en donde
existe un déficit considerable en relación a la disposición final.
Los países de América Latina y el Caribe generan un volumen de casi 540.000
toneladas diarias de residuos sólidos (ONU, 2017). En países de bajos ingresos, el
75% de la basura descartada procede de la materia orgánica, mientras que en
países con renta más elevada ese índice es de 36% (Pon, 2017). La generación de
residuos sólidos orgánicos es considerable en comparación a los llamados residuos
secos. Se estima que para el 2050, la basura producida en esta parte del continente
americano llegue a las 671 000 toneladas cada día. Además de la acumulación de
estos materiales, el mayor problema es el destino final de los desechos, que en la
mayoría de los países es en vertederos sin previo tratamiento o aprovechamiento
(Batista, 2018).
En América del Norte, cada año se generan aproximadamente 168 millones de
toneladas de alimentos perdidos y desperdiciados, lo que equivale a
aproximadamente un tercio de las calorías diarias que consume cada persona
(Milman, 2018). Las frutas y verduras fueron las más propensas a ser arrojadas,
seguidas de los lácteos y luego la carne. Estos desechos tienen un costo ambiental,
con un volumen de alimentos descartados equivalente al uso anual de 30 millones
de acres de tierra, 780 millones de libras de pesticida y 4.2 toneladas de galones
de agua de riego. La comida podrida también obstruye los vertederos y libera
16
metano, un poderoso gas de efecto invernadero. (Comisión para la Cooperación
Ambiental, 2017).
En Ecuador se genera aproximadamente 12.897,98 toneladas de basura al día
(INEC, 2018). Se producen alrededor de 61.117 toneladas de basura semanales.
De esa cifra solo el 20% terminaba en espacios adecuados para su tratamiento, el
resto iba a vertederos a cielo abierto, botaderos controlados, botaderos en vías,
quebradas y ríos. Además, mensualmente se recuperaban 4.788 toneladas de
residuos. Menos del 10% del total nacional de desechos. De ellos, el 53,9% era
material orgánico, el 24,4% cartón y papel, el 10,9% plástico, el 6,5% metales y
chatarra, y el 4,4% vidrio (Pareja, 2009). Cada habitante ecuatoriano produce
alrededor de 0,58 kilogramos de residuos sólidos (INEC, 2018). De los 82 gobiernos
municipales solo el 37,1% cuenta con un proceso de separación (INEC, 2018). La
producción de residuos per cápita en Ecuador era de 0,81 kg por habitante y por
día. Los cantones con mayor población total son también los cantones con mayor
producción diaria de residuos sólidos. El 53% de los cantones lleva sus residuos a
botaderos de cielo abierto, el 23,3% a vertederos controlados, el 20% a rellenos
sanitarios y el 4,1% a ríos o incineradores. La región más crítica es la Costa, en
donde apenas el 10% de los municipios dispone de un relleno sanitario, manual o
mecanizado; en la región Sierra son 25%, y en el Oriente, el 24% (INEC, 2018).
En la ciudad de Guayaquil, incluyendo las parroquias rurales, se genera 4.200
toneladas diarias de basura, un número significativamente más alto frente a
las 2.200 toneladas que reporta Quito. En Guayaquil, las zonas de clase media y
media alta de Urdesa y la Alborada se generan cerca de 395 toneladas de basura
diarias, pero reciben más recorridos de recolección que zonas más pobres, en el
sur y suroeste de la ciudad, que producen alrededor de 955 toneladas/día. Del
17
100% de desechos que se generan, el 14% son materiales reciclables. De este
porcentaje, solamente ingresan al relleno sanitario un 3%, eso quiere decir que la
ciudad recicla un 11% de sus desechos (Aguas, 2019). La cantidad de residuos
que se generan en la ciudad son cifras demasiado elevadas debido a que las
personas no les dan un aprovechamiento a sus residuos.
1.2 Planteamiento y formulación del problema
1.2.1 Planteamiento del problema
Los residuos sólidos orgánicos diariamente se generan en grandes cantidades
a nivel Nacional. Según los estudios realizados con anterioridad el 58% de la
basura generada en Ecuador, corresponde a este tipo de residuos sin un
tratamiento previo a su disposición final (Pareja, 2009).
El perjuicio de esta situación es el mal manejo que se le da a estos residuos,
debido a que su disposición final es en botaderos, quebradas y ríos en el 63% de
los municipios (Pareja, 2009). Lo que genera afectación directa del suelo, paisaje,
aire, salud y agua. Estos espacios no cumplen los mínimos requerimientos que la
normativa ambiental exige, lo que provoca contaminación de las aguas
superficiales y subterráneas por el vertido directo de los residuos a los ríos y
quebradas (Guevara, 2019).
La degradación de la materia orgánica presente en los residuos produce una
mezcla de gases, compuesta fundamentalmente por metano y dióxido de carbono
(𝐶𝐻4 y 𝐶02), los cuales son reconocidos gases de efecto invernadero (GEI) que
contribuyen al proceso de cambio climático (Grupo de Investigación de Economía
Ecológica, 2016).
Los desechos orgánicos requieren ser manejados de manera sostenible para
evitar el agotamiento de los recursos naturales, minimizar el riesgo para la salud
18
humana, reducir las cargas ambientales y mantener un equilibrio general en el
ecosistema (Khalid, Arshad, Mahmood, & Dawson, 2011). Los niveles de
acumulación de desechos orgánicos están alcanzando niveles críticos en casi
todas las regiones del mundo.
En el mercado Gómez Rendón existe gran cantidad de frutas y hortalizas que
llegan a descomponerse, convirtiéndose en residuos que son desechados sin una
correcta gestión. Estos residuos orgánicos son acumulados en contenedores sin
ser aprovechados, originando contaminación por lixiviados, además de generar
malos olores y la proliferación de animales, portadores de microorganismos que
transmiten enfermedades a toda la población, conocidos como vectores, causando
molestias en las zonas aledañas al mercado.
1.2.2 Formulación del problema
¿Es posible aprovechar los residuos de frutas y hortalizas generados en el
mercado Gómez Rendón para la generación de biogás?
1.3 Justificación de la investigación
La cantidad de residuos orgánicos generados a nivel nacional es superior a otra
clase de residuos (Pareja, 2009). Gran parte de estos residuos tienen como
disposición final un botadero o relleno sanitario ocupando espacio en los mismos y
siendo una considerable fuente de contaminación. A pesar de tener características
energéticas no son totalmente aprovechadas. Por este motivo el uso de
biodigestores es una gran alternativa para el tratamiento de estos residuos
orgánicos teniendo una utilidad ecológica y disminuyendo los impactos
ambientales.
El proceso de digestión anaeróbica se considera una de las opciones más
viables para reciclar la fracción orgánica de los desechos sólidos (Khalid, Arshad,
19
Mahmood, & Dawson, 2011). La digestión anaerobia es un proceso biológico eficaz
para tratar una amplia variedad de desechos orgánicos, además, es una forma de
acelerar la descomposición de materia orgánica.
La implementación de un biodigestor para la obtención de biogás, aprovechando
los residuos orgánicos, colabora con el proceso de descomposición de materia
orgánica y evitando la acumulación de la misma, ayudando a minimizar el volumen
de estos residuos, y por ende contribuyendo a la disminución de los gases de efecto
de invernadero.
1.4 Delimitación de la investigación
Este trabajo se radica en el aprovechamiento de residuos de frutas y hortalizas
generados en el mercado Gómez Rendón ubicado en la ciudad de Guayaquil.
Espacio: Mercado Gómez Rendón ubicado en las calles Gómez Rendón,
Lizardo García, Calicuchima y Abel Castillo. Coordenadas UTM (x, y):
(622036.6, 9756689.4).
Tiempo: El desarrollo del trabajo se efectuó en un estimado de 4 meses.
1.5 Objetivo general
Producir biogás a través del uso de residuos de frutas y hortalizas generados
en el mercado Gómez Rendón para el aprovechamiento de los residuos orgánicos.
1.6 Objetivos específicos
Caracterizar los residuos orgánicos generados en el mercado Gómez
Rendón mediante la selección de frutas y hortalizas.
Obtener biogás a partir de residuos orgánicos de frutas y hortalizas
mediante un biodigestor anaerobio discontinuo.
Comparar la cantidad de biogás proveniente de residuos de frutas y de
hortalizas mediante estadística descriptiva y estadística inferencial.
20
1.7 Hipótesis
Con los residuos orgánicos de frutas y hortalizas generados en el mercado
Gómez Rendón se puede producir biogás.
21
2. Marco teórico
2.1 Estado del arte
Los autores García y Gómez (2016), en su trabajo titulado “Evaluación de la
producción de biogás a partir de residuos vegetales obtenidos en la central de
abastos de Bogotá mediante digestión anaerobia”, demuestran que los residuos de
frutas y vegetales pueden ser aprovechados mediante el tratamiento de digestión
anaerobia gracias a sus propiedades fisicoquímicas y contenido de
macronutrientes y micronutrientes, demostrando una biomasa homogénea con una
humedad mayor al 80%, lo que representaría una disminución de costos en su
disposición final generando una alternativa energética sustentable, del gas
obtenido el 69,5% es metano, garantizando una formulación adecuada entre los
residuos.
