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I. INTRODUCCION
La producción ganadera genera desechos (excretas, fertilizantes,
sobrantes de riego, agua de limpieza, etc.) que son altamente contaminantes
debido a que contienen materia orgánica, microorganismos y nutrimentos. Un
manejo adecuado de estos residuos orgánicos provenientes de la producción
ganadera puede contribuir significativamente a la producción y conversión de
residuos animales y vegetales en distintas formas de energía. (HILBERT, J.
1999).
El proceso de la digestión anaeróbica es muy complejo, debido tanto
por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad
de microorganismos involucrados en ellas. De hecho, muchas de estas
reacciones ocurren de forma simultánea. Los estudios bioquímicos y
microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposición
anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases: Hidrólisis, etapa fermentativa
o acidogénica, etapa acetogénica y etapa metanogénica (GUEVARA, A. 1996).
Durante el proceso de digestión anaeróbica, mediante una serie de
reacciones bioquímicas, se genera el biogás, el cual está constituido
principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Este biogás puede
ser capturado y usado como combustible y/o electricidad. De esta forma, la
digestión anaeróbica, como método de tratamiento de residuos, permite
disminuir la cantidad de materia orgánica contaminante, estabilizándola
(bioabonos) y al mismo tiempo, producir energía gaseosa (biogás).
El biogás, como fuente de energía renovable, ha despertado un gran
interés en los últimos años, siendo tal vez una de las tecnologías de más fácil
implementación, sobre todo en sectores rurales. Su potencial desarrollo, no solo
permite la producción de biogás, sino que también ayuda a la obtención de
biofertilizante y tratamiento de problemas sanitarios en algunos casos.
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La situación actual del medio ambiente y la gran cantidad de
desechos orgánicos que produce la industria ganadera nos impulsa a desarrollar
y poner en práctica energías alternativas que nos permitan mantener un
equilibrio entre el medio ambiente y el ser humano. El uso de biodigestores en
las instalaciones ganaderas permite transformar un desecho que en este caso
es el estiércol de ganado vacuno y gallinaza en recursos; estos recursos nos
sirven como sustrato para producir energía renovable en forma de biogás.
La presente practica pre profesional tiene la finalidad de utilizar la
digestión anaerobia para la producción de biogás en condiciones de laboratorio
como una alternativa para hacer uso de la gran cantidad de desechos orgánicos
que son producidos por la ganadería y con esto reducir la contaminación
ambiental por emisiones de metano, malos olores e insectos transmisores de
enfermedades debido al mal uso de los desechos orgánicos.
1.1. Objetivo General
- Producir biogás a partir del estiércol del ganado vacuno y gallinaza
durante el proceso de digestión anaerobia a escala de laboratorio
1.2. Objetivos Específicos
- Elaborar un montaje experimental “Batch Test” para la producción
de biogás a escala de laboratorio.
- Analizar los parámetros fisicoquímicos (pH, temperatura, Sólidos
Totales y Sólidos volátiles) en el estiércol de ganado vacuno y
gallinaza, al inicio y al final del proceso de digestión anaerobia.
- Determinar la eficiencia del proceso de digestión anaerobia desde
los parámetros fisicoquímicos (Sólidos totales y Sólidos volátiles).
- Determinar el volumen de biogás producido.
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II. REVISION DE LITERATURA
2.1. Utilidad de los residuos como materia prima
Según VARNERO, M.T. (2011), en la actualidad se han desarrollado
métodos para la transformación de residuos en energía y así alcanzar la meta
de conservación de los recursos y del ambiente. Una forma de obtener energía
a partir de los residuos es mediante la digestión anaeróbica. Se pueden utilizar
diferentes materias primas para realizar la digestión anaeróbica. De esta
manera, los sustratos susceptibles de usar en un sistema de digestión anaerobia
podemos clasificarlos en:
- Residuos de origen animal: Purín de vacunos, cerdos, pavos,
pollos, etc., camas de aves, desechos de matadero (sangre, vísceras),
desperdicios de pesca, restos de lana y cuero, desechos de establos (estiércol,
orina y paja).
- Residuos de cosechas: rastrojo, ensilaje y grano de maíz u otros
cultivos, malezas, paja, maloja de caña de azúcar.
- Residuos agroindustriales: tortas de oleaginosas, bagazo, salvado
de arroz, desechos de tabaco, semillas, desperdicios de procesamiento de
hortalizas y frutas, residuos de té, pequeñas ramas, hojas, corteza, etc.
- Plantas acuáticas: Camalote, algas marinas.
Una de las principales actividades productivas que generan grandes
cantidades de residuos es la industria ganadera. En las explotaciones ganaderas
se produce una cantidad considerable de estiércol que requiere ser tratado y
estabilizado. Aproximadamente el 50% de los sólidos volátiles del estiércol es
biomasa lignocelulosa biodegradable que puede ser convertido en CH4. El
principal producto de este proceso es el biogás (VARNERO, M.T. 2011), a modo
ilustrativo se expone a continuación en el cuadro 1, la cual es un indicativo sobre
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cantidades de biogás producido por distintos tipos de animales por cada Kg de
estiércol.
Cuadro 1 Producción de biogás de varios tipos de estiércol
Tipo de estiércol Producción de gas por kg. de estiércol (L)
Ganado Vacuno 22 - 40
Cerdos 40 - 60
Aves de corral 65,5 - 115 Fuente: HILBERT, J. 1999.
2.1.1. Estiércol de ganado vacuno
Según CASTELLANOS, J.Z. (1990), es el producto que se obtiene
de la fermentación anaeróbica sucedida en el intestino de los residuos
alimentarios no utilizados por el rumiante. Esta fermentación sintetiza una
considerable cantidad de proteína que es desperdiciada, junto con parte de la
energía no aprovechada. El crecimiento microbiano en el estiércol de ganado
vacuno está limitado por la poca cantidad de carbohidrato que se encuentra
disponible. El estiércol de ganado vacuno varía en su composición según las
especies de las que procedan, la forma en que se conserven y la alimentación
que se proporciona. (CÁRDENAS, J. 2012). El cuadro 2 indica la composición
química de este estiércol.
Cuadro 2. Composición química del estiércol de ganado vacuno
Componente Porcentaje (%)
Agua 15.7
Sustancia orgánica seca 60.3
pH 7.6
Nitrógeno total 2.7
Fósforo (P) 1.6
Potasio (K) 2.8
Calcio (Ca) 3.5
Magnesio (Mg) 2.3
Sodio (Na) 0.3
Azufre (S) 0.3
Boro (B) ppm 64 Fuente: CÁRDENAS, J. 2012.
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En estudios de la composición química del estiércol de ganado de
vacas lecheras en diferentes fuentes seleccionadas, reportan la siguiente
composición química promedio (% en base seca): 2-8% de N, 0.2-1% P, 1-3%
de K, 1-1.5% de Mg, 1-3% de sodio y 6-15% de sales solubles. (CASTELLANOS,
et al. J.Z. 1990)
2.1.2. Gallinaza
Es la mezcla de heces y orina que se obtiene de la gallina enjaulada
o de piso; a esta se une la porción no digerible de alimentos, microorganismos
de la biota intestinal, plumas, huevos rotos. (PRESTON, T. 1987.) Al igual que
cualquier otra materia orgánica, la gallinaza al fermentar, produce gases, de los
cuales los más importantes son el metano CH4 y el dióxido de carbono CO2. En
condiciones óptimas, si la proporción del primero es al menos del orden de un
60 - 70% del total, ello constituye el llamado biogás, producto que en teoría,
puede servir como fuente de energía de las propias granjas.
En síntesis, el proceso se basa en poner las deyecciones, sin cama,
en un digestor o tanque hermético en el cual se produce la degradación de la
materia orgánica en un medio anaerobio mediante la acción de enzimas
segregadas por microorganismos. Además se requiere mantener un control de
la temperatura del digestor (35°C) y del pH, que debe ser superior a 6. De fallar
alguno de estos puntos puede aumentar la proporción de CO2 a expensas del
CH4, con lo que el gas obtenido pierde sus propiedades como fuente de energía.
(BOTERO, B. 1987.)
Según CASTILLO, G. (2012), explica que la gallinaza se diferencia
de otros estiércoles, porque posee, un mayor contenido de nutrientes, debido a
las altas concentraciones en las raciones que consumen y a la poca agua del
estiércol, pero como ocurre con otros materiales, la composición final depende
del proceso de deshidratación (compostaje generalmente aeróbico) adecuado
manejo, almacenamiento, cantidad de cama utilizada entre otros. El cuadro 3
indica la composición química de este estiércol.
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Cuadro 3. Parámetros fisicoquímicos de la gallinaza
Parámetros Rango
pH (unidades) 8 - 9
Humedad (g Humedad/g Mol) 1 - 2
Sólidos Volátiles (g SV/g Mol) 2 - 4
D.Q.O (mg 02/g Mol) 200 - 500
D.B.O (mg 02/g Mol) 200 - 400
Nitrógeno Total (mg N/g Mol) 3 - 12
Nitrógeno Amoniacal (mg NH3/g Mol) 3 - 7
Fósforo (mg P/g Mol) 5 - 25
Nitratos (mg NO3/g Mol) 2 - 16 Fuente: ESTRADA, M.M. 2005.
Los resultados de diferentes fuentes, reportando la siguiente
composición química promedio de gallinaza (% en base seca): 5-8% de N, 1-2%
P, 1-2% de K, 2-3% de Mg, 1-2% de sodio y 2-5% de sales solubles (CASTILLO,
G. 2012). En general el contenido de nutrimentos de la gallinaza es superior al
de otros estiércoles como el estiércol bovino tal y como se muestra en el cuadro
4.
Cuadro 4. Contenido nutrimental de la gallinaza comparado con el estiércol de bovino.
