Contenido

En la actualidad el problema energético ha afectado tanto a países industrializados como aquellos en vías de desarrollo, en los que subsisten grandes limitaciones para el crecimiento del sector rural.

Otro aspecto de importancia en la economía ru­ral, se refiere a la obtención de fertilizantes, cuya demanda es frecuente, por la explotación intensiva de los suelos. Generalmente, para suplir esta nece­sidad, se han empleado abonos minerales o quími­cos, derivados del petróleo y de alto costo (Lagran­ge, 1979).

Se hace necesario, entonces, promover la pro­ducción de energías renovables y fertilizantes, que permitan disminuir costos en la producción agrícola y ganadera. Muchos países han destinado sumas crecientes a la investigación de sus potenciales re­cursos energéticos alternativos (Pedrals, 1979). Una opción considerada factible, que ofrece gran­des posibilidades en el medio rural, es la biodiges­tión anaeróbica de desechos orgánicos, provenien­tes de planteles pecuarios. Mediante este proceso, es posible obtener bioabonos y energía, en forma de gas metano, solucionando paralelamente el grave problema de contaminación ambiental, generado por la presencia de desechos y excretas (Lagrange, 1979).

La biodigestión anaeróbica consiste en descom­poner materias orgánicas y/o inorgánicas en un di­gestor hermético, sin oxígeno molecular, produ­ciéndose finalmente gas metano y dióxido de carbo­no (FAO, 1980). Este proceso está constituido por tres etapas: etapa I, hidrólisis, en la cual los políme­ros complejos son reducidos a monómeros solu­bles, por acción de bacterias hidrolíticas; etapa II: formación de ácidos. Estos monómeros son trans­formados en ácidos orgánicos acético, propiónico, etc., además de hidrógeno y dióxido de carbono; y etapa III: las bacterias metanogénicas (anaeróbicas) transforman parte de estos productos en metano y dióxido de carbono, constituyentes del llamado bio­gas (Sáez y Alkalaj, 1983).

El material que no es transformado en biogas, sale del biodigestor en forma de bioabono, conser­vando gran parte de sus elementos fertilizantes (N, P, K) (Sievers y Brune, 1978; Lagrange, 1979; Isaza, 1982).

Para que este proceso se realice en forma eficien­te, deben considerarse una serie de factores, tales como: temperatura, pH, composición de la materia prima, relación C/N concentración de sólidos tota­les y tiempo de retención (Badger y Cols., 1979; Neumann y Baumgartner, 1981; Sweeten y Cols., 1981; Joannon, 1983; Sáez y Alkalaj, 1983).

El presente trabajo, pretende estudiar algunas características de la biodigestión anaeróbica de ex­cretas de cerdo, usando una planta experimental de laboratorio, tales como la producción de biogas y los posibles cambios de sólidos totales y las relacio­nes C/N del sustrato, cuando se intervienen las variables temperaturas y concentración de sólidos.

Material y método

Como sustrato se emplearon excretas frescas de cerdos, de 4 a 6 meses de edad, recolectadas desde un piso de cemento.

Para el estudio, se diseñó un digestor experimen­tal de laboratorio, adaptando los equipos descritos por Sievers y Brune (1978), Badger y otros (1979) y Cardoen (1983). Este biodigestor correspondió al tipo de lote (batch), el cual se carga de una sola vez en forma total y la descarga se efectúa una vez que se ha completado el proceso.

Diseño experimental

Se intervino las variables temperatura y concentra­ción de sólidos totales, considerando el tiempo de retención como una variable dependiente de tempe­ratura. El procedimiento se realizó a base de dos experimentos a temperaturas diferentes (15°C y 35°C), empleando en cada uno de ellos tres digesto­res experimentales idénticos, siendo el único factor de variación entre ellos la concentración de sólidos totales con las siguientes concentraciones: A=10%, B=6% y C=3%.

Los tiempos de retención para los experimentos a 15°C y 35°C fueron de 75 a 45 días, respectiva­mente.

En cada experiencia se realizaron las siguientes determinaciones:

1. Producción de biogas

Diariamente se abría la salida del gas hacia los sistemas lavadores de CO2 y H2S; el gas recolectado en el gasómetro desplazaba su volumen de agua que era medido en una probeta graduada (ml) determi­nando así el volumen de gas producido.

2. Análisis químico

Se obtuvo muestras del material pre y posfermenta­ción, se homogenizaron y sometieron a las siguien­tes determinaciones:

- Carbono orgánico (%), según el procedimiento de Walkley y Black (Chapman y Pratt, 1973), base m. s. - Nitrógeno total (%), según el método Kjeldahl (APHA, 1975), base m.s. - Relación C/N, por cálculo. - Monitoreo de pH, realizado (con potenciómetro 'Corning'), cada 5 días. - Sólidos totales (%) y materia orgánica (%) base m.s. (Bateman, 1970).