Los autores Gonzabay y Suárez (2016) expresaron mediante su trabajo
investigativo titulado “ Diseño y construcción de un biodigestor anaeróbico vertical
semicontinuo para la obtención de gas metano y biol a partir de las cascaras de
naranja y mango” ,que con la utilización de los residuos de naranja y mango se
hace factible la producción de biogás, utilizando una biomasa de 30kg y
aumentando 5 kg de agua, se obtuvo un tiempo de gasificación de 22 minutos en
una hornilla de cocina.
En Perú, se implementó alrededor de 20 biodigestores familiares para la
producción de biogás a partir de residuos orgánicos generados por la misma
comunidad , produciendo aproximadamente 0.2 𝑚3 biogás en cada biodigestor por
día, dentro del rango psicrofílico, es decir, que con biodigestores de 5 m3 es
suficiente para cocinar 3-4 h diarias, sustituyendo los combustibles tradicionales
(Ferrer, Uggetti, Poggio, & Velo, 2015).
22
El autor Joao Esquén (2018) menciona que la implementación de biodigestores
para la obtención de energía por medio del biogás en la granja Mocupe de ganado
porcino en Perú es una manera eficiente para poder aprovechar los residuos
orgánicos generados. La cantidad de estiércol del ganado porcino disponible es de
2,25 kg/día es decir que el biogás producido es de 0,75 m³/día.
2.2 Bases teóricas
2.2.1 Biodigestor
Dispositivo o estructura en el que la digestión de los desechos orgánicos por
bacterias se produce con la producción de un biogás quemable y una suspensión
rica en nutrientes (James, 2014).
2.2.1.1 Biodigestor de flujo continuo
Las materias primas se alimentan constantemente al digestor y el material
digerido se elimina continuamente, se usa cuando se tiene biomasa residual
continua, es decir que el flujo que ingresa es constante y el tiempo de retención es
menor (United States Environmental Protection Agency, 2019).
2.2.1.2 Biodigestor de flujo semicontinuo
Son los que se cargan una vez al día o a la semana, con cierta frecuencia, y
permiten tratar biomasa sólida y normalmente mezclada con agua (Ministerio del
Ambiente, 2015).
2.2.1.3 Biodigestor de flujo discontinuo
Las materias primas se cargan en el digestor de una vez. Después de la carga,
hay un período de tiempo establecido para que ocurra la digestión. Después de
este período de tiempo, el digestor se vacía y recarga manualmente. Los tiempos
de retención son más prolongados (United States Environmental Protection
Agency, 2019).
23
2.2.2 Procesos de biodigestión
Proceso biológico que ocurre cuando la materia orgánica es descompuesta por
bacterias en función de la presencia o ausencia de oxígeno (Eka Putri, 2015).
2.2.2.1 Digestión aeróbica
Proceso biológico que tiene lugar en presencia de oxígeno por diversos grupos
de microorganismos que actúan sobre la materia orgánica (White, 2017). Usa
bacterias aerobias. Estos consumen rápidamente materia orgánica y la convierten
en dióxido de carbono. La digestión aeróbica es relativamente costosa ya que se
requiere energía para los sopladores, las bombas y los motores necesarios para
agregar oxígeno al proceso. Sin embargo, gran parte de la energía necesaria puede
ser producida por la propia planta de tratamiento a través del biogás y la producción
de calor. El método más rentable para lograr la digestión aeróbica es
probablemente el uso de difusores de burbujas finas, donde el gas ingresa al lodo
a través de pequeños agujeros. El problema es que los pequeños orificios de
aireación se tapan fácilmente con sedimentos (Nikinmaa, 2014)
2.2.2.2 Digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica es una serie de procesos biológicos en los que los
microorganismos descomponen el material biodegradable en ausencia de
oxígeno. Uno de los productos finales es el biogás, que se quema para generar
electricidad y calor, o puede procesarse en gas natural renovable y combustibles
de transporte (Gelbero, 2019). Los grupos bacterianos que intervienen en los
procesos de digestión anaeróbica dependen de las fases de hidrólisis,
acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (Anexo Figura 2).
24
2.2.3 Metano
El metano es un gas incoloro, inodoro y altamente inflamable, y el componente
principal del gas natural que se utiliza para generar electricidad, su fórmula química
es 𝐶𝐻4 (Leman, 2019).
Se produce abundantemente en la naturaleza y como producto de ciertas
actividades humanas. El metano es el miembro más simple de
la serie de hidrocarburos de parafina y se encuentra entre los gases de efecto
invernadero más potentes (Augustyn & Bauer, 2017).
2.2.4 Grupos metabólicos en la producción de biogás
Se pueden generalizar al menos tres grupos metabólicos esenciales,
ecológicamente predominantes en medios ausentes de oxígeno, ricos en sales y
compuestos orgánicos: las bacterias homoacetógenas (BHA), las bacterias sulfato
reductoras (BSR) y las arqueas metanógenas (Ferrer & Pérez, 2010).
Globalmente el metabolismo de estos grupos, genera acetato, 𝐻2 y 𝐶𝑂2, por
parte de las BHA y las BSR, las cuales consumen indistintamente dichos
metabolitos, aunque la producción neta está favorecida termodinámicamente hacia
la formación de metano, el que unido al 𝐻2𝑆 acompañante liberado por las BSR,
completa así la mezcla de gases que compone el biogás (Ferrer & Pérez, 2010).
2.2.4.1 Bacterias homoacetógenas
El grupo de las BHA generan acetato como producto principal. En dependencia
de la especie pueden utilizar como donantes de electrones el 𝐻2, azúcares, ácidos
orgánicos, aminoácidos, alcoholes y algunas bases nitrogenadas. Estas bacterias
pueden reducir 𝐶𝑂2, 𝑁𝑂3 y 𝑆2𝑂3 (Ferrer & Pérez, 2010).
Probablemente la principal reacción ecológica en este grupo sea la reducción
del 𝐶𝑂2 en acetato a expensas de 𝐻2 en los homoacetógenos autótrofos por la vía
25
del acetilCoA mediante el monóxido carbono deshidrogenasa, una enzima clave
utilizada por varios microorganismos anaerobios, para realizar esta reacción
reversible como un mecanismo de conservación de energía (Anexo Figura 3).
2.2.4.2 Bacterias reductoras de sulfato
La utilización de sulfato (𝑆𝑂4−2) como aceptor de electrones para generar energía
metabólica, implica una reducción a gran escala de este ión hasta sulfuro de
hidrógeno (𝐻2𝑆), proceso que en la naturaleza está confinado exclusivamente a
este grupo de bacterias, cuyos miembros más representativos pertenecen a los
desulfovibrionales y desulfobacteriales (Ferrer & Pérez, 2010).
Para que sea metabólicamente utilizable, el sulfato debe ser previamente
activado por su unión con ATP. Valiéndose de estos enlaces de alta energía se
realiza la reducción a 𝐻2𝑆 mediante la enzima sulfito reductasa. La reducción de
sulfato puede ser asimiladora cuando el azufre se incorpora en compuestos
orgánicos como cisteina o metionina, o bien puede ser excretado al medio de
manera desasimiladora, y en esta última variante las reacciones de transporte de
electrones propician la formación de un gradiente protónico que impulsa la síntesis
de ATP por medio de una ATPasa hidrogenasa de membrana. La síntesis de ATP
puede estar mediada también por la oxidación de piruvato en acetato y 𝐶𝑂2 por la
vía del acetil-CoA (Anexo Figura 4).
2.2.4.3 Arqueas metanógenas
Los metanógenos son procariontes anaerobios que pertenecen al dominio
Archaea, el tercer dominio de vida en adición a Eucarya y Bacteria. Este es el único
grupo metabólico capaz de obtener energía de compuestos carbonados de bajo
peso molecular e hidrógeno con producciones estequiométricas de metano.
26
Son muy abundantes y se pueden aislar de los sedimentos anóxicos del suelo,
como los campos de arroz, turberas, sedimentos marinos o tierras húmedas, tracto
intestinal de los animales como el rumen de la vaca (Enzmann, Mayer, Rother, &
Holtmann, 2018).
La producción biológica de metano se realiza por un grupo de arqueas
anaerobias estrictas. La metanogénesis tiene lugar mediante una serie exclusiva
de reacciones en las que intervienen coenzimas. En el crecimiento autótrofo de los
metanógenos, la reducción de 𝐶𝑂2 depende de la donación de electrones por el
dihidrógeno y en algunas especies el aporte lo realiza el formiato, el 𝐶𝑂 y algunos
alcoholes orgánicos (Ferrer & Pérez, 2010).