Nutriente Estiércol de bovino Gallinaza
pH 7.7 8.7
Nitrógeno 14.2 34.7
Fósforo 14.6 30.8
Potasio 34.1 20.9
Calcio 36.8 61.2
Magnesio 7.1 8.3
Sodio 5.1 5.6
Sales solubles 50 56
Materia orgánica 510 700 Fuente: ESTRADA, M.M. 2005.
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2.2. Digestion anaerobia
Según DIAZ M. (2002), es un proceso biológico en el cual un
consorcio de diversos microorganismos interactúan entre sí, en ausencia de
oxígeno, para estabilizar la materia orgánica por conversión a metano y otros
productos inorgánicos incluyendo agua y dióxido de carbono, tal como se
muestra en la ecuación 1.
𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑎𝑛𝑎𝑒𝑟𝑜𝑏𝑖𝑎𝑠→ 𝐶𝐻4 + 𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻3 +𝐻2𝑆 + 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 (1)
Se divide principalmente en cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis,
acetogénesis y metanogénesis. Estas fases se desarrollan de manera
consecutiva por diferentes tipos de microorganismos. Las bacterias participantes
en cada etapa presentan distintas velocidades de crecimiento y su sensibilidad
varía de acuerdo a los compuestos existentes en el medio como inhibidores
(hidrógeno, amoniaco, ácido acético, etc.). Es así que el desarrollo global del
sistema necesita alcanzar un equilibrio, para evitar la acumulación de los
compuestos inhibidores como son los ácidos grasos volátiles, que ocasionan
disminución del pH. Las etapas se pueden observar en la figura 1.
Fuente: GAVALA, H. 2003.
Figura 1. Esquema de la descomposición anaeróbica
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2.2.1. Hidrólisis
Es el primer paso en el proceso de la digestión anaerobia, donde
materiales orgánicos complejos (carbohidratos, celulosa, hemicelulosa, lignina,
proteínas, grasas, aceites, etc.) son adicionados y convertidos por enzimas
extracelulares de manera biológica (hidrolasas) o por procesos fisicoquímicos, a
material soluble; y materia orgánica biodegradable (monómeros o dímeros),
estableciendo un paso para su bioconversión bajo condiciones anaerobias
(Gavala et al., 2003).
La hidrólisis depende de diferentes parámetros tales como el tamaño
de la partícula, pH, producción de enzimas, difusión y adsorción de enzimas
particulares. En esta etapa se lleva a cabo una colonización de bacterias sobre
la superficie de los sólidos, y por lo cual su velocidad depende del área de
contacto disponible.
Las enzimas hidrolíticas degradan la superficie de los sólidos con
una intensidad constante por unidad de tiempo. Las proteínas se hidrolizan por
enzimas extracelulares (proteasas) a polipéptidos y aminoácidos. La velocidad
de la hidrólisis depende mucho de la solubilidad de las proteínas, pH y el origen
del cultivo anaerobio (ESPITIA, S. et al. 2002).
2.2.2. Acidogénesis
Los compuestos orgánicos solubles obtenidos de la etapa anterior
se transforman en ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles), esto
es, ácido acético, propiónico, butírico y valérico, principalmente y en menor
proporción, anhídrido carbónico e hidrógeno. Estas bacterias son altamente
resistentes a variaciones en las condiciones ambientales.
La acidogénesis es una fase de producción intensiva de ácidos que
se inicia con los alimentos y compuestos de más fácil descomposición como las
grasas donde hay una alta producción de dióxido de carbono (CO2), ácido
sulfhídrico (H2S), ácidos orgánicos y bicarbonatos; su pH se encuentra en la zona
ácida con valores entre 5.1 y 6.8 (EXPÓSITO, G. 2004).
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2.2.3. Acetogénesis
En la acetogénesis se presentan la degradación de alcoholes, ácidos
grasos y compuestos aromáticos (obtenidos de la fermentación) mediante la
hidrogenación acetogénica o la deshidrogenación acetogénica, produciendo
ácido acético, CO2 y H2. En el proceso de la deshidrogenación acetogénica, se
lleva a cabo la oxidación anaerobia de moléculas grandes y pequeñas de ácidos
grasos volátiles (ESPITIA, S. 2002).
En esta es obligatoria la producción de hidrógeno por las bacterias
que realizan la oxidación anaerobia de los ácidos grasos. Estas pueden inhibirse
debido a presiones bajas, no obstante pueden sobrevivir únicamente en
asociaciones sintróficas con microorganismos que consumen hidrógeno tales
como las metanógenos acetoclásticos (MOLINA, F. 2002).
2.2.4. Metanogénesis
Constituye la etapa final del proceso, en el que compuestos como el
ácido acético hidrogeno y dióxido de carbono son transformados a CH4 y CO2.
Se distinguen dos tipos principales de microorganismos, los que degradan el
ácido acético (bacterias metanogénicas acetoclásticos) y los que consumen
hidrogeno (metanogénicas hidrogenófilas); la principal vía de formación del
metano es la primera, con alrededor del 70% del metano producido, de forma
general. Esta etapa es muy sensible a los cambios de pH, por lo general se lleva
a cabo en un ambiente neutro o levemente alcalino (JARAUTA, L. 2005),
Si el pH baja de 6.5 las bacterias metanogénicas tendrían pocas
posibilidades de desarrollarse. Los microorganismos intervinientes en cada fase
tienen propiedades distintas que son muy importantes y se las debe conocer
para lograr comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un digestor
(MOLINA, F. 2002). Estas características han sido resumidas en el cuadro 5.
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Cuadro 5. Características de la fase acidogénica y metanogénica
Fase acidogénica Fase metanogénica
Bacterias facultativas (pueden vivir en presencia de bajos contenidos de oxígeno).
Bacteria anaeróbicas estrictas (No pueden vivir en presencia de oxígeno).
Reproducción muy rápida (alta tasa reproductiva).
Reproducción lenta (baja tasa reproductiva).
Poco sensibles a los cambios de acidez y temperatura
Muy sensibles a los cambios de acidez y temperatura
Principales metabolitos, ácidos orgánicos.
Principales productos finales, metano y dióxido de carbono.
Fuente: GAVALA, H. 2003.
Como vemos el proceso ha sido simplificado aún más reduciendo el
mismo a dos fases principales, la ácida generadora de productos intermedios y
la metanogénica. Del cuadro anterior se desprende que una alteración en los
parámetros de funcionamiento incidirá negativamente sobre la fase
metanogénica preponderantemente, lo cual significará una merma importante en
la producción de gas y una acidificación del contenido pudiéndose llegar al
bloqueo total de la fermentación. Cuando la metanogénesis funciona, la etapa
acetogénica también funciona sin problemas, en el caso contrario comienza una
sobre-acidificación (MOLINA, F. 2002).
2.2.5. Tipos de digestores anaerobios
Según PRESTON, T. (1987), el hombre de acuerdo a la aplicación
de gas, las características del material a ser digerido, a las exigencias en cuanto
a niveles de descontaminación a lograr y a la relación costo, inversión –
beneficio; a diseñado y probado a lo largo del desarrollo de esta tecnología
diversos tipos de digestores.
A fin de simplificar el análisis y compresión de los distintos tipos de
digestores en utilización se agruparan los mismos en el siguiente cuadro 6,
desde los más sencillos hasta la última generación de reactores de alta
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eficiencia, complejidad y costo; clasificando los mismos de acuerdo a diferentes
criterios.
Cuadro 6. Tecnología empleada en la digestión anaerobia
1) CARGA A. Sistema Batch o discontinuo
B. Sistema semicontinuo C. Continuos
2) INTENSIDAD DE MEZCLA
A. Mezcla completa
B. Mezcla parcial o nula
3) MANEJO DEL SUSTRATO
A. Contacto anaeróbico
B. U.A.S.B.: (Manta anaeróbica de flujo ascendente)
C. Lecho fluidizado D. Filtro anaeróbico
4) MANEJO BIOQUIMICO A. Una etapa
B. Dos etapas Fuente: PRESTON, T. 1987
2.3. Factores que afectan la digestión anaerobia
2.3.1. Sustrato
Según JARAUTA, L. (2005), gran parte de todas las materias
orgánicas pueden emplearse para la fermentación. El hombre en la producción
de biogás utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas residuales
de la industria liviana y alimenticia, los desechos municipales y diversos
subproductos agrícolas (residuos de cultivos y excrementos humanos y de
animales), además se aprovechan algunos cultivos energéticos. La composición
química principal de estos recursos son polisacáridos, proteínas, grasas y
pequeñas cantidades de metabolitos, la mayoría de ellos insolubles en agua.
Los sustratos más utilizados para alimentar biodigestores son:
- Estiércol (bovinos, cerdos, ovinos, aves, conejos, entre otros)
- Residuos vegetales.
- Basura orgánica
- Contenido ruminal (obtenido de rastros y mataderos municipales).
- Desechos de comida.
- Desechos de la industria productora de alcohol y vinos.
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2.3.2. pH
Esta variable es de gran importancia pues ayuda a determinar la fase
del proceso. Los organismos que intervienen en cada fase son diferentes, y debe
establecerse un equilibrio entre la producción de ácidos y su regresión, para que
ambos tipos de organismos puedan coexistir dentro del digestor y encuentren las
posibilidades ambientales para su desarrollo. Concretamente, los organismos
productores de ácidos y por consiguiente, el proceso de digestión suele
interrumpirse por el decaimiento de los organismos productores de metano
debido a algún cambio ambiental que les hace menos viables. Las bacterias que
intervienen en la digestión anaerobia se encuentran en un rango de pH de entre
6 y 8, con un valor próximo a 7 para la actividad óptima.
Es importante cuidar que el pH se encuentre dentro del rango
mencionado, y que este no disminuya en el sistema, ya que las bacterias
formadoras de metano no pueden trabajar en valores de pH debajo de 6,
provocando una producción baja de metano. A valores de pH menores que 6.3
y mayores de 7.8, la cinética de la metanogénesis disminuye notablemente. Este
proceso de inhibición es originado por la disminución del pH (menor que 6),
obteniendo una insuficiente capacidad buffer dentro del reactor (MOLINA, F.
