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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUIMICA
“ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TECNOLÓGICA DE LA BIODIGESTIÓN
UTILIZANDO EXCRETAS DEL GANADO PORCINO DEL DISTRITO DE LA
ESPERANZA”
PROYECTO DE TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO AUTORES : Br. LUIS FERNANDO RAMIREZ BRAVO
Br. CARLOS OCTAVIO VALVERDE CAMPOS ASESOR : Dr. JOSÉ LUIS SILVA VILLANUEVA
TRUJILLO – PERÚ 2013
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JURADO DICTAMINADOR
DR.WALTER MORENO EUSTAQUIO
PRESIDENTE
ING. JUAN SALDAÑA SAAVEDRA
SECRETARIO
DR. JOSE LUIS SILVA VILLANUEVA
ASESOR
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DEDICATORIA
A mis padres por ser guía y ejemplo de
esfuerzo, por su constante apoyo
y como muestra de mi eterno
agradecimiento.
Br: Carlos Octavio Valverde Campos
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DEDICATORIA
A la memoria de mis padres quien
permanecen en mi a través de su ejemplo
y los recuerdos apoyándome y guiándome
en el camino de la vida
Br: Luis Fernando Ramírez Bravo
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AGRADECIMIENTO Nuestro más sincero y profundo agradecimiento:
Al Dr. José Luis Silva Villanueva, asesor de la presente tesis y dedicación durante el desarrollo del estudio.
Así mismo a los ingenieros de la Facultad de Ingeniería Química por brindarnos sus conocimientos a lo largo de nuestra vida universitaria.
A todas aquellas que de una u otra forma contribuyeron para culminar una etapa más de nuestras vidas.
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PRESENTACIÓN Señores miembros del jurado:
En el cumplimiento con las disposiciones vigentes de Grados títulos de la Universidad Nacional de Trujillo y lo dispuesto por la Facultad de Ingeniería Química, disponemos a vuestra consideración y criterio el presente informe titulado:
“ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD TECNOLÓGICA DE LA BIODIGESTION
UTILIZANDO EXCRETAS DEL GANADO PORCINO DEL DISTRITO DE LA
ESPERANZA”
Con la finalidad de obtener el título profesional de Ingeniero Químico, nos sometemos a vuestro dictamen
Trujillo, 12 de abril del 2013
Los Autores
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ÍNDICE JURADO DICTAMINADOR……………………………………………………………i
DEDICATORIAS………………………………………………………………………..ii
AGRADECIMIENTO……………………………………………………………………iv
PRESENTACION……………………………………………………………………….v
RESUMEN ......................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 3
CAPÍTULO I I. FUNDAMENTO TEÓRICO.............................................................................. 6
1.1 GENERACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS .................................. 6
1.1.1 RESIDUOS MUNICIPALES URBANOS............................... 7
1.1.2 GESTIÓN INTEGRADA DE RESIDUOS SOLIDOS ............. 9
1.1.3 ESTRATEGIAS DE TRATAMIENTO.................................... 11
1.1.4 SITUACIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS EN EL
DISTRITO LA ESPERANZA .............................................. 15
1.2 EL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA ................................... 20
1.2.1 HISTORIA DE LA TECNOLOGIA......................................... 21
1.2.2 PRODUCTOS FINALES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. 24
1.2.3 CINETICA DE LAS REACCIONES BIOLÓGICAS ............... 27
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1.2.4 PROCESO MICROBIOLÓGICO Y BIOQUÍMICO ................ 32
1.2.5 PARÁMETROS AMBIENTALES Y DE CONTROL .............. 45
1.2.6 CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS ......................................... 60
CAPÍTULO II II. MATERIALES Y MÉTODOS .......................................................................... 72
2.1 CARACTERÍSTICAS DEL SUSTRATO ............................................. 72
2.2 METODOLOGÍA A UTILIZAR PARA REALIZAR EL ESTUDIO DE
VIABILIDAD....................................................................................... 75
2.3 CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTORES DE PRUEBA TIPO
BATCH............................................................................................... 76
2.4 DISEÑO DE EXPERIMENTO ............................................................ 87
2.5 MÉTODOS ANALÍTICOS .................................................................. 89
2.6 DESARROLLO Y SEGUIMIENTO DE LOS ENSAYOS..................... 91
2.7 CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE GAS....................................... 93
2.8 INDICES DE PRODUCCIÓN DE METANO Y CONCENTRACIÓN... 97
2.9 ANALISIS ESTADÍSTICOS ............................................................... 97
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CAPÍTULO III III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................... 98
3.1 EXPERIMENTO 1: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS CON
AGUA................................................................................................. 98
3.2 EXPERIMENTO 2: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS CON
ORINES ............................................................................................. 108
CAPÍTULO IV IV. CONCLUSIONES ......................................................................................... 123
CAPÍTULO V V. RECOMENDACIONES .................................................................................. 126
VI. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 127
VII. APÉNDICES ................................................................................................ 130
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RESUMEN En el distrito de la Esperanza, provincia de Trujillo, se ubica criaderos de ganado
Porcino, donde habitan aproximadamente 200 familias dedicadas a la crianza de
cerdos como actividad económica principal. La pobreza en la que viven y la
precariedad material y cultural en la que desarrollan esta actividad evidencia una
compleja problemática que interrelaciona temas sociales, económicos,
ambientales y sanitarios. Parte fundamental de la problemática ambiental es el mal
manejo de los residuos orgánicos generados por la actividad ganadera.
Es en la búsqueda de tecnologías apropiadas a dicho contexto y a una adecuada
gestión de los residuos orgánicos en la zona que se plantea el estudio de
Factibilidad Tecnológica de la Biodigestión, utilizando excretas del ganado porcino
del Distrito de la Esperanza.
Considerando la situación, la digestión anaerobia podría ser una tecnología
apropiada para el tratamiento de las excretas en la zona, con dos productos
básicos, fertilizante orgánico, para uso agrícola, y biogás, como energía renovable.
El objetivo de la investigación fue estudiar el proceso de digestión anaerobia en
rango psicrofílico y mesófilico utilizando concentraciones diferenciadas de excretas
de cerdo y dos tipos de diluyentes (agua y orina). Se utilizaron digestores
experimentales tipo batch de 225 L colocados in-situ en criaderos de ganado
Porcino de La Esperanza.
Como resultado se obtuvo que el contenido de sólidos volátiles en las excretas
demuestra que, concentraciones altas diluidas en agua u orina tienden a inhibir la
metanogénesis y disminuir el contenido de metano en biogás, mientras que
concentraciones menores muestran mayor productividad y contenido de metano
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en el biogás. Al finalizar la investigación se concluye que es posible producir biogás empleando
excretas de cerdo de criaderos de ganado Porcino de La Esperanza, sin agitación,
con concentraciones altas de sólidos volátiles, y con un control de proceso básico.
La digestión anaerobia resulta útil obteniendo como productos, una materia más
fácilmente asimilable por el suelo y un gas para ser empleado como combustible.
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ABSTRACT In the district of La Esperanza, province of Trujillo, piggery, home to about 200
families dedicated to raising pigs as the main economic activity is located.
Poverty in which they live and the material and cultural insecurity in developing
this activity demonstrates a complex problem that interrelates social, economic,
environmental and health issues. A fundamental part of the environmental
problem is the poor management of organic waste generated by livestock.
It is in seeking appropriate to that context and proper management of organic
waste in the area Technological Feasibility study of Biodigestion using pigs
excrete District of La Esperanza arises technologies.
Considering the situation, anaerobic digestion could be an appropriate technology
for the treatment of sewage in the area, with two commodities, organic fertilizer for
agricultural use, and biogas as a renewable energy. The aim of the research was
to study the anaerobic digestion process in psychrophilic and mesophilic range
using different concentrations of pig manure and two types of diluents (water and
urine). experimental batch digesters rate of 225 L placed in-situ in piggery of La
Esperanza were used.
As a result it was found that the content of volatile solids in the manure shows that
high concentrations diluted in water or urine tend to inhibit methanogenesis and
reduce the methane content in biogas, while lower concentrations show higher
productivity and methane content in the biogas.
After the investigation is concluded that it is possible to produce biogas using pig
manure piggery of La Esperanza, without stirring, with high concentrations of
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volatile solids, and a basic process control. Anaerobic digestion is useful obtaining
as products, a more easily assimilable by the ground material and a gas for use as
fuel.
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INTRODUCCIÓN
El distrito de La Esperanza como muchos otros distritos, ha crecido
rápidamente en los últimos años, debido en parte a la migración de la
población desde zonas rurales. El fuerte crecimiento poblacional esta
directamente relacionado a la contaminación del ambiente, pues las
cantidades generadas de residuos sólidos no se disponen mediante un
tratamiento apropiado. Es en este distrito donde se ubica los criaderos de
ganado Porcino de La Esperanza, área conformada por 40 Ha de terreno
donde habitan aproximadamente 200 familias dedicadas a la crianza de
cerdos como actividad económica principal. La pobreza en la que viven y la
precariedad material y cultural en la que desarrollan esta actividad
evidencia una compleja problemática que interrelaciona temas sociales,
económicos, ambientales y sanitarios.
Parte fundamental de la problemática ambiental es el mal manejo de los
residuos orgánicos generados por la actividad ganadera. La alimentación de
los cerdos se basa principalmente en el uso de residuos orgánicos
comprados a restaurantes ubicados en los alrededores, alimento que no es
consumido en su totalidad por los animales y cuyos restos mezclados con
excretas y orinas constituyen casi en su totalidad los residuos orgánicos
generados a diario por criaderos. La infraestructura elaborada muchas
veces con materiales reciclados como maderas, cartones y plásticos y pisos
de tierra dificulta las actividades de limpieza y recolección de los residuos
en cada corral generando la acumulación de los mismos por varios días,
inadecuada manipulación y una disposición final que agrava el problema, la
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que consiste en almacenar los residuos en áreas dentro o fuera de las
granjas donde esperan a que se sequen por acción del ambiente y del sol
para luego proceder a quemarlo.
Esta situación debe considerarse preocupante considerando que las
condiciones sanitarias son sumamente deficientes tanto para los habitantes
del lugar como para la crianza de animales de granea rara consumo
humano, cuya carne será comercializada en los mercados de Trujillo.
Además, los efectos negativos producidos por la emisión de gases debido a
la combustión de los residuos e infiltración de lixiviados magnificados por el
grado de inclinación de los suelos.
Es en la búsqueda de tecnologías apropiadas a dicho contexto y a una
adecuada gestión de los residuos orgánicos en la zona que se plantea el
estudio de Factibilidad Tecnológica de la Biodigestión, utilizando excretas
del ganado Porcino del Distrito de La Esperanza.
Entre las alternativas para el tratamiento y reciclaje de excretas en granjas,
se encuentran la elaboración de abonos (a condiciones aerobias) y la
digestión anaerobia. Las ventajas de la elaboración de abonos incluyen, la
simplicidad del proceso, la comodidad de uso, así como la producción de un
fertilizante orgánico. Sin embargo, la digestión anaerobia tiene una ventaja
adicional, la producción del metano, una energía renovable. El uso de la
biomasa para la producción energética puede tener ventajas ambientales,
sociales y económicas, es decir que ayuda a reducir la contaminación
ambiental generada por la disposición e incineración de los residuos, gases
de efecto invernadero generados por la combustión de combustibles fósiles,
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y reduce la dependencia de fuentes de energía externas, con los
consecuentes ahorros económicos. Considerando esta situación, la
digestión anaerobia podría ser una tecnología apropiada para el tratamiento
de las excretas en la zona, con dos productos básicos, fertilizante orgánico,
para uso agrícola, y biogás, como fuente de energía posible de utilizar en
cocinas y otros fines.
El objetivo de la presente investigación es estudiar parte del proceso de
digestión anaerobia en rango psicrofílico y mesófílico utilizando
concentraciones diferenciadas de excretas de cerdo en digestores
experimentales colocados in-situ en una de las granjas características de
criaderos del Distrito de La Esperanza. El estudio se enfoca en los efectos
generados en el proceso según la concentración de excretas y el tipo de
diluyente (agua u orina). La finalidad del documento consiste en obtener
información básica necesaria para establecer parámetros de diseño de
digestores anaerobios para ser puestos en funcionamiento, dirigidos a
formar parte de un plan de gestión de los residuos sólidos en criaderos
porcinos y mejorar así las condiciones de vida de los porcicultores.
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CAPÍTULO I I. FUNDAMENTO TEÓRICO
1.1 GENERACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS
Actualmente el Perú cuenta con una población estimada de 29’000.000
habitantes con una tasa de crecimiento promedio anual de 1.49%,
porcentaje que indica el crecimiento del tamaño poblacional y como
consecuencia, también el de la generación de residuos sólidos.
En base a los estudios realizados se ha calculado que la producción per
cápita promedio (PPC) de generación de residuos sólidos es
aproximadamente 0.53 kg./hab./día en el caso de ciudades urbanas,
para los núcleos y asentamientos humanos de menos de 5000
habitantes tienen PPC menor o igual a 0.2 kg./hab./día (Sandoval y
Becerra, 2009).
Los residuos en función de su origen de generación pueden clasificarse
en residuos domiciliarios, comerciales, limpieza de espacios públicos,
establecimientos de salud, industriales, actividades de construcción,
agropecuario, instalaciones o actividades especiales según como lo
establece el Art. 15° de la Ley General de Residuos Sólidos (2000).
La fracción orgánica de los residuos proviene principalmente de los
residuos domiciliarios, comerciales, industriales y agropecuarios. Sin
embargo, existe poca información sobre la generación de estos en
zonas rurales por lo cual para su descripción se consideran integrados
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al total de residuos municipales urbanos.
1.1.1 RESIDUOS MUNICIPALES URBANOS
De acuerdo a los resultados obtenidos de la Encuesta
Nacional de la Evaluación Regional de los Servicios de
Manejo de Residuos 2002, promovida por la Organización
Panamericana de la Salud, el 69% de la población forma parte
del ámbito urbano generando 0.529 kg./hab./día de residuos
domiciliarios. La generación promedio por distrito es de 0.367
a 0.780 kg/hab./día aunque se aprecia un significativo
aumento en zonas de Selva de 0.576 a 1.227 kg./hab./día
debido principalmente al alto consumo de productos naturales.
El total de residuos municipales en el país (excluyendo los
residuos de construcción) alcanza- un promedio de 0.711
kg./hab./día, lo que constituye una generación de 12 986.23
toneladas diarias a nivel nacional (CONAM, 2005).
La composición de los residuos presenta un alto contenido de
materia orgánica, 54.5% en peso, mientras que los materiales
reciclables alcanzan un 20.3% y los residuos restantes no
reciclables un 25.2% en peso.
Parte de la problemática actual en la gestión de residuos
sólidos es que la cobertura de servicios es aún baja, del 100%
de residuos sólidos municipales generados se dispone en
rellenos sanitarios el 19.7% y en botaderos controlados el
46%, se recicla el 14.7% y se vierte al ambiente el 19.6%.
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Alcanzando un 73.7% en cobertura de recolección de residuos
sólidos municipales. Del total de residuos generados solo el
65.7%, es decir 8 531.95 toneladas diarias, es destinado a una
disposición final ya sea rellenos sanitarios o botaderos
(CONAM, 2008).
El reciclaje de residuos es de tipo orgánico putrescible en un
60% y no putrescible (plásticos, papeles, metales, etc.) en un
40% y la actividad constituye un 14.7%, 1 908.8 toneladas
diarias, del total de los residuos municipales. El reciclaje es
efectuado a nivel domiciliario, durante la recolección y en
disposición final. El principal rubro del reciclaje lo constituye el
uso de materia orgánica para la crianza clandestina de cerdos.
Desde el punto de vista social, sanitario y ambiental esta
actividad se desarrolla de una manera marginal, en
condiciones infrahumanas y con altos niveles de riesgo para la
salud de los segregadores (CONAM, 2008).
Los residuos agropecuarios y comerciales aportan
significativamente a la generación de residuos orgánicos, sin
embargo no ha sido posible obtener información disponible
sobre los valores de producción, ni bajo que rubros debe
considerarse. Los residuos producidos por el sector
agropecuario son comúnmente abandonados en el punto de
origen, en donde se irán degradando progresivamente,
mientras que los residuos comerciales forman parte del
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sistema de recolección de residuos municipales.
En cuanto a los residuos industriales se estima en base a los
indicadores obtenidos en el proyecto INVENT efectuado por el
CEPIS, que en el año 2001 hubo una generación de residuos
industriales de 4 700 toneladas diarias a nivel nacional, de las
cuales el 19% corresponde a residuos no peligrosos. En
general constituyen un 37% de la generación de residuos
municipales.
En su mayoría, los residuos generados son trasladados a
disposición final en rellenos sanitarios o botaderos, aunque no
faltan las veces en que son depositados al ambiente. La falta
de autoridad y normativa específica en el manejo de estos
residuos es preocupante debido al incremento de la
producción industrial en la última década del siglo XX. Es
posible destacar la mejora de las tecnologías y la
responsabilidad empresarial, sin embargo, la preocupación
aún persiste debido a la insuficiente infraestructura para
atender la disposición final de residuos. Aún así, en los últimos
años se ha visto a varias empresas implementar sistemas de
disposición final y tratamiento de sus residuos (CONAM,
2008).
1.1.2 GESTIÓN INTEGRADA DE RESIDUOS SÓLIDOS
El Programa 21 adoptado en la CNUMAD (Conferencia de las
Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Desarrollo) y
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ratificada en Johannesburgo en septiembre del 2002, indica
que una gestión racional de los desechos debe procurar
resolver la causa fundamental del problema intentado cambiar
las pautas no sostenibles de producción y consumo. Esta es la
base del concepto de gestión integrada de residuos y tiene
como objetivo conciliar el desarrollo con la protección del
medio ambiente. Para ello se propone la implementación de
programas de reducción de desechos, aumento de
reutilización y reciclado ecológicamente racionales y la
ampliación de la cobertura de los servicios de residuos sólidos
(CONAM, 2008).
Actualmente se evidencia en el país una reforma del sector de
residuos sólidos. Con la Promulgación de la Ley General de
Residuos Sólidos (2000) y su Reglamento (2004), el desarrollo
de planes integrales de gestión ambiental de residuos a nivel
municipal, el desarrollo del Programa Nacional para el
Fortalecimiento de Capacidades para la Gestión Integral de
Residuos Sólidos entre otros, se puede apreciar que son
estrategias que se espera se concreten en el corto, mediano y
largo plazo con acciones articuladas en base al Plan Nacional
de Gestión Integral de Residuos Sólidos (2005).
Es de esperarse que en un futuro próximo se posibilite la
gestión integrada de residuos de diversos orígenes ya que las
ventajas van desde una mejora en el proceso de tratamiento,
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la disminución de los costos de recolección y transporte y la
disponibilidad de adecuar la composición del producto final del
tratamiento a un suelo o cultivo concreto (Campos, 2009).
1.1.3 ESTRATEGIAS DE TRATAMIENTO
La combinación de procesos individuales cuyo objetivo es
modificar las características del residuo para adaptarlo según
la demanda de un producto de calidad que se requiera se
denomina tratamiento (Teira et al, 2001).
La elección del tratamiento o proceso de tratamiento adecuado
dependerá siempre de cada zona geográfica, de las
necesidades determinadas según los estudios efectuados y el
plan de gestión, de la calidad y variabilidad del producto a
tratar, de la calidad del producto final obtenido y de los costos
económicos que impliquen. El fin básico de un tratamiento es
aumentar la capacidad de gestión sobre el residuo (Campos,
2009). En la Tabla 1.1 se sintetizan las características básicas
de algunos procesos que pueden ser aplicados en un
tratamiento de residuos ganaderos.
