universidad central del ecuador facultad de ......agradezco infinitamente a mi padre, quien es mi...

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

APROVECHAMIENTO DEL ESTIERCOL DE GANADO VACUNO

COMO ABONO LÍQUIDO

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERA QUÍMICA

AUTOR: MARÍA BELÉN JÁCOME SANDOVAL

TUTOR: ING. CESAR AUGUSTO ALVARADO CALDERÓN

QUITO

2015

ii

APROBACIÓN DEL TUTOR

En la calidad de Tutor de la Tesis de Grado titulada “APROVECHAMIENTO DEL

ESTIERCOL DE GANADO VACUNO COMO ABONO LÍQUIDO”, me permito certificar

que la misma es original y ha sido desarrollada por la señorita: MARÍA BELÉN JÁCOME

SANDOVAL bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas, considero que

el trabajo reúne los requisitos necesarios.

En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de Septiembre de 2014

Ing. Cesar Alvarado C.

iii

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA

Yo, MARÍA BELÉN JÁCOME SANDOVAL en calidad de autor del Trabajo de grado

realizada sobre “APROVECHAMIENTO DEL ESTIERCOL DE GANADO VACUNO COMO

ABONO LÍQUIDO”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL

ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que

contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,

seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y

demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, 26 de Diciembre de 2014

María Belén Jácome Sandoval

C.C. 171746287-1

[email protected]

iv

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a Dios quien siempre

me dio la fuerza, el camino y las

herramientas necesarias para culminar mi

carrera. A mi padre quien ha sido el pilar

de mi ser, la persona que inspira mis

propósitos. Mi madre y hermana quienes

son mi companía y mi aliento. Y a esas

personas que permanecieron cerca de mi

cuando lo necesitaba. Todos ellos quienes

hicieron realidad mi sueño.

v

AGRADECIMIENTO

El autor expresa su agradecimiento a:

Dedico este trabajo a Dios quien me acompañó en mi trayecto, el ser que no me abandonó y

siempre me mostró la luz en medio de la tormenta. Pese a cada obstáculo y adversidad se

mantuvo presente con oportunidades de superación siendo este trabajo el vivo ejemplo de su

poder.

Agradezco infinitamente a mi padre, quien es mi admiración, una persona perseverante,

luchador y hasta soñador. Quien nunca dudó de mi talento y capacidades siempre estuviste ahí

inamovible en mi mente y corazón.

A mi querida madre quien con su afecto, palabras y cariño me alentó en el camino del

conocimiento y crecimiento intelectual.

Agradezco a mi hermana quien fue mi motivación y mi fuerza para alcanzar este objetivo

planteado en mi vida.

A Gustavo Luna mi enamorado quien con sus palabras me inspira a ser mejor cada día, quien

logró abrir el candado de mi corazón, es él quien me ha demostrado que con perseverancia y

convicción en nuestras decisiones puedes lograr alcanzar lo impensable.

Agradezco al angelito que trae dulzura a mi vida a mi sobrino Benjamín quien me llena de risas

y motivación.

Al Ingeniero Luis Calderón quien sin su valiosa ayuda no podría haber culminado mi trabajo de

grado.

A mis maestros y profesores de la querida Facultad de Ingeniería Química, quienes con sus

conocimientos experiencias y anécdotas me inspiraron a crecer profesionalmente y me

enseñaron que cuando estas sentado en un pupitre tu mente y espíritu se alimenta y se enriquece

de conocimientos los que tarde o temprano dan sus frutos.

vi

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE CUADROS .............................................................................................................. XII

LISTA DE TABLAS............................................................................................................... XIII

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ XV

LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................... XVI

LISTA DE ANEXOS .............................................................................................................. XVII

RESUMEN ............................................................................................................................. XVIII

ABSTRACT ............................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 2

1.1. Abono orgánico ..................................................................................................................... 2

1.1.1. Fertilización. ....................................................................................................................... 2

1.1.2. Fertilización orgánica ......................................................................................................... 2

1.1.3. Aplicación de los fertilizantes. ............................................................................................ 3

1.1.3.1. Macroelementos. ............................................................................................................. 3

1.1.3.1.1. Nitrógeno....................................................................................................................... 3

1.1.3.1.2. Fósforo. ......................................................................................................................... 5

1.1.3.1.3. Potasio. ......................................................................................................................... 5

1.1.3.1.4. Azufre. ........................................................................................................................... 6

1.1.3.1.5. Calcio. ........................................................................................................................... 7

1.1.3.1.6. Magnesio ....................................................................................................................... 8

1.1.3.2. Microelementos. ............................................................................................................... 8

1.1.3.2.1 Boro. ............................................................................................................................... 8

1.1.3.2.2. Manganeso. ................................................................................................................... 9

1.2. Quelatos ................................................................................................................................. 9

1.3. Bio-fertilizante (biol) ........................................................................................................... 10

1.3.1. Forma de acción del biol. ................................................................................................. 10

vii

1.3.2. Composición bioquímica del biol. ..................................................................................... 10

1.3.3. Ventajas del biol. ............................................................................................................... 11

1.3.4. Desventajas del biol. ........................................................................................................ 12

1.3.5. Biosol. ............................................................................................................................... 12

1.4 Biomasa ................................................................................................................................. 12

1.4.1. Tipos de biomasa............................................................................................................... 12

1.4.1.1. Cultivos energéticos. ...................................................................................................... 13

1.4.1.2. Biomasa de los residuos. ................................................................................................ 13

1.4.1.3. Residuos forestales. ........................................................................................................ 13

1.4.1.4. Residuos agrícolas. ........................................................................................................ 13

1.4.1.4.1. Estiércol y secado de estiércol .................................................................................... 13

1.5 Fermentación ......................................................................................................................... 14

1.5.1. Tipos de fermentaciones. ................................................................................................... 14

1.5.1.1. Fermentación discontinua. ............................................................................................. 14

1.5.1.1.1. Fases de crecimiento microbiano. .............................................................................. 15

1.5.1.1.2. Fermentación alimentada (fed-batch). ........................................................................ 15

1.5.1.1.3. Fermentación continua. .............................................................................................. 16

1.6 Digestión anaerobia .............................................................................................................. 16

1.6.1. Demanda química de oxígeno. .......................................................................................... 16

1.6.2. Tratamiento anaerobio. ..................................................................................................... 16

1.6.2.1. Degradación anaerobia de la materia orgánica. ........................................................... 17

1.6.2.1.1. Hidrólisis (grupo i: bacterias hidrolíticas). ................................................................ 17

1.6.2.1.2. Acidogénesis (grupo i: bacterias fermentativas)......................................................... 17

1.6.2.1.3. Acetogénesis (grupo ii: bacterias acetogénicas)......................................................... 17

1.6.2.1.4. Metanogénesis (grupo iii: bacterias metanogénicas). ................................................ 17

1.7. Factores determinantes para el proceso de digestión ........................................................... 19

1.7.1. Rangos de temperatura ..................................................................................................... 19

1.7.2. Porcentaje de composición de la dilución ......................................................................... 20

1.7.3. Tiempo de retención. ......................................................................................................... 20

1.7.4. Contenido de sólidos. ........................................................................................................ 20

1.7.5. Rangos de pH. ................................................................................................................... 20

1.7.6. Estabilidad, toxicidad e inhibición................................................................................... 20

1.7.7. Relación carbono nitrógeno c:n en las excretas. ............................................................. 21

1.7.8. Proporción excretas/agua. ............................................................................................... 21

1.8. Biodigestores ....................................................................................................................... 21

1.8.1. Diseño de biodigestores. ................................................................................................... 22

viii

1.8.1.1. Temperatura y tiempo de retención. .............................................................................. 23

1.8.1.2. Niveles de amoniaco. ..................................................................................................... 23

1.8.1.3. Contenido de agua en la mezcla. ................................................................................... 23

1.9. Diseño de tanques cilíndricos ............................................................................................... 23

1.9.1. Esfuerzos del material para reactores cilíndricos. ........................................................... 23

1.9.2. Presión interna ................................................................................................................. 24

1.9.2.1. Presión de operación. .................................................................................................... 24

1.9.2.2. Presión de diseño. .......................................................................................................... 24

1.9.2.3. Máxima presión permitida de operación. ...................................................................... 24

1.10. Caracterización del biol ...................................................................................................... 25

1.10.1. Cuantificación de Mg, Mn, B, P y Zn en el biol .............................................................. 26

1.10.1.1. Espectrometría de masas.. ........................................................................................... 26

1.10.1.2. Funcionamiento del ICP (espectrómetro de masas). ................................................... 26

1.10.2. Cuantificación de nitrógeno en el biol ........................................................................... 26

1.10.2.1. Método Kjeldahl. ......................................................................................................... 26

1.11. Calor y calorimetría ............................................................................................................ 27

1.11.1. Definición. ....................................................................................................................... 27

1.11.2. Calor por unidad de masa. .............................................................................................. 27

1.11.3. Calor e incremento de temperatura. ............................................................................... 27

1.11.4. Capacidad calorífica y calor específico. ......................................................................... 28

1.11.5. Entalpía de formación. .................................................................................................... 29

1.12. Datos estadísticos ............................................................................................................... 29

1.12.1. Estadística descriptiva. ................................................................................................... 30

1.12.1.1. Promedio. ..................................................................................................................... 30

1.12.1.2. Varianza. ...................................................................................................................... 30

1.12.1.3. Desviación estándar. .................................................................................................... 30

1.12.1.4. Error. ............................................................................................................................ 30

2. MARCO EXPERIMENTAL .................................................................................................. 31

2.1. Diseño experimental ............................................................................................................ 31

2.1.1. Formulaciones.................................................................................................................. 32

2.1.2. Materiales y equipos ........................................................................................................ 35

2.1.2.1. Dimensiones del biodigestor ......................................................................................... 36

2.1.3. Equipo de trabajo ............................................................................................................. 36

2.1.4. Sustancias y reactivos ...................................................................................................... 36

2.1.5. Procedimiento .................................................................................................................. 36

ix

2.2. Datos experimentales .......................................................................................................... 38

2.2.1. Datos de macro y micro nutrientes en el estiércol, alfalfa y biol de referencia .............. 38

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS ............................................................................................. 44

3.1. Cálculo de la gravedad específica del biol .......................................................................... 44

3.1.1. Balance de masa etapa 1 ................................................................................................... 44

3.1.1.1. Formulación MN1A ...................................................................................................... 46

3.1.1.1.1. Cálculo de la cantidad de nitrógeno. %p/v ................................................................ 46

3.1.1.1.2. Cálculo de la cantidad de magnesio. %p/v ................................................................ 47

3.1.1.1.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %p/v .................................................................... 47

3.1.1.1.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %p/v .................................................................... 48

3.1.1.1.5. Cálculo de la cantidad de boro. %p/v ........................................................................ 48

3.1.1.1.6. Cálculo de la cantidad de manganeso. %p/v ............................................................. 49

3.1.1.1.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %p/v ......................................................................... 49

3.1.2.2. Formulación MN2A ...................................................................................................... 50








3.1.1.3. Formulación MN3A ...................................................................................................... 53








3.1.2. Balance de masa etapa 2 .................................................................................................. 57

3.1.2.1. Cálculo de la cantidad de nitrógeno. %p/v ................................................................... 57