2002).
2.3.3. Temperatura
Este es uno de los parámetros que tiene mayor influencia en el
proceso de la digestión anaerobia, ya que altera la actividad de las enzimas, y
por tanto, varía la velocidad del proceso de digestión. Estas variaciones de
temperatura pueden traer consigo cierta inestabilidad durante la producción de
gas metano (CH4) e incluso influir en el desarrollo de microorganismos (FOIDL,
N. 2008).
La temperatura de operación del digestor es considerada uno de los
principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la
velocidad de digestión anaeróbica (FOIDL, N. 2008). Ver Figura 2.
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Fuente: FOIDL, N. 2008.
Figura 2. Efecto de la temperatura en la digestión anaerobia
Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los
microorganismos anaeróbicos. En un rango entre los 20 – 40ºC la reacción no
presenta variaciones significativas (FOIDL, N. 2008). Ver cuadro 7.
Cuadro 7. Rangos de temperatura y tiempo de fermentación anaeróbica
Microorganismos anaeróbicos
Rangos de temperatura Tiempo de
fermentación Mínimo Óptimo Máximo
Psycrofílica 4 - 10°C 15 - 18°C 20 - 25°C Sobre 100 días
Mesofílica 15 - 20°C 25 - 35°C 35 - 45°C 30 - 60 días
Termofílica 25 - 45°C 50 - 60°C 75 - 80°C 10 - 15 días Fuente: FOIDL, N. 2008.
2.3.4. Concentración de sólidos
La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se
ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y
por lo tanto puede verse afectada la producción de biogás (GALEANO U. 2007).
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2.3.4.1. Solidos totales
Los sólidos totales se refieren a los residuos del material que
permanecen en el recipiente después de la evaporación de la muestra secada
en el horno a una temperatura definida: 103-105°C. Es un proceso muy
empleado para tratar la fracción orgánica de los residuos urbanos, residuos
animales y residuos agrícolas.
El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se
carga el digestor es un factor importante a considerar para asegurar que el
proceso se efectúe satisfactoriamente. La concentración de sólidos totales está
dentro de un intervalo alrededor del 4 al 16 %. Un mayor valor puede influenciar
la digestión, debido a que la movilidad de las bacterias metanogénicas se
encuentra limitada (LÓPEZ, O. 2008).
La eficiencia de remoción de sólidos totales para un estiércol de
ganado vacuno reporta un rango entre 15 a 18 % y para la gallinaza entre 20 a
30 % (SAAVEDRA, C. 2007).
2.3.4.2. Solidos volátiles
Los sólidos volátiles son el contenido de material orgánico dentro de
los sólidos totales al someterlos a altas temperaturas (550°C), por un tiempo
determinado, hasta que permanezcan las cenizas. La pérdida de peso de la
muestra después de la ignición es conocida como sólidos volátiles. Esta pérdida
es debido a la descomposición o volatilización de los compuestos orgánicos.
Este parámetro proporciona la cantidad de materia orgánica que
tiene la muestra. Los estudios recomiendan que es preferible tener sólidos
volátiles en un intervalo de 3 a 8 % para que haya una digestión adecuada.
(CASTELLANOS, J.Z. 1990).
La eficiencia de remoción de sólidos volátiles para un estiércol de
ganado vacuno reporta un rango entre 37 a 40 % y para la gallinaza entre 40 a
60 % (CASTELLANOS, J.Z. 1990).
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Cuadro 8. Características cuantitativas de diferentes sustratos para la digestión anaerobia.
Tipo de sustrato Características cuantitativas
Basura doméstica Menos de 20 %
Estiércol sólido Sólidos totales (40 - 70 %)
Restos de cosecha Fracción orgánica
Estiércol de animales
100-150 g/L DQO
4 - 15 % ST
3 - 8 % SV Fuente: AHRING, B., 1993.
Al comparar la cantidad de sólidos de la alimentación con el valor de
sólidos de la salida, debe darse una diferencia, para identificar la degradación de
las materias sólidas que contiene el biodigestor (VARNERO, M.T. 2011).
2.3.5. Contenido de agua en la mezcla
Las bacterias y otros microorganismos no pueden funcionar
efectivamente cuando el contenido de agua de la mezcla es demasiado bajo, y
la cantidad de biogás producido será pequeña. Cuando la mezcla es demasiado
diluida, se puede digerir relativamente poca materia orgánica y la producción del
biogás es limitada.
La actividad de mezclar, debe realizarse en forma adecuada y
uniforme en el tanque del digestor para promover una digestión efectiva,
especialmente si se utiliza biomasa cruda con alto contenido leñoso (HILBERT,
J. 1999).
La cantidad de agua varía de acuerdo con la materia prima destinada
a la fermentación. La mezcla estiércol-agua necesario para producir biogás, fue
experimentada en prototipos a pequeña escala para determinar la mayor
producción de biogás, los cuales fueron de 1:1, 1:3 y 1:5 (ver cuadro 9).
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Cuadro 9. Relación – materia prima (estiércol: agua)
Fuente de estiércol
Cantidades utilizadas
Estiércol % Agua %
Bovino 1 parte 50 1 parte 50
Porcino 1 parte 25 3 partes 75
Gallinaza 1 parte 25 3 partes 75 Fuente: HILBERT, J. 1999.
2.4. Biogás
Según AVALOS, V. (2012), el biogás es el producto del metabolismo
de bacterias metanogénicas que participan en la descomposición de materias
orgánicas en ambientes húmedos y carentes de oxígeno, conocidos como
biodigestores. A su vez, durante el proceso de descomposición, algunos
compuestos orgánicos son transformados a minerales, los cuales pueden ser
utilizados fácilmente como fertilizante para cultivos.
La producción de biogás va a depender, principalmente, de los
materiales utilizados, de la temperatura y tiempo de descomposición. Existe una
estrecha relación entre la temperatura y tiempo de descomposición del material
en el biodigestor. A mayor temperatura, más rápido es el proceso de
descomposición, esto significa que el material requiere menos tiempo dentro del
fermentador. Así pues, el biogás obtenido a partir de residuos ricos en materia
orgánica, como son los residuos ganaderos, agrícolas o derivados, es una fuente
de energía renovable que utiliza la energía contenida en la biomasa, proveniente
de la fotosíntesis y por tanto del sol (FERNÁNDEZ, J. 2007).
2.4.1. Características del biogás
El biogás es un producto formado mediante el proceso de la
digestión anaeróbica y contiene 50-80% en volumen de metano (CH4), 20-50%
de dióxido de carbono (CO2) y trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S), hidrógeno
(H2), mezclas de amonio y siloxanos que pueden afectar el proceso (AVALOS,
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V. 2012). La descripción detallada de los porcentajes comunes de cada
compuesto se encuentra en el cuadro 10.
Cuadro 10. Composición del biogás
Compuestos Fórmula química Porcentajes (%)
Metano CH4 50 - 80
Dióxido de carbono CO2 20 - 50
Agua H2O Saturado
Hidrógeno H2 0 - 2
Nitrógeno N2 0 - 1
Monóxido de carbono CO 0 - 1
Oxígeno O2 0 - 1
Ácido sulfhídrico H2S 100 - 700 ppm
Amoniaco NH3 Trazas
Compuestos orgánicos __ Trazas Fuente: VARNERO, M.T. 2011.
Por su porcentaje de CH4, tiene un alto poder calorífico que equivale
al porcentaje de metano en el gas natural. Por ejemplo, un biogás que contiene
un 60% de metano tiene una capacidad calorífica de 23.014,75 kJ/Nm3
(AVALOS, V. 2012).
2.4.2. Aplicación del biogás
Según HILBERT, J. (1999), el biogás es una fuente de energía
renovable que permite ser aplicado como combustible para los autos, para
calentamiento directo y generación de energía. Por lo tanto, ayuda a la
disminución del uso de combustibles fósiles y al descenso de niveles de dióxido
de carbono. Permite generar electricidad o calor en las calderas, producir
electricidad en los motores y turbinas, en pilas de combustible, ser utilizado como
material base para sintetizar productos de alto valor agregado como el gas
natural licuado o metanol. A pesar de las aplicaciones que tiene el biogás, es
importante considerar que contiene una serie de impurezas y es importante que
sea purificado o limpiado previamente dependiendo del uso final. La figura 3
muestra esquemáticamente algunas de las alternativas de uso del biogás.
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Fuente: VARNERO, M.T. 2011
Figura 3. Alternativas de uso del biogás.
2.4.3. Cuantificación de biogás en laboratorio – Batch Test
El Batch Test es un método para determinar el potencial de biogás
que posee un sustrato en particular, mediante la tecnología de biogás
experimentalmente en un laboratorio basado en la norma estandarizada DIN
38414-8. Este procedimiento es aplicable a todos los compuestos para analizar
su fermentación.
En general, se utiliza para investigar la degradación anaeróbica de
la materia prima incluyendo la tasa de degradación, incluso, es posible realizar
una evaluación aproximada de la presencia de componentes inhibitorios. Las
ventajas de este test son: estimación del potencial del biogás, fácil de construir
e instalar, bajo costo en la construcción, repetibilidad y reproductibilidad. Sin
embargo, la prueba puede tomar desde 20 a 50 días, dependiendo del sustrato
(LORBER G. 2014).
19
Fuente: LORBER G. 2014.
Figura 4. Instalación experimental simplificada para determinar el rendimiento de metano (Batch Test).
La puesta a punto de este Batch Test, presenta una metodología
adaptada a lo más cercano que la mayoría de investigaciones lo realizan, en ella
menciona que para cada muestra de materia prima se debe realizar una prueba
por triplicado como puede verse en la figura 4. Adicionalmente, en cada prueba
se debe realizar un blanco por triplicado (inóculo).