Por ejemplo, en granjas de engorde cuyo objetivo es evitar los
problemas causados por la generación de material orgánico,
como lo son las emisiones atmosféricas (causantes de malos
olores junto al amoníaco) se plantean dos estrategias:
- Transformar los materiales orgánicos disponibles a un
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compuesto final de tipo orgánico (biomasa) mediante un
proceso aeróbico heterótrofo, con consumo de energía.
- Transformar los materiales orgánicos disponibles
a formas gaseosas combustibles (biogás), un producto
final mineral, mediante un proceso anaerobio heterótrofo,
obteniéndose necesariamente una parte orgánica, aunque
esta sea mínima.
Cuando el producto final será empleado como fertilizante debe
cumplir los siguientes requisitos: ser un producto estable; tener
una mínima concentración de materia orgánica fácilmente
degradables; poco volumen con alta concentración de
nutrientes; relación N:P:K adecuada; mínima concentración de
metales pesados y tóxicos; higienizado; sin presencia de
patógenos; semillas, larvas o huevos y olor desagradable
(Campos, 2009).
La digestión anaerobia, cumple con las condiciones
mencionadas. En la Tabla 1.2 se resumen las ventajas con las
que cuenta.
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Tabla 1.1 Síntesis de operaciones aplicables al tratamiento de residuos ganaderos, en especial a excretas de cerdo.
Proceso Aplicado a
fracción S, L, T
Objetivo
1. Balsas de homogenización, estercoleros
T,S,L Regular la producción continua al consumo estacional de cultivos. Regular entradas discontinuas a plantas de tratamiento. Reducir patógenos.
2. Separación de fases T Separar para propiciar líneas específicas de tratamiento, transporte o aplicación a fracción S o L resultante.
3. Aplicación de enzimas y bacterias a balsas
T Aumentar concentración de sólidos. Transformar N amoniacal a orgánico
4. Nitrificación L Transformar N amoniacal a nítrico
5. Desnitrificación L Transformar N nítrico a N2. Eliminar materia orgánica fácilmente degradable
6. Descomposición aeróbica heterótrofa
L,T Eliminar materia orgánica
7. Digestión anaerobia T,L,S Producir CH4 (energía). Eliminar materia orgánica. Higienizar
8. Compostaje i S
Eliminar/ estabilizar materia orgánica. Higienizar. Obtener abono orgánico de calidad
9. Reducción biológica de fósforo L Transferir P soluble a fase biológicamente sedimentable. Eliminar materia orgánica fácilmente degradable
10. Precipitación química L Transferir algunos componentes a fase sedimentable. Separar P (apatitas, estruvita)
11. Secado/peletización S Separar agua. Reducir volumen
12.Evaporación/concentración L Separar agua. Reducir volumen
13. Stripping/absorción L Recuperar N amoniacal 14. Higienización térmica T Eliminar/ Inactivar patógenos. Hidrólisis térmica
15. Dosificación de aditivos T,S,L Modificar composición para adecuarla a cultivos o posibilitar otros procesos
16. Ozonización L Oxidación compuestos orgánicos recalcitrantes
17. Filtración en membrana/ osmosis inversa
L Separar sales. Reducir conductividad
T: residuo íntegro, S: fracción sólida, L: fracción líquida Fuente. Flotats et al (2007)
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Tabla 1.2. Ventajas del proceso de digestión anaerobia
Factor Ventajas de la digestión anaerobia
Variabilidad en la composición
Homogenización de la composición, más intensa cuarto mayor es el tiempo de retención.
Malos olores y compuestos orgánicos volátiles
Eliminación de ácidos grasos volátiles (AGV) y otros compuestos fácilmente degradables. La materia orgánica resultante es lentamente o difícilmente degradable; los purines digeridos no presentan olor desagradable y son un producto más estable. En procesos térmicos posteriores se evitan problemas por volatilización de compuestos orgánicos. La reducción o eliminación de AGV disminuye la fototoxicidad a los cultivos por estos compuestos.
Reducción de materia orgánica y total. Mineralización
Reducción de sólidos totales y volátiles. Reducción de materia orgánica degradable y mantenimiento de las concentraciones de nutrientes. Transformación de nitrógeno orgánico a amoniacal. En caso de separar la fase acuosa, el producto resultante presentará menor volumen, manteniendo la misma riqueza fertilizante.
Distribución de partículas y de fracción soluble
Homogenización en la distribución de partículas, lo cual favorece el diseño y aplicación de procesos posteriores de secado. Hidrólisis de partículas de pequeño tamaño y coloidales, y reducción de orgánicos solubles, con lo cual se facilita la separación entre fases solubles y en suspensión.
Consistencia Consistencia pastosa de la fracción sólida de los purines digeridos, lo cual favorece su manipulación y peletización.
Alcalinidad Disminución muy significativa de la relación de alcalinidad. Aporte de alcalinidad para favorecer un proceso posterior de nitrificación, total o parcial. A su vez, y debido a la reducción de materia orgánica, el consumo energético en este proceso será inferior al de la nitrificación de la fracción líquida de purines frescos.
Balance energético Balance energético positivo y proceso productor neto de energía renovable. Contribuye a disminuir las necesidades externas de energía para procesos térmicos posteriores. Permite el tratamiento de mezclas con otros residuos para optimizar la producción energética (codigestión), y facilitar la gestión integral de residuos orgánicos en la zona de aplicación del plan (cogestión).
Emisiones de gases de efecto invernadero
El proceso contribuye a la disminución en la generación de gases de efecto invernadero, si el metano producido sustituye una fuente no renovable de energía.
Fuente. Flotats et al (2007)
A su vez es importante reconocer que la aplicación de un proceso de
digestión anaerobia puede tener las siguientes limitantes:
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• Baja producción de biogás
• Nivel de eficiencia de la energía producida
• Trabajo de gestión del efluente resultante
1.1.4 SITUACIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS EN EL
DISTRITO DE LA ESPERANZA
La situación actual del manejo de los residuos a nivel nacional
se encuentra directamente relacionada con la pobreza,
enfermedades y contaminación ambiental. La alta tasa de
crecimiento poblacional más los inadecuados hábitos de
consumo, procesos desordenados de migración y flujos
comerciales insostenibles, forman parte de la problemática
que acontece a la gestión de residuos y son situaciones que
en conjunto inciden en el incremento de la generación de
residuos, que como ya se mencionó no logran ser cubiertos
por los servicios municipales y provocan una situación de
riesgo para la salud (CONAM, 2008).
Este panorama se agrava a causa de la crisis económica y
debilidad institucional que influyen en el desempeño de las
municipalidades. En cuanto a la población, presenta un alto
índice de morosidad en los pagos de arbitrios municipales,
escasa conciencia sanitaria y participación ciudadana para
superar los malos hábitos (Acuña et al, 2004).
El distrito de La Esperanza, perteneciente a la Provincia de
Trujillo, cuenta según el censo efectuado en el 2006 con una
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población de 3.526 hab. y una producción de residuos sólidos
de 0.488 kg./hab./día.
Para el año 1999 se calculó que la generación de residuos
domiciliarios fue de 69 toneladas al día, más un 10% extra de
residuos provenientes de mercados, colegios, comercios y
otras instituciones, y un estimado de 3 toneladas de las
actividades industriales, haciendo un total de
aproximadamente 79 toneladas diarias de residuos sólidos
municipales cuyo principal componente es la materia orgánica
en un porcentaje mayor al 30% del total generado (Alternativa,
1999). En la Tabla 1.3, se muestra la distribución de residuos
según la fuente de generación.
Tabla 1.3. Generación de residuos sólidos en La Esperanza
Fuentes de generación t/Día Porcentaje
Viviendas, comercio, centros educativos
69 87
Mercados, parques, jardines y vía pública
7 9
Industria 3 4
Total 79 100 Fuente. Alternativa. Generación y caracterización de residuos sólidos en la Municipalidad de La Esperanza
La Municipalidad de La Esperanza, en la actualidad se caracteriza
por carecer de un enfoque integral en la gestión de sus residuos
sólidos con un sistema operativo enfocado únicamente a la
recolección de residuos, desfasado de la estructura institucional para
la toma de decisiones (Alternativa, 1999). Así se presentan los
siguientes escenarios:
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Gestión de los residuos sólidos domiciliarios
El servicio de limpieza pública no responde a un sistema
planificado.
La municipalidad no cuenta con información sistematizada de la
prestación de servicios de limpieza pública, información
administrativa, económica y financiera.
Se desconocen el costo efectivo del servicio, una estructura de
costos del servicio y por tanto objetivos y metas para este.
Gestión de los residuos sólidos industriales
Aún cuando el Distrito de La Esperanza, cuenta con un gran
porcentaje de áreas para fines industriales, la Provincia de
Trujillo, no cuenta con un manejo sistematizado de los residuos
sólidos industriales.
En su mayoría las industrias del distrito se muestran reacias a dar
información sobre la generación, características y manejo de sus
residuos, aún de los peligrosos.
Gestión de los residuos sólidos hospitalarios
Algunos centros hospitalarios aún hacen uso del servicio de
recolección municipal de residuos domiciliarios.
Se desconoce el destino final de los residuos recolectados por
servicios particulares.
Debido a la falta de un sistema determinado para la recolección
de residuos domiciliarios. Se considera posible una situación de
comercialización informal de residuos hospitalarios (CONAM,
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2008).
Un aspecto importante que incrementa significativamente los riesgos
a la salud de la población en el distrito es la presencia de áreas
críticas de acumulación de residuos. Entre las más destacadas se
encuentran la playa, áreas del Parque Porcino y la ribera del río
Moche.
Problemática Ambiental del Criadero de Porcinos en el Distrito
de La Esperanza
Los criaderos Porcino localizado en el Distrito La Esperanza, cuenta
con un área total de 40 Ha dividido en 60 lotes entre 5 zonas y 2
sectores. La actividad económica primordial que se desarrolla en la
zona y para lo que fue creada es la crianza de cerdos de engorde.
Muchos de los pobladores del Parque viven en condiciones
socioeconómicas sumamente precarias.
En cuanto a los servicios básicos, la mayoría no dispone de
canalizaciones de agua y desagüe, letrinas o luz. El agua empleada
para el consumo de las familias que habitan en las granjas, la
limpieza de corrales y crianza de los cerdos es comprada a
vendedores de agua que abastecen con cisternas a todas las zonas
del Parque Porcino.
Además es importante mencionar que la zona no cuenta con el
servicio de limpieza pública gestionado por la municipalidad del
distrito.
La actividad de crianza de cerdos de engorde en su mayoría se
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caracteriza por ser no tecnificada y estabulada. Esto se refleja en la
falta de infraestructura adecuada, sistemas de recolección y
disposición de residuos y efluentes.
La alimentación de los porcinos es básicamente elaborada con
residuos de restaurante, restos de frutas y vísceras de aves
adquiridos en restaurantes y mercados (a un precio de S/. 2 por
cilindro). Menos del 10% de los criadores alimenta a sus animales
con dieta balanceada comercial y cumplen con un plan sanitario
aparentemente adecuado (CONAM, 2008).
La generación de residuos en el Parque Porcino es de dos tipos
según la fuente de origen; residuos domiciliarios, que debido a la
precariedad de las condiciones socioeconómicas en la zona, se
caracterizan por ser de producción baja y compuestos en gran
porcentaje por material orgánico; y los residuos derivados de la
crianza de cerdos, entre ellos se encuentran restos fecales y orinas,
restos del alimento que no ha sido consumido por los animales,
material orgánico generado por el parto o muerte de individuos y
productos químicos restantes como vacunas, desparacitadores,
antibióticos, entre otros, que son manipulados y administrados por
los mismo criadores.
Como se aprecia, los residuos generados por la crianza de cerdos
son principalmente de tipo orgánico, sin embargo, el problema no se
encuentra en su generación, que es propia de esta actividad, si no en
su manipulación y disposición final. Los restos fecales, orinas, restos
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de la alimentación, residuos domiciliarios orgánicos e inorgánicos y
productos químicos son recolectados y conducidos hacia una zona
de acumulación ubicada dentro o fuera de las granjas, donde se
espera se "sequen" para luego poder ser quemados, reduciendo su
volumen y facilitando luego la tarea para ser enterrados.
Es en la frecuencia de enfermedades presentes en los animales y
pobladores que habitan la zona, el evidente mal estado de los
animales (entre ellos aves, perros y gatos), los malos olores, la
presencia abundante de patógenos tales como moscas, ratas,
pulgas, mosquitos, ácaros y sarna en la piel de los animales, entre
otros; que podemos deducir que la magnitud del problema generado
por un mal manejo de los residuos es significativa y preocupante. Y
se agrava aún más si consideramos dos aspectos, los efectos
ocasionados por la infiltración de lixiviados hacia aguas subterráneas
y la presencia del río Moche a no más de 100 m de distancia; así
como las consecuencias en la salud de la población derivadas del
consumo de carne de cerdos criados bajo las condiciones antes
descritas.
1.2. EL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA
La digestión anaerobia es un proceso biológico degradativo realizado
por una agrupación de bacterias sensibles o totalmente inhibidas por
el oxígeno, este proceso convierte la mayor parte del material
orgánico de un sustrato en biogás; mezcla de metano, dióxido de
carbono y trazas de otros elementos; y una menor parte en lodos
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también llamados "efluentes" (Muñoz Valero et al, 1987; Vicent,
1997).
Al ser un proceso biológico, este se produce en ambientes naturales,
como los sistemas gastrointestinales (rumen), los sedimentos
marinos de ríos y lagos, las fuentes termales, los volcanes, o en
sistemas controlados como son los digestores o reactores
anaerobios (Vicent, 2007)
Mediante la degradación anaerobia pueden tratarse gran cantidad de
residuos, entre ellos, los residuos agrícolas y ganaderos, cultivos
energéticos, residuos industriales orgánicos, aguas residuales
municipales e industriales, y residuos sólidos urbanos.
Muñoz Valero et al (2007) señalan que en los sistemas anaerobios,
más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se
transforma en metano, utilizando sólo 10% de energía en crecimiento
bacteriano a diferencia de los sistemas aerobios que emplearán 50%
de energía para este mismo fin.
1.2.1. HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA
El proceso anaerobio como ya se mencionó ocurre de forma
natural para degradar materia orgánica, produciendo, por
ejemplo, el gas de los pantanos, el gas natural de yacimientos
subterráneos o el más conocido, el gas metabólico generado
en el estómago de los rumiantes.
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El primer paso en la investigación lo realizó Volta en siglo XIII
identificando el gas de los pantanos. En 1804, Dalton
estableció la composición química del metano (CH4).
Hasta este momento se desconocía la participación de
organismos vivos unicelulares en el proceso, es entonces que
Beauchamp en 1868 descubre la presencia de
microorganismos y Pasteur el efecto de la temperatura en el
desarrollo de los mismos. En 1875, Propoff descubrió que la
generación de biogás solo era posible bajo condiciones
anaerobias. Y Pasteur, en 1884 investiga el uso de residuos
animales para producción de biogás y propone su utilización
para la iluminación de calles (Muñoz Valero et al, 2007).
Ya al inicio del siglo XX se realizaron numerosas experiencias
a escala laboratorio y piloto obteniendo mayor relevancia
durante la guerra mundial debido a la escasez de
combustibles.
A partir de 1960, la India impulsó la tecnología de digestión
anaerobia utilizando excretas de vacunos con el objetivo del
aprovechamiento energético del biogás y de las propiedades
fertilizantes de sus otros productos. En países como Taiwán,
Corea, Tailandia, Kenia, Sudáfrica y China se ha fomentado
desde los años 70, la construcción de digestores mediante
programas nacionales (Campos, 2009). Vicent (2007) ha
estimado que existen entre 5 a 6 millones de digestores en
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comunas y fábricas de China.
En los países industrializados el uso de esta tecnología ha
tenido una motivación diferente, en un inicio más que ser de
tipo energético fue ambiental, empleándose por ejemplo, como
método de estabilización de lodos activos residuales de
plantas depuradoras de aguas residuales urbanas. Al suceder
la crisis energética de 1973 y durante la década de los
ochenta, es que se torna más importante como forma de
recuperación energética en actividades agropecuarias y
agroindustriales (Campos, 2009).
A finales de los años ochenta con los bajos precios del
petróleo, el interés por la tecnología anaerobia decayó.
Actualmente, algunos países industrializados han elaborado
programas de desarrollo de plantas anaerobias industriales,
como instrumento de gestión de residuos, principalmente
ganaderos, y del fomento de las energías renovables para la
disminución de emisiones de gases de efecto invernadero.
Hasta el momento, el principal exponente en tecnología es
Dinamarca, desde que en 1985 inicio un programa
desarrollado por los ministerios de agricultura, energía y medio
ambiente, con el objetivo de demostrar el potencial de grandes
plantas de digestión anaerobia como productores de energía
eléctrica. Para 1997 fueron contadas 19 grandes plantas que
tratan a la vez residuos industriales, urbanos, lodos de
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depuradoras y residuos ganaderos (Angelidaki y Ahring, 2007)
1.2.2. PRODUCTOS FINALES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Los productos principales de un proceso anaerobio son el
biogás y un efluente estabilizado.
Biogás
Es una mezcla gaseosa formada principalmente por metano,
dióxido de carbono y pequeñas proporciones de otros gases,
como H2S, H2, NH3, etc. La composición o valor energético del
biogás depende de las características del material orgánico y
del funcionamiento del proceso (Vicent, 2007). En la tabla 2.4
se muestran valores promedio de una composición típica del
biogás en función del sustrato (material orgánico) empleado.
Campos (2008) indica que el potencial calorífico inferior del
biogás es de aproximadamente 5.250 kcal/m3, para una
concentración de metano del 60%.
Tabla 1.4. Composición del biogás según el sustrato utilizado
Componente
Residuos agrícolas
Lodos de depuradora
Residuos industriales
Gas de vertedero
Metano 50-80% 50-80% 50-70% 45-65% Dióxido de carbono 30-50% 20-50% 30-50% 34-55% Agua Saturado Saturado Saturado Saturado Hidrógeno 0-2% 0-5% 0-2% 0-1% Sulfuro de hidrógeno 100-700 ppm 0-1% 0-8% 0.5-100 ppm Amoníaco Trazas Trazas Trazas Trazas Monóxido de carbono 0-1% 0-1% 0-1% Trazas Nitrógeno 0-1% 0-3% 0-1% 0-20% Oxígeno 0-1% 0-1% 0-1% 0-5% Compuestos orgánicos Trazas Trazas Trazas 5 ppm (terpenos, esteres, ...)
Fuente. Campos (2001)
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La producción de gas de un sistema anaerobio se expresa
comúnmente como de gas producido por unidad de masa de sólidos
volátiles o totales introducido, de preferencia se presenta la
producción en base a los sólidos volátiles, ya que representa la
relación entre la utilización de materia orgánica por los grupos
bacterianos y la producción de gas, eficiencia (Indecopi)
En la Tabla 1.5 se detalla de manera más específica la diferencia
generada en la producción de biogás dependiendo del tipo de
excremento de animal empleado, así también, el poder calorífico
disponible.
Tabla 1.5 Producción de biogás a partir de excretas de animales
Animal
Estiércol (a) (kg/unidad)
Biogás (m3/unidad)
Poder Calorífico (b) (kcal/unidad)
Día Año Día Año Día Año
Vacuno 16,4 6000 0,61 223,2 2915 1 063 994 Equino 13,6 5000 0,78 286,5 3741 1 365 745 Porcino 8,2 3000 0,42 156 2037 743 651 Ovino 2,2 800 0,33 121,6 1588 579 667 Caprino 2,2 800 0,33 121,6 1588 579 667 Aves de corral 0,06 25 0,0062 2,28 29.8 10 868
(a) Estiércol fresco (b) Poder calorífico del biogás: 4767 kcal/m3 Fuente. Verástegui J.; M. Mateo citado por Lewis (2008)
En la Figura 1.1 se describen los modos de aprovechamiento del biogás.