Los estudios detallados sobre su metabolismo intermedio se han limitado a los
de solo dos especies, Methanobacterium thermoautotronhicum y Methanosarcina.
M. thermoautotrophicum es el metanógeno más prolífico, pero tiene un rango de
sustrato limitado y crece con un tiempo de duplicación de 2 horas con 𝐻2 / 𝐶𝑂2, o
crece muy lentamente solo con monóxido de carbono. Es el metanógeno
metabólicamente más diverso, y crece fácilmente en 𝐻2 / 𝐶𝑂2, metanol o
metilamina, pero lentamente con acetato o monóxido de carbono como única fuente
de energía (Marchaim, 1992). Ambas especies parecen conservar energía durante
el crecimiento al acoplar quimiosmóticamente las reacciones redox del transporte
de electrones para generar una fuerza motriz de protones que impulsa la síntesis
de ATP.
Mediante la vía del acetil- CoA el / 𝐶𝑂2, es reducido a formilo, y luego a metileno
y metilo, previa activación, transferencia y deshidratación por enzimas que
contienen las coenzimas metanofurano, metanopterina y F420, respectivamente
(Ferrer & Pérez, 2010). El grupo metilo se transfiere a una enzima que contiene
27
CoM y el complejo es reducido a metano por el sistema metil reductasa, donde
están implicadas F420 y CoB (Anexo Figura 5).
También se puede generar metano a partir de compuestos metilados y acetato.
Los grupos metilo resultantes de la catálisis del metanol y otros compuestos
orgánicos son cargados a una proteína corrinoide, (proteína sulfato corrinoide
donde es enlazado al cobalto del grupo prostético de la cobalamina, por la enzima
metiltransferasa) y luego cedidos directamente a CoM para entonces ser reducidos
a moléculas de metano (Ferrer & Pérez, 2010). Cuando el sustrato es acetato, este
es activado a acetil-CoA interaccionando con la enzima monóxido carbono
deshidrogenasa, y el grupo metilo del acetato es transferido a la proteína corrinoide,
para incorporarse al paso final de la metanogénesis (Anexo Figura 6).
2.2.5 Metanógenos hidrogenotróficos
Crecen con hidrógeno molecular (𝐻2) como donador de electrones y / 𝐶𝑂2 como
aceptor de electrones. Algunos hidrogenotróficos pueden usar formiato, el cual es
la fuente de / 𝐶𝑂2 y 𝐻2 (Ferrer & Pérez, 2010).
2.2.6 Metanógenos acetoclásticos
Rompen el acetato en grupos metilo y carbonilo, oxidando el grupo carbonilo
hasta / 𝐶𝑂2 y proporcionando el potencial de reducción para reducir el grupo metilo
a metano (Ferrer & Pérez, 2010).
2.2.7 Metanógenos metilotrópicos
Crecen en compuestos metilados como metanol, metilaminas y metilsulfuro, los
cuales actúan como donantes o aceptores de electrones o son reducidos con 𝐻2
(Ferrer & Pérez, 2010).
28
2.2.8 Fermentación metanogénica
Es un proceso capaz de convertir casi todos los tipos de materiales poliméricos
en metano y dióxido de carbono en condiciones anaeróbicas. Esto se logra como
resultado de la descomposición bioquímica consecutiva de los polímeros en
metano y dióxido de carbono en un entorno en el que una variedad de
microorganismos que incluyen microbios fermentativos (acidógenos); microbios
productores de hidrógeno, formadores de acetato (acetógenos); y los microbios
productores de metano (metanógenos) crecen armoniosamente y producen
productos finales reducidos. Los anaerobios juegan un papel importante en el
establecimiento de un ambiente estable en varias etapas de la fermentación de
metano (FAO, 1997).
La biometanación de los residuos vegetales se produce a través del medio y
tiende a inhibir las bacterias metanogénica.
2.2.8.1 Hidrólisis
Reacción química en la que se usa agua para romper los enlaces de una
sustancia en particular. Estas sustancias son a menudo polímeros, es decir, la
unión de moléculas similares (Phillips, 2019). La materia prima que puede ser
apropiada para la hidrólisis ácida o enzimática son típicamente materiales de origen
vegetal que contienen celulosa. Estos incluyen material forestal y residuos de
aserraderos, residuos agrícolas, residuos urbanos y residuos de papel (Rogoff &
Screve, 2011).
2.2.8.2 Etapa acidogénica
Proceso microbiano productor de ácido anaeróbico sin un receptor o receptor de
electrones adicional. En este proceso de fermentación, los sustratos sirven como
donantes y aceptadores de electrones. Los principales productos de fermentación
29
de los azúcares y aminoácidos producidos por hidrólisis son los ácidos grasos
volátiles, 𝐶𝑂2 e hidrógeno. las bacterias acidogénicas convierten los productos de
la hidrólisis en sustratos metanogénicos (Ge & Li, 2017).
2.2.8.3 Etapa acétogenica
Se refiere a la síntesis de acetato, que incluye la formación de acetato mediante
la reducción de 𝐶𝑂2 y la formación de acetato a partir de ácidos orgánicos. Los
acetógenos que utilizan hidrógeno, anteriormente también denominados
homoacetógenos, son bacterias anaeróbicas estrictas que pueden usar la vía
acetil-CoA como su mecanismo predominante para la síntesis reductora de acetil-
CoA a partir de 𝐶𝑂2, energía terminal que acepta electrones proceso de
conservación, y mecanismo para la síntesis de carbono celular a partir de 𝐶𝑂2
(Angelidaki, Karakashev, & Batstone, 2011).
2.2.8.4 Etapa metanogénica
La metanogénesis es la producción biológica de metano mediada por
microorganismos anaerobios del dominio Archaea comúnmente llamado
metanógenos. La producción de metano es el metabolismo energético de los
metanógenos y es exclusivo de estos organismos. El metano se produce por tres
vías principales: (1) reducción de dióxido de carbono, (2) fermentación de acetato
y (3) dismutación de metanol o metilaminas. Las tres vías tienen en común la
desmetilación de la metilcoenzima M en metano y la reducción del heterodisulfuro
de la coenzima M y la coenzima B catalizadas por la metilcoenzima M y las
reductasas de heterodisulfuro (Lessner, 2009).
30
2.2.9 Biogás
El biogás es una fuente de energía renovable que se puede usar directamente
o a través de varias vías para generar calor, generar electricidad o energía
mecánica para el transporte (Hakawati, Smyth, & McCullough, 2017).
Es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el
bióxido de carbono, el cual se produce como resultado de la fermentación de la
materia orgánica en ausencia de aire por la acción de un grupo de microorganismos
que interactúan con otros factores (Toala, 2013).
2.2.9.1 Componentes
Dependiendo del sustrato en el que se alimenta una planta de biogás, el
contenido de metano del biogás fluctúa entre 50% y 65%, siendo el principal
componente. El segundo componente más importante del biogás es el dióxido de
carbono (𝐶𝑂2), que representa del 35% al 50%. El dióxido de carbono (𝐶𝑂2) es
neutral al clima porque las plantas de energía lo han extraído de la atmósfera para
su crecimiento. Otros componentes del biogás son agua (𝐻2𝑂), oxígeno (𝑂2) y
trazas de azufre (S) y sulfuro de hidrógeno (𝐻2𝑆). Si el biogás se actualiza a
biometano con aproximadamente 98 por ciento de metano en una planta de
tratamiento de biogás, ese biometano tiene las propiedades del gas natural
(Fachverband Biogas, 2012).
2.2.9.2 Proceso de biodegradación
La materia orgánica del suelo se compone de vegetales, animales,
microorganismos, sus restos, y la materia resultante de su degradación.
Normalmente representa del 1 al 6% en peso. Es de gran importancia por su
influencia en la estructura, en la capacidad de retención de agua y nutrientes, y en
los efectos bioquímicos de sus moléculas sobre los vegetales (Arce, 2011).
31
Una parte considerable de la materia orgánica está formada por
microorganismos, que a su vez crecen a partir de restos, o de enmiendas
orgánicas. Durante el proceso degradativo, la relación C/N disminuye, resultando
finalmente en el humus un contenido medio del 5% de nitrógeno. Este proceso de
degradación continua hasta que parte de la materia se mineraliza (Arce, 2011).
De propiedades físicas y químicas diferentes a la de la materia orgánica poco
alterada, el humus puede catalogarse como el espectro de materia orgánica
comprendido entre la que ha sufrido una primera acción de los microorganismos y
la que se mineraliza. Está formado por dos fracciones, la primera continúa el ciclo
de incorporaciones a las estructuras microbianas hasta su mineralización, y una
segunda formada por moléculas de difícil degradación (algunos polisacáridos,
proteínas insolubilizadas, quitina, etc.). Se puede definir el humus como una mezcla
de substancias macromoleculares con grupos ionizables, principalmente ácidos,
pero También alcohólicos y amínicos. Por ello tiene propiedades secuestradoras y
complejas que determinan tanto la formación del complejo arcilloso-húmico como
sus propiedades (Arce, 2011).