Las pruebas de degradación son: Para la evaluación del potencial
de producción de metano y la biodegradabilidad anaerobia de una sustancia o
mezcla de sustancias, para la evaluación cualitativa de la velocidad de
degradación anaerobia de la sustancia investigada y para la evaluación
cualitativa del efecto inhibidor de la sustancia investigada utilizado bajo las
condiciones de fermentación (tipo de inóculo, temperatura, concentración de
sustrato, etc.).
Las pruebas de degradación no son: Para analizar la estabilidad del
proceso en los reactores, que son alimentados continuamente con la sustancia
investigada o mezcla de sustancias, para asumir la producción de biogás en
condiciones de campo debido a los posibles efectos negativos y positivos de la
20
sinergia y para estudiar la fermentabilidad del sustrato bajo condiciones de
proceso sobrepasando los límites de la carga orgánica. (LORBER G. 2014).
2.4.4. Curvas de frecuencia en la producción de biogás
Existen muestras fácilmente degradables que producen rápidamente
biogás y la curva correspondiente se caracteriza por un fuerte aumento en la
cantidad de biogás acumulado (Curva 1). Si el proceso es de dos etapas, la curva
tiene pasos de escalera (Curva 2). Muestras que se degradan con dificultad
tienen una curva de formación de gas retardada. La forma de esta curva se
puede deber a una leve inhibición (Curva 3). Una inhibición completa provoca un
resultado de producción de biogás neto negativo (Curva 4) (DROSG, B. et al.,
2013). En la Figura 5 se muestra las curvas de frecuencia de producción de
biogás.
Fuente: DROSG, B. et al., 2013
Figura 5. Formas típicas de las curvas de formación de gas
21
III. MATERIALES Y METODOS
3.1. Ubicación
3.1.1. Ubicación política
El trabajo se desarrolló en el laboratorio de tratamiento de suelos de
la Universidad Nacional Agraria de la Selva, políticamente ubicada en la ciudad
de Tingo María, distrito de Rupa Rupa, provincia de Leoncio Prado, Región
Huánuco.
3.1.2. Ubicación geográfica
El laboratorio de tratamiento de suelos está ubicado en las
coordenadas geográficas 09° 18' 00" latitud sur y 76° 01' 00" longitud oeste, a
una altura de 660 m.s.n.m., dentro del empalme Tingo María hoja 19-k de la carta
nacional del Instituto Geográfico Nacional (IGN), a una altitud de 648 m.s.n.m.
Figura 6. Mapa de ubicación del Laboratorio de calidad y tratamiento del suelo.
22
3.2. Materiales y equipos
3.2.1. Materiales
Botellas de vidrio de 1L (cantidad 6 unidades), recipientes de vidrio
de 1500 ml (cantidad 6 unidades), recipientes de vidrio de 1L (cantidad 6
unidades), vasos de vidrio de 500 ml (cantidad 6 unidades), probetas graduadas
de 25 ml (cantidad 6 unidades), vaso de precipitado de 1000 ml, abrazaderas
metálicas de 9 mm (cantidad 6 unidades), abrazaderas metálicas de 50 mm
(cantidad 6 unidades), tapas de plástico (cantidad 6 unidades), tapas de jebe
(cantidad 6 unidades), tapones de jebe (cantidad 6 unidades), crisoles de
porcelana (cantidad 6 unidades), varilla de vidrio, tubo de vidrio, manguera de
silicona transparente, etiquetas, mesa de madera, silicona para vidrio, bolsa
plástica 5 x 10, bolsa de fibra de plástico tejida, cuaderno de apuntes y muestras
(estiércol de ganado vacuno y gallinaza).
3.2.2. Equipos
Multiparámetro (Milwaukee Mi 180), Balanza de precisión (Highland
HCB 302), balanza analítica (OHRUS), balanza electrónica (Patrick’s), estufa
(105°C) y mufla (550°C).
3.2.3. Reactivos
Solución de hidróxido de sodio (2 Molar) y 16 litros de agua destilada.
3.3. Metodología
3.3.1. Elaboración del montaje experimental “Batch Test” para la
producción de biogás a escala de laboratorio
La metodología que se utilizó para la elaboración del montaje
experimental “Batch Test”, está basado en la norma estandarizada (DIN 38414-
8) mediante la tecnología de biogás en laboratorio. LORBER G. (2014).
3.3.1.1. Procedimiento para la elaboración del montaje
experimental “Batch Test”
Los pasos que se siguieron para la elaboración del montaje
experimental “Batch Test”, son los siguientes:
23
Para la preparación de los digestores anaerobios se utilizaron seis
recipientes de vidrio de 1.5 litros de capacidad, y a las tapas de jebe de estos
recipientes se les perforó un orificio de 2 mm de diámetro, estas tapas sirven
como selladores herméticos de los digestores construidos; el orificio perforado
nos permitió la salida del biogás que se produjo en el interior de los digestores
anaerobios instalados. A estos orificios realizados se introdujeron tubos de vidrio
de una longitud de 9 cm y un diámetro de 2 mm (ver figura 15), hasta traspasar
el 50% de su medida por los agujeros; luego se conectaron mangueras de
silicona transparente de una longitud de 20 cm y un diámetro de 2 mm. Para un
sellado correcto de los orificios y de las tapas de jebe que tienes estos primeros
seis recipientes de vidrio, se utilizaron 6 abrazaderas metálicas de 9 mm y otras
6 abrazaderas metálicas de 50 mm respectivamente, adicionales a estas se
utilizó la silicona para vidrio. También se construyó una mesa de 20 cm de ancho,
1.20 m de largo y una altura de 25 cm; esta mesa sirvió como plataforma de
estos seis primeros recipientes de vidrio (digestores anaerobios), evitando de
esta forma las presiones negativas que pudieran existir con las siguientes serie
de botellas instaladas.
Las mangueras de silicona transparente conectadas a los seis
primeros recipientes de vidrio, nos sirvió para la conducción del biogás hacia las
siguientes 6 botellas de vidrio de 1L de capacidad que contienen una solución
de NaOH (2 Molar) mezcladas en 1L de agua destilada respectivamente, la
solución de hidróxido de sodio es utilizado para eliminar por completo el
contenido de dióxido de carbono y por lo tanto detectar la cantidad de metano
formado. Estas seis botellas de vidrio cuentan con sus 6 respectivas tapas de
plástico, y a estas se les hicieron perforaciones teniendo dos orificios de 2 mm
de diámetro. Uno de los orificios fue para la entrada del biogás proveniente de
los digestores anaerobios instalados y el segundo orificio para la conducción del
metano, este segundo orificio se conectó a través de mangueras de silicona
transparente de 15 cm de longitud a las siguientes 6 recipientes de vidrio con
una capacidad de 1 L (estas contenían 1L de agua destilada), selladas con sus
6 tapones de gomas respectivas.
24
La tercera serie de seis recipientes de vidrio que contienen el agua
destilada cuentan con sus 6 respectivas tapones de jebe, también se les hicieron
dos orificios de 2 mm de diámetro, uno de los orificios sirvió para conectar el
ingreso del gas metano, y la otra para conectar una manguera de silicona
transparente de 20 cm de longitud, esta última conexión nos sirvió para desplazar
el agua destilada a la última serie de 6 vasos de vidrio de una capacidad de 500
ml. Y estas se recogieron con las probetas graduadas de 25 mL. El metano
formado desplazó la misma cantidad de agua de las botellas de almacenamiento
situadas al final.
3.3.2. Análisis de los parámetros fisicoquímicos (pH, temperatura,
Sólidos Totales y Sólidos volátiles) en el estiércol de ganado
vacuno y gallinaza, al inicio y al final del proceso de digestión
anaerobia
3.3.2.1. Toma de muestras
Estiércol de ganado vacuno: Se extrajeron muestras de 2 kg de este
estiércol fresco proveniente de Establo Lechero de la Universidad Nacional
Agraria de la Selva, se almacenaron en una bolsa de fibra de plástico tejida con
previa autorización del encargado. Luego fue trasladada al Laboratorio de
Tratamiento y Calidad de Suelo de la Universidad Nacional Agraria de la Selva.
Gallinaza: Se extrajeron muestras de 1 kg de este estiércol
provenientes del Galpón de Aves de la Universidad Nacional Agraria de la Selva,
las cuales tenían cinco días de haber sido preparadas; se almacenaron en una
bolsa de fibra de plástico tejida con previa autorización del encargado. Luego fue
trasladada al Laboratorio de Tratamiento y Calidad de Suelo de la Universidad
Nacional Agraria de la Selva.
3.3.2.2. Preparación de la mezcla inicial
Antes de las preparaciones de las mezclas iniciales se tomó en cuenta
que se tiene que dejar un espacio de 20 % (300 ml) en la parte superior de los
25
recipientes de vidrio (digestores anaerobios) de capacidad de 1.5 L, esto debido
a que en esa zona de espacio se formaron los gases como productos de la
digestión anaerobia de las muestras.
Estiércol de ganado vacuno: Se tomó 500 g de estiércol fresco del
ganado vacuno ya extraídos previamente, esta se mezcló con 500 ml de agua
destilada, cumpliendo con la relación 1:1 siendo de esta manera una parte de
estiércol y una de agua.
Gallinaza: Se tomó 250 g de este estiércol ya extraídos previamente,
esta se mezcló con 750 ml de agua destilada, cumpliendo con la relación 1:3
siendo de esta manera una parte de estiércol y tres de agua.
La cantidad de agua varía de acuerdo con la materia prima destinada
a la fermentación, siendo experimentada ya anteriormente para estos tipos de
estiércol por otros autores.
3.3.2.3. Descripción de las pruebas individuales
Cuadro 11. Pruebas individuales para el estiércol de ganado vacuno y gallinaza.
Pruebas individuales para cada muestra
Repeticiones Codificación Cantidades utilizadas
Muestra 1
3
EV1 (Estiércol de ganado vacuno 1), EV2 (Estiércol
de ganado vacuno 2) y EV3 (Estiércol de ganado
vacuno 3).