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Figura 1.1. Aprovechamiento del biogás
Utilización como combustible para vehículos urbanos (camiones,
recolección de desechos urbanos, etc.)
Fuente. Bonmatí (2007)
Efluente
Las características del efluente suelen variar dependiendo del tipo de
sistema empleado pero en forma general se puede definir como la
mezcla de parte del sustrato introducido ya estabilizado y la biomasa
microbiana producida. Durante el proceso anaerobio buena parte del
material orgánico es convertido en biogás por lo que el contenido
orgánico del efluente es menor que el del sustrato al ingresar al
sistema. Es además un producto más mineralizado con mayor
presencia de nitrógeno amoniacal envés de orgánico (Vicent, 2007)
Entre las propiedades del efluente se describen las siguientes: es un
excelente abono para los cultivos y cuenta con todos los elementos
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necesarios para el desarrollo de las plantas, por lo que es una buena
alternativa al uso de fertilizantes químicos; aumenta la capacidad de
retención de agua y la estabilidad de los agregados del suelo; y
contribuye significativamente con la fijación simbiótica del nitrógeno
(INDECOPI)
El efluente utilizado como abono tiene la ventaja de estructurar
agroecosistemas que generan un desarrollo integral sin romper los
equilibrios ecológicos, en concordancia con el concepto
ecodesarrollo. Así por ejemplo, es posible aumentar la producción de
pastos y forraje en una misma área, cambiando la modalidad del
pastoreo libre, que tiene efectos negativos en el ambiente, al
pastoreo controlado, incrementando la producción de excretas y
sustrato para ser empleado en el digestor anaerobio.
1.2.3. CINÉTICA DE LAS REACCIONES BIOLÓGICAS
1.2.3.1. Tasa de utilización de sustrato (coeficientes de
producción)
El crecimiento celular en el proceso de degradación, contiene
la conversión metabólica de un sustrato en sus productos,
para ello se libera energía en forma de ATP (ruta catabólica), y
ésta es utilizada para la síntesis celular, producción de
compuestos químicos dentro de organismos vivos (ruta
anabólica).
Catabolismo: Sustrato Productos + Energía
Anabolismo: Sustrato + Energía + Nutrientes Masa celular
Resultado Global: Sustrato + Nutrientes Masa celular + Productos
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cción
=
∆
= ∆ ∆
=
os (C
−
pos, 200
La cantidad de organismos vivos formada, es proporcional a la
cantidad de sustrato y de producto. Experimentalmente es
posible determinar un coeficiente para cada tipo de bacterias,
denominado coeficiente de produ (Campos, 2001):
∆ Producción de biomasa: ,
(1.1)
Producción de producto: , (1.2) donde S: Sustrato, X: Biomasa y P: Producto
Usando este coeficiente de producción se puede relacionar el
consumo de sustrato con el crecimiento poblacional de
microorganism am 1):
, (1.3)
En la ecuación bX representa la lisis bacteriana, destrucción
de bacterias debido a condiciones extremas, o también
asociado al concepto de energía utilizada para el
mantenimiento de los microorganismos (respiración).
1.2.3.2. Tasa de crecimiento
Bajo condiciones ideales, las poblaciones bacterianas crecen
de forma exponencial con respecto al tiempo. Las nuevas
células se generan a partir de la división de células
individuales por lo que la tasa de crecimiento es proporcional
al tamaño de la población.
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a in
)
=
.4)
m
En la práctica existen básicamente dos tipos de limitaciones al
crecimiento bacteriano, la concentración de sustrato disponible
y la presencia de tóxicos. Aun cuando ha habido discusiones
sobre la forma como representar est fluencia, la tasa de
crecimiento de microorganismos ( suele expresarse mediante la ecuación de Monod (Campos, 2009; Barbera,
2007).
(1
donde u: tasa de crecimiento específica; : tasa máxima de
crecimiento específica; S: concentración de sustrato; Ks:
constante de saturación.
La ecuación es estrictamente aplicable a sustratos solubles, lo
cual significa que no es posible utilizarla cuando las etapas
limitantes son la acidogénesis o metanogénesis
En la Figura 1.2 se representa la relación de dependencia
entre la tasa de crecimiento y la concentración del sustrato. A
mayor cantidad de sustrato mayor velocidad de crecimiento y
viceversa.
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30
=
Figura 1.2. Ilustración de la cinética de crecimiento de Monod.
Fuente. Flotats (2007)
Es posible realizar variadas modificaciones para representar la
cinética de crecimiento. Angelidaki et al (2007) usando como
base la cinética de Monod simula el crecimiento microbiano
ante la presencia de varios sustratos limitantes. Por ejemplo
en el caso de dos sustratos limitantes, S1 y S2, tenemos:
(1.5)
1.2.3.3. Tasa específica de utilización de sustrato
Utilizando la reacción autocatalítica de Monod descrita por la
cinética de primer orden, que considera la respiración
endógena en los microorganismos, y la expresión 1.3 se
obtiene la tasa específica de utilización del sustrato (U) o
velocidad específica de reacción, es decir variación del
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31
= −
(Camp
=
os ,
2009)
— → =
→ = =
(1.6)
= + +
= 1 + +
= +
sustrato por unidad de biomasa con respecto al tiempo
, ,
1.2.3.4. Cinéticas de inhibición
La presencia de un elemento tóxico se hace evidente con la
disminución de la tasa de crecimiento de los microorganismos.
Estos son afectados de distinto modo por los compuestos
tóxicos. Se consideran tres tipos básicos de inhibición,
basándose que el nivel de reversibilidad y el parámetro al que
afecta.
Introduciendo a la ecuación de Monod (1.4), que expresa la
tasa de crecimiento específica y de utilización del sustrato, los
factores inhibidores. En la Tabla 1.6 se muestran los diferentes
tipos de inhibición y sus representaciones matemáticas.
Tabla 1.6. Tipos de inhibición y expresión matemática de la
cinética
Inhibición no Competitiva
Parámetro afectado Expresión de la cinética
Tasa máxima de crecimiento
1.7
Inhibición competitiva Constante de saturación
1.8
Inhibición
Acompetitiva Tasa máxima de
constante de 1 + saturación
1.9
En todos los casos, K1 es la constante de inhibición y I la concentración del compuesto inhibidor Fuente. Campos (2001)
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( —
os.
—
( —
(
la e cuaci
=
ó
n de
( )
Mi
La inhibición competitiva o cinética de Haldane se usa cuando el elemento de
inhibición es el mismo sustrato o el producto (Angelidaki y Ahring 2007)
Además de los compuestos tóxicos, existen variables limitantes como la
temperatura y el pH. El proceso biológico de la digestión anaerobia está
influenciado por la temperatura. Al aumentar la temperatura la tasa específica de
crecimiento aumenta hasta llegar a un punto óptimo, distinto para cada grupo
microbiano, después de este punto, la tasa disminuye.
Pavlostathis y Giraldo-Gómez (2004) mencionan la ecuación de Arrhenius como la
más comúnmente utilizada para definir el efecto de la temperatura en el
crecimiento d s
) ) 1.10) Mientras que para describir el efecto del pH en la tasa de crecimiento, Angelidaki
et al (1993) menciona chalis normalizada.
. (1.11)
1.2.4 PROCESO MICROBIOLÓGICO Y BIOQUÍMICO
Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica
ocurren variedad de reacciones llevadas a cabo por distintos
grupos bacterianos. Para representar todo el proceso se
dividen estas reacciones en fases. En la Figura 1.3 se
muestran las diferentes fases de la digestión anaerobia, los
microorganismos que actúan y los productos intermedios
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(Campos, 2009).
En el proceso, la primera fase es la hidrólisis, en ella los
organismos fermentativos transforman las partículas y
moléculas complejas en compuestos solubles, básicamente
oligosacáridos y azúcares, alcoholes, aminoácidos y ácidos
grasos, que se metabolizarán dentro de las células de las
bacterias. A partir de los compuestos solubles, los organismos
acidogénicos producen, ácidos grasos de cadena corta,
alcoholes, dióxido de carbono e hidrógeno entre otros.
Posteriormente los ácidos grasos de cadena corta son
transformados en acético, hidrógeno y CO2 por los organismos
acetogénicos. Por último, en la metanogénesis se convierte
acético, H2 y CO2 en metano (Campos, 2009).
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Figura 1.3 Esquema de reacciones de la digestión anaerobia de materiales poliméricos.
Los microorganismos que participan en las fases de hidrólisis y
acidogénesis suelen ser facultativos, mientras que para la
acetogénesis son anaerobios estrictos con una tasa máxima de
crecimiento cinco veces menor que la de los acidogénicos. Por tanto
si las bacterias acetogénicas tuvieran problemas para reproducirse y
consumir los ácidos, estos se acumularán, generando dificultades en
la producción de metano, por las metanogénicas (Flotats et al, 2007).
Es importante mencionar que el proceso anaerobio se caracteriza por
ser lento. La tasa de conversión del sustrato en biomasa es cuatro
veces menor que la tasa de eliminación de materia orgánica de un
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sistema aerobio. Muchas veces para tener una producción estable de
biogás, es necesario esperar hasta dos meses (Flotats et al, 2007)
1.2.4.1 Hidrólisis
La hidrólisis es la fase indispensable para el inicio del
proceso anaerobio, esto debido a que los microorganismos
no pueden utilizar directamente el material orgánico
complejo si no es degradado a compuestos más solubles.
Tarea que es llevada a cabo por las enzimas extracelulares
excretadas por las bacterias fermentativas. Es por esta
razón que la hidrólisis puede considerarse la etapa
limitante de la velocidad de degradación así como afectar
todo el conjunto del proceso, principalmente en el caso de
tratarse de residuos con un alto contenido de sólidos
(Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 2004).
Todos los sustratos se componen básicamente de tres
tipos de macromoléculas: carbohidratos, proteínas y
lípidos. La hidrólisis de cada tipo es realizada por
diferentes grupos de enzimas.
Entre los carbohidratos y uno de los principales
componentes de la materia orgánica, en especial residuos
ganaderos, tenemos a la lignocelulosa, compuesta por
lignina, celulosa y hemicelulosa. La lignina es difícilmente
degradable anaeróbicamente y afecta también el proceso
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de la celulosa y hemicelulosa, por lo que se considera
como un elemento limitante de la velocidad de la hidrólisis
y de la degradación anaerobia de algunos sustratos
(Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 2004)
En el caso de las proteínas, estas son hidrolizadas por
proteasas extracelulares que atacan la proteína entera y
las peptidasas intracelulares, que cortan aminoácidos del
extremo de proteínas y péptidos. Los productos generados
son proteosas, peptonas, péptidos y aminoácidos. Estos
últimos son degradados a ácidos grasos volátiles, dióxido
de carbono, hidrógeno, amonio y sulfuro reducido. La tasa
de hidrólisis de proteínas es menor que la de los
carbohidratos (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 2004)
Los lípidos son degradados por enzimas hidrolíticas o
lipasas descomponiendo las grasas en ácidos grasos de
cadena larga y moléculas de glicerol o galactasa
(Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 2004).
El grado de hidrólisis obtenido y la velocidad de
degradación depende de varios factores, como el pH, la
temperatura, la población de organismos hidrolíticos, del
tipo de material orgánico y del tamaño de partícula
(Pavlostathis y Giraldo-Gómez (2004)
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Inhibición de la hidrólisis de macromoléculas
La hidrólisis se puede ver inhibida por compuestos tóxicos o
que afecten a los microorganismos. Por ejemplo, Gallert et al
(1998) indica que el amonio afecta negativamente a parte del
metabolismo de las peptonas, Angelidaki et al (2007) estiman
que la velocidad de hidrólisis de carbohidratos y proteínas esta
influenciada por la concentración total de ácidos grasos
volátiles y Henze et al (2008) señalan que esta velocidad es
afectada por la concentración de oxígeno y nitrato.
1.2.4.2 Etapa fermentativa o acidogénica
Cuando ya se tienen compuestos orgánicos solubles,
varios grupos de microorganismos fermentativos se
encargan de transformarlos en dos tipos de productos: los
que pueden ser utilizados directamente por los organismos
metanogénicos, como el acético, fórmico, H2; y los
compuestos orgánicos más reducidos, como el láctico,
etanol, propiónico, butírico, entre otros, que aún deben
pasar primero por una fase acetogénica (Stams,2007)
La actividad de algunas bacterias fermentativas y
acidogénicas se ve influenciada por el nivel de
concentración del H2 en el sustrato. En el proceso de
degradación anaerobia, las bacterias metanogénicas
hidrogenotróficas van eliminando continuamente el H2 y
por tanto estimulando la acción de las bacterias
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fermentativas (Stams, 2007)
Fermentación de carbohidratos solubles
La glucosa, componente principal de la celulosa, se degrada
hasta formar ácidos grasos volátiles, H2 y CO2. La principal
ruta metabólica de degradación de la glucosa hasta ácidos de
cadena corta (volátiles) es la de Embden-Meyerhof (Figura
1.4), donde el producto intermedio es el piruvato (Mosey,
1993; citado por Campos, 2009)
En el caso de los azúcares, la fermentación es realizada por
rutas metabólicas distintas según el grupo de microorganismos
responsable. El grupo principal es el del género Clostridium,
que transforman la glucosa y algunos aminoácidos en ácido
butírico, acético, CO2 y H2. Entonces, la glucosa se convierte
en piruvato mediante la ruta Embden-Meyerhof, y el piruvato
de desdobla a Acetil-CoA y CO2 (Madigan et al 2008).
La concentración de cada producto de esta etapa depende de
la duración y las condiciones de fermentación, y mientras el
pH tienda a la alcalinidad, los productos principales serán el
butírico y el acético (Madigan et al, 2008)
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Figura, 1.4. Simplificación de las rutas metabólicas de
degradación de la glucosa por las bacterias acidogénicas.
La degradación de carbohidratos también se lleva a cabo mediante el
proceso conocido como fermentación del ácido láctico, carbohidratos
y polihidroxialcoholes. A cargo de las bacterias ácido-propiónicas, del
género Propionibacterium se produce principalmente ácido
propiónico, succínico, acético y CO2. La principal diferencia con
respecto a los Clostridium es su metabolismo lento y sus complejos
requerimientos nutricionales.
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Fermentación de aminoácidos
La fermentación de aminoácidos se considera un proceso rápido del
cual se obtienen como productos los ácidos grasos de cadena corta,
succínico, aminovalérico y H2 (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 2004).
También se da, que algunos organismos del género Clostridium,
fermenten aminoácidos, obteniéndose como productos finales NH3,
CO2 y un ácido carboxílico, producen además n-butírico y ácido
isobutírico, isovalérico, caproico, sulfuro de hidrógeno,
metilmercaptano, cadaverina, putrescina, etc.
Angelidaki et al 2007, señalan como inhibidores sólo a los ácidos
grasos de cadena larga (AGCL), aunque como ya se mencionó, la
concentración de hidrógeno suele ser influir en la actividad de
algunas bacterias.
Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga (AGCL)
La ruta principal de degradación de los AGCL es la P-oxidación, la
que se caracteriza por producir principalmente ácido acético, liberar
en el proceso un acetil-CoA en cada bucle y mediante la
deshidrogenización del ácido graso, desprender hidrógeno molecular.
Pavlostathis y Giraldo-Gómez (2004) consideran que el máximo
inhibidor del proceso es el H2 y mencionan que otros autores estiman
que la concentración de ácido acético también puede afectar el
proceso, así como la misma concentración de AGCL, junto con el pH.
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1.2.4.3 Fase acetogénica
En esta fase, son metabolizados los productos de la
fermentación, como alcoholes, ácidos grasos volátiles y
compuestos aromáticos que son convertidos en compuestos
más sencillos, acetato, CO2 e hidrógeno (Tabla 1.7).
(Vicent,2007)
El metabolismo en la acetogenesis se caracteriza por
depender absolutamente de la eliminación de hidrógeno. Para
facilitar el proceso es necesaria la participación de organismos
metanogénicos u otros organismos, como las
sulfatoreductoras (en presencia de sulfates), consumidores de
hidrógeno. (Vicent, 2007)
Entre los organismos representantes de la fase acetogénica se
encuentran Syntrophomonas wolfi y Syntrophobacter wolini
(Gallert et al (2008). Destacan como un tipo especial los
organismos homoacetogénicos, entre ellos Acetobacterium
woodii o Clostridium aceticum que consumen H2 y CO2, y
producen acetato como único metabolito a partir tanto de la
fermentación de azúcares y de compuestos monocarbonados
como el formato o la mezcla gaseosa H2-CO2. (Vicent, 2007;
Madigan et al. 2008)
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Tabla 1.7. Reacciones acetogénicas que ocurren en los sistemas anaerobios
Fuente. Stams (2007)
Inhibidores de la acetogénesis
Se considera que la causa principal en la inhibición del proceso acetogénico
es la acumulación de hidrógeno molecular (Henze et al, 2008). Sin embargo
se menciona en diferentes textos consultados que el desarrollo de las
poblaciones acetogénicas se ve también afectado por el ácido acético
(producto de la fase), ácidos grasos de cadena larga y el valor de pH
(Angelidaki et al, 2007)
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1.2.4.4 Fase metanogénica
Los organismos que participan en esta fase son los más
importantes en el proceso de digestión anaerobia por ser
responsables de la producción de metano y de la
eliminación de los productos de las fases anteriores. Estos
organismos son anaerobios estrictos.
La formación de metano se realiza a partir de sustratos
monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por
un enlace covalente: acetato, H2, CO2, formato, metanol y
algunas metalaminas. Los organismos metanogénicos se
clasifican científicamente dentro del dominio Archaea, del
tipo Gram positivos y Gram negativos con diferentes
morfologías (Madigan et al, 2008)
Los organismos metanogénicos pueden dividirse en dos
grupos principales en función del sustrato, los
hidrogenotróficos, que consumen hidrógeno y fórmico; y
los metilotrópicos o acetoclásticos, que consumen grupos
metilos de acetato, metanol y algunas aminas (Barbera,
2007). Las principales reacciones metanogénicas se
resumen en la Tabla 1.8.
Casi la totalidad de microorganismos metanogénicos son
capaces de utilizar el H2, pero son solo dos los géneros
que pueden utilizar el acetato para la formación de metano:
Methanosarcina y Methanothrix, siendo el principal
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exponente Methanosarcina barkeri, que se desarrolla en
sustratos como H2 y CO2, acetato, metanol, metilaminas y
CO (Barbera, 2007). Angelidaki et al (2007), indica que en
reactores anaerobios bajo ciertas condiciones puede llegar
a obtenerse hasta un 70% de metano producido en base a
acetato.
Tabla 1.8. Principales reacciones metanogénicas y
otras consumidoras de hidrógeno.
Fuente. Campos (2009)
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Entonces en todo proceso de digestión anaerobia participan variedad
de grupos bacterianos en asociación sintrófica, asociación basada en
la utilización de los productos generados por los distintos tipos de
metabolismo de las bacterias. Por lo tanto, Para tener un proceso
estable se debe asegurar la presencia de una flora bacteriana
variada y equilibrada (Vicent, 2007)
Inhibición de la metanogénesis
Entre los compuestos más conocidos por su efecto inhibidor del
desarrollo de los organismos metanogénicos están el nitrógeno
amoniacal, los ácidos grasos de cadena larga, ácidos grasos
volátiles, algunos cationes, etc. Como en los otros casos los
compuestos inhibidores afectan en distinto nivel y forma a los
distintos grupos de organismos, por ejemplo, la inhibición por
amoníaco libre es más fuerte para los metanogénicos acetoclásticos
que para los hidrogenotróficos (Henze et al, 2008)
1.2.5 PARÁMETROS AMBIENTALES Y DE CONTROL
1.2.5.1 pH y Alcalinidad
El proceso de degradación anaerobia se desarrolla
correctamente alrededor de la neutralidad, sin embargo se
considera como rango aceptable valores de pH entre 6 y 8.3.