2.2.9.3 Proceso de producción
El biogás es producido por bacterias de fermentación que se encargan de
descomponer el residual orgánico, a lo que se le denomina proceso de
fermentación anaeróbica, ya que se produce en ausencia de oxígeno (Chacón,
2016).
Materiales no orgánicos, como metales, celulosa, vidrio, losa, etc., no son
digeridos o modificados durante el proceso de fermentación, de ahí que resulten
inapropiados para la obtención de biogás (Chacón, 2016).
32
La degradación de la materia orgánica para producir metano depende de la
interacción compleja de varios grupos diferentes de bacterias. La operación estable
del digestor requiere que estos grupos bacterianos estén en equilibrio dinámico y
armonioso. Los cambios en las condiciones ambientales pueden afectar este
equilibrio y dar como resultado la acumulación de intermedios que pueden inhibir
el proceso general (Marchaim, 1992).
El proceso de producción de biogás y generación energética se presenta en
cinco etapas: Gestión de los residuos, digestión anaerobia, almacenamiento y
filtrado del biogás, compostaje, generación de energía.
La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo determinado
depende de su potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la
velocidad de carga orgánica, de la temperatura de operación y de la presencia de
inhibidores (Arce, 2011).
2.2.9.4 Proceso de fermentación
El proceso de fermentación se compone de dos fases principales: la ácida y la
metanogénica. En la primera se forman los aminoácidos, ácidos grasos y
alcoholes, a partir de las proteínas, grasas e hidratos de carbono disueltos en el
residual. En la segunda se forman el metano, el bióxido de carbono y el amoníaco,
entre otros (Chacón, 2016).
En una fermentación anaeróbica, la materia orgánica es catalizada en ausencia
de un aceptor de electrones externo mediante microorganismos anaeróbicos
estrictos o facultativos a través de reacciones de oxidación-reducción bajo
condiciones de oscuridad. El producto generado durante el proceso acepta los
electrones liberados durante la descomposición de la materia orgánica. Por lo tanto,
la materia orgánica actúa como dador y aceptor de electrones. En la fermentación,
33
el sustrato es parcialmente oxidado y por lo tanto, sólo una pequeña cantidad de la
energía contenida en el sustrato se conserva (FAO, 2011).
las fermentaciones de materiales complejos se realizan a través de reacciones
de reducción de oxidación para formar hidrógeno, dióxido de carbono y ácido
acético. Se ha demostrado que el hidrógeno reacciona con dióxido de carbono para
formar metano (Marchaim, 1992).
La oxidación del acetato da como resultado la eliminación de los átomos de
hidrógeno, y el metano resultaría como consecuencia de una combinación con el
dióxido de carbono que sirvió como un receptor terminal de electrones (Marchaim,
1992).
2.2.9.5 Usos del biogás
Sirve para la cocina, sustituye la electricidad, la leña o el gas propano. Se usa el
gas directamente como sale del digestor. La llama en el quemador debe ser de
color azul, lo que indica que se está dando una buena combustión. Con pocos
ajustes de los equipos también se puede utilizar con fines energéticos; para
alumbrado; sustituir gasolina o diésel en motores de combustión interna de
picadoras de pasto, bombas de agua o generadores eléctricos (Elizondo, 2005).
2.2.9.6 Beneficios
El biogás es una forma de suministro de energía neutro respecto al ciclo del
carbono. Las materias primas procedentes de plantas y animales sólo emiten el
dióxido de carbono que hayan acumulado durante los ciclos vitales y que se emitiría
a la atmósfera igualmente, aunque no fuera aprovechada su energía. En conjunto,
la electricidad producida por biogás genera mucho menos dióxido de carbono que
otra energía convencional. Por lo tanto, 1 kW de electricidad producida por biogás
previene la liberación de 7.000 kg de 𝐶𝑂2 al año (Encinas, 2014).
34
Otros beneficios medioambientales del biogás son: la reducción de la emisión de
metano a la atmósfera, que es también un gas de efecto invernadero, reduce la
producción de malos olores de la materia orgánica en descomposición, se crea un
valor añadido sobre los residuos, se minimiza la dependencia de recursos
energéticos exteriores (Encinas, 2014).
2.3 Marco legal
2.3.1 Ley de la Constitución política de la República del Ecuador 2008.
Título II. Derechos. Capítulo II. Del buen vivir. Sección II. Ambiente sano. Art. 14.- Se reconoce el derecho de la población a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir, sumakkawsay. Se declara de interés público la preservación del ambiente, la conservación de los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del país, la prevención del daño ambiental y la recuperación de los espacios naturales degradados (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 13). Título II. Derechos. Capítulo VII. Derechos de la Naturaleza Art. 71.- La naturaleza o Pacha Mama, donde se reproduce y realiza la vida, tiene derecho a que se respete integralmente su existencia y el mantenimiento y regeneración de sus ciclos vitales, estructura, funciones y procesos evolutivos. Toda persona, comunidad, pueblo o nacionalidad podrá exigir a la autoridad pública el cumplimiento de los derechos de la naturaleza. Para aplicar e interpretar estos derechos se observarán los principios establecidos en la Constitución, en lo que proceda. El Estado incentivará a las personas naturales y jurídicas, y a los colectivos, para que protejan la naturaleza, y promoverá el respeto a todos los elementos que forman un ecosistema. (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 33) Art. 72.- La naturaleza tiene derecho a la restauración. Esta restauración será independiente de la obligación que tienen el Estado y las personas naturales o jurídicas de indemnizar a los individuos y colectivos que dependan de los sistemas naturales afectados. En los casos de impacto ambiental grave o permanente, incluidos los ocasionados por la explotación de los recursos naturales no renovables, el Estado establecerá los mecanismos más eficaces para alcanzar la restauración, y adoptará las medidas adecuadas para eliminar o mitigar las consecuencias ambientales nocivas (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 33)
35
Art. 73.- El Estado aplicará medidas de precaución y restricción para las actividades que puedan conducir a la extinción de especies, la destrucción de ecosistemas o la alteración permanente de los ciclos naturales. Se prohíbe la introducción de organismos y material orgánico e inorgánico que puedan alterar de manera definitiva el patrimonio genético nacional (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 33) Art. 74.- Las personas, comunidades, pueblos y nacionalidades tendrán derecho a beneficiarse del ambiente y de las riquezas naturales que les permitan el buen vivir. Los servicios ambientales no serán susceptibles de apropiación; su producción, prestación, uso y aprovechamiento serán regulados por el Estado (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 34). Título VII. Régimen del buen vivir. Capítulo II. Biodiversidad y recursos naturales. Sección I. Naturaleza y medio ambiente. Art. 395.- La Constitución reconoce los siguientes principios ambientales: 1. El Estado garantizará un modelo sustentable de desarrollo, ambientalmente equilibrado y respetuoso de la diversidad cultural, que conserve la biodiversidad y la capacidad de regeneración natural de los ecosistemas, y asegure la satisfacción de las necesidades de las generaciones presentes y futuras. 2. Las políticas de gestión ambiental se aplicarán de manera transversal y serán de obligatorio cumplimiento por parte del Estado en todos sus niveles y por todas las personas naturales o jurídicas en el territorio nacional. 3. El Estado garantizará la participación activa y permanente de las personas, comunidades, pueblos y nacionalidades afectadas, en la planificación, ejecución y control de toda actividad que genere impactos ambientales. 4. En caso de duda sobre el alcance de las disposiciones legales en materia ambiental, éstas se aplicarán en el sentido más favorable a la protección de la naturaleza (Asamblea Constituyente del Ecuador, pág. 119).
2.3.2 Código Orgánico del Ambiente de la República del Ecuador Libro Preliminar. Título II. De los derechos, deberes y principios ambientales. Art. 4.- Disposiciones comunes. Las disposiciones del presente Código promoverán el efectivo goce de los derechos de la naturaleza y de las personas, comunas, comunidades, pueblos, nacionalidades y colectivos a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado, de conformidad con la Constitución y los instrumentos internacionales ratificados por el Estado, los cuales son inalienables, irrenunciables, indivisibles, de igual jerarquía, interdependientes, progresivos y no se excluyen entre sí. Para asegurar el respeto, la tutela y el ejercicio de los derechos se desarrollarán las garantías normativas, institucionales y jurisdiccionales establecidas por la Constitución y la ley. Las herramientas de ejecución de los principios, derechos y garantías ambientales son de carácter sistémico y transversal (Ministerio del Ambiente, págs. 11-12).