500 g de estiércol (50 %)
500 ml de agua
destilada (50%)
Relación 1:1
Muestra 2
3 G1 (Gallinaza 1), G2
(Gallinaza 2) y G3 (Gallinaza 3).
250 g de estiércol (25 %)
750 ml de agua
destilada (75%)
Relación 1:3
En el cuadro anterior se pueda apreciar las 3 repeticiones que se
realizaron y las concentraciones de las cantidades utilizadas para cada muestra:
estiércol de ganado vacuno y gallinaza, respectivamente.
26
3.3.2.4. Parámetros fisicoquímicos
El análisis de los parámetros fisicoquímicos: sólidos totales y volátiles,
fueron realizadas en el Laboratorio de Química de la Universidad Nacional
Agraria de la Selva con la supervisión del encargado. La determinación del pH y
la temperatura se realizaron en el Laboratorio de Tratamiento y Calidad del
Suelo. A continuación se presentan en el siguiente cuadro los métodos de
análisis empleados para cada parámetro evaluado.
Cuadro 12. Métodos empleados en el análisis de las muestras
Parámetros evaluados Método de análisis Equipos
pH Potenciometría Multiparámetro (Milwaukee
Mi 180)
Temperatura Termometría Multiparámetro (Milwaukee
Mi 180)
Sólidos Totales Gravimetría Estufa (105°C) Sólidos Volátiles Gravimetría Mufla (550°C)
El análisis de los parámetros fisicoquímicos: sólidos totales, sólidos
volátiles, pH y temperatura se realizaron tanto al inicio como al final del tiempo
de evaluación establecido (45 días).
Sólidos Totales
La metodología utilizada para la determinación de sólidos totales, está
basado en los métodos normalizados (APHA, 2012).
a. Fundamento: La muestra homogenizada se evaporizó en un crisol
a peso constante a una temperatura de 103-105 °C. El incremento en peso sobre
el crisol es el contenido de sólidos totales.
b. Procedimiento
- Se homogenizó la muestra.
27
- Se tomaron 20 mL de la muestra y se colocaron en un crisol
(previamente a peso constante); el volumen de muestra puede variar,
dependiendo de las características de la misma.
- Luego se evaporó completamente la muestra en un horno a
temperatura constante de 103-105 °C.
- Se registró la variación del peso del crisol, hasta que sea constante
(variación del 4% ó 0.5mg, la que sea menor). Finalmente se sacó la muestra de
la estufa, colocándola en un desecador hasta temperatura ambiente, previa al
registro de peso.
c. Cálculos
El cálculo para los sólidos totales se muestra en la ecuación 2.
𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 [ 𝑚𝑔
𝐿] =
1000 (𝐴 − 𝐵)
𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (2)
Dónde:
A= Peso del crisol + el residuo seco (mg)
B= Peso del crisol (mg)
Solidos volátiles
La metodología utilizada para la determinación de sólidos totales, está
basado en los métodos normalizados (APHA, 2012).
a. Fundamento: La muestra seca es calcinó a una temperatura de
550 °C. El residuo es el contenido de sólidos fijos, y el peso perdido en la ignición
es el contenido de sólidos volátiles.
b. Procedimiento
- Se calcinó la muestra (previamente secada a 103-105 °C) en una
mufla a una temperatura de 550 °C durante el tiempo requerido; este varía de
15-20 minutos (para una muestra de 200 mg de residuo) hasta 2-4 horas para
muestras de lodos, pastas, etc.
28
- Antes de sacar la muestra de la mufla, se debe permitir que la
temperatura baje hasta 105 °C; entonces, se colocó en un desecador y se dejó
hasta que baje a la temperatura ambiente.
- Finalmente se registró la variación del peso del crisol, hasta que
sea constante (variación del 4% ó 0.5mg, la que sea menor).
c. Cálculos
El cálculo para los sólidos totales se muestra en la ecuación 3.
𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑉𝑜𝑙á𝑖𝑖𝑙𝑒𝑠 [ 𝑚𝑔
𝐿] =
1000 (𝐴 − 𝐵)
𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (3)
Dónde:
A= Peso del crisol + el residuo seco (mg)
B= Peso del crisol + el residuo calcinado (mg)
pH y Temperatura
Para determinar el pH y temperatura se realizó a través del
multiparámetro (Milwaukee Mi 180). La determinación se realizó directamente
sobre la muestra. Primero se preparó solución acuosa que consistió en la dilución
muestra: agua, siendo la relación de 1: 3 respectivamente. Posterior a eso se
verificó si el multiparámetro este calibrado según las instrucciones del fabricante,
luego se introdujo el electrodo de vidrio en las muestras que se analizaron,
dejando que se estabilice finalmente anotando el pH y la temperatura obtenidos.
3.3.2.5. Tiempo de evaluación del proceso de digestión
anaerobia
El tiempo de evaluación de la digestión anaerobia fue de 45 días, del
inicio (27/02/17) hasta el final (12/04/17) de comenzado el proceso, de esta forma
este tiempo determinado nos permitirá determinar la eficiencia de remoción
29
alcanzada de los parámetros fisicoquímicos: sólidos totales y volátiles. Así como
también la producción de biogás.
3.3.3. Determinación de la eficiencia del proceso de digestión
anaerobia desde los parámetros fisicoquímicos (Sólidos totales
y Sólidos volátiles)
Después de haberse realizado el análisis de los parámetros
fisicoquímicos (sólidos totales y volátiles) tanto al final como al inicio del proceso
de digestión anaeróbica, se determinó la eficiencia del proceso por medio del
porcentaje de remoción (CASTELLANOS, J.Z. 1990). Para determinar el
porcentaje de remoción de sólidos totales y sólidos volátiles se utilizó la siguiente
ecuación 4:
% 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 = 100 [𝐶𝑖 − 𝐶𝑓
𝐶𝑖] (4)
Donde:
Ci = Concentración inicial del parámetro a evaluar
Cf = Concentración final del parámetro a evaluar
3.3.4. Determinación del volumen de biogás producido
El volumen de biogás producido se midió con un sistema volumétrico
(CÁRDENAS, J. 2012). El biogás producido se conduce a través de una solución
de hidróxido de sodio para eliminar por completo el contenido de dióxido de
carbono y por lo tanto detectar la cantidad de metano.
El metano formado desplaza posteriormente la misma cantidad de
agua de la botella de almacenamiento situada al final de la serie. Esta se recogió
y se midió el volumen desplazado cada 5 días hasta finalizada el tiempo de
evaluación (45 días). En el siguiente cuadro 13, se presenta el formato para
anotar los volúmenes tanto el total como el acumulado.
30
Cuadro 13. Formato para la anotación de los volúmenes producidos.
Estiércol de ganado vacuno Gallinaza
Día Total (mL) Acumulado (mL) Día Total (mL) Acumulado (mL)
1 1
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
31
IV. RESULTADOS
4.1. Elaboración del montaje experimental “Batch Test” para la
producción de biogás a escala de laboratorio
Para la elaboración del “Batch Test”, se necesita de un agitador
magnético que es usado para la mezcla y de una cámara de clima o un baño de
agua (baño maría), en donde son colocados los recipientes de vidrio que
contienen los sustratos: estiércol de ganado vacuno y gallinaza, es por eso que
se realizó la elaboración de este “Batch Test”, de acuerdo a los materiales y
equipos que se dispusieron en el Laboratorio de Tratamiento y Calidad del Suelo
de la Universidad Nacional Agraria de la Selva.
El montaje experimental “Batch Test constó de cuatro series de 6
recipientes de vidrio: La primera serie de 6 son los digestores anaerobios en
donde se produjo el biogás, la segunda serie de 6 tienen una solución de NaOH
2 molar para la absorción de CO2, la tercer serie de 6 son las botellas de
desplazamiento de agua y por último la cuarta serie de 6 son los vasos de vidrio.
El modelo de una serie se representa en la figura 7.
32
Figura 7. Modelo de una serie “Batch Test” y el recorrido del biogás.
En el siguiente cuadro 14, se detallan cada uno de los materiales
utilizados y su simbología respecto a la figura 7 anterior.
Cuadro 14. Materiales utilizados para la elaboración del “Batch Test”
Símbolo Descripción
1 Varillo de vidrio (9 cm)
2 Tapa de jebe
3 Abrazadera metálica (50 mm)
4 Digestor anaerobio (1.5 L)
5 Mesa de madera (0.2 m X 1.20 m X 0.25 cm)
6 Manguera de silicona transparente (20 cm y 15 cm)
7 Tapa de plástico
8 Botella de NaOH (1 L)
9 Tapones de jebe
10 Botella de desplazamiento de agua (1 L)
11 Vaso de vidrio (0.25 L)
Las seis series adecuadas previas al inicio del proceso de digestión
anaerobia, se pueden observar en los Anexos – figura 16. Y las seis series
adecuadas ya con el funcionamiento del proceso de digestión anaerobia, se
pueden observar en los Anexos – figura 24.
33
4.2. Análisis de los parámetros fisicoquímicos en el estiércol de ganado
vacuno y gallinaza.
Los resultados que se presentan son el promedio de cada sustrato
evaluado (estiércol de ganado vacuno y gallinaza), ya que se hicieron 3
repeticiones para cada uno respectivamente con las mismas proporciones de
estiércol y agua destilada como se mostraron en el cuadro 11.
Los resultados para cada una de las pruebas individuales para este
objetivo se detallan en el ANEXO – Cuadro 22.
4.2.1. pH
En el cuadro 15 se muestra los valores del pH promedio obtenido al
inicio y al final del proceso.
Cuadro 15. Valores de pH promedio.