3.1.2.2. Cálculo de la cantidad de magnesio. %p/v ................................................................... 57

3.1.2.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %p/v ....................................................................... 57

3.1.2.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %p/v ....................................................................... 57

3.1.2.5. Cálculo de la cantidad de boro. %p/v ........................................................................... 58

x

3.1.2.6. Cálculo de la cantidad de manganeso. %p/v ................................................................ 58

3.1.2.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %p/v ............................................................................ 58

3.1.3. Balance de masa etapa 3 ................................................................................................. 58

3.1.3.1. Formulación MN1B ....................................................................................................... 59







3.1.3.1.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %p/v .......................................................................... 62

3.1.3.2. Formulación MN2B ...................................................................................................... 62



3.1.3.2.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %p/v ..................................................................... 63

3.1.3.2.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %p/v ..................................................................... 64

3.1.3.2.5. Cálculo de la cantidad de boro. %p/v ......................................................................... 64



3.1.3.1. Formulación MN3B ...................................................................................................... 66




3.1.3.3.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %pv ..................................................................... 67

3.1.3.3.5. Cálculo de la cantidad de boro. %pv ......................................................................... 68



3.2. Diseño del bioreactor industrial .......................................................................................... 69

3.2.1. Cálculo de la cantidad de estiércol al día ......................................................................... 69

3.2.2. Cálculo de la cantidad de agua a ingresar en el bioreactor ............................................. 70

3.2.3. Cálculo de la cantidad de alfalfa a ingresar al bioreactor ............................................... 70

3.2.4. Cálculo del volumen del biodigestor (vt)........................................................................... 70

3.2.4.1. Cálculo de la carga del bioreactor ................................................................................ 70

3.2.5. Cálculo del diámetro del biodigestor ................................................................................ 71

3.2.6. Cálculo del espesor ........................................................................................................... 71

3.2.6.1. Cálculo de la presión hidrostática ................................................................................. 72

xi

3.2.6.2. Cálculo del volumen de metano diario .......................................................................... 72

3.2.6.3. Cálculo del volumen de gas generado del bioreactor .................................................... 72

3.2.6.4. Cálculo de la masa y moles de metano generados al día .............................................. 73

3.2.6.5. Cálculo de las moles acumuladas de gas metano .......................................................... 73

3.2.6.6. Cálculo del tiempo de acumulación de gas metano ....................................................... 73

3.2.6.7. Cálculo de la presión de trabajo .................................................................................... 74

3.2.6.8. Cálculo del espesor de la tapa torisférica ..................................................................... 74

3.2.6.9. Cálculo del espesor de la costura longitudinal .............................................................. 74

3.3. Cálculo de la cantidad de calor transferido .......................................................................... 75

3.3.1. Cálculo del calor perdido (aire) ......................................................................................... 75

3.3.2. Cálculo del calor ganado (biol) ......................................................................................... 76

3.4. Determinación de los datos estadísticos ............................................................................... 77

3.4.1. Cálculo del promedio de macro y microelementos en las diferentes formulaciones

para la etapa 3 .............................................................................................................................. 77

3.4.2. Cálculo de la varianza de macro y microelementos en las diferentes formulaciones

para la etapa 3 .............................................................................................................................. 77

3.4.3. Cálculo de la desviación estándar de macro y microelementos en las diferentes

formulaciones para la etapa 3 ...................................................................................................... 78

3.4.4. Cálculo del error respecto al biol de referencia ................................................................ 78

3.5. Resultados ............................................................................................................................ 79

3.6. Gráficos ............................................................................................................................... 82

4. DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 85

5. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 87

6. RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 88

CITAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................... 89

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 92

xii

LISTA DE CUADROS

Pág.

Cuadro 1. Principales fuentes de nitrógeno utilizadas en pastos ................................................... 4

Cuadro 2. Principales fuentes de fósforo utilizadas en pastos....................................................... 5

Cuadro 3. Principales fuentes de potasio utilizadas en pastos....................................................... 6

Cuadro 4. Principales fuentes de azufre utilizadas en pastos ........................................................ 7

Cuadro 5. Principales fuentes de calcio utilizadas en pastos ........................................................ 7

Cuadro 6. Comparación de contenido de N-P-K en estiércol de ganado fresco y biodigerido ... 10

Cuadro 7. Reacciones bioquímicas en la digestión anaerobia de la materia orgánica ................ 19

xiii

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Composición bioquímica del Biol proveniente de estiércol (BE) y de

estiércol + alfalfa (BEA) ............................................................................................................. 11

Tabla 2. Entalpía de formación del ácido acético ....................................................................... 29

Tabla 3. Datos experimentales .................................................................................................... 35

Tabla 4. Contenido de macroelementos y microelementos en el estiércol .................................. 38

Tabla 5. Contenido de macroelementos y microelementos en la alfalfa ..................................... 38

Tabla 6. Contenido de macroelementos y microelementos en el biol de referencia ................... 38

Tabla 7. Datos de temperatura ambiental y temperatura del tanque etapa 3 .............................. 39

Tabla 8. Datos de temperatura ambiental y temperatura del tanque promedio etapa 3 .............. 41

Tabla 9. pH en funcion del tiempo para la etapa 3 ..................................................................... 42

Tabla 10. Crecimiento microbiano en la etapa 3 ......................................................................... 43

Tabla 11. Datos del picnómetro para la gravedad específica del biol ......................................... 44

Tabla 12. Contenido de macro y microelementos en la etapa 1 .................................................. 44

Tabla 13. Contenido de alfalfa y estiércol en la etapa 1 .............................................................. 44

Tabla 14. Contenido de magnesio en el sulfato de magnesio heptahidratado ............................. 45

Tabla 15. Contenido de potasio en el sulfato de potasio ............................................................. 45

Tabla 16. Contenido de fósforo en la roca fosfórica ................................................................... 45

Tabla 17. Contenido de boro en el bórax decahidratado ............................................................. 45

Tabla 18. Contenido de manganeso en el sulfato de manganeso monohidratado ....................... 46

Tabla 19. Contenido de zinc en el sulfato de zinc heptahidratado .............................................. 46

Tabla 20. Contenido de melaza y leche en la etapa 2 .................................................................. 57

Tabla 21. Contenido de macro y microelementos en la etapa 3 .................................................. 58

Tabla 22. Contenido de alfalfa y estiércol en la etapa 3 .............................................................. 59

Tabla 23. Contenido de Magnesio en las formulaciones MN1B, MN2B, MN3B de la etapa 3 . 77

Tabla 24. Contenido de magnesio en el biol de referencia y la formulación MN2B .................. 78

Tabla 25. Resultados de las formulaciones etapa 1 ..................................................................... 79

xiv



Tabla 28. Resultados del biosol................................................................................................... 80

Tabla 29. Resultados del biol de referencia ................................................................................ 80

Tabla 30. Resultados porcentaje de biol y biosol otenido en la etapa 3 ...................................... 80

Tabla 31. Resultados de pH de la formulación etapa 1 ............................................................... 80

Tabla 32. Resultados de pH de la formulación etapa 3 ............................................................... 81

Tabla 33. Resultados estadísticos. Promedio ............................................................................. 81

Tabla 34. Resultados estadísticos. Varianza ............................................................................... 81

Tabla 35. Resultados estadísticos. Error ..................................................................................... 81

xv

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Curva de crecimiento microbiano ................................................................................ 15

Figura 2. Degradación biológica de la materia orgánica ............................................................. 16

Figura 3. Etapas de la digestión anaerobia .................................................................................. 18

Figura 4. Prototipo de biodigestor ............................................................................................... 22

Figura 5. Casco Costura Longitudinal ......................................................................................... 25

Figura 6. Tapa Torisférica ........................................................................................................... 25

Figura 7. Dimensiones del invernadero ....................................................................................... 75

Figura 8. Tanque de fermentación ............................................................................................... 76

xvi

LISTA DE GRÁFICOS

Pág.

Gráfico 1. Temperatra del tanque 1 en función de la temperatura ambiente............................... 82



Gráfico 4. Crecimiento microbiológico en el tanque 1 etapa 3 ................................................... 83



xvii

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Resultados INIAP formulaciones etapa 1 ................................................................... 94

Anexo B. Resultados INIAP formulaciones etapa 3 ................................................................... 95

Anexo C. Resultados INIAP Biosol ............................................................................................ 96

Anexo D. Resultados GRUNTEC formulaciones etapa 2 ........................................................... 97

Anexo E. Fotografías de la obtención de abono líquido orgánico a partir de los

desechos del ganado vacuno ....................................................................................................... 98

xviii

APROVECHAMIENTO DEL ESTIERCOL DE GANADO VACUNO COMO ABONO

LÍQUIDO

RESUMEN

Obtención del biol a partir del estiércol de ganado vacuno, con el propósito de emplearlo como

fertilizante orgánico.

Se inicia el estudio con la caracterización físico química del desecho proveniente de la hacienda

“El Corazón” ubicada en el cantón Machachi. El desarrollo experimental se lo efectuó en tres

etapas, en la primera y tercera se trabajó con tres formulaciones que mantienen constantes las

concentraciones de estiércol, leche y melaza y se varía los componentes auxiliares de origen

mineral como sulfatos, bórax y roca fosfórica. En la segunda se trabaja con dos formulaciones

en las que se modifica las cantidades de leche, melaza y se mantienen fijas las concentraciones

de estiércol y alfalfa. Las formulaciones fueron sometidas a una fermentación anaeróbica en tres

biodigestores que se colocaron dentro de un invernadero. Se midió el pH, la temperatura

ambiental y del tanque de fermentación. Al cabo de 21 días se obtuvo el biol con

concentraciones de N= 0,08 %p/v y Zn=107 ppm, las mismas que fueron las más cercanas al

biol de referencia N= 0,10 %p/v y Zn= 96 ppm. Con los datos y resultados se dimensionó un

bioreactor industrial.

Del estudio se concluye que la mejor formulación corresponde a la de la tercera etapa: 40 kg de

estiércol, 10 kg de alfalfa, 2 litros de leche y melaza, 0,6 kg de sulfato de potasio, 0,08 kg de

sulfato de zinc, 0,055 kg de sulfato de magnesio, 1 kg de roca fosfórica, 0,07 kg de bórax y

0,055 kg de sulfato de manganeso. Este biol es aplicable como fertilizante foliar.

PALABRAS CLAVES: / BIOL/ ESTIÉRCOL/ BIODIGESTORES/FERMENTACIÓN

ANAERÓBICA / FERTILIZANTES/ MICRONUTRIENTES MINERALES/

xix

THE USE OF CATTLE MANURE AS LIQUID FERTILIZER

ABSTRACT

The objective of the study is to obtain biol from cattle manure, in order to use it as organic

fertilizer.

The study starts with physical chemistry characterization waste from the farm "El Corazón"

located in the canton Machachi. Experimental development is carried out in three stages. In the

first and third, the formulations worked with three concentrations remain constant manure, milk

and molasses and auxiliary components such as mineral sulfates, borax and phosphate rock is

varied. In the second stage, we worked with two formulations in which the quantities of milk,

molasses is modified and remain fixed concentrations alfalfa. The manure and formulations

were subjected to anaerobic fermentation in three digesters were placed in a greenhouse. The

pH, the environment temperature, and the fermentation of the tank were measured. The

temperature after 21 days was obtained with biol concentrations N = 0.08% w / v Zn = 107

ppm, the same as were the closest to biol reference N = 0.10% w / v = 96 ppm Zn. With the

results, an industrial bioreactor was sized.