36
Art. 5.- Derecho de la población a vivir en un ambiente sano. El derecho a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado comprende: 1. La conservación, manejo sostenible y recuperación del patrimonio natural, la biodiversidad y todos sus componentes, con respeto a los derechos de la naturaleza y a los derechos colectivos de las comunas, comunidades, pueblos y nacionalidades; 2. El manejo sostenible de los ecosistemas, con especial atención a los ecosistemas frágiles y amenazados tales como páramos, humedales, bosques nublados, bosques tropicales secos y húmedos, manglares y ecosistemas marinos y marinos-costeros; 3. La intangibilidad del Sistema Nacional de Áreas Protegidas, en los términos establecidos en la Constitución y la ley; 4. La conservación, preservación y recuperación de los recursos hídricos, cuencas hidrográficas y caudales ecológicos asociados al ciclo hidrológico; 5. La conservación y uso sostenible del suelo que prevenga la erosión, la degradación, la desertificación y permita su restauración; 6. La prevención, control y reparación integral de los daños ambientales; 7. La obligación de toda obra, proyecto o actividad, en todas sus fases, de sujetarse al procedimiento de evaluación de impacto ambiental; 8. El desarrollo y uso de prácticas y tecnologías ambientalmente limpias y sanas, así como de energías alternativas no contaminantes, renovables, diversificadas y de bajo impacto ambiental; 9. El uso, experimentación y el desarrollo de la biotecnología y la comercialización de sus productos, bajo estrictas normas de bioseguridad, con sujeción a las prohibiciones establecidas en la Constitución y demás normativa vigente; 10. La participación en el marco de la ley de las personas, comunas, comunidades, pueblos, nacionalidades y colectivos, en toda actividad o decisión que pueda producir o que produzca impactos o daños ambientales; 11. La adopción de políticas públicas, medidas administrativas, normativas y jurisdiccionales que garanticen el ejercicio de este derecho; y, 12. La implementación de planes, programas, acciones y medidas de adaptación para aumentar la resiliencia y reducir la vulnerabilidad ambiental, social y económica frente a la variabilidad climática y a los impactos del cambio climático, así como la implementación de los mismos para mitigar sus causas (Ministerio del Ambiente, pág. 12). Art. 7.- Deberes comunes del Estado y las personas. Son de interés público y por lo tanto deberes del Estado y de todas las personas, comunas, comunidades, pueblos y nacionalidades y colectivos, los siguientes: 1. Respetar los derechos de la naturaleza y utilizar los recursos naturales, los bienes tangibles e intangibles asociados a ellos, de modo racional y sostenible; 2. Proteger, conservar y restaurar el patrimonio natural nacional, los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del país; 3. Crear y fortalecer las condiciones para la implementación de medidas de mitigación y adaptación al cambio climático; 4. Prevenir, evitar y reparar de forma integral los daños y pasivos ambientales y sociales; e,
37
5. Informar, comunicar o denunciar ante la autoridad competente cualquier actividad contaminante que produzca o pueda producir impactos o daños ambientales (Ministerio del Ambiente, págs. 12-13). Libro Preliminar. Título III. Régimen de responsabilidad Ambiental. Art. 10.- De la responsabilidad ambiental. El Estado, las personas naturales y jurídicas, así como las comunas, comunidades, pueblos y nacionalidades, tendrán la obligación jurídica de responder por los daños o impactos ambientales que hayan causado, de conformidad con las normas y los principios ambientales establecidos en este Código (Ministerio del Ambiente, pág. 15). Art. 11.- Responsabilidad objetiva. De conformidad con los principios y garantías ambientales establecidas en la Constitución, toda persona natural o jurídica que cause daño ambiental tendrá responsabilidad objetiva, aunque no exista dolo, culpa o negligencia. Los operadores de las obras, proyectos o actividades deberán mantener un sistema de control ambiental permanente e implementarán todas las medidas necesarias para prevenir y evitar daños ambientales, especialmente en las actividades que generan mayor riesgo de causarlos (Ministerio del Ambiente, pág. 15). Libro III. De la calidad ambiental. Título III. Control y Seguimiento Ambiental. Capítulo II. De los mecanismos de control y seguimiento ambiental. Art. 201.- De los mecanismos. El control y seguimiento ambiental puede efectuarse por medio de los siguientes mecanismos: 1. Monitoreos; 2. Muestreos; 3. Inspecciones; 4. Informes ambientales de cumplimiento; 5. Auditorías Ambientales; 6. Vigilancia ciudadana o comunitaria; y, 7. Otros que establezca la Autoridad Ambiental Competente. En las normas secundarias que emita la Autoridad Ambiental Nacional se establecerá el mecanismo de control que aplique según el impacto generado conforme lo previsto en este Código (Ministerio del Ambiente, pág. 56). Art. 202.- Del apoyo en las actividades de control y seguimiento. Se reconocerá el apoyo de las personas naturales o jurídicas, comunas, comunidades, pueblos o nacionalidades, organismos públicos o privados, en las actividades de control y seguimiento ambiental, para levantar información sobre el cumplimiento por parte de los operadores de las normas ambientales contenidas en este Código y demás normas secundarias aplicables. Quien tenga conocimiento del incumplimiento de una norma ambiental podrá ponerla en conocimiento de la Autoridad Ambiental Competente (Ministerio del Ambiente, págs. 57-58).
38
Libro III. De la calidad ambiental. Título V. Gestión integral de residuos y desechos. Capítulo I. Disposiciones Generales. Art. 226.- Principio de jerarquización. La gestión de residuos y desechos deberá cumplir con la siguiente jerarquización en orden de prioridad: 1. Prevención; 2. Minimización de la generación en la fuente; 3. Aprovechamiento o valorización; 4. Eliminación; y, 5. Disposición final. La disposición final se limitará a aquellos desechos que no se puedan aprovechar, tratar, valorizar o eliminar en condiciones ambientalmente adecuadas y tecnológicamente factibles. La Autoridad Ambiental Nacional, así como los Gobiernos Autónomos Descentralizados Municipales o Metropolitanos, promoverán y fomentarán en la ciudadanía, en el marco de sus competencias, la clasificación, reciclaje, y en general la gestión de residuos y desechos bajo este principio (Ministerio del Ambiente, pág. 61). Libro III. De la calidad ambiental. Título V. Gestión integral de residuos y desechos. Capítulo II. Gestión integral de residuos y desechos sólidos no peligrosos. Art. 229.- Alcance y fases de la gestión. La gestión apropiada de estos residuos contribuirá a la prevención de los impactos y daños ambientales, así como a la prevención de los riesgos a la salud humana asociados a cada una de las fases. Las fases de la gestión integral de residuos sólidos no peligrosos serán determinadas por la Autoridad Ambiental Nacional (Ministerio del Ambiente, pág. 62). Art. 231.- Obligaciones y responsabilidades. Serán responsables de la gestión integral de residuos sólidos no peligrosos a nivel nacional, los siguientes actores públicos y privados: 1. La Autoridad Ambiental Nacional como ente rector que dictará políticas y lineamientos para la gestión integral de residuos sólidos en el país y elaborará el respectivo plan nacional. Asimismo, se encargará de la regulación y control; 2. Los Gobiernos Autónomos Descentralizados Municipales o Metropolitanos serán los responsables del manejo integral de residuos sólidos no peligrosos y desechos sanitarios generados en el área de su jurisdicción, por lo tanto están obligados a fomentar en los generadores alternativas de gestión, de acuerdo al principio de jerarquización, así como la investigación y desarrollo de tecnologías. Estos deberán establecer los procedimientos adecuados para barrido, recolección y transporte, almacenamiento temporal de ser el caso, acopio y transferencia, con enfoques de inclusión económica y social de sectores vulnerables. Deberán dar tratamiento y correcta disposición final de los desechos que no pueden ingresar nuevamente en un ciclo de vida productivo, implementando los mecanismos que permitan la trazabilidad de los mismos. Para lo cual, podrán conformar mancomunidades y consorcios para ejercer esta responsabilidad de conformidad con la ley. Asimismo, serán responsables por el desempeño de las personas contratadas por ellos, para efectuar la gestión de
39
residuos y desechos sólidos no peligrosos y sanitarios, en cualquiera de sus fases. 3. Los generadores de residuos, en base al principio de jerarquización, priorizarán la prevención y minimización de la generación de residuos sólidos no peligrosos, así como el adecuado manejo que incluye la separación, clasificación, reciclaje y almacenamiento temporal; en base a los lineamientos establecidos en la política nacional y normas técnicas. 4. Los gestores de residuos no peligrosos que prestan el servicio para su gestión en cualquiera de sus fases, serán responsables del correcto manejo, para lo cual deberán enmarcar sus acciones en los parámetros que defina la política nacional en el cuidado ambiental y de la salud pública, procurando maximizar el aprovechamiento de materiales (Ministerio del Ambiente, pág. 62). Libro III. De la calidad ambiental. Título VI. Producción y consumo sustentable. Art. 245.- Obligaciones generales para la producción más limpia y el consumo sustentable. Todas las instituciones del Estado y las personas naturales o jurídicas, están obligadas según corresponda, a: 1. Incorporar en sus propias estructuras y planes, programas, proyectos y actividades, la normativa y principios generales relacionados con la prevención de la contaminación, establecidas en este Código; 2. Optimizar el aprovechamiento sustentable de materias primas; 3. Fomentar y propender la optimización y eficiencia energética, así como el aprovechamiento de energías renovables; 4. Prevenir y minimizar la generación de cargas contaminantes al ambiente, considerando el ciclo de vida del producto; 5. Fomentar procesos de mejoramiento continuo que disminuyan emisiones; 6. Promover con las entidades competentes el acceso a la educación para el consumo sustentable; 7. Promover el acceso a la información sobre productos y servicios en base a criterios sociales, ambientales y económicos para la producción más limpia y consumo sustentable; 8. Coordinar mecanismos que faciliten la transferencia de tecnología para la producción más limpia; 9. Minimizar y aprovechar los desechos; y, 10. Otros que la Autoridad Ambiental Nacional dicte para el efecto (Ministerio del Ambiente, pág. 65).