Resultado y discusión

Producción de biogas

Se obtuvo producción de biogas solamente en el experimento N° 1 (35°C); con un volumen de sus­trato de 4.000 ml, las relaciones volumen de gas/ volumen sustrato fueron de 0,98:1, 0,67:1 y 1,99:1 para las diluciones, respectivamente. A dicha tem­peratura, con distintas diluciones del sustrato, se observó diferencias en la producción acumulada diaria de biogas (figura 1), presentándose una mayor producción en el digestor que poseía una menor concentración de sólidos totales (3%, C). A mayores concentraciones de sólidos totales, proba­blemente, el exceso de ácidos volátiles producidos no alcanza a ser removido por las bacterias produc­toras de metano, con lo cual disminuye el pH; en consecuencia, las bacterias se inhiben, disminuyen­do su producción de gas (Badger y Cols., 1979; FAO, 1980). Esto explica el retraso en la produc­ción de gas de la dilución C en la que hubo que adicionar hidróxido de amonio al 5% y neutralizar la dilución. Al observar la curva de pH de las diluciones A y B de la figura 6, se aprecia que a partir del día 10 hubo un descenso permanente del pH, lo que explicaría la escasa o nula producción de metano. Además, es probable que el gas aparecido durante los primeros días en las diluciones A y B (figura 1) haya sido C02, filtrado por saturación del matraz lavador de este gas.

Figura 1. Producción acumulada diaria de biogas (ml) a 35ºC según concentración.

En el experimento N° 2 (15°C) no hubo cantida­des medibles de biogas, probablemente porque esta temperatura frena un adecuado desarrollo bac­teriano presentándose, además, niveles de pH que podrían considerarse inhibitorios para las bacterias, durante todo el proceso (figura 2).

Figura 2. Curva de pH durante el proceso de biodigestión anaeróbica a 15ºC.

Carbono orgánico

La determinación de carbono orgánico es importan­te, ya que este elemento energético da origen a las moléculas de metano y dióxido de carbono del biogas. Como se observa en la figura 3, los porcen­tajes de disminución son de mayor importancia en el experimento N° 1 (35°C). Estas disminuciones concordaron con la producción de biogas obtenida para el experimento a 35°C y, dentro de él destacó el digestor que contenía la mayor dilución (3%, C) que con 7.976 ml de producción de biogas, utilizó la mayor cantidad de carbono orgánico, el que dis­minuyó en 18,7%.

Figura 3.  Reducción (%) de carbono orgánico en excreta de cerdo pre y posfermentación

Nitrógeno total

En cuanto a N total, los porcentajes de disminución observados (figura 4), fueron mayores que los des­critos en la literatura (UNEP, 1981). También en este caso, se observaron mayores disminuciones en el experimento a 35°C. Esta disminución, se atri­buye a la pérdida de N como gas amoníaco libre, a través del biogas producido, lo que ocurre con mayor frecuencia en fecas de animales que poseen altos contenidos de este elemento (Sievers y Brune, 1978). Esta pérdida sería mayor al inicio del proce­so, período en que el pH es alcalino.

Figura 4.  Reducción (%) de Nitrógeno total en excreta de cerdo pre y posfermentación

Relación C/N

Como se observa en el cuadro 1, las relaciones C/N en el material prefermentación para el experimento N° 1 (35°C) y N° 2 (15°C), son semejantes a las relaciones dadas en la literatura para excretas de cerdo (Da Silva, 1981; Joannon, 1983; Sáez y Alka­laj, 1983).

Con respecto al material posfermentación, la relación C/N aumentó, a excepción de la dilución (C) de la experiencia N° 2 (15°C). El aumento de la relación C/N se debería a que la pérdida de N durante el proceso, sería comparativamente mayor que la disminución del carbono orgánico.

CUADRO 1 RELACIÓN C/N EN EXCRETAS DE CERDO, PRE Y POSFERMENTACIÓN*

Experimentos Relación C/N
Prefermentación Posfermentación diluciones
(A) (B) (C)
N° 1 (35°C) 22,0/1 31,9/1 24,8/1 27,2/1
N° 2 (15°C) 18,3/1 19,6/1 23,0/1 17,0/1
*C/N = Carbono Nitrógeno.

Monitoreo de PH

En el experimento a 35°C (figura 5), los valores de pH cayeron entre 5,5 y 5,7 a los 10 días de reten­ción. Para evitar la inhibición de las bacterias meta­nogénicas por la disminución del pH, se adicionó un álcali (hidróxido de amonio al 5%), como lo recomiendan algunos autores para estos niveles de pH (Badger y Cols., 1979; Mansur y Ablade, 1979; Sáez y Alkalaj, 1983). Sólo después del día 25, la dilución (C) comenzó a recuperarse llegando a pH neutro, lo cual es indicador de un buen equilibrio entre la flora bacteriana acidogénica y metanogéni­ca (Lagrange, 1979).

Figura 5. Curva de pH durante el proceso de biodigestión anaeróbica a 35ºC.

En general, las causas de los bajos valores de pH en ambos experimentos pueden ser variadas (figu­ras 2 y 5); entre ellas, cabe consignar la materia prima para la digestión, que en este caso consistió en excretas de cerdos. Debido al tipo de alimenta­ción y a la fisiología digestiva de estos animales, sus excretas poseen altos contenidos de carbohidra­tos no estructurales; éstos, por su fermentación rá­pida, llevan a la producción de gran cantidad de ácidos grasos volátiles, que las bacterias metanogé­nicas son incapaces de remover en su totalidad, produciéndose una caída de pH (Badger y Cols., 1979; FAO, 1980).