The study concluded that the best formulation corresponds to that of the third stage: 40 kg of

manure, 10 kg of alfalfa, 2 liters of milk and syrup, 0.6 kg of potassium sulfate, 0.08 kg of zinc

sulfate, 0.055 kg of magnesium sulfate, 1 kg of phosphate rock, 0.07 kg of borax and 0.055 kg

of manganese sulfate. This biol is then applied as a foliar fertilizer.

KEYWORDS: / BIOL / MANURE / BIODIGESTERS / ANAEROBIC FERMENTATION /

FERTILIZERS / MINERAL MICRONUTRIENTS /

1

INTRODUCCIÓN

El medio ambiente se encuentra afectado por la emisión de gases de efecto invernadero

procedentes de distintas fuentes tales como el sector automotriz, agrícola, industrial y

agropecuario. El sector agropecuario no solamente emite gases nocivos para la atmósfera,

además sus desechos son una de las principales causas para la degradación del suelo y de los

recursos hídricos Este sector es una fuente potencial de trabajo, albergando alrededor del 40 por

ciento de la producción agrícola mundial siendo el responsable del 18 por ciento de las

emisiones globales de gases de efecto invernadero; esto es un gran problema en países

netamente ganaderos como el Ecuador ya que constantemente se generan grandes cantidades de

desechos tales como el estiércol generando y con este el desprendimiento de gases de efecto

invernadero como metano y óxido nitroso.

Hoy en día se buscan nuevas alternativas para el aprovechamiento de desechos, uno de ellos es

la producción limpia de abonos orgánicos aprovechando estos residuos biodegradables

generados por la industria agropecuaria. Los bioles son bio-fermentos producidos

fundamentalmente a partir del estiércol de ganado vacuno siendo utilizados como abono a nivel

foliar, ya que suple de macro y micro elementos a las plantas además de ser ricos en

fitohormonas y en materia orgánica. Estos abonos líquidos orgánicos protegen a los cultivos

contra el ataque de insectos y enfermedades.

En el cantón Machachi provincia de Pichincha, se encuentra ubicada la Hacienda “El Corazón”,

la misma que cuenta con una producción de 1200 litros diarios de leche. Esta hacienda alberga

cerca de 75 cabezas de ganado para ordeño, generando una gran cantidad de estiércol diario.

Parte de este desecho es recolectado en un tanque de cemento el mismo que posteriormente es

mezclado con agua y finamente regado en los potreros cercanos al lugar. Este tipo de

tratamiento dado a esta masa orgánica, afecta al medio ambiente y a las aguas de regadío; por

ello se ha buscado una alternativa para disminuir el impacto ambiental aprovechando este

desecho para la producción de un abono líquido orgánico rico en macro y micro nutrientes.

Mediante el uso de la fermentación anaerobia utilizando biodigestores en condiciones adecuadas

que permitan la obtención del mismo.

2

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Abono orgánico

Los abonos orgánicos son todos aquellos residuos de origen animal y vegetal de los que las

plantas pueden obtener importantes cantidades de nutrientes; el suelo, con la descomposición de

estos abonos, se ve enriquecido con carbono orgánico además de minerales mejorando sus

características físicas, químicas y biológicas. El uso de los abonos orgánicos mantiene y mejora

la disponibilidad de nutrientes en el suelo y se obtienen mayores rendimientos en el cultivo de la

cosecha. En los abonos orgánicos se incluyen los estiércoles, compostas, vermicompostas,

abonos verdes, residuos de las cosechas, residuos orgánicos industriales, aguas negras y

sedimentos orgánicos. Los abonos orgánicos son muy variables en sus características físicas y

composición química principalmente en el contenido de nutrientes; la aplicación constante de

ellos, con el tiempo, mejora las características físicas, químicas, biológicas y sanitarias del

suelo.[1]

1.1.1. Fertilización. El organismo animal es la fotografía bioquímica, no solo del medio en que

se vive sino del suelo que ha producido los alimentos de que se nutre. Si el suelo no cuenta con

todos los elementos nutritivos que las plantas necesitan para elaborar y formar su materia

orgánica. Éstas adolecerán de carencias que repercutirán en su propio desarrollo y en el

organismo animal que las consume, produciendo enfermedades carenciales o metabolíticas. La

fertilización aporta a las plantas lo que los suelos no pueden proveerles, es decir que, constituye

una corrección de las deficiencias o insuficiencias químicas de los suelos.[2]

1.1.2. Fertilización orgánica. Los abonos orgánicos de origen animal constituyen el enfoque

tradicional de las prácticas de fertilización orgánica, constituyendo una de las mejores formas

para elevar la actividad biológica de los suelos, además sostiene que los residuos orgánicos son

atacados, transformados y descompuestos por la mesofauna del suelo, así como por

microorganismos, quienes llevan a cabo la descomposición de la materia orgánica, produciendo

anhídrido carbónico, agua, nitrógeno en forma amoniacal y nítrica, proceso denominado

“mineralización”. Los fertilizantes orgánicos son la base fundamental de la agricultura orgánica,

3

existe una gran diversidad de este tipo de fertilizantes, pero los más conocidos son los

estiércoles y purines de diferentes animales y el compost de residuos orgánicos, en principio,

estos fertilizantes disponen de la mayoría de nutrimientos necesarios para el crecimiento de los

cultivos, pero en alguno casos presentan un desequilibrio en nitrógeno, fósforo y potasio en

relación a las necesidades de los cultivos. Otro de los aspectos negativos de los fertilizantes

orgánicos es la pérdida de nutrimientos, sobre todo nitrógeno, que se puede producir durante su

almacenaje, manipulación y aplicación.[3]

1.1.3. Aplicación de los fertilizantes. Existen 16 elementos químicos esenciales para las plantas:

carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y los elementos fertilizantes que se dividen en

macroelementos y microelementos.

1.1.3.1. Macroelementos. Los abonos orgánicos de origen animal constituyen el enfoque

tradicional de las prácticas de fertilización orgánica, constituyendo una de las mejores formas

para elevar la actividad biológica de los suelos, además sostiene que los residuos orgánicos son

atacados, transformados y descompuestos por la mesofauna del suelo, así como por

microorganismos, quienes llevan a cabo la descomposición de la materia orgánica, produciendo

anhídrido carbónico, agua, nitrógeno en forma amoniacal y nítrica, proceso denominado

“mineralización”.

Los fertilizantes orgánicos son la base fundamental de la agricultura orgánica, existe una gran

diversidad de este tipo de fertilizantes, pero los más conocidos son los estiércoles y purines de

diferentes animales y comprenden dos grupos:

Elementos Primarios: nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K).

Elementos Secundarios: azufre (S), calcio (Ca) y magnesio (Mg).

1.1.3.1.1. Nitrógeno. El nitrógeno en las plantas varía entre el 1-5% del peso seco, en pastos se

considera un contenido normal 3%, alto si es mayor al 4% y bajo si es menor al 2.9%.

Las plantas no leguminosas normalmente absorben el nitrógeno en formas de NO3- y NH4

+,

aunque la mayor parte es bajo la primera forma y se transforma en las hojas en NH3, luego en

aminoácidos, y por último en proteínas. El nitrógeno aumenta la cantidad de macollos, el

tamaño de la hoja, el diámetro de las raíces y la relación parte aérea/raíz.

4

El nitrógeno es uno de los principales macroelementos cuando se refiere a las gramíneas. El

nitrógeno es un elemento muy móvil, la recuperación de nitrógeno en las gramíneas forrajeras

es del orden del 60% aun cuando puede variar desde 10% hasta el 88%. El resto se queda en el

suelo o se pierde por escurrimiento, lavado, denitrificación, volatilización, inmovilización

biológica, etc. Debido a esta tendencia, el nitrógeno debe ser aplicado en forma fraccionada para

que repercuta con mayor eficiencia. Tanto las gramíneas como las leguminosas dependen del

nitrógeno del suelo para su desarrollo inicial. La aplicación de fertilizantes nitrogenados debe

hacerse al inicio del crecimiento fisiológico de la planta, para que pueda ser utilizado

eficientemente. La cantidad requerida varía con las especies y las condiciones climáticas. Las

especies tropicales de largo período vegetativo, responden más a altas dosis de nitrógeno que

aquellas de clima templado frío.

Cuadro 1. Principales fuentes de nitrógeno utilizadas en pastos

FUENTES DE NITRÓGENO CONCENTRACIÓN

Urea CO(NH2)2 N 46, 67%

Sulfato de amonio SO4(NH4)2 N 21% + S 24%

Nitrato de amonio NH4NO3 N 34% (nítrico 17% + amoniacal 17 %)

Fuente: INIAP, Estudio de la retención de nitrógeno y pastos fertilizados con nitrógeno. Quito.

1997. p. 41.

La urea es muy soluble de allí que cuando es aplicada en lluvias, se lixivia; o, si el suelo está

seco se descompone rápidamente por hidrólisis enzimática y el carbonato de amonio se

volatiliza; estas pérdidas son insignificantes con las otras fuentes de N. El rendimiento de

forraje es mayor cuando se utiliza sulfato de amonio o nitrato de amonio. En el nitrato de

amonio, el nitrato es de disponibilidad y absorción inmediata, mientras que el amonio se fija en

los coloides del suelo, no se pierde y es disponible por más tiempo. El sulfato de amonio, se

aconseja para los suelos arenosos o climas lluviosos, y en cualquier caso que se necesite una

mejor retención de nitrógeno, o un efecto favorable del sulfato (para bajar pH alcalino o

desbloquear el fósforo fijado por el hierro o el aluminio). Se debe tener en cuenta la acción

acidificante del sulfato de amonio, acidifica el suelo al fijarse el amonio y liberar ácido sulfúrico

y también cuando el amoniaco se nitrifica, convirtiéndose en ácido nítrico.

5

1.1.3.1.2. Fósforo. El contenido de fósforo en la planta varía de 0,1 – 0,5% de la materia seca;

en el suelo se considera un contenido bajo con menos del 0,21% y alto sobre el 0,44%. El

fósforo forma parte de las nucleoproteínas, lipoides y fosfolípidos. Desempeña un importante

papel metabólico en la respiración, la fotosíntesis y en la división y el crecimiento celular. Es la

fuente principal de energía como parte de la molécula del ATP. El fósforo favorece el rápido

desarrollo del sistema radicular y de la planta, la fecundación de las flores, la formación y

maduración de los frutos, de los granos y de los órganos de reserva por lo que adelanta la

cosecha. El fósforo combinado con el calcio, aumenta el contenido de triftófano C11H12N2O2 en

las especies gramíneas. Se encuentra en el suelo en forma inorgánica en solución y, en la

materia orgánica. La planta absorbe el fósforo, principalmente bajo la forma H2PO21-

y HPO42-

según el pH del suelo, el primero en medio ácido y el segundo en medio alcalino. El fósforo es

importante en el momento de la siembra para un buen desarrollo de la planta ya que repercute

en un buen desarrollo de las raíces. Por lo tanto, su aplicación debe hacerse cerca de la zona

radicular para favorecer su rápida absorción, evitando de esa manera la pérdida del elemento por

fijación. La fertilización fosfatada tiene un efecto residual por dos o tres años, en la producción

de las pasturas. La planta necesita en el desarrollo juvenil relativamente poco nitrógeno y por el

contrario, mucho ácido fosfórico y potasa. La interacción de fósforo con nitrógeno se manifiesta

de la siguiente manera: una mayor disponibilidad de nitrógeno favorece a las gramíneas sobre

las leguminosas y, por el contrario, una mayor disponibilidad de fósforo favorece a las

leguminosas sobre las gramíneas.