La inhibición generada por valores inferiores o superiores al
rango mencionado es comúnmente reversible y el tiempo de
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recuperación depende del grado de afectación (Campos,
2009)
El pH también es utilizado como un indicador de la presencia
de inhibidores que influyen sobre los valores de pH, por
ejemplo, las sobrecargas orgánicas o un compuesto inhibidor
en la fase metanogénica pueden provocar que la producción y
el consumo de ácidos grasos volátiles no coincidan,
produciendo la acumulación de estos y la consecuente
disminución del pH y la acidificación del reactor (Campos,
2009).
El pH es un importante regulador de los sistemas anaerobios
pues influye en varios procesos químicos y en la formación de
compuestos, por ejemplo establece el equilibrio amonio-
amoníaco que de no funcionar correctamente puede llegar a
inhibir la fase metanogénica por la presencia de amoniaco
libre (Stams, 2007)
La alcalinidad es la medida de la capacidad tampón del medio,
es decir la capacidad de mantener el pH estable frente a la
adición de un ácido o una base. La capacidad tampón esta
dada por varios tipos de sustancias, para un rango de pH entre
6 y 8, es el dióxido de carbono el que controla la alcalinidad
(Campos, 2009)
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1.2.5.2 Nutrientes
En general el proceso anaerobio se caracteriza por un bajo
requerimiento de nutrientes, debido a los bajos índices de
producción de biomasa. Aún así para el desarrollo de los
microorganismos son indispensables nutrientes minerales,
además de una fuente de carbono y energía; y en
determinados procesos también son necesarios compuestos
orgánicos especiales como vitaminas. Entre los principales
nutrientes del sistema anaerobio se encuentran el nitrógeno,
sulfuro, fósforo, hierro, cobalto, níquel, molibdeno, selenio,
riboflavina y vitamina B12 (Speece, 2009), citado por Campos,
2009). En la Tabla 1.9 los rangos mínimos de concentración
de nutrientes para el correcto desarrollo de los
microorganismos.
En diversos textos consultados los requerimientos de
nitrógeno y fósforo se expresan en función de la concentración
de carbono y se considera como un rango óptimo una relación
C/N entre 15-30:1 y la C/P de 75-113:1 (Speece, 1987; citado
por Campos.
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Tabla 1.9. Rangos de concentración de nutrientes,
necesarios para el correcto crecimiento de las bacterias
anaerobias
g/kgSSV g/kg DQO
Nitrógeno Fósforo
Azufre
Hierro
80-120
10-25
10-25
5-15
55-85
7-18
7-18
4-11
Fuente. Henze (1998)
En el caso de los residuos ganaderos; el problema surge no de una
escasez de nutrientes sino, más por el exceso de los mismos.
1.2.5.3 Temperatura
Se puede mencionar a modo general que a mayor
temperatura, mayor velocidad de las reacciones químicas y
biológicas en el proceso. Henze (2008) indica que la velocidad
del metabolismo y generación de productos intermediarios y
finales dependen de la velocidad de crecimiento microbiano y
esta a su vez es dependiente de la temperatura.
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Influencia de la temperatura sobre aspectos físico-
químicos
Al aumentar la temperatura, la solubilidad de algunos gases
como NH3, H2S y H2 disminuye y eso favorece la transferencia
líquido-gas, agilizando el proceso (Henze 2008)
En el caso de las sales sucede lo contrario, la solubilidad de la
mayoría de estas sustancias aumenta a altas temperaturas.
Cuando las sales orgánicas son más solubles también son
más accesibles para los microorganismos y aumenta la
velocidad del proceso. Sin embargo el incremento de la
temperatura no siempre tiene resultados positivos, al aumentar
la solubilidad de compuestos tóxicos también aumenta el
grado de inhibición generado por el mismo (Angelidaki y
Ahring, 2007)
Así como el pH, la temperatura también influye en equilibrios
químicos importantes en el proceso anaerobio, como los del
amonio-amoníaco libre o ácidos grasos volátiles ionizados-no
ionizados.
Además, el uso de reactores anaerobios se ve beneficiado
cuando a altas temperaturas, la viscosidad de los líquidos y
semisólidos disminuye, lo que implica una disminución de la
energía utilizada en la agitación de la mezcla y una mejor
sedimentación de sólidos.
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Influencia de la temperatura sobre aspectos bioquímicos
Se reconoce el proceso anaerobio dentro de tres rangos
principales de temperatura, psicrofílico (por debajo de 25°C),
mesofílico (entre 25 y 45°C) y termofílico (entre 45°C y 65°C).
En cada uno de estos rangos existe una tasa máxima
específica de crecimiento (umax) que se hace mayor conforme
aumenta la temperatura hasta un punto máximo (Figura 1.5)
(Henze, 2008)
Aunque de forma general, la velocidad del proceso aumenta
con la temperatura también produce un incremento de las
necesidades energéticas y dependiendo de la presencia de
algunos tóxicos puede a su vez disminuir la estabilidad del
proceso (Madigan et al, 2008).
Figura 1.5. Rangos de temperatura para el proceso de
digestión anaerobia.
Fuente. Flotats (2007)
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El rango de temperatura más usado en reactores anaerobios
es el mesofílico (35-37°C), pero existe actualmente la
tendencia de usar temperaturas termofílicas, esto debido a la
mayor velocidad en el proceso y a la mejor eliminación de
patógenos. A su vez, temperaturas altas implican tiempos de
retención más cortos y por tanto reactores de menor volumen.
Los efectos causados por la variación de la temperatura
ambiental dependen de varios factores, principalmente del
grado de adaptación del cultivo, del modo de operación y del
tipo de reactor. En el rango termofílico tanto un aumento como
un descenso brusco de temperatura puede provocar una
disminución significativa en la producción de gas. Sin embargo
una bajada de temperatura podría ser también completamente
reversible o no provocar cambio alguno (Henze et al, 2008)
El tratamiento anaerobio termofílico puede verse afectado por
un aumento de la concentración de amonio en su forma tóxica,
NH3 conforme se incrementa la temperatura y también
presentar problemas por la mayor tasa de hidrólisis de
proteínas (Gallert et al, 2008). Pese a ello, este rango de
temperatura tiene la ventaja de destruir los organismos
patógenos presentes, lo cual resulta óptimo si el destino final
del efluente resulta ser el de fertilizante orgánico por ejemplo
(Angelidaki y Ahring, 2007)
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1.2.5.4 Tóxicos e inhibidores
La magnitud del efecto provocado por un tóxico está
determinada por varios factores, entre ellos, concentración,
antagonismos, sinergismos, formación de complejos y
aclimatación (Kugelman y Chin, 2006)
En términos generales, una sustancia puede hacer el papel de
tóxico o de sustrato para el crecimiento bacteriano,
dependiendo de la concentración en la que se encuentre.
Además, son dos los fenómenos que influyen más
significativamente en la toxicidad, el antagonismo, que es una
reducción de la toxicidad de un sustrato en presencia de otro y
el sinergismo que es el aumento del efecto tóxico de una
sustancia causada por la presencia de otra. A la vez, los
efectos provocados por un tóxico disminuyen según el grado
de aclimatación de los microorganismos ante este tóxico
(Kugelman y Chin,2006)
Nitrógeno amoniacal
Los residuos ganaderos tienen concentraciones altas de
compuestos nitrogenados y varían dependiendo del sistema
de alimentación, composición del alimento, del tipo de
animales y de granjas. En el proceso anaerobio, el nitrógeno
orgánico se hidroliza hacia formas amoniacales, entre estas, el
nitrógeno amoniacal cuya presencia es necesaria como
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nutriente en el proceso pero cuyo exceso generaría problemas
en el crecimiento de los microorganismos (Kugelman y Chin,
2006)
Al revisar la bibliografía no se ha podido encontrar solo una
concentración de amonio que sea considerada como
inhibidora en el proceso anaerobio, cada autor ha realizado
pruebas con resultados diferentes entre ellos. Así por ejemplo,
Gallert et al (2008) comprobaron que un concentración de 1.7
g N-NH4+/L en el rango termofílico la digestión anaerobia de
excretas de vaca es inhibida. Henze et al (2008) concluyen
que es posible mantener un proceso anaerobio estable de
excretas de cerdo a una concentración de amonio de 6 g N-
NH +/L, pero con una tasa de producción de gas menor a la
potencial y que decrece progresivamente según aumenta la
temperatura y por tanto el amonio libre. Angelidaki et al (2007)
encontraron que a una concentración mayor a 2.8 g N-NH +/L
en digestión anaerobia de gallinaza, la producción de gas
disminuía entre un 50 y 90%. Ante esta variabilidad Ahring
(ley2007) propone que la inhibición por amonio puede verse
afectada por la carga orgánica y por tanto, por el número de
microorganismos activos.
Los límites de inhibición del amoniaco libre (NH3), forma del
amonio que causa efectos inhibitorios, varía según el autor.
Así por ejemplo, Henze et al, (2008) proponen el valor de
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200mg N/L y Angelidaki y Ahring (2007) el de 700 mg N/L. Las
diferencias bibliográficas se deben principalmente a la
aclimatación de las bacterias y al pH y la temperatura, que
determinan la concentración de amoniaco libre.
Las altas concentraciones de amonio afectan generalmente
más a los organismos metanogénicos que a otros, cuya tasa
de crecimiento pude verse afectada mientras que la de los
acidogénicos y acetogénicos no Angelidaki y Ahring (2007).
Ácidos grasos volátiles
Los ácidos grasos volátiles cumplen un papel muy importante
en el monitoreo y control de reactores anaerobios por su
rápida reacción ante variaciones del sistema. El incremento de
su concentración se relaciona con la disminución en la
producción de gas (Stams, 2007)
Dentro de los ácidos grasos volátiles, son el propiónico y el
valérico los que más fácilmente afectan el proceso
mientras que el butírico y el acético necesitan
concentraciones altas de 100mM para resultar perjudiciales.
Ahring (2008) señalan que concentraciones menores a 50mM
no generan disminución en la producción de metano.
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Hidrógeno
La acumulación de hidrógeno es responsable de la inhibición
de la acetogénesis, con la consecuente acumulación de
ácidos grasos volátiles, especialmente del propiónico
(Kugelman y Chin, 2006).
Compuestos azufrados en los sistemas anaerobios
Ante los sulfatos existe una competencia entre las bacterias
metanogénicas y las bacterias sulfato-reductoras por los
sustratos útiles. El resultado de la competición determina la
proporción de sulfhídrico y metano en el gas, sin embargo las
bacterias sulfato-reductoras tienen ventajas termodinámicas y
cinéticas sobre los dos tipos de bacterias metanogénicas
(Madigan et al, 2008). El sulfato también, es un importante
inhibidor del proceso, aumentando su efecto según la relación
DQO/sulfato.
Además de la competición, se considera al sulfhídrico en su
forma no ionizada como tóxico a altas concentraciones.
Ácidos grasos de cadena larga
Los ácidos grasos de cadena larga son inhibidores del proceso
anaerobio a altas concentraciones, los límites de inhibición
dependen del tipo de ácido graso y de la forma en la que se
encuentra. Angelidaki y Ahring (2007) indican que los ácidos
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grasos libres, oleico y estérico, inhiben cada paso de la
digestión anaerobia termofílica.
Su forma tóxica son los ácidos grasos libres y el efecto es no
reversible y mayor en el rango mesófilico que termofílico
(Angelidaki y Ahring, 2007).
Cationes y metales pesados
Todos los cationes resultan tóxicos dependiendo del nivel de
concentración, la cual aumenta conforme es mayor el peso
molecular, por tanto suelen ser los metales pesados los más
perjudiciales para el proceso (Hayes y Theis, citado por
Flotats, 2007). El orden de toxicidad de los metales pesados
es Ni > Cu >> Cr(IV) ≡ Cr(III) > Pb >Zn. Los límites de inhibición varían debido a varios factores, uno
de ellos es que la toxicidad disminuye si la introduce
gradualmente en el reactor (Tabla 1.10).
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Tabla 1.10. Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados
Metal Concentración de inhibición (mg/L)
Límite de toxicidad (mg/L)
Concentración para 50% inhibición (mg/L)
Ref. Hayes y Theis(1978) Lawrence y McCarty (1965) Cr (III) 130 260 Cr(VI) 110 420 Cu 40 70 211 Ni Cd
10 -
30 20*
134
Pb 340 340* Zn 400 600 136
*Los autores señalan que el límite de toxicidad debe encontrarse por encima de la concentración especificada.
Fuente. Flotats (2007)
En la Tabla 1.11 se muestran los límites de concentración de
cationes como el calcio, sodio, potasio y magnesio que a
concentraciones altas inhiben el proceso (Gallert et al, 2008)
Tabla 1.11. Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios
Alimentación sencilla Alimentación continua Catión Catión simple
(M) En presencia de antagónicos (M)
Catión simple (M)
En presencia de antagónicos (M)
Sodio 0,2 0,3-0,35 0,3 70,35 Potasio 0,09 0,15-0,2 0,13 0,35 Calcio 0,07 0,125-0,15 0,15 0,2 Magnesio 0,05 0,125 0,065 0,14
Fuente. Kugelman y Chin (2006)
Para el caso de los residuos de porcino el Cu y el Zn
resultan críticos, estos metales están presentes en los
alimentos de los cerdos. Ambos son inhibidores a partir
de 40mg/L para el Cu y de 400 mg/L para el Zn, y
tóxicos a partir de 70mg/L y 600mg/L respectivamente
(Hayes y Theis, citado por Flotats, 2007).
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Desinfectantes y antibióticos
Para mejorar la producción y para el control de
enfermedades suelen añadirse varios tipos de
antibióticos a los alimentos en la crianza de animales.
Massé et al (2008) mencionan que la penicilina y
tetraciclina, presentes en las excretas, suelen tener
efectos inhibitorios en la degradación anaerobia,
aunque existe un factor de aclimatación de las bacterias
antes estas sustancias. Dentro de los antibióticos
usados comúnmente, se ha demostrado que algunos
como el monensin y lasalocid inhiben el proceso,
mientras que otros como el flavomicim, bacitracin,
tylosin, lyncomycin, sulphamethazine y carbadox no
presentan efecto alguno (Flotats et al, 2007)
Los residuos de desinfectantes utilizados en la limpieza
y desinfección de las granjas mezclados con las
excretas, también pueden resultar tóxicos. El efecto
depende de la concentración, biodegradabilidad de la
sustancia y del tiempo transcurrido desde su utilización
hasta la entrada al reactor (Muñoz Valero et al, 2007)
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1.2.5.5 Velocidad de carga orgánica y tiempo de
retención hidráulico
La velocidad de carga y el tiempo de retención son los
principales parámetros de diseño que definen el
volumen del digestor. La primera esta determinada por
el tipo de sustrato y el segundo por el tipo de sistema.
El tiempo de retención es el tiempo considerado desde
que ingresa el material orgánico hasta que sale del
reactor. En sistemas continuos y semi-continuos el
tiempo de retención hidráulica puede ser diferente al
tiempo de retención bacteriano dependiendo del diseño
del sistema y de una tasa de crecimiento de
microorganismos muy alta. En el caso de sistemas de
pequeña escala se suele considerar que el tiempo de
retención hidráulico es igual al tiempo de retención
bacteriano (INDECOPI 1983).
La proporción de material orgánico degradado aumenta
al incrementarse el tiempo de retención hidráulico, sin
embargo la producción de metano comienza a disminuir
al sobrepasar el nivel óptimo. Esta es la razón por la
cual es importante hallar el tiempo de retención óptimo
para cada tipo de residuo y sistema. Angelidaki et al
(2007) indican que para residuos ganaderos el tiempo
de retención suele ser muy variado pero fluctúa entre
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los 10 y 30 días.
1.2.5.6 Agitación
La agitación dentro de un reactor tiene como finalidad
obtener los siguientes resultados: poner en contacto el
sustrato fresco o influente con los microorganismos y
mejorar la expulsión de los gases para eliminar los
metabolitos producidos en la metanogénesis; generar
una densidad uniforme de microorganismos; evitar la
formación de capa superficial, espumas o
sedimentación; evitar la formación de espacios no útiles
en el reactor que reducirían su efectividad; mantener
una temperatura uniforme y sin estratos en todo el
reactor Angelidaki et al 2007.
La agitación puede ser de varios tipos, mecánica,
hidráulica o neumática y la velocidad de agitación debe
responder a un equilibrio entre la homogenización y el
correcto desarrollo de los microorganismos; citado por
Campos, 2009.
1.2.6 CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS
Los sistemas anaerobios utilizan unidades denominadas
reactores, instalaciones preparadas para que en su interior se
produzcan reacciones químicas o biológicas controladas. El
uso de los reactores anaerobios presenta ventajas y
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desventajas con respecto a sistemas aerobios de degradación
orgánica.
Ventajas
Balance energético positivo y favorable.
Baja producción de efluentes para el tratamiento de aguas
residuales.
Desventajas
Requiere inversiones muy altas por la necesidad de
infraestructura especializada.
Es necesario una mayor precisión para el control
de operaciones y mantenimiento del proceso.
Las características principales para clasificar los reactores son
el modo de operación o carga, el modelo de flujo y el estado
de la biomasa. En la Tabla 1.12 se mencionan los tipos de
reactores existentes hasta el momento según el modo de
operación y estado de la biomasa.
Tabla 1.12 Clasificación de sistemas anaerobios
Modo de operación Estado de biomasa Tipo reactor Discontinuo Suspensión Discontinuo
Anaerobic Sequeneing Bach Reactor (ASBR)
Semi-continuo Suspensión Indio/Chino Continuo Suspensión Laguna anaerobia
Reactor continuo totalmente agitado - RCTA (mezcla completa) Flujo pistón_
Suspensión /recirculación
Contacto anaerobio
Suspensión-separada Doble etapa
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Sedimentación interna Up flor Anaerobic Sludge Blanket (UASB
Fijada Filtro anaerobio (flujo descendente /flujo ascendente) Lecho fluidizado
Fuente. Bonmatí, 2007
1.2.6.1 Reactor discontinuo y Anaerobic
Sequeneing Bach Reactor (ASBR)
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas
sucesivas del reactor.
Para obtener un flujo continuo en la producción de
gas se necesitan varios reactores.
Si los reactores son usados de forma secuencial se
denomina ASBR.
Es necesario utilizar inoculo, considerado como una
carga interior en el reactor.
Aplicación: En residuos con alto contenido de sólidos.
1.6. Figura Reactor Discontinuo
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1.2.6.2 Reactor semi-continuo
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas
temporizadas.
Gran aplicación en países como China o India.
Normalmente se usan gasómetro con sello de agua.
Aplicación: En residuos con alto contenido de sólidos.
Tipos:
Figura 1.7. Esquema reactor semi-continuo tipo
chino.
Figura 1.8. Esquema reactor semi-continuo tipo
indio.
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1.2.6.3 Laguna anaerobia
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas
continuas
La profundidad es el parámetro de diseño crítico (>
3m).
Difícil recuperar el gas generado.
Aplicación: En aguas residuales urbanas.
Debe considerarse su efecto negativo al favorecer el
efecto invernadero debido a las emisiones difusas de
biogás al ambiente.
Figura 1.9. Esquema de una laguna anaerobia.
1.2.6.4 Reactor continuo Totalmente Agitado
(RCTA)
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas
continuas.