40
3. Materiales y métodos
3.1 Enfoque de la investigación
3.1.1 Tipo de investigación
3.1.1.1 Investigación aplicada
Según Kothari (2004), “La investigación aplicada tiene como objetivo encontrar
una solución para un problema inmediato que enfrenta una sociedad o una
organización industrial / empresarial”. El presente estudio se considera
investigación aplicada, debido a que se buscó dar una solución al problema de
acumulación de residuos orgánicos mediante el aprovechamiento del mismo para
generar biogás.
3.1.1.2 Investigación documental
“La investigación documental se convierte en sinónimo de investigación de
archivo y aborda cuestiones relacionadas con el uso de documentos y registros
públicos y/o privados” (Kridel, 2018). Las bases teóricas para este estudio fueron
fundamentales para poder defender la metodología que fue aplicada para la
producción de biogás, utilizando varias fuentes de información como: Artículos
científicos, libros y páginas web de institutos oficiales.
3.1.1.3 Investigación experimental
Blakstad (2008) afirma “La investigación experimental es un enfoque sistemático
y científico de la investigación en el que el investigador manipula una o más
variables, y controla y mide cualquier cambio en otras variables”. En el presente
estudio se requirió de variables dependientes que fueron manipuladas para poder
obtener el volumen de biogás, siendo esta última considerada como una variable
independiente, por este motivo se considera una investigación experimental.
41
3.1.1.4 Nivel de conocimiento
A nivel de conocimientos la investigación es exploratoria. Según Morales (2010)
“las investigaciones exploratorias son aquellas que se efectúa sobre un tema u
objeto desconocido o poco estudiado, dirigidos a la formulación más precisa de un
problema de investigación, dado que se carece de información suficiente”. La
información que se ha recaudado para realizar este estudio cumple un papel
importante, debido a que permitió determinar la metodología que se implementó
para la realización del proyecto.
3.1.2 Diseño de investigación
El diseño de investigación que se llevó a cabo es de carácter experimental,
debido a que se basa en la manipulación de la variable independiente, que es la
biomasa de residuos de frutas y hortalizas. Mediante esta manipulación se obtuvo
la variable dependiente, la cual es el volumen de biogás.
3.2 Metodología
3.2.1 Variables
3.2.1.1. Variable independiente
Cantidad de residuos de frutas y hortalizas y la cantidad de agua y rumen de
vaca que se depositó en el biodigestor para su fermentación.
El tiempo del proceso de fermentación para la obtención de biogás.
3.2.1.2. Variable dependiente
Volumen de biogás. Para obtener esta variable se implementó un sistema de
desplazamiento de líquidos.
42
3.2.2 Tratamientos
El proceso consistió en utilizar residuos orgánicos de frutas y hortalizas para la
producción de biogás, se ejecutaron tres tratamientos con diferentes residuos
orgánicos para analizar el mejor rendimiento entre los tres casos.
La variación entre los tratamientos es el tipo de biomasa que fue sometido al
proceso de fermentación anaerobio mediante bacterias metanogénicas, estas
bacterias utilizan diferentes sustratos para la producción de metano, pero los
principales son el 𝐻2 y el 𝐶𝑂2, para poder obtener mejor desarrollo de estas
bacterias se utilizó rumen de vaca. El tiempo de retención fue de 1 mes.
Tabla 1. Descripción de la biomasa a utilizarse
N° Tratamiento Biomasa Cantidad (kg) Cantidad de agua +
rumen de vaca (L)
1 Residuos de
frutas
8kg 5L
2 Residuos de
hortalizas
8kg 5L
3 Residuos de
frutas y hortalizas
8kg 5L
Viteri, 2019
3.2.3 Diseño experimental
En el diseño experimental se realizaron los siguientes pasos: Primero se diseñó
y construyó un biodigestor de flujo discontinuo para poder realizar el análisis
comparativo de la producción de biogás. Seguido, se recolectó y caracterizó los
residuos de frutas y hortalizas que más adelante fueron mezclados con agua y
rumen de vaca para ser depositados en el biodigestor. Este proyecto tuvo 3
tratamientos que se detallan a continuación:
43
El tratamiento n°1 consistió en utilizar los residuos de frutas, el tratamiento n°2
se usó los residuos de hortalizas y, por último, en el tratamiento n°3 se realizó una
mezcla de residuos de frutas y hortalizas, cada tratamiento tuvo 4 repeticiones. Una
vez definidos los tratamientos, los residuos fueron mezclados con agua y rumen de
vaca para ser depositados en el biodigestor correspondiente. Cada prueba tuvo un
tiempo de retención de 1 mes.
Al finalizar el proceso de fermentación, se implementó un sistema de
desplazamiento de líquidos para poder obtener el volumen de biogás en cada
prueba. Finalmente, estos resultados fueron analizados mediante estadística
descriptiva e inferencial.
3.2.4 Recolección de datos
3.2.4.1. Recursos
Los recursos que se utilizaron se detallan a continuación:
Tabla 2. Recursos materiales
Recursos Cantidad
Tanques de 50L 12
Tubo PVC de 1/2” 1
Llave de paso 12
Codo 12
Reductor de PVC a manguera 12
Manguera 1
Silicona selladora 1
Teflón 1
Neplo corrido 12
Bandeja de 4 litros 1
Probeta de 500 ml. 1
Balanza 1
Viteri,2019
44
3.2.4.2. Métodos y técnicas
Se implementó un método práctico in situ para la recolección y construcción del
biodigestor utilizando materiales accesibles para la elaboración de los
biodigestores.
Para obtener el volumen del biodigestor se implementó un sistema de
desplazamiento de líquidos que consiste en introducir el gas en un recipiente que
contiene agua, se puede observar como el agua contenida es desplazada por el
biogás. Al terminar este procedimiento se midió el volumen desplazado, de tal
manera que el volumen del gas fue el volumen de agua desplazada.
3.2.5 Análisis estadístico
Se implementó un análisis estadístico descriptivo que consiste en utilizar
herramientas como media aritmética o promedio, varianza, y desviación estándar.
La media aritmética se obtiene sumando todos los valores y dividiendo para n:
�̅� =𝑥1 + 𝑥2 … 𝑥𝑛
𝑛=
1
𝑛∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
La desviación estándar mide que tan dispersos se encuentra los datos de la
media muestral, la cual se obtiene con la siguiente fórmula:
𝑠 = √𝑠2
Para obtener el valor de desviación estándar se necesitó hallar la varianza, la
cual se obtuvo con la fórmula:
𝑠2 = (𝑥1 − �̅�)2+… + (𝑥𝑛 − �̅�)2
𝑛=
∑ (𝑥𝑛 − �̅�)2𝑛𝑖=1
𝑛 − 1
El análisis estadístico inferencial que se usó fue la prueba ANOVA. Es un test
estadístico a emplear cuando se desea comparar las medias de dos o más grupos.
Esta técnica puede generalizarse también para estudiar los posibles efectos de los
factores sobre la varianza de una variable.
45
En este proyecto se plantearon las siguientes hipótesis para los tres
tratamientos, que ayudó a definir qué biomasa generó más volumen de biogás.
Hipótesis Nula (𝐻𝑜): Con los residuos de frutas y hortalizas se obtiene la
misma cantidad de biogás.
Hipótesis Alternativa (𝐻1): Con los residuos de frutas y hortalizas se
obtiene diferentes cantidades de biogás.
Para ejecutar esta prueba se utilizaron diferentes fórmulas:
Valor de F
𝐹 =𝑆2
1
𝑆22
Total de suma de cuadrados
𝑆𝑆 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑(𝑥 − �̅�𝐺)2
Suma de los errores al cuadrado
𝑆𝑆𝐸 = ∑(𝑥 − �̅�𝐶)2
La fórmula de SST, el tratamiento de la suma de cuadrados, se determina
por la resta:
𝑆𝑆𝑇 = 𝑆𝑆𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑆𝑆𝐸
46
Al aceptar la hipótesis alternativa se utiliza un test a posteriori para comparar las
medias, el test que se utilizó fue El Método de rango múltiple de Duncan. De esta
manera se determinó todas las diferencias posibles entre las medias.