Cuadro 2. Principales fuentes de fósforo utilizadas en pastos

FUENTES DE FÓSFORO CONCENTRACIÓN

Superfosfato simple P2O5 20%, S 14%, CaO 20%

Superfosfato triple Ca(H2PO4)2 P2O5 46%, CaO 13%

DAP (NH4)2HPO4 P2O5 46%, N 18%

Roca fosfórica P2O5 30%, Ca 45%, Mg 0,6%, S 4.4%, Na 1,4%

Fuente: INIAP. Estudio de la retención de fósforo en pastos. Quito. 1997. p. 45.

1.1.3.1.3. Potasio. El potasio varía del 0,2-5% del peso seco de la planta, menos de 1,96% se

considera deficiente y alto sobre el 3,08%, tréboles necesitan típicamente 2,5-3,5%. Es vital

para la activación de enzimas, el transporte de agua y nutrientes, el mantenimiento de la

turgencia, la síntesis de ATP, la formación y translación de azúcares y almidón, síntesis de

proteínas, cierre y apertura estomática (regulación de agua en la planta) y la neutralización de

los ácidos orgánicos. El potasio además, mejora la utilización de la luz en períodos fríos y

6

nublados, la resistencia a las heladas, a la sequía y al ataque de los parásitos. La planta toma el

potasio en forma de ion K+, del potasio aplicado al suelo algo se pierde por lixiviación; la mayor

parte es inmovilizado directamente por el suelo, aunque luego es liberado y lentamente

disponible por la planta; y otra parte está presente en la solución del suelo y en la fracción

intercambiable y es fácilmente disponible para la planta. Cuando hay un exceso de potasio, las

plantas absorben más de lo que necesitan (consumo de lujo), en este caso, el exceso de potasio

altera el balance mineral de calcio, magnesio y sodio en la sangre animal debido a que el potasio

es adsorbido por la planta y este a su vez es digerido por el animal.

Cuadro 3. Principales fuentes de potasio utilizadas en pastos

FUENTES DE POTASIO CONCENTRACIÓN

Muriato de potasio (KCl) K2O5 60%, Cl 40%

Sulfato de potasio (K2SO4) K2O5 50%, S 17,6%

Sulfato de potasio y magnesio (Sulpomag) K2O5 26%, MgO 12%, S 18%

Fuente: VERA, L. Manejo integrado de pasturas. ESPE. Escuela Politécnica del Ejército.

Quito. 2003. p. 25.

El cloruro de potasio es el material más utilizado por la alta concentración de elemento puro. El

sulpomag además de potasio suministra Magnesio y azufre, elementos fundamentales para la

pastura. Si el suelo es pobre en potasio y se requiere aplicar continuamente este elemento, lo

aconsejable es alternar los dos fertilizantes.

1.1.3.1.4. Azufre. Las plantas son deficientes cuando el contenido es menor del 0,25% de la

materia seca y alto cuando la concentración es mayor que el 0,54%. El azufre forma parte de

los aminoácidos (cistina, cisteína y metionina), las proteínas, la coenzima A y de ciertas

vitaminas (biotina, tiamina). Las plantas que tienen un mayor contenido de nitrógeno, necesitan

más azufre para la formación de proteína. Existe una relación directa con el potasio, ya que las

plantas que contienen azufre presentan un mayor contenido de potasio en el tejido. El azufre es

inmóvil dentro de la planta y absorbido del suelo como anión sulfato (SO42-

). En la mayoría de

los suelos cultivados, el azufre se encuentra en forma orgánica, como componente de las

proteínas, y es asimilado por la planta cuando la materia orgánica retorna al suelo, se

descompone y mineraliza; esta es la fuente principal en regiones húmedas. En regiones áridas

se le encuentra en forma de sulfato de calcio, magnesio, sodio y potasio. Otra fuente de azufre

es la atmósfera, especialmente en áreas próximas a centros industriales que utilizan productos

7

que contienen este elemento y eliminan a la atmósfera anhídrido sulfuroso (SO2). La mayor

parte es llevada a la tierra por el agua de lluvia.

Cuadro 4. Principales fuentes de azufre utilizadas en pastos

FUENTES DE AZUFRE CONCENTRACIÓN

Yeso (CaSO4)*2H2O S 19%, Ca 23%

Sulfato de magnesio MgSO4 S 13%, MgO 12%

Flor de azufre (99.5%) S 35% Impurezas 65%

Fuente: GUERRA, D; LEON, R. Disponibilidad de fósforo en potreros establecidos de raygrass

y tréboles. Quito. 2000. p. 18.

1.1.3.1.5. Calcio. En gramíneas, el contenido normal en la materia seca oscila entre 0,3-1% y en

leguminosas entre 0,60-2,5%. Se considera que el forraje es deficiente en Ca cuando presenta

una concentración menor al 0,24% y, el contenido es alto cuando es superior al 0,77%. El calcio

es un elemento utilizado por las leguminosas, promueve su desarrollo radicular y la nodulación,

así como la fijación de nitrógeno por simbiosis. También las gramíneas se favorecen con la

corrección de la acidez, en particular el kikuyo y el pasto elefante. El calcio se encuentra en el

suelo como elemento de intercambio, es decir absorbido en las micelas del complejo del suelo;

es tomado por la planta en su forma catiónica Ca2+

. Se encuentra sujeto a pérdidas en el suelo

por la absorción de las plantas y por lavado. Así, un cultivo de alfalfa que produce 5 toneladas,

extrae alrededor de 90 kg de calcio, lo que equivale alrededor de 230 kg de piedra caliza. La

aplicación del calcio aumenta la disponibilidad del fósforo y del boro.

Cuadro 5. Principales fuentes de calcio utilizadas en pastos

FUENTES DE AZUFRE CONCENTRACIÓN

Piedra caliza (CaCO3) Ca 40%

Dolomita (CaMg (CO3)2) Ca 30%, Mg 20%

Cal viva, cal quemada (CaO) Ca 80%

Cal apagada-cal agrícola Ca(OH)2 Ca 60% (hidróxido de calcio)

Fosfato tricálcico (Ca3(PO4)2) Ca 45%, P 30%

Fuente: VERA, L. Manejo integrado de pasturas. ESPE. Escuela Politécnica del Ejercito.

Quito. 2003. p. 29.

8

Un exceso de calcio en el suelo puede bloquear la absorción de micronutrientes por la planta

(Fe, Mn, Cu, B, Zn), se dificulta la fotosíntesis y la planta pierde vigor; los animales que

consumen este forraje pueden sufrir de carencias de estos elementos.

1.1.3.1.6. Magnesio. En pastos se considera que las plantas son deficientes cuando el contenido

es menor de 0,26% de la materia seca y alto cuando las concentraciones son mayores a 0,42%.

El magnesio constituye el núcleo de la molécula de la clorofila, el pigmento verde que es un

factor indispensable en la función de la fotosíntesis y por tanto de la síntesis de carbohidratos;

propicia la formación de aceites y grasas. Actúa como transportador de fósforo. Este elemento

cumple también la función de integrante de las enzimas. Es un elemento esencial para los

animales y el forraje es la mejor fuente de suministro. Es un elemento móvil dentro de la planta,

es absorbido del suelo como catión Mg2+

, y es antagónico con el potasio, calcio y sodio.[4]

1.1.3.2. Microelementos. Los microelementos son esenciales para el desarrollo normal de las

plantas ya que son constituyentes del sistema enzimático vegetal. Se encuentra en el suelo en

pequeñas cantidades. Los elementos menores no son móviles y una vez que son depositados en

un órgano, permanecen allí hasta cuando termina su crecimiento vegetativo. Por consiguiente, si

el suministro de este elemento es deficiente mientras la planta está en período de crecimiento,

las partes jóvenes contendrán menor cantidad que las partes adultas o viejas. Esto significa que

el análisis de la planta, en general, puede mostrar una concentración razonable, mientras que el

análisis de las partes jóvenes o nuevas solamente mostrará concentraciones deficientes. Los

elementos menores son más indispensables para las leguminosas que para las gramíneas.

1.1.3.2.1 Boro. Para la mayor parte de los pastos se considera alto un contenido sobre 30 ppm y

deficiente cuando está debajo de 10 ppm, sin embargo algunas gramíneas pueden producir

aceptablemente con contenidos de 4 ppm. Por el contrario, las leguminosas requieren contenidos

mucho más altos, en alfalfa se reporta niveles mínimos y máximos de 20-70 ppm. El boro es

importante en el metabolismo del nitrógeno y translocación de los carbohidratos. El boro al

igual que el calcio, está involucrado en la formación de la pared celular (yemas, flores,

germinación y crecimiento del tubo polínico). Influye en la absorción de macro y

micronutrientes y está muy asociado con el metabolismo del fósforo, magnesio y calcio. La

deficiencia de boro afecta severamente las flores y los frutos. En el cultivo de leguminosas y en

la alfalfa en particular, contribuye en el aumento del triftófano uno de los aminoácidos más

favorables de la hormona del crecimiento de las plantas, aumentado con ello no sólo su

9

rendimiento, sino también la calidad biológica del forraje. El boro es absorbido del suelo como

ion BO33-

y H3BO3. Se considera que el boro es inmóvil dentro de la planta. [5]

1.1.3.2.2. Manganeso. En forrajes, se considera un contenido alto sobre los 290 ppm y,

contenido bajo inferior a los 48 ppm. El manganeso acelera la germinación y maduración de las

plantas, incrementa la disponibilidad de fósforo y calcio; además de participar en la constitución

de enzimas y en la asimilación de carbono como también en la síntesis de la clorofila. Su

ausencia afecta al metabolismo del nitrógeno y de los carbohidratos. Debido a que no es un

elemento móvil dentro de la planta, los síntomas de deficiencia aparecen primero en las hojas

jóvenes, como un amarillamiento entre las venas. Las deficiencias son por alto contenido de

materia orgánica y en suelos con pH alcalino; también provienen de un desbalance con otros

nutrientes como calcio, magnesio y hierro. [6]

1.2. Quelatos

El término quelato se deriva de la palabra griega chela, pinza Un quelato es un compuesto

químico en el que una molécula orgánica rodea y se enlaza por varios puntos a un ion metálico,

de manera que lo protege de cualquier acción desde el exterior evitando su hidrólisis y

precipitación. Por tanto, químicamente hablando, los quelatos son moléculas muy estables. El

proceso de quelatación es la habilidad de un compuesto químico para formar una estructura en

anillo con un ion metálico resultando en un compuesto con propiedades químicas diferentes a

las del metal original. El quelante impide que el metal siga sus reacciones químicas normales.