El parámetro crítico en el sistema en la agitación,
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pues la homogenización es indispensable para su
correcto funcionamiento.
Normalmente aislado para un mejor control de la
temperatura.
Aplicación:
Residuos con alto contenido en sólidos, agitados
mediante el uso de bombas.
Ampliamente utilizados
Figura 1.10. Esquema de un Reactor continuo
totalmente agitado.
1.2.6.5 Reactor Flujo pistón
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas
continuas.
Normalmente aislado para un mejor control de la
temperatura.
La homogenización es perpendicular a la dirección
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del flujo.
Aplicación:
Dificultad en asegurar un flujo horizontal.
Residuos con alto contenido de sólidos.
Figura 1.11. Esquema de un reactor flujo pistón.
1.2.6.6 Reactor de contacto
Características:
Reactor de mezcla completa con retención de
biomasa.
El tiempo de retención hidráulico difiere del tiempo
de retención bacteriano.
La biomasa se separa del decantador y se recircula
parcialmente.
La concentración de biomasa en el reactor,
considerada como la edad bacteriana, se regula
mediante la recirculación y la purga.
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Aplicación:
En aguas residuales en alta carga.
Sustratos con concentración elevada de sólidos.
Figura 1.12. Esquema de un reactor de contacto.
1.2.6.7 Reactor doble etapa
Características:
La operación se lleva a cabo mediante cargas continuas.
El objetivo de este tipo de sistema es separar el proceso en
dos etapas:
Reactor 1: Se desarrollan los procesos de hidrólisis y
acidogénesis.
Reactor 2: Se desarrolla el proceso de metanogénesis.
Cuenta con una desventaja significativa por la necesidad
de estrategias operativas y de control para mantener las
poblaciones de microorganismos diferenciadas para ser
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utilizadas en las dos etapas.
Figura 1.13. Esquema de un reactor doble etapa.
1.2.6.8 Up-flow Anaerobio Sludge Blanket (UASB)
Características:
El sustrato se introduce por la parte inferior del reactor.
Flujo ascendente del sustrato a ser degradado.
Biomasa tiene la capacidad de formar granulos o fóculos,
también denominado, manto de lodos.
Cuenta con un separador trifásico para diferenciar gas,
fluido y lodos.
Habitualmente se inoculan con los propios lodos de un
reactor UASB
Retención de la biomasa se regula con la velocidad del
flujo ascendente.
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Aplicación:
Aguas con alta carga orgánica, especialmente de la
industria agroalimentaria.
Aguas residuales urbanas en baja carga.
Figura 1.14. Esquema de un reactor UASB.
1.2.6.9 Filtro anaerobio
Características:
Reactores de biomasa fijada, por tanto el tiempo de
retención hidráulico difiere totalmente del tiempo de
retención bacteriano.
Biomasa crece en un soporte plástico o similar, ya
sea de forma ordenada o desordenada.
Flujo puede ser descendente o ascendente.
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Aplicación:
Aguas residuales no urbanas en alta carga
Aguas residuales urbanas en baja carga
El sistema suele tener problemas de obturaciones si el
fluido contiene concentraciones elevadas de sólidos.
Figura 1.15. Esquema de un reactor de filtro
anaerobio, (biomasa ordenada/desordenada)
1.2.6.10 Lecho fluidizado
Características:
La biomasa se fija en partículas sólidas que se
mantienen en suspensión como fluido.
La suspensión de las partículas de soporte se regula
mediante la velocidad del flujo, en forma
ascendente, y su recirculación.
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Normalmente se usa separadores trifásicos para
diferenciar gas, fluido y lodos al igual que en el
sistema UASB.
Aplicación:
Aguas residuales no urbanas en alta carga
1.16. Esquema de un Reactor Lecho Fluidizado
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CAPÍTULO II II. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 CARACTERÍSTICAS DEL SUSTRATO
De la evaluación de residuos generados en la zona, se determinó que
existe en mayor cantidad excretas de porcino que residuos generados
por las actividades cotidianas de los pobladores y que además no son
reutilizados como abono orgánico o similares sino que son quemados al
aire libre.
Proyectando el trabajo futuro hacia una difusión masiva de esta
tecnología (digestión anaerobia) en todo el Parque Porcino del Distrito
La Esperanza, se resolvió trabajar exclusivamente con las excretas de
cerdo.
En trabajos similares se cita que el material más utilizado en digestión
anaerobia son las excretas de animales, el cual contiene sustancias de
naturaleza fibrosa que ya han sufrido un proceso bioquímico y
tratamiento mecánico por el animal, por tanto, estos materiales no
necesitan de forma indispensable un tratamiento previo al uso en el
proceso de producción de biogás (Lewis Díaz, 2008), asimismo, el
estiércol de estos animales presenta un adecuado balance de celulosas
y nutrientes que ya los hace preparados y listos para la digestión
anaerobia.
En el Parque Porcino de la Esperanza, la crianza de cerdos se
caracteriza por tener un tipo de explotación no tecnificada y estabulada.
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La infraestructura para esta actividad no cuenta con un sistema de
recolección y disposición de excretas, orinas o residuos generados por
la alimentación. Para la construcción de los corrales se emplea
comúnmente material rústico (madera y latones), y en algunos casos
materiales reciclados.
El alimento de los cerdos es básicamente elaborado con residuos de
restaurantes, restos de frutas y visceras de aves, que muchas veces
adquieren a un precio módico en restaurantes y mercados (a un costo
de S/. 2 por cilindro de 225 litros), adicionando afrecho en cantidades
mínimas. El alimento es repartido hasta dos veces al día según la edad
en la que se encuentra el animal. Dentro del Parque Porcino menos del
10% de los criadores alimenta a sus animales con dieta balanceada
comercial y cumplen con un plan sanitario aparentemente adecuado. El
agua que consumen los animales es agua potable comprada a
camiones cisterna que abastecen la zona. La cantidad de agua que se
les da es proporcional a la ración de comida que les corresponde y se
les coloca en los bebederos artesanales al mismo tiempo que se les
reparte el alimento.
En el proceso de crecimiento, los productos químicos empleados para
garantizar un buen desarrollo de los cerdos son suministrados por los
mismos granjeros.
En la Tabla 2.1 se mencionan los más usados y su frecuencia de uso.
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Tabla 2.1. Productos químicos y frecuencia de uso en cerdos del
Parque Porcino
Nombre Tipo de químico Frecuencia de uso
Calmagine (Noramidopyrine) Vermectin (Ivermectina)
Bioquin (Enrofloxacina)
Vegenciana (Cloruro de Metilrosanilina)
Cetrivit AD3E
Emicina (Oxitetraciclina)
Iron-dex 100 B12
Tylo-combisone (Tilosina, gentamicina, dexametasona)
Analgésico, Antiespasmódico Endectocida, Antiparasitario
Antimicrobiano
Antiséptico
Suplemento nutricional y vitamínico
Antibiótico
Suplemento nutricional y vitamínico
Antibiótico, Antinflamatorio, Anthistamínico
Esporádicamente
Esporádicamente
En el parto En lactancia Esporádicamente
Al ser castrados Esporádicamente
Esporádicamente
Esporádicamente En lactancia (recién nacidos)
Esporádicamente
Actualmente la granja del Sr. Iparraguirre cuenta con una
población de 93 cerdos de edades distintas criados en 21
corrales, de los cuales solo 8 cuentan con piso de concreto.
Según el estudio previo al inicio de los ensayos, la producción
diaria de excretas de cerdo era de 127,75 kg con 255,1 g/L de
Sólidos Totales (ST), 182 g/L de Sólidos Volátiles (SV) y 393
mg/L de Demanda Química de Oxígeno (DQO). El potencial
máximo en la producción de biogás para deyecciones de
ganado porcino es de 0,41 m3 biogás/kg SV, por tanto una
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estimación muy general de la probable producción de biogás
empleando el total de las excretas de cerdo generadas en la
granja sería de 9,5 m3/día de biogás. En la tabla 2.2 se
muestran valores de ST, SV y DQO según el tipo de diluyente.
Tabla. 2.2. Valores de Sólidos Totales (ST), Sólidos Volátiles (SV), Demanda
Química de Oxígeno (DQO), Relación Carbono Nitrógeno (C/N) y pH para el
sustrato ST
(g/L) SV
(g/L) SV/ST (100%)
DQO (mg O2/L
C/N pH
Excretas de cerdo diluidas en agua (1/1)
121,67 90,83 74,65 196,45 6,40
Excretas de cerdo diluidas en orina (l/l)
153,85 110,77 72,00 181,33 27,8 6,40
Excretas de cerdo sin dilución
255,1 44,2
2.2 METODOLOGÍA A UTILIZAR PARA REALIZAR EL ESTUDIO DE
VIABILIDAD
El método de estudio se basó en ensayos de viabilidad para digestión
anaerobia en sistemas discontinuos, experimentos de biodegradabilidad
de sustrato, útil para conocer el potencial de producción de metano y el
rango de proporción de mezcla del cual se obtienen mayores
producciones de biogás y metano.
Normalmente los ensayos de biodegradabilidad en discontinuo no
proporcionan información acerca del comportamiento a condiciones
reales del sustrato debido a que son realizadas en base al control de
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cada variable, necesario para el correcto funcionamiento de los
experimentos, sin embargo, en este caso existe una variación
interesante. Los experimentos de este estudio fueron realizados in-situ
en la zona de estudio, bajo las condiciones climáticas naturales del
lugar, características del ambiente y sustrato recogido tal cual sería
utilizado en el caso de funcionar un diseño a escala familiar.
El objetivo general de esta serie de experimentos fue el estudio del
proceso de digestión anaerobia de excretas de cerdo del Parque Porcino
del Distrito de la Esperanza. También otros objetivos son: Comparación
de rangos psicrofílico y mesófilico; determinar la viabilidad de la
digestión anaerobia como un tratamiento posible en un plan de manejo
de los residuos sólidos del lugar; y evaluar la metodología empleada.
2.3 CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTORES EN DISCONTINUO TIPO
BATCH
Este tipo de digestor (Batch) se carga una sola vez en forma total y la
descarga se efectúa una vez que ha dejado de producir gas
combustible. Normalmente consiste en tanques herméticos con una
salida de gas conectada a un gasómetro flotante, donde se almacena el
biogás. Este tipo de digestor es también ideal a nivel de laboratorio si se
desean evaluar los parámetros del proceso o el comportamiento de un
residuo orgánico o una mezcla de ellas. En los sistemas Batch, gracias a
la facilidad de construcción del sistema y la sencillez en el proceso de
digestión, la alimentación del digestor puede realizarse con residuos
vegetales o también mezclando residuos vegetales con pecuarios
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(Solari, 2008).
Los materiales empleados para la construcción del sistema experimental
se describen en el Tabla 2.3
Tabla 2.3 Materiales y equipos de construcción Materiales Unidad Cantidad Costo Total (S/.)
Para la construcción de los biodigestores Cilindros de PVC de 225 litros
unidad
3
240.00
Válvulas tipo bola de metal unidad 3 120.00 Válvulas tipo bola de plástico unidad 3 75.00 Termómetros de mercurio (0-60°C) unidad 3 42.00 Manguera para gas metro 10 15.00 Manguera de látex transparente metro 2 4.00 Conectores de metal para manguera de gas unidad 6 42.00 Abrazaderas unidad 9 9.00 Conexiones de PVC unidad 24 96.00 Teflón unidad 2 2.20 Poliuretano unidad 1 14.00 Silicona unidad 1 14.00 Empaquetadura de pasta unidad 2 7.00 Para la construcción del gasómetro Cilindros de metal de 70 litros unidad 3 105.00 Baldes de plástico de 50 litros unidad 3 9.00 Válvulas tipo bola de metal unidad 3 120.00 Manguera de látex transparente metro 3 6.00 Abrazaderas i unidad 3 3.00 Conectores de metal para manguera de gas unidad 3 21.00 Teflón unidad 1 1.20 Poliuretano unidad 1 14.00 Silicona unidad 1 14.00 Empaquetadura de pasta unidad 1 7.00 Centímetro para costura unidad 3 3.00 Terocal unidad 1 3.00 Para la construcción del manómetro Manguera de látex transparente metro 6 12.00 Rejilla de metal metro 3 21.00 Reglas milimetradas unidad 6 0.60 Terocal unidad 1 3.00 Para la adaptación del ambiente de ubicación de los reactores Termómetro ambiental de mercurio (0-60°C) unidad 1 12.00 Manga de plástico transparente metro 5 16.00 Manga de plástico negro metro 5 20.00 Palos de madera pino unidad 4 12.00 Soguilla metro 10 6.00 Poliuretano unidad 1 14.00 Para el procedimiento operatorio diario Encendedor recargable unidad 1 2.00 Cintas de medición de pH caja 1 40.00 Cuaderno de registro unidad 1 3.00 Olla de acero unidad 1 3.00 Cocina Surge unidad 1 40.00 Cámaras de llanta unidad 3 10.00 Costo Global (S/.) 1201.00
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2.3.1 Procedimiento para la adaptación del ambiente de
ubicación de los biodigestores.
Los pasos que se siguieron para la ubicación de los
biodigestores fueron los siguientes:
Se identificó dentro de la granja del Sr. Jorge Iparraguirre
un tanque de agua sin techo construido hace varios años
en ladrillo y cemento pero que en la actualidad se
encontraba sin uso debido a la construcción de otros dos
tanques de concreto.
Conversando con el Sr. Iparraguirre se obtuvo la
autorización para acondicionar el área para colocar los
biodigestores con sus respectivos medidores de gas
"gasómetros".
Para acondicionarlo se inició la labor rompiendo una de las
paredes del tanque de tal manera que quedara una
abertura lo suficientemente grande para que sirviera de
puerta de ingreso (Figura 2.1).
Se procedió luego a la reparación con cemento de todas
las grietas y fisuras que se habían producido en el tanque
con el paso del tiempo, así como los bordes de la puerta
que se acababa de abrir.
Después de limpiar toda el área interna se colocó en el
piso una lámina de plástico negro y el techo se elaboró en
base a una lámina de plástico transparente unido a palos
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de madera que sirvieran de soporte y peso para colocarlo
sobre los bordes superiores de las paredes.
Se construyó también una puerta de plástico transparente
con palos de madera que sirviera para evitar que el calor
saliera por esta abertura.
La finalidad es que la radiación y calor pudiera ingresar a
través de la manga de plástico transparente y fuera
retenido por la manga de plástico negro en el suelo,
aumentando la temperatura ambiental para el desarrollo de
los experimentos.
Figura 2.1. Ambiente diseñado para colocar los
biodigestores
2.3.2 Procedimiento para construcción de los biodigestores
Los pasos que se siguieron para la construcción de los
biodigestores son los siguientes:
1) Se hicieron dos orificios paralelos en el tercio inferior del
bidón. A uno de estos orificios se conectó herméticamente
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la llave de salida de líquido para medir pH. Al segundo
orificio se conectó también herméticamente el mecanismo
para medir temperatura, este consta de un tubo delgado de
plástico transparente anudado a un borde y sellado con
silicona (parte que va dirigida al área interna del cilindro).
2) Se abrió un orificio en la parte superior de la tapa del bidón
de PVC, por este orificio se conectó la llave y la manguera
para gas hasta el gasómetro.
3) A mitad de la manguera para conducción de gas se colocó
una T de plástico la cual conecta por su parte superior con
una manguera que va hacia el manómetro de paso.
4) Construcción del manómetro de paso.
5) Construcción del medidor de gas "gasómetro"
6) Construcción del manómetro para la presión interna del
"gasómetro"
7) Se unieron todas las partes utilizando masilla formadora de
empaquetaduras, teflón, poliuretano y silicona para sellar
totalmente todos aquellos orificios que puedan ser
causantes de fugas posteriores.
El resultado de todos estos pasos seguidos para la
construcción se presenta en la Figura 2.2. y 2.3.
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Figura 2.2. Esquema de Construcción del biodigestor
experimental.
Figura 2.3. Partes del Biodigestor
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2.3.3 Procedimiento para la construcción del
"gasómetro"
Los pasos que se siguieron para la construcción de los
gasómetros son los siguientes:
1) Se acondicionó de un cilindro de metal de 40 crn. de
diámetro y un balde plástico de diámetro menor para ser
colocado de forma invertida dentro del cilindro de metal.
Esto para cada uno de los biodigestores.
2) Un tubo de metal de 1 m de longitud y 1 cm. de diámetro
fue soldado y sellado con el cilindro de metal de la
siguiente manera que se colocó uno de los extremos
pegado a la base inferior del cilindro llegando hasta la
mitad del mismo por donde ingresa hacia al interior de
forma recta hasta una altura de 30 cm., como continuación
a este tubo se colocó uniéndose con abrazaderas un tubo
de silicona que subía 20 cm. más.
3) En el balde de plástico fue abierto un orificio por donde se
colocó la conexión necesaria para la llave de paso o cierre
del gas, esto con el objetivo de tener una salida por donde
capturar el gas y realizar las pruebas respectivas de
reacción al fuego, olor y presión.
4) Se llenó de agua el cilindro de metal previamente sellado,
colocando de modo invertido el balde de plástico con la
llave de salida del gas abierta, de esta manera con un poco
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de presión hacia abajo el aire contenido dentro del balde
era expulsado hasta que el agua llegara al límite superior
del balde.
5) Midiendo el nivel en el que el balde ya sin aire queda con
respecto al nivel del agua, se colocó el cero de una cinta
métrica, la cual fue pegada a lo largo del balde que se
introduce en el agua. Con la cinta métrica hallamos así la
altura que se elevó el balde por el ingreso del gas y con
este dato y el del radio obtenemos el volumen que ingresó
de gas (Figuras 2.4 y 2.5).
6) Finalmente se procedió a conectar la manguera de
conducción del gas que va desde el biodigestor hacia el
tubo de metal soldado a la base del cilindro de metal.
Figura 2.4. Esquema de construcción
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Figura 2.5. Partes del gasómetro
2.3.3.1 Procedimiento para la construcción del
manómetro
Los pasos que se siguieron para la construcción de los
manómetros son los siguientes:
1) La T de plástico colocada a la altura media de la manguera
de conducción del gas que va desde el biodigestor hacia el
"gasómetro" nos sirvió para poder unir de modo seguro una
manguera de plástico transparente la cual se condujo hacia
la pared delantera de la construcción en donde se colocó
en forma de U pegada a la pared.
2) Dentro de la manguera ya colocada en forma de U, se
introdujo un poco de agua, la cual quedaría al mismo nivel
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a ambos lados de la U al encontrarse en el momento a
presión atmosférica.
3) Siendo así se colocó a cada uno de los lados una regla
milimetrada. Para el lado izquierdo se ubico el cero desde
la altura del nivel del agua hacia abajo mientras que del
lado derecho se colocó el cero desde la altura del nivel del
agua hacia arriba.
4) Las reglas milimetradas permiten conocer fácilmente la
diferencia del nivel del agua que habría provocado por la
presión del gas.
5) Para evitar que el agua se evaporara debido al calor del
día se coloco como tapón un globo el cual sirve como
medida de seguridad. Si la presión de gas aumentara por
alguna razón, el manómetro serviría para que el gas
pudiera ser expulsado por este lado.
6) El resultado de los pasos descritos se observa en las
Figuras 2.6. y 2.7.
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Figura 2.6 Esquema de construcción del manómetro
Figura 2.7. Partes del Manómetro
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2.4 . DISEÑO DEL EXPERIMENTO
Tabla 2.4. Diseño de los experimentos
Experimento Trat. T° ambiental
(°C)
% Excretas de cerdo
% Agua
% Orinas
de cerdo
% Residuos de
restaurante
Diluciones de las excretas de cerdo
Experimento 1: Diluciones de las
excretas con agua
1.1 28,23 30 70
1.2 28,23 60 40
1.3 28,23 59 24 17
Experimento 2: Diluciones de las
excretas con orinas
2.1 43,90 30 70
2.2 43,90 60 40
Blanco: Efecto del inoculo % Efluente extraído del Trat.