Sólidos totales y materia orgánica Durante el proceso de digestión anaeróbica y por acción de los microorganismos involucrados en ca­da una de sus etapas, ocurre una disminución de los sólidos totales y de la materia orgánica, debido a la hidrólisis de sus macromoléculas, formando monó­meros solubles y productos finales volátiles, provo­cando así una degradación y licuefacción de las excretas (Bryant, 1979; Smith y Cols., 1979; Carot­hers, 1980; Sáez y Alkalaj, 1983).

En este trabajo, se observó que los resultados más relevantes correspondieron al experimento N° 1 (35°C) en la mayor dilución (3%), en la cual los sólidos totales disminuyeron en 40,0% y la materia orgánica en 18,8%, a pesar del menor tiem­po de retención, con respecto al experimento N° 2 (15°C).

Por los resultados de este estudio experimental las excretas de cerdo podrían constituir un recurso bioenergético factible para la biodigestión anaeró­bica, bajo condiciones de temperatura y concentra­ción adecuadas.

Referencias

AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. Standard methods for examination of water and wastewater. 14th ed. New York, 1.193 pp., 1975.

BADGER, D., M. BOGUE, D. STEWART. Biogas production from crops and organic wastes. Results of barth digestion. N.Z.J. Sci. 22: 11-20, 1979.

BATEMAN, J. Nutrición Animal, manual de métodos analíticos. México, D.F., Centro Regional de Ayuda Técnica, AID, 468 pp., 1970.

BRYANT, M. Microbial methane production-theoretical aspects. J. Anim. Sci. 48: 193-200, 1979.CARDOEN, M. Estudio técnico y económico del proceso de pro­ducción de biogas a partir de desecho de ave. Tesis Ing. Civil Ind., Santiago. Pontificia Universidad Católica de Chile, Facultad de Ingeniería, 115 pp., 1983.

CAROTHERS, R. Anaerobic digestion as a rural sanitation option. In: Proceeding of a workshop on a training held in Lobatse, Botswana, 14, 20 august, 1980. Ottawa, Canadá, Inter­national Development Research Centre. 34-40 pp., 1980.

CHAPMAN, H., P. PRATT. Método de análisis para suelos, plantas y aguas. México, ed. Trillas, 39 pp., 1973

DA SILVA, D. Biogas. Transformando lixo en tesouros. Projeto de difusao e instalagáo de biodigestores no meio rural, Insti­tuto de Pesquisas Da Marinha. Brasil, 38 pp., 1981.

ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN. Biogas: ¿Combustible del futuro? Re­vista Mundial de Zootecnia 35: 4-12, 1980.

ISAZA, C. Importancia de la tecnología del biogas en aspectos ambientales, sanitarios y energéticos del país. En: Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. 18°. Panamá, l-6 agosto, 3 pp., 1982.

JOANNON, M. Estudio de algunas variables de operación en la biodigestión de desechos orgánicos. Tesis Ing. Civil de Ind. Santiago, Pontificia Universidad Católica de Chile, Facultad de Ingeniería, 128 pp., 1983.

LAGRANGE, B. Biomethane: Principles, Techniques, Utiliza­tions. Edisud/Energies altematives. Aix-ex-Provence, Fran­ce, v. 2, 317 pp., 1979.

MANSUR, M., N. ABIADEN. Tratamiento de esgotos por biodiges­tao anaeróbia. Instituto de Tecnologías Apropiadas. Brasil, 96 pp., 1979.

NEUMANN, R., G. BAUMGARTNER. Estudio experimental y téc­nico-económico de un digestor de biogas. En: Simposio Interuniversitario sobre Energía. Universidad Católica de Valparaíso, 2-7 noviembre, 1981, v. l, 16 pp., 1981.

PEDRALS, J. Energía 1979-1990. Santiago, Chile, Fundación BHC para el Desarrollo, 285 pp., 1979.

SÁEZ, C., L. ALKALAJ. Proceso de biodigestión anaeróbica. Gestión Tecnológica (UFSM), Valparaíso, 2: 16-24, 1983. SIEVERS, D., D. BRUNE. Carbon/Nitrogen ratio and anaerobic digestion of swine waste. Trans.ASAE; Am. Soc. Agric. Eng. 21: 537-541, 1978.

SMITH, R., M. HEIN, T. GREINER. Experimental methane pro­duction from animal excreta in pilot scale and farm size units. J. Anim. Sci. 48: 202-207, 1979.

SWEETEN, J., C. FULHAGE, F. HUMENIK. Methane gas from swine manure. Pork industry handbook. Michigan State Uni­versity. Cooperative Extensión Service. Circular N` 532, 4 pp., 1981.

UNITED NATIONS ENVIRONMENT PROGRAMME. Biogas ferilizer system. Technical report on a training seminar in China. UNEP report and proceedings. Nairobi, Kenya, 86 pp., 1981.