Los iones metálicos existen en solución en una forma altamente hidratada, esto es, rodeados por

moléculas de agua, como los iones de Cu+2

, que están hidratados con cuatro moléculas de agua.

Al reemplazo de estas moléculas de agua por una estructura compleja en anillo se le llama

quelatación, y a la molécula que remplaza el agua se llama ligando. Estos agentes pueden ser

ácido cítrico, ácido málico, ácido tartárico, ácido glucónico, ácido láctico, ácido acético, ácido

etilen-diamino-tetra-acético (EDTA). También algunos aminoácidos polisacáridos tienen

propiedades quelatantes.[7]

10

1.3. Bio-fertilizante (Biol)

Es una sustancia acuosa que se obtiene a partir de los desechos orgánicos, los mismos que son

sometidos a una fermentación anaerobia en biodigestores. Está compuesto principalmente por

una gran cantidad de sólidos suspensión, puede ser utilizado como fertilizante. El biol se

deposita en la base del biodigestor, el cual lo conforma un 10% de sólidos y un 90% de agua.

La descomposición de las excretas durante el proceso de digestión anaeróbica interna

comparada con la descomposición que se da de forma natural disminuye las pérdidas para el

nitrógeno del 18% al 1% y del 33% al 7% para el carbono. [8]

Cuadro 6. Comparación de contenido de N-P-K en estiércol de ganado fresco y biodigerido

Tipo Nitrógeno Fósforo Potasio

(% en M.S.) (% en M.S.) (% en M.S.)

Estiércol fresco 2.0 + 0.08 0.6 + 0.2 1.7

Estiércol biodigerido 2.6 + 0.10 1.4 + 0.2 1

Fuente: BOTERO, Raúl; PRESTON, Thomas R. Biodigestor de bajo costo para la producción

de combustible y fertilizante a partir de excreta. Ed. Síntesis, Cali, 1987. p. 16.

1.3.1. Forma de acción del biol. Funciona principalmente al interior de las plantas, activando el

fortalecimiento del equilibrio nutricional como un mecanismo de defensa de las mismas, a

través de los ácidos orgánicos, antibióticos, vitaminas, minerales, enzimas y co-enzimas,

carbohidratos, aminoácidos y azúcares complejas, entre otros, presentes en la complejidad de las

relaciones biológicas, químicas, físicas y energéticas que se establecen entre las plantas y la vida

del suelo.

1.3.2. Composición bioquímica del Biol. En la tabla 1, se observa la composición bioquímica

de dos tipos de bioles, ambos provenientes de estiércol de ganado lechero estabulado (40kg),

diferenciados por la adición de alfalfa (10kg) picada en el segundo. [9]

11

Tabla 1. Composición bioquímica del Biol proveniente de estiércol (BE) y de estiércol + alfalfa

(BEA)

COMPONENTE Unidad BE BEA

Sólidos totales % 5.6 9.9

Materia Orgánica % 38 41.1

Fibra % 20 26.2

Nitrógeno % 1.6 2.7

Fósforo % 0.2 0.3

Potasio % 1.5 2.1

Calcio % 0.2 0.4

Azufre % 0.2 0.2

Ácido Indolacético ng/g 12 67.1

Giberelinas ng/g 9.7 10.5

Purinas ng/g 9.3 24.4

Tiamina (B1) ng/g 187.5 301.6

Riboflavina (B2) ng/g 83.3 210.1

Piridoxina (B6) ng/g 33.1 110.7

Ácido nicotínico ng/g 10.8 35.8

Ácido fólico ng/g 14.2 45.5

Cisteina ng/g 9.2 27.4

Triptofano ng/g 56.6 127.1

Fuente: BOTERO, Raúl; PRESTON, Thomas R. Biodigestor de bajo costo para la producción

de combustible y fertilizante a partir de excreta. Ed. Síntesis, Cali, 1987. p. 25.

1.3.3. Ventajas del biol.

Se puede elaborar en base a los insumos que se encuentran en la comunidad.

No requiere de una receta determinada, los insumos pueden variar.

Su preparación es fácil y puede adecuarse a diferentes tipos de envase.

Tiene bajo costo.

Mejora el vigor del cultivo, y le permite soportar con mayor eficacia los ataques de plagas y

enfermedades además de los efectos adversos del clima.

Se logran incrementos de hasta el 30% en la producción de los cultivos sin emplear

fertilizantes químicos.

12

1.3.4. Desventajas del biol.

El tiempo desde la preparación hasta la utilización es largo.

Cada lote tiene una composición diferente.

En extensiones cortas se requiere de una bomba de mochila para su aplicación, en la

hacienda se utiliza el aguilón acoplado al tractor por la extensión de terreno destinado a

pastizales. [10]

1.3.5. Biosol. Biosol es un fertilizante natural, ecológico y seguro con un alto contenido de

materia orgánica (97% orgánico natural). Producto sólido de la degradación biológica de

materia orgánica, Se lo utiliza como fertilizante debido a su contenido de nitrógeno y minerales.

[11]

1.4 Biomasa

Biomasa es el término usado para describir toda la materia orgánica producida mediante

fotosíntesis que existe en la superficie terrestre. La fuente de toda la energía existente en la

biomasa es el sol, de modo que la biomasa actúa como una especie de almacenamiento de

energía. [11]

La biomasa es una fuente de energía renovable, de hecho es la fuente de energía renovable que

más aporta en la actualidad a las necesidades de la humanidad. La energía de la biomasa

proviene del sol a través del proceso de la fotosíntesis. Éste es el proceso por el cual las células

vegetales son capaces de formar sustancias orgánicas a partir del CO2 presente en el aire y de

otras sustancias simples, aprovechando para llevar a cabo el proceso la energía procedente del

sol. De las sustancias formadas, que llamamos carbohidratos, se puede extraer energía bien

quemándolas directamente, bien convirtiéndolas en un líquido combustible como el alcohol o el

aceite, o incluso transformándolas en gas combustible.

1.4.1. Tipos de biomasa. La biomasa se puede usar como fuente de energía, se encuentra

principalmente, de dos formas: como cultivos con un aprovechamiento claramente orientado a

la producción de energía renovable o como un residuo de los trabajos forestales y agrícolas, o de

sus industrias asociadas.

13

1.4.1.1. Cultivos energéticos. Las plantas que se cultivan con el fin de convertirlas en energía.

En la práctica, los cultivos energéticos se adaptan al clima y al suelo de cada lugar y así en

lugares como los países nórdicos hay bosques orientados a producir madera que se quema en

centrales eléctricas, mientras que en nuestras latitudes los cultivos energéticos se orientan a

plantas herbáceas. Así, por ejemplo, cereales y oleaginosas como la colza, los cuales son

cultivados con el objetivo de producir, respectivamente, alcohol o aceite, que tras un tratamiento

podrán ser empleados como combustible.

1.4.1.2. Biomasa de los residuos. La mayoría de las plantas tienen un fin que no es el

energético como por ejemplo alimentar varios tipos de ganado o producir madera para la

fabricación de muebles. Pero de todos esos procesos siempre se genera un residuo que sí tiene

un aprovechamiento energético.

1.4.1.3. Residuos forestales. Los residuos del aprovechamiento de bosques son una fuente muy

importante de recursos de biomasa. Entre ellos se encuentran restos de las podas, serrín, virutas,

recortes y cortezas, que se generan tanto en el campo como en las industrias donde se aprovecha

la madera, que son las principales consumidoras de este recurso con fines energéticos.

1.4.1.4. Residuos agrícolas. Son de muchos tipos, desde las podas de olivos, vides y frutales

hasta los residuos de cultivos herbáceos, como la paja de cereales. Parte de estos residuos se

queda en el campo, para recuperar los nutrientes de la tierra, pero otra parte puede ser usada

como combustible. Igual que en el caso anterior, dentro de este grupo se incluyen los residuos

que se generan en las industrias que tratan los productos agrícolas, como el orujillo en el caso de

la producción de aceite de oliva o las cáscaras de almendra en el caso de las industrias de frutos

secos. Un caso particular dentro de este apartado lo constituyen los residuos de las granjas de

animales, de los cuales puede extraerse el llamado biogás. [12]

1.4.1.4.1. Estiércol y secado de estiércol. Los estiércoles son la mezcla entre la cama de los

animales y sus deyecciones, que han sufrido transformaciones más o menos avanzadas en el

establo o galpón y después en el estercolero. La actividad de los microorganismos del estiércol

aumenta, cuando se mezcla con paja, rastrojos y/o forraje desperdiciado, porque de esta manera

contiene más carbono orgánico como fuente de energía. En sistemas campesinos de los Andes,

una forma común de aplicación de estiércol relativamente fresco son los corrales móviles para

animales pequeños y medianos, y pastoreo en animales grandes. La aplicación de estiércol

fresco puede provocar un considerable incremento de la actividad biológica del suelo. [13]

14

1.5 Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico (rompimiento de compuestos complejos a compuestos

sencillos), de cuyo resultado se obtiene un compuesto orgánico. El producto final varía según el

sustrato. Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales

permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos necesarios o pueden

ser artificiales, cuando el hombre favorece las condiciones. [14]

1.5.1. Tipos de fermentaciones.

1.5.1.1. Fermentación discontinua. Una fermentación discontinua (“batch”) puede ser

considerada como un "sistema cerrado". Al inicio de la operación se añade la solución

esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo. A lo largo de toda la fermentación

no se añade nada, excepto:

Oxígeno (en forma de aire).

Un agente antiespumante.

Ácidos o una base para controlar el pH.

La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración de los

metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las células, observándose

las cuatro fases típicas de crecimiento:

Fase de latencia.

Fase logarítmica.

Fase estacionaria.

Fase de muerte

En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase

logarítmica o antes de que comience la fase de muerte.

15

1.5.1.1.1. Fases de crecimiento microbiano. El crecimiento de un cultivo microbiano se divide

en tres etapas claramente diferenciables:

a) Fase de latencia. Periodo de adaptación de un microorganismo a las nuevas condiciones del

medio.

b) Fase de exponencial. Etapa en la que las células están dividiéndose, por lo que crecen de

manera exponencial. La velocidad varía de una especie a otra y depende de parámetros

ambientales como la temperatura.

c) Fase de estacionaria. Etapa en la que los nutrientes se agotan y el crecimiento exponencial

cesa. Hay actividad metabólica de síntesis y energía.

d) Fase de muerte. Los microorganismos ya no crecen ni realizan actividades metabólicas. [15]

Figura 1. Curva de crecimiento microbiano

1.5.1.1.2. Fermentación alimentada (fed-batch). Aquí los sustratos se añaden escalonadamente

a medida que progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios

disminuye debido a la cantidad de glucosa que está en el medio (efecto glucosa), por esta razón

en este tipo de fermentación los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en

pequeñas concentraciones al principio del proceso y continúan añadiéndose en pequeñas dosis

durante la fase de producción.

16

1.5.1.1.3. Fermentación continua. En la fermentación continua se establece un sistema abierto.

La solución nutritiva estéril se añade continuamente al tanque de fermentación (bioreactor) y

una cantidad equivalente de la solución utilizada de los nutrientes con los microorganismos, se

saca simultáneamente del sistema.