1.1
% Efluente extraído del Trat. 1.2
Blanco experimento 2 3.1 43,90 50 50
% en volumen de cada componente El inoculo empleado en el Experimento 1 consiste en 66.4 litros: 28% de rumen, 8% de lodos de un reactor anaerobio y 64% de mezcla elaborada con excretas de cerdo y agua (1:1) guardadas en condiciones anaerobias por un mes.
El objetivo de los Trat. 1.1 y 2.1 fue evaluar el proceso de
sustratos con menor contenido de carga orgánica (30% de
excretas en base a volumen), por el contrario, en los Trat. 1.2
y 2.2 (60% de excretas en base a volumen), se evalúan
sustratos con alto contenido de material orgánico.
En el caso del Trat. 1.3, se realizó con la finalidad de
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comprobar la posibilidad de realizar un proceso de codigestión
entre las excretas de cerdo y los residuos de restaurante, el
uso de este último se debe a su abundancia en la zona y la
problemática que existe en torno al manejo del mismo.
La diferencia de temperaturas entre los dos experimentos se
debe a que se diseñaron los ensayos de manera tal que
pudiera comprobarse el desarrollo del proceso de digestión
anaerobia a dos condiciones de temperatura diferentes. En el
caso del Experimento 1. efectuado entre septiembre y
diciembre, se presenta la evolución del ensayo con tendencia
a enmarcarse en un rango psicrofílico mientras que el
Experimento 2, efectuado entre enero y abril, se desenvuelve
en un rango mesófilico.
En el experimento 2 se consideró importante utilizar en vez de
agua, la orina de los mismos cerdos para ser mezclado con las
excretas con la finalidad de formar un sustrato menos denso y
equilibrar la relación carbono/nitrógeno (la orina aumenta la
concentración de nitrógeno en el sustrato).
La orina se considera propicio para esta función debido a que
son líquidos residuales generados por la crianza de cerdos,
cuya utilización en la generación de biogás vendría a ser
apropiada considerando que no se cuenta con un sistema de
tratamiento de estos efluentes.
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(%) = (%)
=
∗ 100
(2.1)
mediante la siguiente expresión
á (%) = (%)
:
=
× 1 00
(2.2)
2.5 MÉTODOS ANALÍTICOS
2.5.1 Sólidos Totales (ST) y Sólidos Volátiles (SV)
La determinación del contenido de sólidos totales (ST) y de
sólidos volátiles (SV) se realizó en el Laboratorio de Análisis
de agua, de la Facultad de Ing. Química de la UNT de acuerdo
con los Métodos normalizados para el análisis de aguas
potables y residuales.
Los ST se determinaron mediante el peso del residuo seco,
secado a 105°C, durante 48 horas, referido al peso de materia
fresca inicial. Para el cálculo se utiliza la siguiente expresión:
La determinación de los sólidos volátiles (SV) se realizó sobre
las mismas muestras, mediante calcinación, en un mufla, a
550°C durante 6 horas. El contenido de sólidos volátiles se
determina por diferencia entre el residuo seco y las cenizas,
2.5.2 Demanda Química de Oxígeno (DQO)
La Demanda Química de Oxígeno es una medida indirecta del
contenido de materia orgánica y compuestos oxidables en una
muestra. Se define como la cantidad de oxígeno necesaria
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ar si la
=
olución es a
para oxidar completamente la materia orgánica y los
compuestos oxidables de una determinada muestra. Los
análisis se efectuaron en el Laboratorio de Análisis de agua,
suelo y medio ambiente de la Facultad de Ing. Química de
acuerdo con los Métodos normalizados para el análisis de
aguas potables y residuales.
2.5.3 pH
El pH es la forma común de expresar la concentración de ion
hidrógeno en las soluciones acuosas y es usado para
determin s cida o básica:
— [ ] (2.3) Se realizó de dos maneras: la primera realizada al inicio y al
final en cada tratamiento mediante análisis en el Laboratorio
de Análisis de agua, suelo y medio ambiente de la Facultad de
Ing. Química, de acuerdo con los Métodos normalizados para
el análisis de aguas potables y residuales y la segunda
utilizando el método práctico en el que se introducen tiras de
papel de colores en la sustancia a evaluar para luego
comprobar el cambio en la coloración del papel y compararla
con los ya predeterminados para cada grado de pH. Este
método fue considerado oportuno para la experiencia debido a
su facilidad de uso, sin embargo se considera de baja
precisión ya que se encuentra sujeta a la percepción del
evaluador para diferenciar los colores de la tira de papel.
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2.5.4 Alcalinidad Total
La alcalinidad de un agua es su capacidad para neutralizar
ácidos y constituye la suma de todas las bases valorables.
Significa por tanto la capacidad tampón para estabilizar los
niveles de pH alrededor de 7. Los análisis se efectuaron en el
Laboratorio de Análisis de agua, suelo y medio ambiente de la
Facultad de Ing. Química de acuerdo con los Métodos
normalizados para el análisis de aguas potables y residuales.
2.5.5 Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2)
Para determinar la composición del biogás, metano (CH4) y
dióxido de carbono (CO2). Las muestras de gas fueron
analizadas mediante cromatografía de gases en el Laboratorio
de la Facultad de Ingeniería Química.
2.6 DESARROLLO Y SEGUIMIENTO DE LOS ENSAYOS
Los ensayos se inician con la carga de los biodigestores que incluye la
adición del inoculo, adición del sustrato, mezcla completa y sellado. Los
análisis de sólidos totales, volátiles, pH y alcalinidad se realizaron al
inicio de cada ensayo, mientras que la prueba de cromatografía de
gases se llevó a cabo a los dos meses de empezados los experimentos.
La producción de biogás se debe a la acción de diversos grupos de
microorganismos, estos deben estar presentes para que se inicie el
proceso y una forma de asegurar la existencia de los mismos en la
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carga inicial, es hacer un inóculo.
Al incorporar el sustrato según lo descrito en el punto 2.3.1. (Diseño del
experimento), se procedió a remover totalmente la mezcla para que el
inoculo tome el contacto necesario con el sustrato para posteriormente
ser tapado y sellado herméticamente.
El seguimiento del experimento se realizó desde el día en que fueron
sellados los reactores hasta el día en que fueron abiertos y vaciados, se
desarrolló mediante el registro diario de las siguientes variables:
temperatura interna (dentro del reactor), temperatura ambiental, presión,
pH, volumen de gas producido, prueba de combustión y olor. En la
Figura 2.8. se muestra el formato empleado para el registro de las
variables.
Figura 2.8. Formato de registro de variables
TRATAMIENTO:
Fecha Hora H Gasómetro
T° int. PH Rx mechero
Olor T° amb Presión Observaciones
El registro de las variables se realizó de lunes a viernes, entre las
10:00am y 12:00pm. Los datos que constituyen el registro completo
se encuentran recogidos en los anexos del presente documento.
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o está dado por la
∑
ó
sigu iente ecua ción:
(2-4)
ℎ = (2 5)
2
Los dos tipos de temperatura que se evaluaron fueron la temperatura
ambiental y la temperatura interna de cada biodigestor, esta última
fue medida con un termómetro introducido mediante un tubo de
silicona al interior del biodigestor al nivel de la fase liquida. En cuanto
a la temperatura ambiental, fue incrementada debido a la
construcción de la infraestructura de ladrillo y cemento adaptada para
la ubicación de los biodigestores, siendo así que la temperatura
ambiental dentro de este espacio se incrementó en
aproximadamente 10°C con respecto al exterior.
2.7 CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE GAS
La producción de gas se calculó a partir de los registros diarios de
volumen almacenado en el gasómetro. El volumen total de gas
producid
,
El Vgasómetro en la sumatoria está dado por el volumen de gas
registrado diariamente y se calcula mediante la siguiente formula:
Figura 2.9. Esquema del Gasómetro
. . .
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A diario, el gas almacenado era primero registrado y luego empleado
para una prueba de combustión, posteriormente el gasómetro era
vaciado, y dependiendo de si generaba combustión, el gas era
trasladado a una cámara de llanta o se botaba al ambiente.
El Vbiodigestor será aquella parte de este que quede libre para la
acumulación del gas y se estima empleando la misma fórmula que se
usa para el cálculo del Vgasómetro.
El volumen del cilindro será considerado solo una vez, puesto que el
gas allí acumulado se va desplazando, introduciéndose en el
gasómetro, por lo que comportaría un error de cálculo considerarlo
más de una vez.
Figura 2.9. Esquema del Biodigestor
La suma del volumen del gas registrado diariamente no es
directamente la masa o "cantidad" total de gas producido, esto
debido a que el volumen cambia con la presión y con la temperatura.
Ya que la presión no fue la misma en cada uno de los registros y no
fue posible mantener una temperatura estable, para obtener la
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t m mic
producción de gas acumulada se transformaron los datos a
condiciones normales (T=20°C y P=latm), empleando la siguiente
equivalencia er odiná a de sistemas entre un estado 1 y un
estado 2:
. =
.
(2.6)
Donde la temperatura deberá estar en unidades de grados Kelvin (K),
y las presiones y volúmenes en las mismas unidades en ambos
estados. La equivalencia de temperaturas es:
T(k) = 273.16+T(°C) (2.7)
Volumen de gas acumulado
El volumen de gas acumulado (M) es un parámetro de gran
importancia como medida del potencial de producción. Dado que los
tratamientos se realizaron utilizando la misma metodología, resulta
ser un índice de valor a nivel comparativo para los dos experimentos.
El cálculo de este índice se realiza mediante la suma de la
producción diaria de biogás desde en inicio de los ensayos hasta el
último día de registro. En el caso de emplear un digestor control, se
puede sustraer el volumen acumulado de biogás del blanco (Vblanco),
al volumen acumulado (V) de cada una de los tratamientos (Campos
2009).
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M = Vt – Vblanco
Volumen de gas respecto a la cantidad de masa inicial de
sustrato (M')
Este parámetro estima la producción de biogás por unidad de masa
de sustrato, y es necesario para comparar los resultados con los
obtenidos por otros autores.
M’ =
Volumen de gas respecto a la cantidad de materia orgánica
inicial (B)
Este es un parámetro mucho más universal ya que se elimina el
factor tamaño del reactor o cantidad de sustrato añadido, pero sobre
todo es interesante para comparar la biodegradabilidad de cada
sustrato, independientemente del contenido de materia orgánica.
Consiste en calcular el volumen de biogás producido por cada gramo
de materia orgánica añadida (medida como sólidos volátiles). Este
índice se calcula como el volumen de producción de biogás dividido
por la cantidad total de sólidos volátiles añadidos (Campos, 2009).
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=
=
′ . [ ] [ ]
Donde C es la concentración de SV inicial. (2.11)
2.8 ÍNDICES DE PRODUCCIÓN Y CONCENTRACIÓN DE METANO
La verificación de la producción de metano se realizó utilizando el
método cromatógrafo de gases, según el cual se determinó el nivel de
contenido de metano en el biogás perteneciente a cada uno de los
tratamientos estudiados. La importancia de este resultado radica en el
interés del mismo para comparar los distintos tratamientos, la calidad de
gas producido y para relacionar esta variable con otros parámetros del
proceso (citado por Campos, 2009).
2.9 ANÁLISIS ESTADÍSTICOS
El análisis estadístico se realizó para cada tratamiento por separado,
siendo elegidas para el análisis, el tiempo de retención empleado en los
ensayos (días), producción de biogás acumulado (verificado mediante el
registro) y producción de biogás acumulando por kg de SV introducidos
(l/kgSV) calculada a condiciones normales. Se utilizó el programa
Microsoft Excel para realizar el análisis mediante el modelo de regresión
lineal. Si la interacción entre las dos variables resulta significativa, esto
representa la relación y el grado de la misma existente entre ambas
variables. En todos los casos se empleó un nivel de confianza del 95%.
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CAPÍTULO III
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 EXPERIMENTO 1: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS CON AGUA
Caracterización del sustrato
En el Experimento 1 las excretas fueron diluidas con agua según las
cantidades mencionadas en la Tabla 2.4. En base a los análisis
químicos se obtuvo el contenido de sólidos totales en base al
volumen de cada tratamiento, así como la relación existente entre la
parte biodegradable y no biodegradable, el valor de esta relación
reflejará el porcentaje de material orgánico con posibilidad de
eliminarse del sustrato. Para los tres tratamientos, el porcentaje de
sólidos volátiles sobre el total es alto, sin embargo el Trat. 1.1 es el
que muestra el menor valor. En la Tabla 3.1 se detalla la composición
de unos sustratos utilizados en el Experimento 1.
Tabla 3.1. Composición de los sustratos e inoculo empleados en
el Experimento 1
Sustratos e inóculo
ST (g/L) SV (g/L) SV/ST (100%)
pH Alcalinidad (mg
CaCO3/L
Trat. 1.1 Trat. 1.2 Trat. 1.3 Inóculo
95,7 129,4 99,8
109,5
55,1 105,2 83,4 94,7
57,6 81,3 83,6 86,5
6,35 6,21 6,29 6,97
3,5 5,1 4,0 4,5
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El grado de eliminación de material orgánico en cada tratamiento,
indicador de la eficiencia del sustrato en el proceso de digestión
anaerobia, se demuestra mediante el porcentaje de eliminación de
sólidos volátiles (SV). En la tabla 3.2 se puede observar que el Trat.
1.1 alcanzó a eliminar más 26% de SV con respecto al volumen
inicial, valor significativamente superior al de los tratamientos
restantes.
Tabla 3.2. Contenido de Sólidos Volátiles (SV) y porcentaje de
eliminación para el Experimento 1
Sustratos e Inicio Final Eliminación
inoculo g/L % g/L % %
Trat. 1.1 55,1 5,73 43,78 4,2 26,70 Trat. 1.2 105,2 9,88 85,97 8,07 18,32 Trat. 1.3 83,4 8,6 85,16 8,78 -2,09
* Trat. 1.3. Análisis presenta problemas de muestreo Composición del biogás
El contenido de metano (CH4) encontrado en el biogás obtenido de
los tres ensayos realizados, fue considerablemente menor al rango
óptimo (50-80%). La concentración de CH4 para el Trat. 1.1 y 1.2 fue
similar (21,55-22,88%), en tanto la concentración de dióxido de
carbono (CO2) es considerablemente mayor para el Trat. 1.2. Sin
embargo, la relación entre CH4 y CO2 en el Trat. 1.1 se considera
dentro de los rangos considerados aceptables y buenos, no se puede
decir lo mismo del Trat. 1.2 donde la concentración de CO2 supera
significativamente a la de CH4. En la tabla 3.3. se muestran los
resultados obtenidos en cuanto a producción de biogás y contenido
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de metano.
El Trat. 1.3 que evalúa un proceso de codigestión entre excretas de
cerdo diluidas con agua y residuos de restaurante muestra un
contenido de CH4 significativamente bajo. En base a estos resultados
se estima que hubo problemas en el proceso que causaron la
deficiencia del sustrato para la producción de biogás de calidad (con
mayor contenido de CH4).
Tabla 3.3. Producción de biogás y contenido de metano con
concentraciones diferentes de sólidos volátiles en excretas de
cerdos diluidas con agua.
Trat. T.R. T amb/T.interior Digestor(°C)
Volumen diario de biogás(L)
Volumen total (L)
CH4 (%) CO2(%)
1.1 1.2 1.3
79 79 79
28,23 / 22,07 28,23 / 22,60 28,23 / 22,60
3.31 3,11 4,10
202,59 211,92 290,01
22,88 21,55 5,04
9,09 27,34 20,84
Variables calculadas con transformación a condiciones normales (20°C, 1 atm)
Esta condición de los resultados, en especial para el Trat. 1.2, se
podría relacionar con cierto grado de acidificación dentro del
biodigestor y a la inhibición de los microorganismos
metanogénicos por el alto contenido de materia orgánica presente. A
su vez se considera importante considerar la probabilidad de un
inadecuado tiempo de. adaptación del inoculo utilizado, lo cual
significaría que el estado del inoculó en la fase inicial de crecimiento
microbiano y no con una población óptima de bacterias
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metanogénicas para iniciar el proceso anaeróbico.
Productividad
La producción de biogás estimada en base al volumen generado
diariamente por cada tratamiento, resulta nuevamente parecido en
los Trat. 1.1 y 1.2. Ambos ensayos cuentan con una producción
diaria mayor a los 3 litros de biogás y una producción acumulada
entre 202 y 211 litros de biogás, fue menor para el Trat 1.1 con
menor contenido de material orgánico.
Empleando los registros obtenidos se elaboraron las siguientes
gráficas que representan: temperatura ambiental (°C), temperatura
interna del biodigestor (°C), producción diaria de biogás (L) y
producción acumulada (L) (Figuras 3.1,3.2, 3.3)
Figura 3.1 Producción diaria y acumulada de biogás generada por el Trat. 1.1
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La gráfica presentada refleja inestabilidad en la producción
diaria de biogás al inicio del proceso, observándose mayor
estabilidad a partir del día 50 donde se nota menor variabilidad
de los datos y un ligero descenso finalizando el registro. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 80 días registrados del proceso. El
coeficiente de determinación obtenido indica que el 98% de la
variabilidad en la producción acumulada de biogás es
explicada por el tiempo de retención (días).
Figura 3.2. Producción diaria y acumulada de biogás
generada por el Trat. 1.2
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La gráfica presentada refleja inestabilidad en la producción
diaria de biogás al inicio del proceso, se observa mayor
estabilidad a partir de los 45 días donde se nota menor
variabilidad de los datos y un ligero descenso finalizando el
registro. La producción acumulada de biogás muestra una
tendencia lineal creciente para los primeros 80 días
registrados del proceso. El coeficiente de determinación
obtenido indica que el 99% de la variabilidad en la producción
acumulada de biogás, es explicada por el tiempo de retención
(días).
Figura 3.3. Producción diaria y acumulada de biogás generada por el Trat. 1.3
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La gráfica presentada refleja mayor inestabilidad del proceso
con respecto a los otros dos ensayos, observándose sólo a
partir de los 65 días aproximadamente, menor variabilidad de
los datos y un descenso más abrupto finalizando el registro. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 80 días registrados del proceso. El
coeficiente de determinación obtenido indica que el 99% de la
variabilidad en la producción acumulada de biogás, es
explicada por el tiempo de retención (días).
En términos de productividad de biogás, el Trat. 1.3 tuvo
mayor rendimiento, a continuación el Trat. 1.2 y por último el
Trat. 1.1. Sin embargo, un mejor indicador de la productividad
de un sustrato, es la evaluación del volumen de biogás
generado en función de los sólidos volátiles (SV) introducidos,
pues elimina este valor como factor de variabilidad entre los
tratamientos. Así, el digestor con menor carga orgánica fue el
más eficiente. En la tabla 3.4 se aprecia que la productividad
para el Trat. 1.1 fue de 26,84 L biogás/kg SV introducidos,
mientras que para el Trat. 1.2, con mayor carga orgánica, fue
de 15,93 L biogás/kg SV introducidos.
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Tabla 3.4 Resumen de variables de producción de biogás:
Volumen de gas acumulado (M), Volumen de gas con
respecto a la masa inicial del sustrato (M') y Volumen de
gas con respecto a la cantidad de materia orgánica inicial
(B)
Trat. M M’(L/kg) B(L/kg)
1.1 1.2 1.3
202,59 211,92 290,01
1,50 1,61 2,37
26,84 15,93 27,51
La producción diaria de biogás (1) y acumulada (1) en función
de los sólidos volátiles introducidos en el digestor se describe
en las gráficas que se presentan a continuación. (Figuras 3.4,
3.5 y 3.6). En ellas se reafirma que el ensayo con menor
concentración de sólidos volátiles (Trat. 1.1) genera mayor
producción de biogás y es más efectivo en la eliminación de
material orgánico biodegradable.