𝑅𝑝 = 𝑟𝛼(𝑝, 𝑓)√𝐶𝑀𝐸
𝑛
Donde:
Los valores de 𝑟𝛼(𝑝, 𝑓) se obtienen de tablas de Duncan.
𝛼 = Nivel de significación
𝑓= número de grados de libertad del error
47
4. Resultados
4.1 Caracterización de los residuos orgánicos generados en el mercado
Gómez Rendón mediante la selección de frutas y Hortalizas.
Para poder cumplir con este objetivo, se realizó la recolección de los residuos
orgánicos en el mercado Gómez Rendón (Anexo Figura 9), se trabajó con 2 locales
del mercado, y se realizó la recolección durante 2 semanas, luego se procedió a
realizar la caracterización de los residuos; Dentro de los sacos donde se recogían,
se pudo encontrar residuos orgánicos e inorgánicos, por lo tanto, era importante
realizar la caracterización, que se realizó de la siguiente manera:
Tabla 3. Caracterización de residuos del mercado Gómez Rendón
Residuos Orgánicos Residuos Inorgánicos
Frutas
Hortalizas Plásticos
Cartón
Viteri, 2020
Una vez hecha la caracterización se procedió a trabajar con los residuos
orgánicos de frutas y hortalizas, se realizó el pesaje de los residuos orgánicos
para cada tratamiento y sus repeticiones (Anexo Figura 10).Cabe recalcar que
cada biodigestor contenía 8kg de biomasa, así que se realizó la conversión de
medidas a libras para poder pesarla en la balanza, es decir que se utilizó 17.6
libras y se adiciono las 3 libras que pesaba el recipiente donde se tenía los
residuos, es decir que el peso de la biomasa más el peso del recipiente era de
20,6 libras.
48
Tabla 4. Tratamiento N° 1 - Residuos de frutas
N° Repetición Residuos de
frutas (kg)
Residuos de
frutas (Lb)
Agua + Rumen
de vaca (L)
1 8 kg 17,6 Lb 5L
2 8 kg 17,6 Lb 5L
3 8 kg 17,6 Lb 5L
4 8 kg 17,6 Lb 5L
Viteri, 2020
Tabla 5. Tratamiento N° 2 - Residuos de hortalizas
N° Repetición Residuos de
hortalizas (kg)
Residuos de
hortalizas (Lb)
Agua + Rumen
de vaca (L)
1 8 kg 17,6 Lb 5L
2 8 kg 17,6 Lb 5L
3 8 kg 17,6 Lb 5L
4 8 kg 17,6 Lb 5L
Viteri, 2020
Tabla 6. Tratamiento N° 3 - Residuos de frutas y hortalizas
N°
repetición
Residuos
de frutas
(kg)
Residuos
de frutas
(Lb)
Residuos
de
Hortalizas
(kg)
Residuos
de
Hortalizas
(Lb)
Rumen
de vaca
(L)
1 4 kg 08,8Lb 4 kg 08,8Lb 5L
2 4 kg 08,8Lb 4 kg 08,8Lb 5L
3 4 kg 08,8Lb 4 kg 08,8Lb 5L
4 4 kg 08,8Lb 4 kg 08,8Lb 5L
Viteri,2020
49
4.2 Obtención de biogás a partir de residuos orgánicos de frutas y hortalizas
mediante un biodigestor anaerobio discontinuo.
Para este objetivo se procedió a construir los biodigestores (Anexo Figura 8),
luego se empezó a trabajar en el proceso de obtención de biogás, en el cual ya con
los residuos orgánicos caracterizados y pesados, se licuaron para obtener
partículas más pequeñas y que sea más fácil la fermentación de la biomasa
Una vez licuados, se los deposito en el biodigestor correspondiente y se le
añadió agua y el rumen de la vaca, que es el que nos ayuda a incrementar el
crecimiento bacteriano metanogénico, encargados de producir gas metano (Anexo
Figura 13), luego se selló bien el biodigestor y se lo rotulo con el tratamiento que le
correspondía, el tiempo de fermentación fue de 30 días.
4.3 Comparación de la cantidad de biogás proveniente de residuos de frutas
y de hortalizas mediante estadística descriptiva y estadística inferencial.
Luego de los 30 días de fermentación, se realizaron las pruebas para verificar si
los biodigestores contenían gas metano, para esto se necesitó de una cocineta que
se conectó a los biodigestores, ayudándonos a verificar que si contenían biogás
(Anexo Figura 15).
Después, se realizó la prueba de desplazamientos de líquidos para determinar
la cantidad de biogás que había en cada biodigestor (Anexo Figura 16). En las
tablas 7,8 y 9 se muestran los resultados obtenidos.
50
Tabla 7. Resultado de tratamiento N° 1
Cantidad de biogás (ml) Cantidad de biogás (𝒎𝟑)
Repetición N° 1 1280 ml 0.00128 𝑚3
Repetición N° 2 1105 ml 0.001105 𝑚3
Repetición N° 3 995 ml 0.000995 𝑚3
Repetición N° 4 1265 ml 0.001265 𝑚3
Viteri, 2020
Tabla 8. Resultado de tratamiento N° 2
Cantidad de biogás (ml) Cantidad de biogás (𝒎𝟑)
Repetición N° 1 274 ml 0.000274 𝑚3
Repetición N° 2 325 ml 0.000325 𝑚3
Repetición N° 3 305 ml 0.000305 𝑚3
Repetición N° 4 310 ml 0.000310 𝑚3
Viteri, 2020
Tabla 9. Resultado de tratamiento N° 3
Cantidad de biogás (ml) Cantidad de biogás (m3)
Repetición N° 1 300 ml 0.000300 m3
Repetición N° 2 155 ml 0.000155 m3
Repetición N° 3 285 ml 0.000285 m3
Repetición N° 4 185 ml 0.000185 m3
Viteri, 2020
Una vez finalizada la medición del biogás en los biodigestores, procedimos a
realizar los cálculos estadísticos.
51
4.3.1 Tratamiento N° 1
4.3.1.1 Media aritmética
�̅� =𝑥1 + 𝑥2 … 𝑥𝑛
𝑛=
1
𝑛∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
�̅� =0.00128 + 0.001105 + 0.000995 + 0.001265
4= 1.161𝑥10−3𝑚3
4.3.1.2 Varianza
𝑠2 = (𝑥1 − �̅�)2+… + (𝑥𝑛 − �̅�)2
𝑛=
∑ (𝑥𝑛 − �̅�)2𝑛𝑖=1
𝑛 − 1
𝑠2 = (−1.19𝑥10−4)2 + (5.6𝑥10−5)2 + (1.66𝑥10−4)2 + (−1.04𝑥10−4)2
4
𝑠2 = 1.416𝑥10−8 + 3.136𝑥10−9 + 2.755𝑥10−8 + 1.081𝑥10−8
4
𝑠2 = 5,495𝑥10−8
4
𝑠2 = 1.391𝑥10−8
4.3.1.3 Desviación estándar
𝑠 = √𝑠2
𝑠 = √(1.391𝑥10−8)2
𝑠 = 1.391𝑥10−8
4.3.2 Tratamiento N° 2
4.3.2.1 Media aritmética
�̅� =𝑥1 + 𝑥2 … 𝑥𝑛
𝑛=
1
𝑛∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
52
�̅� =0.000274 + 0.000325 + 0.000305 + 0.000310
4= 3.035𝑥10−4𝑚3
4.3.2.2 Varianza
𝑠2 = (𝑥1 − �̅�)2+… + (𝑥𝑛 − �̅�)2
𝑛=
∑ (𝑥𝑛 − �̅�)2𝑛𝑖=1
𝑛 − 1
𝑠2 = (2.95𝑥10−5)2 + (−2.15𝑥10−5)2 + (−1.5𝑥10−6)2 + (−6.5𝑥10−6)2
4
𝑠2 = 8.70 𝑥10−10 + 4.622𝑥10−10 + 2.250 𝑥10−12 + 4.225𝑥10−11
4
𝑠2 = 1.376𝑥10−9
4
𝑠2 = 3.441𝑥10−10
4.3.2.3 Desviación estándar
𝑠 = √𝑠2
𝑠 = √(0.0000000014)2
𝑠 = 3.441𝑥10−10
4.3.3 Tratamiento N° 3
4.3.3.1 Media aritmética
�̅� =𝑥1 + 𝑥2 … 𝑥𝑛
𝑛=
1
𝑛∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
�̅� =0.000300 + 0.000155 + 0.000285 + 0.000185
4= 2.312𝑥10−4𝑚3
4.3.3.2 Varianza
𝑠2 = (𝑥1 − �̅�)2+… + (𝑥𝑛 − �̅�)2
𝑛=
∑ (𝑥𝑛 − �̅�)2𝑛𝑖=1
𝑛 − 1
53
𝑠2 = (−6.88𝑥10−5)2 + (−9.38𝑥10−5)2 + (−7.38𝑥10−5)2 + (4.62𝑥10−5)2
4
𝑠2 = 4.733𝑥10−9 + 8.798𝑥10−9 + 5.446𝑥10−9 + 2.134𝑥10−9
4
𝑠2 = 2.111𝑥10−8
4
𝑠2 = 5.277𝑥10−9
4.3.3.3 Desviación estándar
𝑠 = √𝑠2
𝑠 = √(1.373𝑥10−8)2
𝑠 = 5.277𝑥10−9
4.3.4 Prueba ANOVA
Para realizar esta prueba se utiliza las varianzas para determinar si las medias
obtenidas son diferentes. El nivel de significancia que se utilizó para realizar esta
prueba fue de 0.05.