1.6 Digestión anaerobia

La digestión anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de los

desechos residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano

y dióxido de carbono, en ausencia de oxígeno y con la iteración de diferentes poblaciones

bacterianas.

Figura 2. Degradación biológica de la materia orgánica

La digestión anaerobia es un proceso que se produce en ambientes naturales como los pantanos,

en zonas anegadas para el cultivo de arroz, en los sedimentos de lagos y mares, en las zonas

anóxicas del suelo, en fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los

rumiantes.

1.6.1. Demanda química de oxígeno. La demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro

que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que

hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida.

1.6.2. Tratamiento anaerobio. La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de

destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la

capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano

producido. Se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la

materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a

10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña

http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Suspensi%C3%B3n_(qu%C3%ADmica)

17

parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como

energía química en el metano producido.

1.6.2.1. Degradación anaerobia de la materia orgánica. La degradación anaerobia de la

materia orgánica requiere la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y

anaerobias estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos generados

por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra cuatro pasos de

transformación:

1.6.2.1.1. Hidrólisis (Grupo I: bacterias hidrolíticas). El proceso se inicia con la hidrólisis de

polisacáridos, proteínas y lípidos por la acción de enzimas extracelulares producidas por las

bacterias del Grupo I. Los productos de esta reacción son moléculas de bajo peso molecular

como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes.

1.6.2.1.2. Acidogénesis (Grupo I: bacterias fermentativas). Es la etapa donde las bacterias

acetogénicas convierten los sustratos orgánicos generados en la etapa de hidrólisis y los

transforman en ácido láctico, hidrógeno y dióxido de carbono. Estas bacterias desarrollan

condiciones anaeróbicas, pero no son totalmente anaeróbicas por lo que tiene la capacidad de

generar reacciones endotérmicas.

1.6.2.1.3. Acetogénesis (Grupo II: bacterias acetogénicas). Los productos de fermentación del

Grupo I son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción de las bacterias

del Grupo II, las cuales son conocidas como bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno.

1.6.2.1.4. Metanogénesis (Grupo III: bacterias metanogénicas). En este último paso las

reacciones bacteriológicas se dan en ambientes totalmente anaeróbicos haciendo uso del

hidrógeno, dióxido de carbono y ácido acético, causando finalmente la generación de metano.

Para entender mejor el proceso de degradación anaerobia de la materia orgánica, se presenta un

diagrama donde se refleja cada uno de las etapas antes mencionadas:

18

Figura 3. Etapas de la digestión anaerobia

Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que

ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica:

Según la Figura 2 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánica afluente es

convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición necesaria para

obtener una óptima remoción de la materia orgánica en un sistema anaerobio, es que la

metanogénesis acetoclástica se desarrolle eficientemente.

La fermentación ácida tiende a bajar el pH (3.5 – 5.5), debido a la producción de ácidos

grasos volátiles (AGVs) y otros productos intermediarios, mientras que la metanogénesis

solo se desarrolla cuando el pH está cercano al neutro. Por lo tanto, si por alguna razón la

tasa de remoción de AGVs a través de la metanogénesis no acompaña a la tasa de

producción de AGVs, puede surgir una situación de inestabilidad: baja significativamente el

pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias metanogénicas. Esta “Acidificación”

del sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios.

Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentación ácida y

la fermentación metanogénica, a través de mantener una alta capacidad metanogénica y una

buena capacidad buffer en el sistema.[16]

19

Cuadro 7. Reacciones bioquímicas en la digestión anaerobia de la materia orgánica

Tipo de reacción Ecuación

Fermentación de glucosa a acetato Glucosa + 4H2O = CH3COO- + 4H

+ + 4H2

Fermentación de glucosa a butirato Glucosa + 2H2O = C4H7O2 + 2HCO3 + 3H+ + 2H2

Fermentación del butirato a acetato e H2 Butirato + 2H2O = 2CH3COO- + H

+ + H2

Fermentación del propionato a acetato Propionato + 3H2 = CH3COO- + HCO3

Acetogénesis a partir de H2 y CO2 HCO3- + H

+ + 4H2 = CH3COO

- + 2H2O

Metanogénesis a partir del CO" e H2 HCO3- + 4H2 = CH4 + 3H2O

Metanogénesis a partir del acetato Acetato + H2O = CH4 + HCO3 + H+

Fuente: RODRIGUEZ, Jenny. Tratamiento anaerobio de aguas residuales. Universidad de Cali.

Cali, 2011. [fecha de consulta: 12 Noviembre 2013]. Disponible en:

< http://www.ingenieroambiental.com/4014/tratamiento545.pdf>

1.7. Factores determinantes para el proceso de digestión

Para que se realice una descomposición y digestión óptima en los biodigestores, se debe tener en

cuenta una serie de factores los cuales son detallados a continuación:

1.7.1. Rangos de temperatura. La temperatura es primordial para la producción de biogás, el

proceso de fermentación anaeróbica se da desde los 3 °C hasta los 70°C. Este amplio rango de

temperaturas se generan en tres niveles: en el nivel uno se encuentran los psicrófilicos con

temperaturas menores a los 20°C, en el nivel dos los mesófilos con temperaturas ente 30°C y

40°C, y en el nivel tres los termofílicos con temperaturas entre los 50°C y 70°C.

Investigaciones hechas en el pasado han demostrado que la producción de biogás es mayor a

medida que aumenta la temperatura, la producción óptima de producción de biogás se da en el

nivel termofílico; sin embargo, a medida que aumenta la temperatura la producción de amonio

incrementa, lo que puede ocasionar una disminución de la producción de biogás.

20

1.7.2. Porcentaje de composición de la dilución. La dilución es una mezcla de materia o

desechos orgánicos con agua. Por lo general las diluciones son compuestas por excrementos de

ganado, cerdos, o cualquier tipo de desecho generado por las actividades humanas. Esta dilución

por lo general está dividida en 30% de materia solida o materia orgánica y 70% de agua.

1.7.3. Tiempo de retención. Se le llama tiempo de retención al tiempo adecuado o cantidad de

días necesarios para que se dé una digestión eficiente de la materia orgánica, o también se

interpreta como el tiempo que la materia orgánica o dilución permanece en el biodigestor. El

tiempo de retención puede ser afectado por diferentes factores como la temperatura y el tipo de

dilución usada.

1.7.4. Contenido de sólidos. El contenido o porcentaje de sólidos en un proceso de fermentación

anaeróbica en biodigestores depende de la capacidad de asimilación o descomposición de los

organismos, y del tamaño o escala del biodigestor. En términos de digestibilidad las bacterias

solo asimilan entre el 6% y 8% de la materia orgánica.

1.7.5. Rangos de pH. En la digestión se presentan diferentes rangos de pH, pero donde las

bacterias presentan una mayor eficiencia en sus actividades es entre 6 y 8. Los factores que

afectan o promueven la acidificación en la parte líquida dentro del biodigestor son:

La cantidad de agua utilizada.

Alimentación con productos tóxicos.

Fluctuaciones bruscas en las temperaturas.

En cada fase del proceso los microorganismos presentan máxima actividad en un rango de pH

diferenciado: hidrolíticos entre 7,2 y 7,4; acetogénicos entre 6,5 y 7,5. En algunas aguas

residuales con bajo poder tampón puede llegar a ser necesario controlar exteriormente el pH, a

fin de evitar su bajo pH debido a los ácidos generados en la segunda fase. No es así para los

residuos ganaderos, para los cuales su alta alcalinidad permite una autorregulación permanente

del pH. Se trabaja en todos los casos alrededor de la neutralidad.

1.7.6. Estabilidad, toxicidad e inhibición. Las formas no ionizadas de los ácidos grasos

volátiles, así como el amoniaco libre o el ácido sulfhídrico son inhibidores de las bacterias

metanogénicas. Los metales pesados también son inhibidores, o tóxicos a altas concentraciones.

Para residuos ganaderos en general, los compuestos críticos son el nitrógeno amoniacal, los

antibióticos y desinfectantes, así como el Cu y el Zn para los residuos de porcino. [18]

21

1.7.7. Relación carbono nitrógeno C:N en las excretas. Los carbohidratos y la proteína son

los nutrientes indispensables para el crecimiento y actividad de las bacterias anaeróbicas. El

carbono contenido en el estiércol, es el elemento que las bacterias convierten en metano (CH4).

El nitrógeno es utilizado para la multiplicación bacteriana y como catalizador en el proceso de

producción de biogás. Si su nivel es alto el proceso se retarda por el exceso de amoniaco y la

alcalinización de la fase líquida, y puede llegar a detenerse. La relación carbono y nitrógeno

(C:N) juega un papel muy importante en las actividades microbianas. El nivel óptimo de esta

relación se encuentra entre 9:1 y 25:1, permitiendo una mejor actividad en la digestión realizada

por los organismos.

1.7.8. Proporción excretas/agua. Las excretas sólidas (estiércol) contienen, en promedio, 15%

de materia seca y éstas deben ingresar al biodigestor como una suspensión en agua con

aproximadamente 3% de materia seca, esto implica una mezcla de cuatro partes del agua de

lavado por una parte de estiércol fresco. [17]

1.8. Biodigestores

Los biodigestores son una estructura ya sea de plástico o metálica, en cuya parte interna se lleva

a cabo un proceso de fermentación anaeróbica causada por las mezclas de desechos orgánicos

que se obtienen de las actividades humanas (efluentes, biomasa, estiércol animal). Como

resultado de las actividades de fermentación que se dan por los microorganismos anaeróbicos

descomponedores se obtiene el biogás como fuente de energía y el biol o bioabono que puede

ser usado como biofertilizante. Los biodigestores funcionan como una cámara hermética, este

debe ser llenado con una mezcla de material orgánico que no acidifique y agua. Una vez que se

ha llevado a cabo el proceso de fermentación en la mezcla desaparecen los malos olores en el

líquido obtenido en la salida del sistema llamado biol o biofertilizante. El biol constituye una

buena fuente de nitrógeno, fósforo y potasio, los cuales son nutrientes clave para los campos

agrícolas. Los Biodigestores se han contemplado como una de las tecnologías para el

aprovechamiento de los desechos que se generan en las diferentes actividades humanas.

Aun así esta tecnología no es adecuada para escalas domésticas, por sus altos costos de

construcción, mano de obra utilizada en el mantenimiento y la alimentación relacionándola a la

cantidad de biogás y biofertilizante (biol) que se obtiene en el proceso.

22

Existen diferentes modelos de biodigestores y muchas veces sus diseños dependerán en gran

medida de la región, el nivel económico, la accesibilidad a los materiales de construcción,

aspecto social y la disponibilidad de material orgánico.

Figura 4. Prototipo de biodigestor

1.8.1. Diseño de biodigestores. El término biomasa se refiere entonces a cualquier tipo de

materia orgánica que tiene su origen en un proceso biológico, siendo ejemplo de esta biomasa la

madera, los desechos agrícolas y el estiércol animal tal como los estiércoles que son usados

como materia prima para la producción del biogás; y de plantaciones energéticas, que

corresponde a cultivos energéticos, es decir plantaciones que están dedicadas a la producción de

un combustible, como la caña de azúcar, el maíz, especies de palma, entre otros.