Muestras Inicio (pH) Final (pH)
Estiércol de ganado vacuno 7.7 5.9
Gallinaza 8.9 6.3
En la figura 8 se puede apreciar que el valor promedio del pH
obtenido para el estiércol de ganado vacuno disminuye de 7.7 al inicio a 5.9 al
final del proceso. Y para la gallinaza ocurre lo mismo, disminuye de 8.9 al inicio
a 6.3 al final del proceso.
34
Figura 8. Valores de pH promedio.
4.2.2. Temperatura °C
En el cuadro 16 se muestra los valores de la temperatura promedio
obtenido al inicio y al final del proceso.
Cuadro 16. Valores de temperatura promedio
Muestras Inicio (Temperatura °C) Final (Temperatura °C)
Estiércol de ganado vacuno
26.5 25.4
Gallinaza 25.3 25.4
En la figura 9 se puede apreciar que el valor promedio de la
temperatura obtenido para el estiércol de ganado vacuno disminuye de 26.5°C
al inicio a 25.4°C al final del proceso. Y para la gallinaza ocurre lo inverso,
aumenta de 25.3°C al inicio a 25.4°C al final del proceso.
7.7
8.9
5.96.3
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
Estiercol de Ganado Vacuno Gallinaza
pH
Inicial Final
35
Figura 9. Valores de temperatura promedio.
4.2.3. Sólidos Totales (ST)
En el cuadro 17 se muestra los valores de los sólidos totales
promedio obtenido al inicio y al final del proceso.
Cuadro 17. Valores de sólidos totales promedio.
Muestras Inicio (Sólidos Totales) Final (Sólidos Totales)
Estiércol de ganado vacuno
77799 ppm 7.78% 69717 ppm 6.97%
Gallinaza 157636 ppm 15.76% 123288 ppm 12.33%
1 ppm equivale a 0.0001 %
En la figura 10 se puede apreciar que el valor promedio de los sólidos
totales obtenido para el estiércol de ganado vacuno disminuye de 77799 ppm o
7.79% al inicio a 69717 ppm 6.97% al final del proceso. Y para la gallinaza ocurre
lo mismo, disminuye de 157636 ppm o 15.76% al inicio a 123288 ppm o 12.33%
al final del proceso.
26.5
25.325.4 25.4
24.6
24.8
25.0
25.2
25.4
25.6
25.8
26.0
26.2
26.4
26.6
Estiercol de Ganado Vacuno Gallinaza
Tem
per
atu
ra °
C
Inicial Final
36
Figura 10. Valores de sólidos totales promedio.
4.2.4. Sólidos Volátiles (SV)
En el cuadro 18 se muestra los valores de los sólidos volátiles
promedio obtenido al inicio y al final del proceso.
Cuadro 18. Valores de sólidos volátiles promedio.
Muestras Inicio (Sólidos Volátiles) Final (Sólidos Volátiles)
Estiércol de ganado vacuno
15559 ppm 1.56% 10457 ppm 1.05%
Gallinaza 31527 ppm 3.15% 18493 ppm 1.85%
1 ppm equivale a 0.0001 %
En la figura 11 se puede apreciar que el valor promedio de los sólidos
volátiles obtenido para el estiércol de ganado vacuno disminuye de 15559 ppm
o 1.56% al inicio a 10457 ppm o 1.05% al final del proceso. Y para la gallinaza
77799
157636
69717
123288
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
Estiercol de Ganado Vacuno Gallinaza
pp
m
Inicial Final
37
ocurre lo mismo, disminuye de 31527 ppm o 3.15% al inicio a 18493 ppm o 1.85%
al final del proceso.
Figura 11. Valores de sólidos volátiles promedio.
4.3. Determinación de la eficiencia del proceso de digestión anaerobia
desde los parámetros fisicoquímicos
4.3.1. Sólidos Totales (ST)
En el cuadro 19 se muestra el porcentaje de remoción del valor
promedio de los sólidos totales obtenidos.
Cuadro 19. Porcentaje de remoción promedio de sólidos totales.
Muestras Inicio Final Porcentaje de
Remoción (Sólidos Totales)
Estiércol de ganado
vacuno 77799 ppm 69717 ppm 10.38%
Gallinaza 157636 ppm 123288 ppm 21.79%
15559
31527
10457
18493
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
Estiercol de Ganado Vacuno Gallinaza
pp
m
Inicial Final
38
4.3.2. Sólidos Volátiles (SV)
En el cuadro 20 se muestra el porcentaje de remoción del valor
promedio de los sólidos volátiles obtenidos del inicio y al final del proceso.
Cuadro 20. Porcentaje de remoción promedio de sólidos volátiles.
Muestras Inicio Final Porcentaje de
Remoción (Sólidos Volátiles)
Estiércol de ganado vacuno
15559 ppm 10457 ppm 32.79%
Gallinaza 31527 ppm 18493 ppm 41.34%
En la figura 12 se pueden apreciar los porcentajes de remoción de
sólidos totales y volátiles, tanto para el estiércol de ganado vacuno y la gallinaza.
Figura 12. Porcentaje de remoción promedio de sólidos totales y volátiles.
4.4. Determinación del volumen de biogás producido
Los volúmenes determinados de biogás para el estiércol de ganado
vacuno y la gallinaza, fueron obtenidos en un volumen total de la recolección de
cada una de las tres repeticiones respectivas tanto para el estiércol de ganado
vacuno y la gallinaza.
10.38%
32.79%
21.79%
41.34%
0.00%
5.00%
10.00%
15.00%
20.00%
25.00%
30.00%
35.00%
40.00%
45.00%
Sólidos Totales Sólidos Volátiles
Po
rcen
taje
de
rem
oció
n
Estiercol de Ganado Vacuno Gallinaza
39
En el cuadro 21 se puede apreciar el volumen de biogás generado
cada 5 días del estiércol de ganado vacuno y la gallinaza, y el biogás acumulado
durante los 45 días de evaluación del proceso para la producción de biogás.
El estiércol de ganado vacuno presentó valores máximos del volumen
de producción de biogás obtenidos cada 5 días las cuales fueron: 6 ml, 4.3 ml y
4 ml, que corresponden del día 15 al 25 del tiempo de evaluación del proceso
anaerobio.
Para la gallinaza los valores máximos del volumen de producción de
biogás obtenidos cada 5 días las cuales fueron: 52.3 ml, 45.7 ml y 34.3 ml, que
corresponden del día 10 al 20 del tiempo de evaluación del proceso anaerobio
Cuadro 21. Volumen de biogás generado total y acumulado por días.
Estiércol de ganado vacuno Gallinaza
Día Total (mL) Acumulado (mL) Día Total (mL) Acumulado (mL)
1 0 0 1 0 0
5 0 0 5 0 0
10 0 0 10 52.3 52.3
15 6 6 15 45.7 98
20 4.3 10.3 20 34.3 132.3
25 4 14.3 25 28 160.3
30 2 16.3 30 23 183.3
35 1.7 18 35 17.7 201
40 1.3 19.3 40 15.3 216.3
45 0 19.3 45 9.3 225.6
En la figura 13 se puede apreciar la generación de biogás cada 5
días producida por el estiércol de ganado vacuno y la gallinaza en donde la
gallinaza presenta una mayor generación cada 5 días y que posteriormente a
partir del día 10 la producción comienza a disminuir.
40
Figura 13. Volumen de biogás producido cada 5 días.
En la siguiente figura 14 se puede apreciar la generación de biogás
acumulado durante 45 días, del estiércol de vaca y de la gallinaza, siendo la
gallinaza la que presenta la mayor producción de volumen de biogás.
Figura 14. Volumen de biogás producido acumulado.
0 0 0
64.3 4
2 1.7 1.3 00 0
52.3
45.7
34.3
28
23
17.715.3
9.3
0
10
20
30
40
50
60
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Vo
lum
en (
mL)
Días
Estiércol de vaca Gallinaza
0 0 06 10.3 14.3 16.3 18 19.3 19.3
0 0
52.3
98
132.3
160.3
183.3
201
216.3225.6
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50
Vo
lum
en
(m
l)
Días
Estiércol de ganado vacuno Gallinaza
41
V. DISCUSIONES
Las ventajas en la elaboración del “Batch Test” son: estimación del
potencial del biogás, fácil de construir e instalar, bajo costo en la construcción,
repetibilidad y reproductibilidad, según LORBER G. (2014). De nuestro
resultado, la elaboración realizada del montaje experimental que se realizó
también fue fácil de instalar más no en la repetibilidad en cada una de las series
que se realizó, debido a que no se usaron agitadores magnéticos y una cámara
de clima (baño maría), por lo cual se utilizaron los materiales y equipos
disponibles en laboratorio para el desarrollo del “Batch Test” y de esta forma
adaptando la elaboración con las mismas funciones que se realizan en otras
instalaciones experimentales revisadas.
A valores de pH menores que 6.3 y mayores de 7.8, la cinética de la
metanogénesis disminuye notablemente, es importante cuidar que el pH se
encuentre dentro del rango mencionado, y que este no disminuya en el sistema,
ya que las bacterias formadoras de metano no pueden trabajar en valores de pH
debajo de 6, provocando una producción baja de metano según MOLINA, F.
(2002). De los resultados el valor del pH promedio del estiércol de ganado
vacuno al inicio fue de 7.7 y al final 5.9, este valor final de pH obtenido, se
encuentra fuera del rango establecido en la literatura, al no estar entre 6 y 8, por
lo que el proceso de digestión anaerobia ocurrido para esta muestra no se
cumplió con su totalidad. Los resultados del valor del pH promedio de la gallinaza
al inicio fueron de 8.9 y al final 6.3, este valor final de pH obtenido, se encuentra
dentro del rango establecido en la literatura, por lo que este valor nos indica que
el proceso de digestión anaerobia ocurrido en esta muestra se cumplió en su
totalidad alcanzando la metanogénesis.