Figura.3.4. Producción acumulada de biogás en función
de los sólidos volátiles introducidos en el Trat. 1.1
Producción acumulada de biogás/SV introducidos. Producción diaria de biogás/SV introducidos Temperatura del digestor
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La gráfica refleja en el inicio del proceso, bajo grado de
inestabilidad en la producción diaria de biogás por kg. de
sólidos volátiles introducidos, observándose un cambio en este
comportamiento a partir del día 25 aproximadamente donde
se nota menor variabilidad de los datos. La producción
acumulada de biogás por kg. de sólidos volátiles introducidos,
muestra una tendencia lineal creciente para los primeros 80
días registrados del proceso. El coeficiente de determinación
obtenido indica que el 91% de la variabilidad en la producción
acumulada de biogás, es explicada por el tiempo de retención
(días).
Figura 3.5. Producción acumulada de biogás en función de los sólidos volátiles introducidos en el Trat. 1.2
Producción acumulada de biogás/SV introducidos Producción diaria de biogás/SV introducidos Temperatura del digestor
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La gráfica refleja en el inicio del proceso, bajo grado de
inestabilidad en la producción diaria de biogás por kg. de
sólidos volátiles introducidos, comportamiento observado a lo
largo del tiempo de retención. La producción acumulada de
biogás por kg. de sólidos volátiles introducidos, muestra una
tendencia lineal creciente para los primeros 80 días
registrados del proceso. El coeficiente de determinación
obtenido indica que el 91% de la variabilidad en la producción
acumulada de biogás, es explicada por el tiempo de retención
(días).
Figura 3.6. Producción acumulada de biogás en función de los sólidos volátiles introducidos en el Trat. 1.3
Producción acumulada de biogás/SV introducidos Producción diaria de biogás/SV introducidos Temperatura del digestor
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La gráfica refleja en el inicio del proceso, bajo grado de
inestabilidad en la producción diaria de biogás por kg. de
sólidos volátiles introducidos, comportamiento observado a lo
largo del tiempo de retención. La producción acumulada de
biogás por kg. de sólidos volátiles introducidos, muestra una
tendencia lineal creciente para los primeros 80 días
registrados del proceso. El coeficiente de determinación
obtenido indica que el 91% de la variabilidad en la producción
acumulada de biogás, es explicada por el tiempo de retención
(días).
Mediante el análisis de las gráficas, así como del contenido de
metano en el biogás de cada tratamiento, ha sido posible
determinar que el tratamiento con mayor eficiencia en este
experimento fue el Trat. 1.1 que se caracteriza por sus bajos
niveles en cuanto a concentración de material orgánico.
3.2 EXPERIMENTO 2: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS CON ORINES
Caracterización del sustrato
En el Experimento 2 las excretas fueron diluidas con orina de cerdo
según las cantidades mencionadas en la Tabla 3.4. El contenido de
sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV), al igual que en el
Experimento 1, fueron significativamente más altos en el Trat. 2.2
que en el 2.1. La Tabla 3.5 muestra la composición de los sustratos y
el inoculo usado en el Experimento 2. El porcentaje de sólidos
biodegradables con respecto al total de sólidos totales fue alto para
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los tres tratamientos, conteniendo el Trat. 2.2 un mayor porcentaje de
estos materiales, y el Trat. 1.3, el valor más bajo, esta condición se
explica con el proceso de eliminación de material orgánico al que ya
ha sido expuesta la mezcla, la cual consiste en la mixtura de los
sustratos extraídos de dos de los biodigestores del primer
experimento.
Tabla 3.5. Composición de los sustratos e inoculo empleados en
el Experimento 2
Sustratos e inóculo
ST (g/L) SV(g/V) SV/ST(100%) pH
Trat. 2.1 Trat. 2.2 Trat. 3.1 Inóculo
88,8 216,3 73,2
59,6 152,3 39,2
67,1 70,4 53,5
6,68 6,60 6,40
Composición del biogás
En cuanto a la composición del biogás producido, cuanto más bajo
es el cargamento orgánico, más alto contenido de CH4: se tiene, un
48,73% en el digestor control (Trat. 3.1), 37,50% en el Trat. 2.1 y por
último 32,69% en el Trat. 2.2. En tanto, la concentración de CO2,
sigue la tendencia opuesta: a partir del 18,74% en el digestor control
(Trat. 3.1), 23,01% en el Trat. 2.1 y 35,24% en Trat. 2.2. La relación
entre CH4 y el CO2 en el digestor control y en el Trat. 2.1 se
consideran dentro de los rangos normales, a su vez, repitiendo el
mismo resultado del Experimento 1, el Trat. 2.2 en el cual se colocó
un sustrato con mayor carga orgánica, la concentración de CO2 es
superior a la de CH4 a un nivel significativo. Tal como se mencionó
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en el Experimento, este hecho podría estar relacionado con un cierto
grado de acidez dentro del biodigestor y a la inhibición del proceso
llevado a cabo por las bacterias metanogénicas debido a la alta
carga orgánica presente en el sustrato.
Tabla 3.6. Producción de biogás y contenido de metano con concentraciones diferentes de sólidos volátiles en excretas de cerdos diluidas con agua orinas.
Trat. T.R T amb./T. interior
digestor (°C) Producción de
biogás Volumen total (L)
CH4 CO2
diaria (L) 2.1 79 43,90 / 33,90 3,52 270,52 37,50 23,01 2.2 79 43,90 / 32,50 4,03 265,52 32,69 35,24 3.1 79 43,90 / 33,76 3,45 266,30 48,73 18,74
Variables calculadas con transformación a condiciones normales (20°C, 1 atm)
A diferencia del Experimento 1 en la que el la concentración de
metano (CH4) fue notablemente bajo (Tabla 3-3), en esta experiencia
(Tabla 3-6) los resultados de los análisis han mostrado una
considerable presencia de metano (CH4). El tiempo de adaptación y
la mejora del inoculo introducido han afectado considerablemente
este factor. La concentración de CH4 producido ha sido
considerablemente mayor en el blanco, situación que ayuda a
reforzar la teoría antes mencionada, de manera que el digestor con
sustrato más adaptado ha producido biogás de mayor calidad. En la
Figura 3-7 se muestran las llamas producidas por el biogás de los
tres biodigestores estudiados, las diferencias son evidentes y
ratifican los valores en la concentración de metano.
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Figura 3.7 Imágenes de las llamas producidas por los ensayos del
Experimento 2 |
Productividad
La producción de biogás (L) es similar en los tres tratamientos, con
un volumen acumulado entre 265-270 L biogás (Tabla3-6). El
tratamiento con mayor productividad es el 2.1, sin embargo la
producción diaria es levemente más alta para el digestor cargado con
mayor cantidad de material orgánico (Trat. 2.2), más de 4 L
biogás/día, comparado con los 3,5 L biogás/día de los otros dos
ensayos.
En las Figuras 3.8, 3.9 y 3.10 se observa la temperatura ambiental
(°C), temperatura interna del biodigestor (°C), producción diaria de
biogás (L) y producción acumulada (L). Los datos empleados para
estas representaciones, son los obtenidos del registro diario de
producción de gas por biodigestor.
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Figura 3.8. Producción diaria y acumulada de biogás generada
por el Trat. 2.1
La gráfica presentada refleja, a diferencia de lo observado en
el Experimento 1, se hace visible un ligero incremento en la
producción diaria de biogás al finalizar el registro. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 79 días registrados del proceso. El
coeficiente de determinación obtenido indica que el 98% de la
variabilidad en la producción acumulada de biogás es
explicada por el tiempo de retención (días).
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Figura 3.9. Producción diaria y acumulada de biogás
generada por el Trat. 2.2
Producción acumulada de biogás Producción diaria de biogás a Temperatura ambiental Temperatura del digestor
La gráfica presentada refleja, a diferencia de lo observado en
el Experimento 1, un ligero incremento en la producción diaria
de biogás al finalizar el registro. La producción acumulada de
biogás muestra una tendencia lineal creciente para los
primeros 79 días registrados del proceso. El coeficiente de
determinación obtenido indica que el 97% de la variabilidad en
la producción acumulada de biogás es explicada por el tiempo
de retención (días). Como es posible notar, en los primeros
días del proceso no se registró ningún valor de producción,
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esto se debe a un error de tipo experimental modificado al
décimo día.
Figura 3.10 Producción diaria y acumulada de biogás
generada por el Trat. 3.1
Producción acumulada de biogás Producción diaria de biogás a Temperatura ambiental Temperatura del digestor
La gráfica presentada refleja, a diferencia de lo observado en
el Experimento 1, un ligero incremento de la producción diaria
de biogás al finalizar el registro. La producción acumulada de
biogás muestra una tendencia lineal creciente para los
primeros 79 días registrados del proceso. El coeficiente de
determinación obtenido indica que el 99% de la variabilidad en
la producción acumulada de biogás es explicada por el tiempo
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de retención (días).
En términos de productividad de biogás, el Trat.2.1 tuvo mayor
rendimiento, a continuación el Trat.2.3 y el Trat.2.2, con
valores similares. Sin embargo, evaluando la productividad en
función de la cantidad de SV introducidos, otra vez los
resultados reflejan que el biodigestor menos cargado, Trat.
2.1, es más eficiente, con una productividad de 31,68 L
biogás/kg SV introducidos, mientras que para Trat. 2.2 es de
12,17 L biogás/kg SV introducido. En la Tabla 3.7 se resumen
las variables de producción determinadas para evaluar el
comportamiento de cada sustrato.
Tabla 3.7. Resumen de variables de producción de biogás:
Volumen acumulado (M), Volumen de gas con respecto a
la masa inicial del sustrato (M') y Volumen de gas con
respecto a la cantidad de materia orgánica inicial (B) para
el Experimento 2
Trat. M M’(L/kg) B(L/kg)
2.1 2.2 3.1
270,52 265.52 266.30
1,82 1,82 2,68
31,68 12,17 81,72
Las variables fueron estimadas sin realizar la sustracción del volumen de producción de biogás generado por el Trat. 3.1 - blanco.
Las gráficas presentadas a continuación (Figuras 3.11, 3.12 y 3.13)
representan la producción diaria de biogás (L) y acumulada (L) en
función de los sólidos volátiles. Como se mencionó anteriormente el
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análisis de estas variables tiene especial interés pues la comparativa
entre digestores resulta más fiable al eliminar el factor diferencial de
cantidad de material orgánico introducido.
Figura 3.11 Producción acumulada de biogás en función de los
sólidos volátiles introducidos en el Trat. 2.1
Producción acumulada de biogás/SV introducidos Producción diaria de biogás/SV introducidos Temperatura del digestor
En la gráfica presentada se observa en los últimos 25 días de
registro, un ligero incremento en los valores de producción
diaria de biogás por kg. de sólidos volátiles introducidos. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 79 días registrados del proceso. El
coeficiente de determinación obtenido indica que el 97% de la
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variabilidad en la producción acumulada de biogás, es
explicada por el tiempo de retención (días).
Figura 3.12. Producción acumulada de biogás en función de los
sólidos volátiles introducidos en el Trat. 2.2
Producción acumulada de biogás/SV introducidos Producción diaria de biogás/SV introducidos a Temperatura del digestor
Al igual que en el ensayo anterior, la gráfica presenta, en los últimos
25 días de registro, un ligero incremento en los valores de producción
diaria de biogás por kg. de sólidos volátiles introducidos. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 79 días registrados del proceso. El
coeficiente de determinación obtenido indica que el 96% de la
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variabilidad en la producción acumulada de biogás, es explicada por
el tiempo de retención (días). Como ya se mencionó, los primeros
días del proceso no se registró ningún valor de producción, debido a
un error de tipo experimental modificado al décimo día.
Figura 3.13. Producción acumulada de biogás en función de los
sólidos volátiles introducidos en el Trat. 3.1
Producción acumulada de biogás/SV introducidos Producción diaria de biogás/SV introducidos Temperatura del digestor
En la gráfica se observa que la variabilidad en los valores de
producción diaria de biogás por kg. de sólidos volátiles
introducidos es menor que en los ensayos anteriores. La
producción acumulada de biogás muestra una tendencia lineal
creciente para los primeros 79 días registrados del proceso. El
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coeficiente de determinación obtenido indica que el 97% de la
variabilidad en la producción acumulada de biogás, es
explicada por el tiempo de retención (días).
Mediante el análisis de las gráficas, así como del contenido de
metano en el biogás de cada tratamiento, ha sido posible
determinar que, al igual que en el Experimento 1, el
tratamiento con mayor eficiencia fue el Trat. 2.1 que se
caracteriza por su bajo contenido de material orgánico.
Para el análisis de los resultados del Experimento 2 se
utilizaron las mismas variables empleadas en el Experimento
1. La diferencia entre la evaluación de los dos experimentos
debió basarse en lo siguiente:
Como se ha mencionado anteriormente en el Experimento 2
se hace uso de un biodigestor denominado blanco o Trat. 3.1.
En este digestor únicamente se colocó inoculo (efluente
extraído de los ensayos del Experimento 1) en la misma
proporción que en los demás tratamientos del experimento. El
objetivo de este blanco fue el de utilizar los datos generados
por el registro de su proceso para poder calcular la producción
real o neta de los otros dos tratamientos del experimento, por
ejemplo, considerar que la producción de biogás del sustrato
empleado sería, la producción del trat. 2.1 o 2.2 menos la
producción del tratamiento 3.1 (inoculo). Finalmente este
objetivo no pudo realizarse dado que el blanco (Trat. 3.1) ha
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tenido una producción muy similar al resto de digestores. Se
estima que la anomalía en el funcionamiento de dicho ensayo
se ha debido a que el proceso de metanogénesis no había
finalizado aún.
Por último, para comparar el comportamiento de los cuatro
tratamientos significativos de ambos experimentos, se elaboró
la Figura 3.14. Esta representa el comportamiento de la
producción de biogás en los distintos biodigestores. Como es
posible apreciar, aunque los tratamientos en los que se
emplea dilución de excretas con agua inician el proceso con
una producción de biogás mayor, a partir de los 50 días, son
los tratamientos basados en dilución con orina los que
muestran un incremento en la productividad con tendencias a
seguir aumentando en el transcurso del proceso. Los
tratamientos del primer experimento muestran mas bien
tendencias a estabilizarse y por consecuencia probablemente
a iniciar su descenso (condición normal en la cinética del
proceso) antes que los demás ensayos.
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Figura 3.14. Comparativa de producción acumulada de
biogás para los 4 tratamientos más significativos
Producción acumulada de biogás T.1.1 Producción acumulada de biogás T.1.2 Producción acumulada de biogás T.2.1 Producción acumulada de biogás T.2.2
Para completar el análisis y determinar cual de los sustratos
empleados resulta más eficiente para un proceso de digestión
anaerobia con excretas de cerdo, verificamos el
comportamiento de la producción en función de los SV
introducidos en los 4 tratamientos más significativos de ambos
experimentos (Figura 3.15).
En ambos experimentos, los tratamientos que emplean
sustratos con menor contenido de carga orgánica muestran
mayores niveles de producción de biogás que los tratamientos
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con mayor carga orgánica. A su vez es notable la tendencia
significativa del Trat.2.1 a superar la producción de ambos
ensayos del Experimento 1.
Figura 3.15. Comparativa de producción acumulada de
biogás en función de los sólidos volátiles introducidos en
los 4 tratamientos más significativos
Producción acumulada de biogás/SV introducidos T. 1.1 Producción acumulada de biogás/SV introducidos T.1.2 Producción acumulada de biogás/SV introducidos T.2.1 Producción acumulada de biogás/SV introducidos T.2.2
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CAPÍTULO IV
CONCLUSIONES
4.1 EXPERIMENTO 1: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS DE CERDO CON
AGUA El proceso de digestión anaerobia empleando excretas de cerdo diluidas
con agua, resultó óptimo para eliminar un porcentaje considerable del
contenido de material orgánico de un sustrato, sin embargo fue ineficiente
para la producción de biogás, presentado bajas concentraciones de
metano en los tres tratamientos estudiados.
El contenido de sólidos volátiles en las excretas demuestra que,
concentraciones altas diluidas en agua tienden a inhibir la metanogénesis
y disminuir el contenido de metano en biogás, mientras que
concentraciones menores muestran mayor productividad y contenido de
metano en el biogás.
El diseño de los biodigestores de prueba tipo batch de 225 L, resulta ser
de mucha utilidad para evaluar producción de biogás y parámetros de
control básicos. Aún cuando es posible utilizar diseños de reactores de
gran escala, estos digestores de prueba sirven para análisis de sustratos y
posibles cambios en el manejo para mejorar la eficiencia del proceso
(codigestión de las excretas de cerdo con otros residuos orgánicos).
La estimación de la producción de biogás depende de la exactitud en la
lectura del gasómetro y de la eficiencia del sistema, es por esta razón que
la variable es una medida indirecta que presenta el riesgo de no ser real.
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4.2 EXPERIMENTO 2: DILUCIONES DE LAS EXCRETAS DE CERDO CON
ORINA
El proceso de digestión anaerobia empleando excretas de cerdo diluidas
con orina, resultó eficiente, tanto para eliminar un porcentaje considerable
del contenido de material orgánico de un sustrato, como para la producción
de biogás con concentraciones de metano consideradas dentro del rango
óptimo de este combustible.
El contenido de sólidos volátiles en las excretas, demuestra que
concentraciones altas, diluidas en orina, tienden a inhibir la metanogénesis
y disminuir el contenido de metano en biogás, mientras que
concentraciones menores muestran mayor productividad y contenido de
metano en el biogás.
Dos factores significativos que influyeron en un mejor funcionamiento de los
procesos de digestión anaerobia de este segundo experimento fueron el
uso de un inoculo con mayor tiempo de adaptación, así la temperatura
superior en la que se llevaron a cabo los ensayos.
Los resultados de este trabajo demuestran que es posible producir biogás
empleando excretas de cerdo del Parque Porcino del Distrito de La
Esperanza, sin agitación, con concentraciones altas de sólidos volátiles, y
con un control de proceso básico. La digestión anaerobia resulta útil
obteniendo como productos, una materia más fácilmente asimilable por el
suelo y un gas para ser empleado como combustible.
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Se comprobó que el potencial de biogás para las excretas de cerdo es
normalmente bajo si se compara con los estimados para otros residuos
orgánicos. Aunque este valor puede variar dependiendo de la composición
del sustrato y de las condiciones de funcionamiento, en general el potencial
de producción de biogás es de alrededor 0,41 L biogás/g SV presente en
las excretas, valor que al ser comparado con los 0,765 L biogás/g SV
presente en los lodos de aguas residuales, muestra una diferencia
significativa.
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CAPÍTULO V
RECOMENDACIONES
Para validar los resultados obtenidos en los ensayos y para definir parámetros
de importancia como la velocidad con la que se debe ir introduciendo el
material orgánico en el reactor, es necesario realizar ensayos en un sistema
continuo a escala piloto familiar, que permite además, probar diferentes
parámetros operacionales que pueden tener gran importancia en el reactor
real, como parámetros de diseño y forma del reactor, eficiencia del sistema de
agitación, necesidades energéticas, etc.
Para garantizar el conocimiento sobre la evolución del proceso de digestión
anaerobia sobre un sustrato y emplear estos conocimientos en la construcción
de un biodigestor a escala real, es necesario emplear un tiempo de retención
mayor a los tres meses, de la cual se obtenga la curva de producción de
biogás completa y así poder modelar la cinética de la producción temporal para
estimar el comportamiento del sustrato empleado.