Una forma inmediata de aprovechar el recurso biomásico, es a partir de la fermentación

anaeróbica, proceso denominado digestión anaeróbica, en el cual se convierte la compleja

materia orgánica en metano (CH4) y otros gases, y cuya producción depende de la cantidad y del

tipo de materia adicionada al sistema, así como las condiciones psicométricas del aire en el

interior del sistema. Las bacterias fermentan el material orgánico en ausencia de aire (es decir,

fermentación anaeróbica) y producen biogás; este material de fermentación está constituido por

23

sustancias sólidas orgánicas, inorgánicas y agua (el cual incrementa la fluidez del material de

fermentación, característica importante para el funcionamiento de una planta de biogás), y su

componente inorgánico no sufre modificación alguna durante el proceso de fermentación.

1.8.1.1. Temperatura y tiempo de retención. El rango de temperatura y el período de retención

dentro del biodigestor, clasifican la fermentación de la siguiente manera:

Fermentación psicrofílica, para un rango de temperatura entre 10 y 20ºC y más de 100 días

de retención.

Fermentación mesofílica, para un rango de temperatura entre 20 y 35ºC y aproximadamente

30 a 40 días de retención.

Fermentación termofílica, para un rango de temperatura entre 50 y 60ºC y más de 8 días de

retención. Este tipo de fermentación no es apropiada para plantas sencillas.

1.8.1.2. Niveles de amoniaco. Este parámetro es importante cuando se utilizan determinados

materiales que contienen un alto porcentaje de nitrógeno, como es el caso de los estiércoles de

aves.

1.8.1.3. Contenido de agua en la mezcla. Las bacterias y otros microorganismos no pueden

funcionar efectivamente cuando el contenido de agua de la mezcla es demasiado bajo, y la

cantidad de biogás producido será pequeña. Cuando la mezcla es demasiado diluida, se puede

digerir relativamente poca materia orgánica y la producción del biogás es limitada. El uso de

estiércol, y desechos de agricultura, como alimento para el digestor, deberán conllevar a una

razón de biomasa a agua entre 1:1 y 1:2; y por cada 100 Kg de heces y orina, se requerirán entre

100 y 200 litros de agua.[ 18]

1.9. Diseño de tanques cilíndricos

1.9.1. Esfuerzos del material para reactores cilíndricos. La presión uniforme, interna o externa,

induce en la costura longitudinal un esfuerzo unitario igual al doble del que la obra en la costura

circunferencial, por la geometría misma del cilindro.

24

Cuando otras fuerzas (de viento, sísmicas, etc) no son factores importantes, un recipiente sujeto

a presión externa, debe diseñarse para resistir sólo la deformación circunferencial. Las normas

establecen el método de diseño para llenar tal requisito. Cuando actúan además otras cargas, la

combinación de las mismas puede ser la que rija, y podrá requerirse una placa de mayor espesor

que el necesario para resistir únicamente la deformación circunferencial. El esfuerzo a la

deformación debido a la presión externa y el esfuerzo a la presión interna se determinarán

mediante las fórmulas siguientes:

1.9.2. Presión interna

1.9.2.1. Presión de operación. La presión que se requiere en el proceso del que forma parte el

recipiente, a la cual trabaja normalmente éste. Es identificada como la presión de trabajo y es la

presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal.

1.9.2.2. Presión de diseño. La presión que se emplea para diseñar el recipiente. Se recomienda

diseñar un recipiente y sus componentes para una presión mayor que la de operación. Este

requisito se satisface utilizando una presión de diseño de 30 PSI o 10% más que la presión de

trabajo, la que sea mayor. También debe tomarse en consideración la presión del fluido y de

cualquier otra sustancia contenida en el recipiente.

1.9.2.3. Máxima presión permitida de operación. La presión interna a la que está sujeto el

elemento más débil del recipiente correspondiente al esfuerzo máximo admisible, cuando se

supone que el recipiente está:

En estado de desgaste por corrosión

A una temperatura determinada

En posición normal de trabajo

Bajo el efecto normal de otras cargas (carga de viento, presión externa, presión hidrostática,

etc.) que son aditivas a la presión interna.

Una práctica común que siguen muchos usuarios y fabricantes de recipientes sujetos a presión

es considerar la presión máxima de trabajo permitida de la cabeza o del casco, y no de pequeños

elementos pequeños como bridas, aberturas, etc. [19]

25

Figura 5. Casco Costura Longitudinal

(1)

Figura 6. Tapa Torisférica

(2)

Donde:

P: Presión de diseño

S: Esfuerzo a la cedencia (esfuerzo del material)

E: Eficiencia

L: Longitud del tanque

R: Radio externo

t: espesor

1.10. Caracterización del biol

Para el análisis cualitativo y cuantitativo de metales presentes en el abono orgánico líquido, se

recurre a diferentes técnicas tales como la del ICP –MS que utiliza como fundamento la

espectrometría de masas y kjeldahl.

26

1.10.1. Cuantificación de Mg, Mn, B, P y Zn en el biol

1.10.1.1. Espectrometría de masas. La espectrometría de masa está basada en la obtención de

iones a partir de moléculas en fase gaseosa; una vez obtenidos estos iones, se separan de

acuerdo con su masa y su carga, y finalmente se detectan por medio de un dispositivo adecuado.

Un espectro de masas será, en consecuencia, una información bidimensional que representa un

parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de la

relación masa/carga de cada uno de ellos. Como ya se ha mencionado, los procesos que tienen

lugar en un espectrómetro de masas, son de naturaleza química; en consecuencia, la presencia y

abundancia en el espectro de determinados tipos de iones, identificables a partir de su masa, será

función de la estructura química de cada compuesto.

1.10.1.2. Funcionamiento del ICP (espectrómetro de masas). Las muestras son introducidas al

equipo por medio del autosampler, la muestra líquida es convertida a un aerosol mediante un

nebulizador y pasa a través de una cámara de pulverización a -2°C. Posteriormente las gotas

ligeras de aerosol son sometidas a temperaturas altas mediante un plasma de argón donde son

atomizadas e ionizadas.

El plasma es usado como una fuente muy eficaz de iones en su estado M+, los cuales se forman

mediante colisiones con átomos e iones excitados de argón. Estos átomos o moléculas ionizadas

viajan y se dirigen a una cámara de filtro de masas y finalmente al detector; las mismas que

serán cuantificadas comparándolas con una curva de calibración.[20]

1.10.2. Cuantificación de Nitrógeno en el biol

1.10.2.1. Método Kjeldahl. El principio del método consiste en la transformación del nitrógeno,

de las sustancias nitrogenadas, por ebullición con ácido sulfúrico concentrado, en amoniaco que

queda, por exceso de ácido sulfúrico, como sulfato de amonio. El sulfato de amonio se

determina agregando a la solución un exceso de hidróxido alcalino, después de la digestión con

ácido, separando el amoniaco liberado por destilación y recogiéndolo en ácido valorado en

presencia de rojo de metilo. [21]

27

(3)

Donde:

N: Normalidad del ácido sulfúrico

V: VH2SO4(0,1N) (50 ml) - V NaOH(0,1N) (X ml)

m: masa de la muestra, g

1.11. Calor y calorimetría

1.11.1. Definición. El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema

debida a una diferencia de temperaturas.

1.11.2. Calor por unidad de masa. El calor que entra en un sistema es una propiedad extensiva.

En el caso de una sustancia pura o una mezcla de gases, el efecto del calor depende de la

cantidad de materia que haya. Si lo que interesa es la cantidad de calor que entra o sale relativa a

la masa, conviene usar el calor por unidad de masa.

1.11.3. Calor e incremento de temperatura. El primer efecto observable de la transferencia de

calor a un sistema es el incremento de su temperatura. Hay que destacar que no siempre que

entra calor en un sistema se produce un aumento de temperatura, depende de si también hay

cambios de fase o se está realizando trabajo. La cantidad de calor es proporcional al cambio de

temperatura, lo que se expresa matemáticamente.

(4)

Siendo C una propiedad del sistema denominada capacidad calorífica. De la definición se tiene

que la capacidad calorífica se mide en el SI en J/K. El calor diferencial es una diferencial

inexacta (por eso expresa con el símbolo “δ”), lo que quiere decir que depende del proceso. Una

misma cantidad de calor transferida a un sistema puede producir diferentes incrementos de

temperatura, dependiendo de cómo se realice. Existen dos casos particulares. Cuando se

transfiere de manera cuasiestática calor a un sistema gaseoso

28

Si ocurre en un recipiente rígido, tenemos que el volumen es constante

(5)

Siendo Cv la capacidad calorífica a volumen constante.

Si el calor se comunica en un sistema abierto a la atmósfera, o con paredes que pueden

moverse libremente, entonces la presión del sistema permanece constante (en un proceso

cuasiestático, el sistema estará siempre en un estado de equilibrio mecánico con el exterior).

(6)

Siendo Cp la capacidad calorífica a presión constante.

1.11.4. Capacidad calorífica y calor específico. La Capacidad calorífica es una propiedad del

sistema en su conjunto y depende de las propiedades de todas las partes del sistema. Además,

como se ha indicado, no tiene el mismo valor para un proceso a presión constante que para uno

a volumen constante. La unidad de la capacidad calorífica es la de una energía dividida por una

temperatura, en el SI se mide en J/K (aunque aún existen tablas donde aparece en cal/°C).

En el caso de una sustancia pura (agua, o un gas ideal, o incluso una mezcla de gases como el

aire), la capacidad calorífica es una propiedad extensiva, proporcional a la cantidad de sustancia.

A partir de ella se define una propiedad específica: la capacidad calorífica por unidad de masa,

más conocida como calor específico.

(7)

En términos del calor específico es la cantidad de calor necesaria para producir un aumento

diferencial de temperatura.

(8)

El calor específico tiene unidades en el SI de J/(kg·K). Su valor, como el de C es dependiente de

la temperatura, y tiene un valor diferente según sea un proceso a volumen constante (Cv) o a

presión constante (Cp). Para sólidos y líquidos se suele tabular su valor a presión constante a la

presión atmosférica y a una temperatura dada.

29

Calor a presión constante

(9)

Calor a volumen constante

(10)

1.11.5. Entalpía de formación. La entalpía de formación de un compuesto químico es la

variación de entalpía de la reacción de formación de dicho compuesto a partir de las especies

elementales que lo componen, en su forma más abundante.

Así, la entalpía de formación de un compuesto es la energía necesaria para formar un mol de

dicho compuesto a partir sus elementos, medida, normalmente, en unas condiciones de

referencia estándar, 1 atm de presión y una a temperatura de 298 K (25 °C).

Esta entalpía es negativa cuando se trata de una reacción exotérmica, que desprende calor,

mientras que es positiva cuando es endotérmica, y resulta nula para los compuestos que se

pueden encontrar en la naturaleza.[22]

Tabla 2. Entalpía de formación del ácido acético

Entalpía de formación, H KJ/mol

Ácido acético 436

Fuente: WIKIPEDIA. Ácido acético. [fecha de consulta: 12 Noviembre 2013]. Disponible en:

< http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_ac%C3%A9tico>

1.12. Datos estadísticos

La estadística es una ciencia formal y una herramienta que estudia el uso y los análisis

provenientes de una muestra representativa de datos, busca explicar las correlaciones y

dependencias de un fenómeno físico o natural, de ocurrencia en forma aleatoria o condicional.