42
La temperatura es uno de los parámetros que tiene mayor influencia
en el proceso de la digestión anaerobia, ya que altera la actividad de las enzimas,
y por tanto varía la velocidad del proceso de digestión; estas variaciones de
temperatura pueden traer consigo cierta inestabilidad durante la producción de
gas metano (CH4) e incluso influir en el desarrollo de microorganismos; en un
rango entre los 20 – 40ºC la reacción no presenta variaciones significativas
según FOIDL, N. (2008). De los resultados el valor de temperatura promedio del
estiércol de ganado vacuno al inicio fue de 26.5°C y al final 25.4°C. Así mismo
los resultados del valor de temperatura promedio de la gallinaza al inicio fue de
25.3°C y al final 25.4°C, estos valores finales de la temperatura obtenida indica
que ambas muestras se encuentran dentro del rango de temperatura óptimo para
el desarrollo de microorganismo anaeróbicos descritos en la literatura y por
consiguiente un desarrollo correcto, en cuanto al parámetro de la temperatura
del proceso de digestión anaerobia.
El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se
carga el digestor anaerobio es un factor importante a considerar para asegurar
que el proceso se efectúe satisfactoriamente, la concentración de sólidos totales
está dentro de un intervalo alrededor del 4 al 16 %; un mayor valor puede
influenciar la digestión, debido a que la movilidad de las bacterias metanogénicas
se encuentra limitada según LÓPEZ, O. (2008). De los resultados el valor de los
sólidos totales promedio del estiércol de ganado vacuno al inicio fue de 7.78%,
así mismo los resultados del valor de sólidos totales promedio de la gallinaza al
inicio fue de 15.76%, estos valores iniciales de sólidos totales obtenidos, se
encuentran dentro del rango establecido para que el proceso de digestión
anaerobia sea satisfactoria.
Los sólidos volátiles son el contenido de material orgánico dentro de
los sólidos totales, este parámetro proporciona la cantidad de materia orgánica
que tiene la muestra; los estudios recomiendan que es preferible tener sólidos
volátiles en un intervalo de 3 a 8 % para que haya una digestión adecuada según
CASTELLANOS, J.Z. (1990). De los resultados el valor de los sólidos volátiles
promedio del estiércol de ganado vacuno al inicio fue de 1.56%, este valor inicial
de sólidos volátiles obtenido no se encuentra dentro del rango establecido en la
43
literatura, por lo que es un indicador del bajo contenido de materia orgánica que
presenta la muestra y en consecuencia no ocurrió una digestión adecuada. De
los resultados el valor de los sólidos volátiles promedio de la gallinaza al inicio
fue de 3.15%, este valor inicial de sólidos volátiles obtenidos, se encuentra
dentro del rango establecido, la cual nos indica que hay un contenido de materia
orgánica considerable para el desarrollo de la digestión anaerobia.
La eficiencia de remoción de sólidos totales para un estiércol de
ganado vacuno reporta un rango entre 15 a 18 % y para la gallinaza entre 20 a
30 % según SAAVEDRA, C. (2007). De los resultados el valor de eficiencia de
remoción de sólidos totales promedio del estiércol de ganado vacuno fue de
10.38%, este valor obtenido se encuentra fuera del rango establecido en la
literatura, en consecuencia se dio una baja eficiencia de remoción, esto se debió
al bajo valor del pH a la cual se desarrolló el proceso influenciando en el
comportamiento de las bacterias metanogénicas, evitando de esta manera una
correcta eficiencia de remoción de sólidos totales. De los resultados el valor de
eficiencia de remoción de sólidos totales promedio de la gallinaza fue de 21.79%,
este valor obtenido, se encuentra dentro del rango establecido en la literatura,
en consecuencia se presentó una eficiente remoción de sólidos totales pero aún
existe materia no del todo digerido por los microorganismos anaerobios.
La eficiencia de remoción de sólidos volátiles para un estiércol de
ganado vacuno reporta un rango entre 37 a 40 % y para la gallinaza entre 40 a
60 % según CASTELLANOS, J.Z. (1990). De los resultados el valor de eficiencia
de remoción de sólidos volátiles promedio del estiércol de ganado vacuno fue de
32.79%, este valor obtenido se encuentra fuera del rango establecido en la
literatura, en consecuencia se dio una baja eficiencia de remoción, esto se debió
por el valor de pH fuera de rango para el desarrollo de bacterias metanogénica;
por lo tanto limitan el comportamiento de estas en el proceso de digestión
anaerobia y evitando de esta manera una correcta remoción de materia orgánica.
De los resultados el valor de eficiencia de remoción de sólidos volátiles promedio
de la gallinaza fue de 41.34%, este valor obtenido excede del rango establecido
en la literatura, esto se debe a que el pH en donde se desarrollaron los
44
microorganimos anaerobios fueron dentro de los indicados, en consecuencia se
presentó una eficiente remoción de la materia orgánica.
Existen muestras fácilmente degradables que producen rápidamente
biogás y la curva correspondiente se caracteriza por un fuerte aumento en la
cantidad de biogás acumulado mostrada en la curva 1 (ver Figura 5), si el
proceso es de dos etapas, la curva tiene pasos de escalera mostrada en la curva
2 (ver Figura 5), muestras que se degradan con dificultad tienen una curva de
formación de gas retardada, la forma de esta curva se puede deber a una leve
inhibición mostrada en la curva 3 (ver Figura 5), una inhibición completa provoca
un resultado de producción de biogás neto negativo mostrada en la curva 4 (ver
figura 5) según DROSG, B. et al., (2013). De los resultados obtenidos en la
práctica se puede apreciar la generación de biogás acumulado durante 45 días
del estiércol de ganado vacuno, obteniéndose una curva de frecuencia cercana
a la del tipo 3, la cual nos indica que se están degradando con dificultad con
formación de gas retardada. De los resultados obtenidos en la práctica se puede
apreciar la generación de biogás acumulado durante 45 días de la gallinaza,
obteniéndose una curva de frecuencia cercana a la del tipo 1, indicándonos un
fuerte aumento en la cantidad de biogás acumulada.
45
VI. CONCLUSIONES
1. Se obtuvo la producción de biogás a partir de estiércol de ganado vacuno
y gallinaza durante el proceso de digestión anaerobia a escala de
laboratorio, siendo el de mayor producción la gallinaza.
2. Se elaboró el montaje experimental “Batch Test” para la producción de
biogás a escala de laboratorio de acuerdo a los materiales y equipos que
se dispusieron.
3. Se analizaron los parámetros fisicoquímicos, presentando al inicio del
proceso la gallinaza mayores concentraciones en pH, sólidos totales y
sólidos volátiles y menor temperatura que el estiércol de ganado vacuno.
Y al final el pH de la gallinaza fue menor al del estiércol de ganado vacuno,
en temperatura el mismo valor para ambos estiércol; en sólidos totales y
volátiles lo mismo que ocurrió al inicio del proceso.
4. Se determinó la eficiencia del proceso de digestión anaerobia desde la
remoción de los sólidos totales y volátiles, siendo para un estiércol de
ganado vacuno menor con respecto a la gallinaza.
5. El valor del volumen de producción de biogás acumulada o total para el
estiércol de ganado vacuno fue menor con respecto a la gallinaza.
46
VII. RECOMENDACIONES
1. Una vez elaborado el montaje experimental “Batch Test”, se deberá
verificar si hay fugas ya que se deben cumplir condiciones estrictamente
anaeróbicas, para la supervivencia y actividad de las bacterias
participantes en la digestión anaeróbica.
2. Mezclar las muestras de estiércol de ganado vacuno y gallinaza con un
sustrato que aporte alcalinidad (Bicarbonato de Sodio, cal hidratada, etc.)
a las muestras y permita que se realice adecuadamente la metanogénesis
garantizando la estabilidad del pH en el sistema.
3. Realizar un análisis fisicoquímico más detallado como son la
determinación de DQO, ácidos grasos volátiles, relación C/N, porcentaje
de Humedad, etc.
4. Antes de cada medición del volumen de biogás producido, se recomienda
agitar los digestores anaerobios para que haya una evacuación del biogás
y sirva de esta manera como mecanismo para mejorar el contacto dentro
de los biodigestores y no hayan interferencias.
5. Analizar la presencia de microorganismos tanto al inicio y al final del
proceso de digestión anaerobia.
6. Realizar pruebas con diferentes concentraciones.
47
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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49
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50
VARNERO, M.T. 2011. “Manual del biogás” Organización de las Naciones
Unidas para la Alimentación y la Agricultura. Santiago de Chile, Chile. 119
p
51
IX. ANEXOS
52
ANEXO A: Cuadros sobre la caracterización y eficiencia de los estiércoles
Cuadro 22. Resultados de las pruebas individuales de la caracterización de las muestras.
Muestra pH
Temperatura (°C)
Solidos Totales (ppm) Solidos Volátiles
(ppm)
Inicial Final Inicial Final Inicial Final Inicial Final
EV1 8.03 5.7 26.6 25.7 63689 59434 12737 8915
EV2 7.56 5.89 25.6 25.2 81275 73883 16255 11082
EV3 7.42 5.96 27.2 25.3 88434 75833 17686 11374
Promedio 7.7 5.9 26.5 25.4 77799 69717 15559 10457
G1 8.91 6.22 25.4 25.2 127005 99895 25401 14984
G2 8.76 6.09 25.4 25.5 161328 125783 32265 18867
G3 8.95 6.51 25.1 25.4 184574 144185 36914 21627
Promedio 8.9 6.3 25.3 25.4 157636 123288 31527 18493
Cuadro 23. Resultados de las eficiencias de remoción alcanzada para cada prueba individual de las muestras.
Muestra
Eficiencia %
Solidos Totales Solidos Volátiles
EV1 6.70% 30.00%
EV2 9.10% 31.80%
EV3 14.20% 35.70%
Promedio 10.00% 32.50%
G1 21.30% 41.00%
G2 22.00% 41.50%
G3 21.90% 41.40%
Promedio 21.73% 41.30%
53
ANEXO B: Panel fotográfico
Figura 15. Insertando los tubos de vidrio a las tapas de jebe.