Tabla 10. Prueba ANOVA Origen de
las variaciones
Suma de cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico para F
Entre grupos 2.14114E-06 2 1.07057E-06
132.688798
2.09663E-07 4.2564947
Dentro de los grupos 7.26145E-08 9
8.06828E-09
Total 2.21375E-06 11
Viteri,2020
54
Mediante este análisis se comprueba que existe diferencia entre los resultados
obtenidos. Es decir que se acepta la hipótesis alternativa:
(𝐻1): Con los residuos de frutas y hortalizas se obtiene diferentes cantidades de
biogás.
4.3.5 Método de rango múltiple de DUNCAN
Al rechazar la hipótesis nula mediante la prueba de ANOVA, se procedió a
determinar la diferencia entre las medias obtenidas.
Tabla 11. Sumatoria de Cuadrados
x^2 (A) x^2 (B) x^2 (C)
Repetición 1 1.6384E-06 7.5076E-08 0.00000009
Repetición 2 1.22103E-06 1.05625E-07 2.4025E-08
Repetición 3 9.90025E-07 9.3025E-08 8.1225E-08
Repetición 4 1.60023E-06 9.61E-08 3.4225E-08
∑ (x^2) 5.44968E-06 3.69826E-07 2.29475E-07
Viteri, 2020
Tabla 12. Test Duncan
Tratamiento
N°1 (A) Tratamiento
N°2 (B) Tratamiento
N°3 ( C)
∑ (Repeticiones) 0.004645 0.001214 0.000925
x ̅ 0.00116125 0.0003035 0.0002312
n 4 4 4
N 12
SS 5.56688E-08 1.377E-09 1.55688E-08
Se 8.98236E-05
V 9
Viteri, 2020
Tabla 13. Rp de Duncan
Rp de grupos
2 grupos al 5% 3 grupos al 5%
0.00014008 0.00014996
Viteri, 2020
55
Tabla 14. Comparación de Rp y diferencia de medias
Diferencia de medias Rp Significancia
Diferencia de A y B 0.00085775 0.00014008 SIGNIFICATIVA
Diferencia de A y C 0.00093005 0.00014996 SIGNIFICATIVA
Diferencia de B y C 0.0000723 0.00014008 NO SIGNIFICATIVA
Viteri, 2020
Mediante este análisis podemos determinar que el Tratamiento N°1 es el que tiene
la media con más significancia, en comparación a los otros tratamientos. Es decir,
que existe una diferencia considerable en el tratamiento N°1 debido a que el
tratamiento N°2 y N°3 tienen un promedio diferente pero no significante.
56
5. Discusión
Se logró comprobar que con los residuos orgánicos de frutas y hortalizas se
puede obtener biogás con la adición de bacterias metanogénicas del rumen de la
vaca. Las bacterias metanogénicas son las que no permiten obtener el gas metano
como lo indican los autores Ferrer, Uggetti, Poggio, & Velo (2015), quienes ponen
en practica la producción de biogas a base de excremento de vaca. Este análisis
se realizó a través del método de fermentación de frutas y hortalizas, autores como
García y Gómez (2016), están de acuerdo en que esta biomasa puede producir
biogás.
Los biodigestores de flujo discontinuo, como los que se utilizó en este trabajo,
son los más óptimos para generar el biogás necesario, tal como lo indica Joao
Esquén (2018), quien utilizo este tipo de biodigestor para la producción de biogás
de una manera eficiente, en una granja de ganado porcino.
La mayor cantidad de biogás que se produjo fue de 1.161𝑥10−3 𝑚3, con el
tratamiento en el que se usó los residuos orgánicos de frutas, esto concuerda con
el autor Elena Plascencia (2014) en su trabajo titulado “ Estudio de codigestión de
residuos orgánicos agroindustriales para la producción y uso de biogás” , quien
determina que la biomasa de residuos de frutas es eficiente en la producción de
biogás. Los autores Martín, Siles y Chica (2010) nos indican que el residuo de las
frutas cítricas se pre-trata extrayendo D-limoneno. El D-limoneno es una sustancia
natural extraída del aceite de cáscara de cítricos, que le da a la naranja y al limón
un olor único. El proceso para obtener metano (un método llamado digestión
anaeróbica) consiste en la conversión microbiana de desechos en condiciones
anaeróbicas, ayudándonos a comprobar que los residuos de frutas son los más
eficientes para la producción de biogás.
57
6. Conclusiones
De acuerdo con los resultados obtenidos se puede determinar que se logró la
correcta recolección y caracterización de los residuos orgánicos de frutas y
hortalizas generados en el mercado Gómez Rendón.
A demás, mediante la construcción de los biodigestores de flujo discontinuo, se
logró obtener biogás con la biomasa de los residuos orgánicos recolectados.
Se pudo comprobar que la cantidad de biogás puede variar dependiendo la
necromasa que se utilice, en este caso se logró verificar que efectivamente con los
residuos orgánicos de frutas y hortalizas se puede obtener biogás, sin embargo,
con los residuos de frutas, tratamiento N°1, se produjo más biogás con un valor
promedio de 1.161𝑥10−3 𝑚3, en comparación del tratamiento N°3 con la mezcla de
residuos de frutas y hortalizas que se obtuvo una cantidad menor de biogás con un
valor promedio de 2.312𝑥10−4 𝑚3, y el tratamiento N° 2 se obtuvo una cantidad un
poco más elevada que el tratamiento N° 3, donde se obtuvo un valor promedio de
3.035𝑥10−4 𝑚3, Mediante el método de rango múltiple de Duncan se determina que
el tratamiento con más significancia en su promedio es el N°1. Es decir que es el
tratamiento más diferente a los demás, ya que existe diferencia en los otros, pero
no tan significantes.
Por lo tanto, para la producción de biogás es más eficiente utilizar los residuos
orgánicos de frutas debido a que contienen mayor cantidad de nitrógeno, carbono
y azucares asegurando un entorno adecuado para el crecimiento y desarrollo de
los microorganismos ayudando a que durante el proceso de fermentación la
velocidad de degradación de los microorganismos fuera más alta.
58
7. Recomendaciones
En virtud de los resultados y conclusiones obtenidas se recomienda que, para la
caracterización de los residuos orgánicos se determine las frutas y hortalizas
específicas que se vayan a utilizar para la producción de biogás, ya que, al ser
recogidas en un mercado existe gran diversidad de residuos orgánicos que varían
por día, y que pueden afectar los resultados.
Con respecto a la construcción de biogás, se recomienda que se verifique que
el recipiente que se vaya a utilizar como biodigestor, sea de un material resistente
y que no exista el riesgo de que haya algún escape del biogás. De igual manera,
que el lugar sea el adecuado para almacenar los biodigestores durante el tiempo
de fermentación, tomando en cuenta los cambios atmosféricos.
Como último punto, se recomienda utilizar un manómetro para poder verificar la
presión final que se obtuvo de los tratamientos y, además, tomar la presión durante
los 30 días de fermentación, para determinar a los cuantos días se empieza a tener
cambios entre los biodigestores.
59
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66
9. Anexos
Figura 1. Ubicación mercado Gómez Rendón Google Maps, 2019
Figura 2.Esquema de la digestión anaeróbica de materia orgánica compleja. Parra, 2015
67
Figura 3. Vías metabólicas para la formación Ferrer & Pérez, 2010
Figura 4. Vía metabólica favorecida en BSR. Ferrer & Pérez, 2010
68
Figura 5. Vía de los metanógenos hidrogenotróficos. Ferrer & Pérez, 2010
Figura 6. Vías de los metanógenos acetoclásticos. Ferrer & Pérez, 2010
69
Figura 7. Materiales para la construcción del biodigestor Viteri, 2020
Figura 8. Construcción de biodigestores Viteri,2020
70
Figura 9. Recolección de residuos en el mercado Gómez Rendón Viteri, 2020
Figura 10. Caracterización y pesaje de los residuos orgánicos Viteri,2020
71
Figura 11. Pesaje de residuos orgánicos de frutas Viteri, 2020
Figura 12. Licuado de residuos orgánicos Viteri, 2020
72
Figura 13. Adición de rumen de vaca Viteri, 2020
Figura 14. Fermentación de biomasa en biodigestores Viteri, 2020
Figura 15. Cocineta encendida con biogás Viteri,2020
73
Figura 16. Prueba de desplazamiento de líquidos Viteri,2020