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APÉNDICE
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7.1. Registro del Experimento 1
7.1.1. Registro del Trat. 1.1 Fecha Dias HGasómetro (cm) pH T°Int (°C) T°amb (°C) Presión interna
(Pa) Producción de biogás
(m3) Producción de biogás
(1) Producción diaria de
biogás (l/dia) Producción
acumulada de bioqás (1)
Producción de biogás por kg SV (l/kq)
Producción de biogás por kg SV acumulado (l/kq)
15/08/2012 1 23 6-7 22 25 101423 0,012 12,140 12,140 12,140 1,608 1,608 16/08/2012 2 15,5 6 21 25 101423 0,008 8,209 8,209 20,350 1,087 2,695 17/08/2012 3 17 7 21 22 101521 0,009 9,013 9,013 29,362 1,194 3,889 18/08/2012 4 17 7 21 22 101619 0,009 9,021 9,021 38,383 1.195 5,084 19/08/2012 5 10 6-7 20 22 101393,6 0,005 5,313 5,544 43,696 0,734 5,818 22/08/2012 7 10 6-7 20 23 101521 0,005 5,320 5,320 49,016 0,705 6,523 25/08/2012 11 22 6-7 21,5 23 101491,6 0,012 11,640 11,640 60,656 1,542 8,064 28/08/2012 14 12,5 6-7 22 26 101423 0,007 6,598 2,295 67,254 0,304 8,368 30/08/2012 16 8,6 7 22,5 23,5 101423 0,005 4,532 2,266 71,786 0,300 8,669 31/08/2012 17 5 6-7 22 24,5 101481,8 0,003 2,641 2,641 74,426 0,350 9,018 01/09/2012 18 11 7 22 26 101403,4 0,006 5,805 5,805 80,232 0,769 9.787 04/09/2012 21 16 6-7 22,5 31 101423 0,008 8,431 2,810 88,663 0,372 10.159 06/09/2012 23 10 6-7 23 27,5 101491,6 0,005 5,264 2,605 93,927 0,345 10,505 07/09/2012 24 12 6-7 22,5 28,5 101481,8 0.006 6,327 5,840 100,254 0,774 11,278 10/09/2012 27 5 6-7 22 25 101374 0,003 2,638 0,918 102,892 0,122 11,400 12/09/2012 29 8 7 23 27 101472 0,004 4,211 2,105 107,102 0,279 11,678 13/09/2012 30 4 7 23 25 101423 0,002 2,104 2,104 109,207 0.279 11,957 14/09/2012 31 5 7 22 25 101423 0,003 2,639 2,346 111,846 0,311 12,268 15/09/2012 32 6,5 7 21,5 26,5 101423 0,003 3,437 4,124 115,283 0,546 12,814 18/09/2012 35 10 7 22,5 27 101481,8 0,005 5,273 1,758 120,555 0,233 13,047 21/09/2012 38 7 6-7 22,2 24 101491,6 0,004 3,695 1,232 124,250 0,163 13,210 22/09/2012 39 10 7 21,7 26,5 101462,2 0,005 5,286 5,178 129,536 0,686 13,896 25/09/2012 42 7 6-7 22 27,5 101442,6 0,004 3,696 1,232 133,232 0,163 14,059 26/09/2012 43 7 6-7 22 27,5 101423 0,004 3,695 3,695 136,926 0,489 14,548 27/09/2012 44 10,2 7 21,5 28,5 101413,2 0,005 5,393 2,588 142,319 0,343 14,891 29/09/2012 46 7 6-7 21,5 28,5 101393,6 0,004 3.700 1,850 146,019 0,245 15,136 02/10/2012 49 7 7 22,5 27 101325 0,004 3,685 0,737 149,704 0,098 15,234 05/10/2012 52 7 7 21,5 30 101423 0,004 3,701 1,251 153,405 0,166 15,400 07/10/2012 54 9 6-7 21,5 30 101423 0,005 4.759 2,379 158,164 0,315 15,715 09/10/2012 56 15,2 7 24 35,5 101589,6 0,008 7,982 1,996 166,146 0,264 15,979 11/10/2012 58 6,5 6-7 23 34 101423 0,003 3,419 1,675 169,566 0,222 16,201 13/10/2012 60 7 6-7 23,5 33 101393,6 0,004 3,675 1,819 173,241 0,241 16,442 16/10/2012 63 7 6-7 24 34 101374 0,004 3,668 1,206 176,909 0,160 16,601 18/10/2012 65 6 6-7 23 35 101423 0,003 3,156 1,595 180,065 0,211 16,813 21/10/2012 68 6 7 26 32 101423 0,003 3,125 1,042 183,190 0,138 16,951 23/10/2012 70 5 6-7 26 28 101423 0,003 2,604 1,289 185.794 0,171 17,121 26/10/2012 73 10 6-7 25,5 34,5 101766 0.005 5,234 1,733 191,028 0,229 17,351 28/10/2012 75 6 6-7 24 32 101472 0,003 3,147 1,574 194,176 0,208 17,559 30/10/2012 77 5 6-7 22 33 101423 0,003 2,639 1,320 196,815 0,175 17,734 01/11/2012 79 6 6-7 23 33 101423 0,003 3,156 1,578 199,971 0,209 17,943 02/11/2012 80 5 6-7 24 33 101472 0,003 2,623 0,376 202,594 0,050 17,993
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Bibliot
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ía Quím
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NT
132
7.1.2. Registro del Trat. 1.2
Fecha Dias HGasómetro (cm) PH T° int (°C) T- amb (°C) P interna (Pa) Producción de
biogás (m3) Producción de
biogás (l) Producción diaria de
biogás (l/dia) Producción
acumulada de bioqás (I)
Producción de biogás por kg SV
(l/kq)
Producción de biogás por kg SV acumulado (l/kg)
16/08/2012 1 7.5 6 21 25 101344,6 0.0040 3,969 3,969 3,969 0,298 0,298 17/08/2012 2 11,1 7 19,7 22 101354,4 0,0059 5,901 5,901 9,870 0,444 0,742 18/08/2012 3 11.1 7 19,7 22 101364,2 0,0059 5.902 5,902 15,772 0.444 1,186 19/08/2012 4 6.5 6-7 19,5 22 101472 0,0035 3,462 3,612 19,234 0.272 1,457 22/08/2012 6 15,5 7 22,5 23 101452,4 0,0082 8,170 4,085 27,404 0,307 1,765 25/08/2012 7 10.7 6-7 22 23 101452,4 0,0056 5,650 5,650 33.053 0,425 2,189 28/08/2012 10 19,5 6-7 21 23 101717 0,0104 10,358 10,358 43,411 0,779 2,968 30/08/2012 13 15.8 6-7 21 26 101423 0,0084 8,368 2,911 51,780 0.219 3,187 31/08/2012 15 8,5 7 21,9 23,5 101423 0,0045 4,488 2,244 56.268 0,169 3,356 01/09/2012 16 7 7 21 24,5 101442,6 0,0037 3,708 3.708 59,976 0,279 3,635 04/09/2012 17 6 7 21 24,5 101462.2 0.0032 3,179 3,179 63.155 0,239 3,874 06/09/2012 20 6 7 21.5 31 101442,6 0,0032 3,173" 0.793 66,328 0,060 3,933 07/09/2012 22 2 7 22 27,5 101481,8 0,0011 1,056 0,523 67,384 0,039 3,973 10/09/2012 23 5 7 21,5 28,5 101481,8 0,0026 2,645 2,442 70,029 0,184 4,156 12/09/2012 26 4.6 7 21 25 101432.8 0.0024 2,437 0.847 72,466 0,064 4,220 13/09/2012 28 12 7 22,5 27 101550,4 0.0063 6,331 3,166 78,797 0,238 4,458 14/09/2012 29 7 7 22,5 23 101423 0,0037 3.689 3.689 82,486 0,277 4,735 15/09/2012 30 5.5 7 21 25 101472 0,0029 2,914 2.591 85,400 0,195 4,930 18/09/2012 32 9 7 21 27 101423 0,0048 4,767 5,720 90,167 0,430 5,360 21/09/2012 35 12 7 22 27 101442,6 0,0063 6,335 2,112 96,502 0,159 5,519 22/09/2012 38 11 6-7 21,5 24 101491,6 0,0058 5,820 1,940 102,323 0,146 5,665 25/09/2012 39 14 6 21 26.5 101628,8 0,0074 7.430 7,278 109.752 0,547 6,212 26/09/2012 42 13 6-7 21.5 27.5 101462,2 0,0069 6,876 2,292 116.629 0,172 6,384 27/09/2012 43 13 7 21,5 27.5 101364.2 0,0069 6,870 6,870 123.498 0,517 6,901 29/09/2012 44 13 7 21 28.5 101442,6 0,0069 6,887 3,306 130.385 0,249 7,149 02/10/2012 46 13 7 21 28,5 101423 0,0069 6.885 3,443 137,270 0,259 7,408 05/10/2012 49 14 7 21,5 27 101325 0,0074 7,395 1.479 144,665 0,111 7,519 07/10/2012 52 13 7 20,5 30 101374 0,0069 6,894 2,330 151,559 0,175 7,695 09/10/2012 54 12 7 20,5 30 101423 0,0064 6,366 3.183 157,925 0,239 7,934 11/10/2012 56 11 7 23 35,5 101560,2 0,0058 5,794 1,449 163.720 0,109 8,043 13/10/2012 58 8 6 24 33 101481,8 0,0042 4,197 2,056 167,917 0,155 8,197 16/10/2012 60 12 6 25 35 101423 0.0063 6,270 3,103 174.187 0,233 8,431 18/10/2012 63 7 6-7 24 32 101472 0,0037 3,672 1,207 177,859 0,091 8,521 21/10/2012 65 13 6 24 33 101472 0,0068 6,819 3,445 184,678 0,259 8,781 23/10/2012 68 11 6-7 25 32 101423 0,0057 5,748 1,916 190,426 0,144 8,925 26/10/2012 70 6 6-7 25 28 101393,6 0,0031 3,134 1,551 193.560 0,117 9,041 28/10/2012 73 14 6 24 34,5 101452,4 0,0073 7,342 2,431 200,902 0,183 9,224 30/10/2012 75 7 6 24 32 101432,8 0,0037 3,670 1,835 204,573 0,138 9,362 01/11/2012 77 5 6 24 33 101423 0,0026 2,621 1,311 207,194 0.099 9,460 02/11/2012 79 5 6 24 33 101462,2 0,0026 2,622 1,311 209,816 0,099 9,559 16/08/2012 80 4 6 23 33 101423 0,0021 2,104 0,302 211,921 0,023 9.582
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Bibliot
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ía Quím
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7.2. Registro del Experimento 2
7.2.1. Registro del Trat.2.1
Fecha Dias HGasómetro (cm) PH T°amb
(°C) T°int (°C) Presión interna (Pa) Producción de biogás
(m3) Producción de biogás
(I) Producción
diaria de biogás (l/dia) Producción
acumulada de biogás (I)
Producción de biogás por kg SV (l/kg)
Producción de biogás por kg SV acumulado
(l/kg) 27/12/20012 1 5 7 35 26,5 101374 0,0026 2,643 1,321 2,643 0,155 0,155 29/12/2012 2 5 7 35,5 26,5 101364,2 0.0026 2,642 1,281 5,285 0,150 0,305 02/01/2012 6 9.5 7 40 27 101374 0,0050 5,013 1,253 10,298 0,147 0,452 04/01/2012 8 8 7 39 27 101393,6 0,0042 4,222 2,252 14,520 0,264 0,715 06/01/2012 10 15 7 42 27 101344,6 0,0079 7,912 3,956 22,432 0,463 1,179 08/01/2012 12 16 7 41,5 30 101423 0,0084 8,363 4,181 30,795 0,490 1,668 10/01/2012 14 9 7 43 31,5 101374 0,0047 4,679 2,224 35,474 0,260 1,929 12/01/2012 16 10 7 45 31,5 101472 0,0052 5,204 2,498 40,677 0,293 2,221 15/01/2012 19 5 7 41 33 101413,2 0,0026 2,588 0,869 43,265 0,102 2,323 17/01/2012 21 6 7 44 32,5 101393,6 0,0031 3.110 1,622 46,374 0.190 2,513 19/01/2012 23 13 7 45 31 101442,6 0,0068 6,774 3,219 53,148 0,377 2,890 22/01/2012 26 15 7 45 33 101442,6 0,0078 7,765 2.721 60,913 0,319 3,209 24/01/2012 28 12 7 43 33.5 101521 0,0062 6,207 3.103 67.119 0,363 3,572 26/01/2012 30 18 7 44 34 101570 0,0093 9,299 4,699 76,418 0,550 4,122 29/01/2012 33 19 7 42 33,5 101766 0,0099 9,851 3,239 86,269 0,379 4,502 02/02/2012 37 17,5 7 46 33,5 101550,4 0,0091 9,054 2,252 95,323 0,264 4,765 05/02/2012 40 18 7 42 33,5 101521 0,0093 9,310 3,192 104,633 0,374 5,139 07/02/2012 42 14 7 44 33 101472 0,0072 7,249 3.411 111,882 0,400 5,539 09/02/2012 44 16 7 43,5 33 101432,8 0,0083 8,282 4,229 120,164 0,495 6,034 12/02/2012 47 10 7 43.5 33 101423 0,0052 5,176 1,725 125,339 0,202 6,236 14/02/2012 49 9 7 45 33 101501,4 0,0047 4,662 2,331 130,001 0,273 6,509 16/02/2012 51 15 7 45 33 101462,2 0,0078 7,766 3,691 137,767 0,432 6,941 20/02/2012 55 17 7 44 33 101550,4 0,0088 8,809 2,237 146,577 0,262 7,203 22/02/2012 57 19 7 44 33,5 101795,4 0,0099 9,854 4,979 156,430 0,583 7,786 24/02/2012 59 24 7 43,5 34 103481 0.0126 12,632 6,383 169,062 0,747 8,534 26/02/2012 61 22 7 44 34 103481 0,0116 11,579 5,790 180,642 0,678 9,212 28/02/2012 63 25 7 46 34 103481 0,0132 13,158 6,445 193,800 0,755 9,966 02/03/2012 65 19 7 46 36 101540,6 0,0097 9,749 4,775 203,550 0,559 10,526 05/03/2012 68 18 7 43 35,5 103285 0,0094 9,410 3,137 212,960 0,367 10,893 07/03/2012 70 21 7 41 34,5 103089 0,0110 10,993 5,277 223,953 0,618 11,511 09/03/2012 72 22 7 44 35 101834,6 0,0114 11,358 5,926 235,311 0,694 12,205 12/03/2012 75 25 7 45 35,5 104167 0,0132 13,181 4,394 248,493 0,515 12,720 14/03/2012 77 19 7 46 35,5 103775 0,0100 9,980 4,990 258,473 0,584 13,304 16/03/2012 79 23 7 44 35 103285 0,0120 12,044 6,022 270,516 0,705 14,009
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7.2.2. Registro del Trat.2.2
Fecha Dias H Gasómetro (cm) PH T°amb T° iirt Presión
interna (Pa) Producción de
biogás (m3) Producción de
biogás (I) Producción diaria de
biogás (l/dia) Producción
acumulada de biogás (1)
Producción de biogás por kg SV
(i/kg)
Producción de biogás por kg SV acumulado (l/kg)
02/01/2012 6 0 7 40 25 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 04/01/2012 8 0 7 39 25 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 06/01/2012 10 0 7 42 27 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx 08/01/2012 12 11 7 41,5 27,5 101423 0,006 5,792 2,896 5,792 0,133 0,133 10/01/2012 14 16,5 7 43 27,5 101472 0,009 8,687 4,129 14,479 0,189 0,322 12/01/2012 16 15 7 45 29 101472 0,008 7,859 3,772 22,338 0,173 0,495 15/01/2012 19 12 7 41 28 101560,2 0,006 6,308 2,117 28,645 0,097 0,592 17/01/2012 21 5 7 44 30 101423 0,003 2,611 1,362 31,256 0,062 0,654 19/01/2012 23 12 7 45 30 101462,2 0,006 6,266 2,978 37,522 0,136 0,791 22/01/2012 26 10 7 45 30 101472 0,005 5,222 1,830 42,744 0,084 0,874 24/01/2012 28 9 7 43 31,5 101472 0,005 4,676 2,338 47,420 0,107 0,981 26/01/2012 30 14 7 44 33 101423 0,007 7,239 3,657 54,659 0,168 1,149 29/01/2012 33 15 7 42 33 101521 0,008 7,756 2,550 62,415 0,117 1,266 02/02/2012 37 17,5 7 46 33 101560,2 0,009 9,048 2,250 71,463 0,103 1,369 05/02/2012 40 18 7 42 32.5 101589,6 0,009 9.322 3,196 80,786 0,146 1,515 07/02/2012 42 15 7 44 33 101609,2 0,008 7,756 3,650 88,542 0,167 1,683 09/02/2012 44 16 7 43,5 33,5 101521 0,008 8,259 4,218 96,801 0,193 1,876 12/02/2012 47 17 7 43,5 33,5 101717 0,009 8,776 2,925 105,577 0,134 2,010 14/02/2012 49 19 7 45 33 102148,2 0,010 9,824 4,912 115,401 0,225 2,235 16/02/2012 51 18 7 45 32 101775,8 0,009 9,337 4,438 124,738 0,203 2,438 20/02/2012 55 19 7 44 33 101913 0,010 9,824 2,495 134,562 0,114 2,553 22/02/2012 57 19 7 44 33 102109 0,010 9,824 4,964 144,386 0,227 2,780 24/02/2012 59 22 7 43,5 33 105588 0,011 11,375 5,747 155,761 0,263 3,043 26/02/2012 61 25 7 44 33,5 105637 0,013 12,905 6,453 168,667 0,296 3,339 28/02/2012 63 26 7 46 33 105833 0,013 13,443 6,585 182,110 0,302 3,641 02/03/2012 65 22 7 46 35 105833 0,011 11,301 5,535 193,412 0,254 3,894 05/03/2012 68 29 7 43 34 105539 0,015 14,946 4,982 208,357 0,228 4,122 07/03/2012 70 20 7 41 33 105343 0,010 10,341 4,964 218,698 0,227 4,350 09/03/2012 72 ' 27 7 44 34 105637 0,014 13,915 7,260 232,614 0,333 4,682 12/03/2012 75 19 7 45 34,5 105735 0,010 9,776 3,259 242,390 0,149 4,832 14/03/2012 77 22 7 46 34,5 105833 0,011 11,320 5,660 253,709 0,259 5,091 16/03/2012 79 23 7 44 35 105637 0,012 11,815 5,908 265,525 0,271 5,362
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7.3. Registro fotográfico
7.3.1 Parque Porcino de La Esperanza.
Vista de Algunas granjas
Infraestructura típica de granjas de la zona
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1.2 Entorno Ambiental en el Parque Porcino
Restos inorgánicos producto de la
clasificación de residuos de restaurantes
para alimentación
Alimentación de los cerdos con residuos
de restaurantes
Filtración de orines en el suelo no
pavimentado de los corrales.
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1.3 Entorno Ambiental en el Parque Porcino
Incineración de los residuos orgánicos
generados por la granja (excretas,
orines, y alimentos entre otros)
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Construcción de experimentos en la Granja del Sr Jorge Iparraguirre. Parque Porcino (Distrito La
Esperanza)
Llenado de Biodigestores de inóculo a sustratos a concentraciones diferenciadas. Sellado e
inicio del proceso.
Toma de muestra para análisis de composición de inóculos y sustratos. Pruebas de combustión
ante un mechero. Funcionamiento como combustible para labores de cocina Medición de pH.
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