Figura 16. Seis series adecuadas previas al inicio del proceso de digestión anaerobia.
54
Figura 17. Toma de muestra del estiércol de ganado vacuno.
Figura 18. Toma de muestra de la gallinaza.
55
Figura 19. Pesando 500 g de estiércol de ganado vacuno.
Figura 20. Preparando la mezcla inicial de estiércol de ganado vacuno.
56
Figura 21. Pesando solución de NaOH (2M) en la balanza de precisión.
Figura 22. Mezclando la solución de NaOH en 1 L de agua destilada.
57
Figura 23. Colocando 1L de agua destilada en el recipiente de vidrio.
Figura 24. Seis series adecuadas ya con el funcionamiento del proceso de digestión anaerobia.
58
Figura 25. Muestras de estiércol de ganado vacuno y gallinaza para realizar el
análisis fisicoquímico.
Figura 26. Apunte de datos de pH y temperatura utilizando el Multiparámetro
59
Figura 27. Muestras de estiércol de ganado vacuno y gallinaza para ser el
análisis de sólidos.
Figura 28. Muestras luego de la evaporación a una temperatura de 105°C.
60
Figura 29. Pesando una muestra en una balanza de precisión
Figura 30. Muestras llevadas a la mufla en crisoles.
61
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
´
PRÁCTICA PRE PROFESIONAL
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DEL ESTIERCOL DE GANADO
VACUNO Y GALLINAZA DURANTE EL PROCESO DE DIGESTIÓN
ANAEROBIA A ESCALA DE LABORATORIO
EJECUTOR : LIJARZA GALVEZ, Yeshua Isaí
ASESOR : Ing. M. Sc. BETETA ALVARADO, Víctor M.
LUGAR DE EJECUCION : Laboratorio de Tratamiento y Calidad del Suelo
de la Universidad Nacional Agraria de la Selva
DURACION : 07 DE FEBRERO – 08 MAYO
TINGO MARIA –PERÚ
2017
62
ÍNDICE
Página
I. INTRODUCCION................................................................................... 1
1.1. Objetivo General.................................................................................... 2
1.2. Objetivos Específicos ............................................................................ 2
II. REVISION DE LITERATURA ................................................................ 3
2.1. Utilidad de los residuos como materia prima ......................................... 3
2.1.1. Estiércol de ganado vacuno ........................................................... 4
2.1.2. Gallinaza ........................................................................................ 5
2.2. Digestion anaerobia............................................................................... 7
2.2.1. Hidrólisis ......................................................................................... 8
2.2.2. Acidogénesis .................................................................................. 8
2.2.3. Acetogénesis .................................................................................. 9
2.2.4. Metanogénesis ............................................................................... 9
2.2.5. Tipos de digestores anaerobios ................................................... 10
2.3. Factores que afectan la digestión anaerobia ....................................... 11
2.3.1. Sustrato ........................................................................................ 11
2.3.2. pH ................................................................................................. 12
2.3.3. Temperatura ................................................................................. 12
2.3.4. Concentración de sólidos ............................................................. 13
2.3.5. Contenido de agua en la mezcla .................................................. 15
2.4. Biogás ................................................................................................. 16
2.4.1. Características del biogás ............................................................ 16
2.4.2. Aplicación del biogás .................................................................... 17
2.4.3. Cuantificación de biogás en laboratorio – Batch Test ................... 18
2.4.4. Curvas de frecuencia en la producción de biogás ........................ 20
III. MATERIALES Y METODOS ............................................................... 21
3.1. Ubicación ............................................................................................. 21
3.1.1. Ubicación política ......................................................................... 21
3.1.2. Ubicación geográfica .................................................................... 21
3.2. Materiales y equipos ............................................................................ 22
3.2.1. Materiales ..................................................................................... 22
3.2.2. Equipos ........................................................................................ 22
3.2.3. Reactivos ...................................................................................... 22
3.3. Metodología ......................................................................................... 22
63
3.3.1. Elaboración del montaje experimental “Batch Test” para la la producción de biogás a escala de laboratorio ............................... 22
3.3.2. Análisis de los parámetros fisicoquímicos (pH, temperatura, Sólidos Sólidos Totales y Sólidos volátiles) en el estiércol de ganado vacuno vacuno y gallinaza, al inicio y al final del proceso de de digestión anaerobia .................................................................. 24
3.3.3. Determinación de la eficiencia del proceso de digestión anaerobia anaerobia desde los parámetros fisicoquímicos (Sólidos totales y totales y Sólidos volátiles) ............................................................. 29
3.3.4. Determinación del volumen de biogás producido ......................... 29
IV. RESULTADOS .................................................................................... 31
4.1. Elaboración del montaje experimental “Batch Test” para la producción de de biogás a escala de laboratorio ........................................................ 31
4.2. Análisis de los parámetros fisicoquímicos en el estiércol de ganado ganado vacuno y gallinaza. ................................................................. 33
4.2.1. pH ................................................................................................. 33
4.2.2. Temperatura °C ............................................................................ 34
4.2.3. Sólidos Totales (ST) ..................................................................... 35
4.2.4. Sólidos Volátiles (SV) ................................................................... 36
4.3. Determinación de la eficiencia del proceso de digestión anaerobia desde desde los parámetros fisicoquímicos ................................................... 37
4.3.1. Sólidos Totales (ST) ..................................................................... 37
4.3.2. Sólidos Volátiles (SV) ................................................................... 38
4.4. Determinación del volumen de biogás producido ................................ 38
V. DISCUSIONES .................................................................................... 41
VI. CONCLUSIONES ................................................................................ 45
VII. RECOMENDACIONES ....................................................................... 46
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................... 47
IX. ANEXOS ............................................................................................. 51
64
ÍNDICE DE CUADROS
Página
1 Producción de biogás de varios tipos de estiércol .......................................... 4
2. Composición química del estiércol de ganado vacuno .................................. 4
3. Parámetros fisicoquímicos de la gallinaza ..................................................... 6
4. Contenido nutrimental de la gallinaza comparado con el estiércol de ..............
bovino. ........................................................................................................... 6
5. Características de la fase acidogénica y metanogénica .............................. 10
6. Tecnología empleada en la digestión anaerobia .......................................... 11
7. Rangos de temperatura y tiempo de fermentación anaeróbica .................... 13
8. Características cuantitativas de diferentes sustratos para la ..........................
digestión anaerobia. ..................................................................................... 15
9. Relación – materia prima (estiércol: agua) .................................................. 16
10. Composición del biogás ............................................................................. 17
11. Pruebas individuales para el estiércol de ganado vacuno y gallinaza. ....... 25
12. Métodos empleados en el análisis de las muestras ................................... 26
13. Formato para la anotación de los volúmenes producidos. ......................... 30
14. Materiales utilizados para la elaboración del “Batch Test” ......................... 32
15. Valores de pH promedio............................................................................. 33
16. Valores de temperatura promedio .............................................................. 34
17. Valores de sólidos totales promedio. ......................................................... 35
18. Valores de sólidos volátiles promedio. ....................................................... 36
19. Porcentaje de remoción promedio de sólidos totales. ................................ 37
20. Porcentaje de remoción promedio de sólidos volátiles. ............................. 38
21. Volumen de biogás generado total y acumulado por días. ........................ 39
22. Resultados de las pruebas individuales de la caracterización de las ............
muestras. ................................................................................................... 52
23. Resultados de las eficiencias de remoción alcanzada para cada prueba
prueba individual de las muestras. ............................................................ 52
65
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
1. Esquema de la descomposición anaeróbica .................................................. 7
2. Efecto de la temperatura en la digestión anaerobia ..................................... 13
3. Alternativas de uso del biogás. .................................................................... 18
4. Instalación experimental simplificada para determinar el rendimiento .............
de metano (Batch Test). ............................................................................ 19
5, Formas típicas de las curvas de formación de gas ...................................... 20
6. Mapa de ubicación del Laboratorio de calidad y tratamiento del suelo. ....... 21
7. Modelo de una serie “Batch Test” y el recorrido del biogás. ........................ 32
8. Valores de pH promedio. ............................................................................. 34
9. Valores de temperatura promedio. ............................................................... 35
10. Valores de sólidos totales promedio. ......................................................... 36
11. Valores de sólidos volátiles promedio. ....................................................... 37
12. Porcentaje de remoción promedio de sólidos totales y volátiles. ............... 38
13. Volumen de biogás producido cada 5 días. ............................................... 40
14. Volumen de biogás producido acumulado. ................................................ 40
15. Insertando los tubos de vidrio a las tapas de jebe. .................................... 53
16. Seis series adecuadas previas al inicio del proceso de digestión .................
anaerobia. .................................................................................................. 53
17. Toma de muestra del estiércol de ganado vacuno. .................................... 54
18. Toma de muestra de la gallinaza. .............................................................. 54
19. Pesando 500 g de estiércol de ganado vacuno. ........................................ 55
20. Preparando la mezcla inicial de estiércol de ganado vacuno. .................... 55
21. Pesando 2M de NaOH en la balanza de precisión. .................................... 56
22. Mezclando los 2M de NaOH en 1 L de agua destilada. ............................. 56
23. Colocando 1L de agua destilada en el recipiente de vidrio. ....................... 57
24. Seis series adecuadas ya con el funcionamiento del proceso de ..................
digestión anaerobia. .................................................................................. 57
25. Muestras de estiércol de ganado vacuno y gallinaza para realizar el ............
análisis fisicoquímico. ................................................................................ 58
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26. Apunte de datos de pH y temperatura utilizando el Multiparámetro ........... 58
27. Muestras de estiércol de ganado vacuno y gallinaza para ser el ...................
análisis de sólidos. ..................................................................................... 59
28. Muestras luego de la evaporación a una temperatura de 105°C. .............. 59
29. Pesando una muestra en una balanza de precisión .................................. 60
30. Muestras llevadas a la mufla en crisoles. ................................................... 60