Sin embargo, la estadística es más que eso, es decir, es la herramienta fundamental que permite

llevar a cabo el proceso relacionado con la investigación científica.

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciencia_formal

http://es.wikipedia.org/wiki/Dato

http://es.wikipedia.org/wiki/Aleatoria

http://es.wikipedia.org/wiki/Probabilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Investigaci%C3%B3n_cient%C3%ADfica

30

1.12.1. Estadística descriptiva. Es la técnica que se va a encargar de la recopilación,

presentación, tratamiento y análisis de los datos, con el objeto de resumir, describir las

características de un conjunto de datos y por lo general toman forma de tablas y gráficas. El

promedio la desviación estándar y el error nos permiten saber si los resultados obtenidos son

representativos además de saber que tan lejanos se encuentran del valor teórico.

1.12.1.1. Promedio. También llamada media aritmética o media de un conjunto finito de

números es el valor característico de una serie de datos cuantitativos objeto de estudio que parte

del principio de la esperanza matemática o valor esperado, se obtiene a partir de la suma de

todos sus valores dividida entre el número de sumandos.

∑

(11)

1.12.1.2. Varianza. En teoría de probabilidad, la varianza (que suele representarse como ) de

una variable aleatoria es una medida de dispersión definida como la esperanza del cuadrado de

la desviación de dicha variable respecto a su media. Está medida en unidades distintas de las de

la variable. La desviación estándar es la raíz cuadrada de la varianza, es una medida de

dispersión alternativa expresada en las mismas unidades de los datos de la variable objeto de

estudio. La varianza tiene como valor mínimo 0.

∑

(12)

1.12.1.3. Desviación estándar. La desviación típica o desviación estándar (denotada con el

símbolo σ o s, dependiendo de la procedencia del conjunto de datos) es una medida de

dispersión para variables de razón (variables cuantitativas o cantidades racionales) y de

intervalo. Se define como la raíz cuadrada de la varianza de la variable.

√ (13)

1.12.1.4. Error. Un error en estadística es la diferencia entre el valor de un estimador y el del

parámetro correspondiente. [23]

|

| (14)

http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_probabilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Variable_aleatoria

http://es.wikipedia.org/wiki/Medida_de_dispersi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Esperanza_matem%C3%A1tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Desviaci%C3%B3n_est%C3%A1ndar

http://es.wikipedia.org/wiki/Medidas_de_dispersi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Medidas_de_dispersi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Varianza

http://es.wikipedia.org/wiki/Variable_(matem%C3%A1ticas)

31

2. MARCO EXPERIMENTAL

2.1. Diseño experimental

Diagrama de flujo

T pH

MN1

CC1 21 días B1

T pH

E, 40 kg

MN2

CC1 21 días B2

T pH

MN3

CC1 21 días B3

Condiciones de trabajo:

Tiempo de fermentación: 21 días

Los biodigestores se encontraron dentro de un invernadero en donde la temperatura osciló

entre 10 y 30 °C.

El pH deseado para el biol fue entre 4 - 5 y se estipuló que al cabo de los 21 días de

fermentación se obtendría dicho pH.

Donde:

E = Cantidad de estiércol (40 kg)

MN = Micronutrientes (sales minerales)

CC = Caldo de cultivo

FA = Fermentación anaerobia

B = Biol

32

2.1.1. Formulaciones

Primera etapa

MN1 kg

K2SO4 1,2

ZnSO4.7H2O 1

Leche, l 2

MgSO4.7H2O 1

CC1 Melaza, l 2

Borax decahidratado 0,8

Alfalfa, kg 10

Roca fosfórica 1,2

MnSO4.1H2O 1,2

MN1 kg

K2SO4 1

ZnSO4.7H2O 0,8

Leche, l 2

E, 40 kg

MgSO4.7H2O 0,8

CC1 Melaza, l 2


Alfalfa, kg 10

Roca fosfórica 1

MnSO4.1H2O 1

MN1 kg

K2SO4 0,8

ZnSO4.7H2O 0,6

Leche, l 2

MgSO4.7H2O 0,6

CC1 Melaza, l 2


Alfalfa, kg 10

Roca fosfórica 0,8

MnSO4.1H2O 0,8

33

Segunda etapa

Leche, l 1

CC1 Melaza, l 1

E, 40 kg

CC2 Leche, l 2

Melaza, l 2

34

Tercera etapa

MN1 kg

K2SO4 0,070

ZnSO4.7H2O 0,085

Leche, l 2

MgSO4.7H2O 0,600

CC1 Melaza, l 2


Alfalfa,

kg 10

Roca fosfórica 1,200

MnSO4.1H2O 0,060

MN1 kg

K2SO4 0,600

ZnSO4.7H2O 0,080

Leche, l 2

E, 40 kg

MgSO4.7H2O 0,055

CC1 Melaza, l 2


Alfalfa,

kg 10


MnSO4.1H2O 0,055

MN1 kg

K2SO4 0,500

ZnSO4.7H2O 0,075

Leche, l 2

MgSO4.7H2O 0,400

CC1 Melaza, l 2


Alfalfa,

kg 10


MnSO4.1H2O 0,050

Se tomáron datos de temperatura representativos a las 8h00, 12h00 y 16h00 de cada uno de los

biodigestores. Posterior a la toma de temperatura se procedió a agitar durante 1 minuto, se

sacará una muestra de cada biodigestor para determinar el pH. Pasados los 21 días de

fermentación se filtró el biol obtenido para la realización de un análisis de abonos orgánicos

además de un análisis microbiano.

35

Tabla 3. Datos experimentales

DÍA

Hora

Biodigestores MN1 MN2 MN3

Tambiente, °C

Torificio, °C

Tvaso, °C

pH

Promedio de T, °C

En la presente tabla se registraron los datos de temperatura del ambiente, la temperatura del

recipiente (Torificio). Se recogió una muestra del biol para medir la temperatura de la muestra

tomada (Tvaso) y el pH de la misma. Estos registro se realizaron tres veces al día en un periodo

de 4 horas durante el día, es decir a las 8h00 am a las 12h00 am y 16h00 pm.

2.1.2. Materiales y equipos

Biodigestor con agitador (V = 208 l)

Termómetro (R: 0-100 °C; Ap 1± °C)

Papel Indicador

Vasos de precipitación (V = 250ml; Ap ± 50ml)

Balanza electrónica (R: 0-15 kg; Ap 0.1 ± kg)

Balanza romana con plataforma (R: 0-100 kg; Ap ± 1kg)

Picadora de forraje

Tela de Camarón

Agitador manual

Baldes (V= 4L; Ap ± 1l)

Fundas plásticas

Recipientes plásticos (V= 250 ml; Ap ± 25 ml)

Costales

36

2.1.2.1. Dimensiones del biodigestor

Capacidad: 208 l

Espesor: 3 mm

Diámetro 550 mm

Altura: 908 mm

2.1.3. Equipo de trabajo

Botas de caucho

Guantes de latex

Mascarilla

Mandil

2.1.4. Sustancias y Reactivos

Estiércol de ganado vacuno

Agua potable H2O

Melaza

Leche

Alfalfa

Sulfato de potasio K2SO4

Sulfato de magnesio MgSO4.7H2O

Sulfato de manganeso MnSO4.1H2O

Sulfato de zinc ZnSO4.7H2O

Borax decahidratado Na2B4O7.10H2O

Roca fosfórica Ca3(PO4)2CaF2

2.1.5. Procedimiento

a1) Preparación de una mezcla de sales minerales (micronutrientes 1)

Pesar en una balanza electrónica 1.2kg de sulfato de potasio, 1.2kg de sulfato de magnesio,

1.0 kg de sulfato de zinc, 0.8 kg de bórax decahidratado, 1.2 kg de roca fosfórica.

Disolver estas sales en 20 litros de agua potable y agitar hasta que estas se hayan disuelto.

37

a2) Preparación de de una mezcla de sales minerales (micronutrientes 2)

Pesar en una balanza electrónica 1kg de sulfato de potasio, 1k de sulfato de magnesio, 1,0 kg

de sulfato de zinc, 0,6 kg de bórax decahidratado, 1,0 kg de roca fosfórica.


a3) Preparación de sales minerales (micronutrientes 3)

Pesar en una balanza electrónica 0,8kg de sulfato de potasio, 0,8k de sulfato de magnesio,

0,6 kg de sulfato de zinc, 0,4 kg de bórax decahidratado, 0,8 kg de roca fosfórica.


b) Preparación del caldo de cultivo

Pesar en una balanza romana con plataforma 30 kg de alfalfa.

Colocar esta alfalfa dentro de una picadora de forraje.

Pesar 10 kg de esta alfalfa en la balanza romana con plataforma y colocarla en una funda

plástica.

Añadir 2 litros de leche y 2 litros de melaza al balde con la alfalfa picada.

c) Pesado de estiércol

Recoger en fundas plásticas estiércol fresco.

Pesar 40 kg de estiércol fresco en la balanza romana con plataforma.

Realizar el mismo procedimiento 2 veces.

d) Preparación del biol (abono orgánico)

Colocar el estiércol pesado (40kg) en el biodigestor seguido del caldo de fermentación y las

sales minerales disueltas en agua.

Mezclar hasta obtener una apariencia homogénea.

Aforar con agua potable hasta llenar los ¾ del biodigestor.

Cerrar el biodigestor.

Agitar durante 1 minuto la mezcla dentro del biodigestor con ayuda de el agitador manual..

Realizar el mismo procedimiento para MN2 y MN3.

38

e) Toma de datos de temperatura y pH

Agitar durante 1 min la mezcla en el biodigestor.

Colocar el termómetro en el biodigestor y anotar el dato de temperatura.

Abrir la válvula y tomar la muestra de biol para determinar el pH con el papel indicador.

Anotar los datos en la hoja de registro.

2.2. Datos experimentales

2.2.1. Datos de macro y micro nutrientes en el estiércol, alfalfa y biol de referencia

Tabla 4. Contenido de macroelementos y microelementos en el estiércol

Macroelementos Microelementos

g /100g, (%) mg/kg, (ppm)

Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio Boro Zinc Manganeso

2,26 1,25 1,51 1,61 0,46 2,26 1,25 1,51

Tabla 5. Contenido de macroelementos y microelementos en la alfalfa


g/100g, (%) mg/kg, (ppm)

Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio Boro Zinc Manganeso

3,25 0,4 2,86 0,91 0,31 17,5 24,4 32,9

Tabla 6. Contenido de macroelementos y microelementos en el biol de referencia


g/100ml (ppm) mg/l

Ntotal Fósforo Potasio Calcio Magnesio Boro Zinc Manganeso

0,1 0,03 0,03 0,14 0,04 39 96 127

39

Tabla 7. Datos de temperatura ambiental y temperatura del tanque etapa 3

Formulaciones

MN1 MN2 MN3

Horas Día Periodo, h t, h Ta, °C T,°C T,°C T,°C

8 1

8 0 24 21 19 20,5

12 4 27 22 19 20

16 8 23 20,5 19 20

24 2

8 24 20 18,5 18 16,5

12 28 23 21 20,5 20

16 32 20 19 17 17,5

24 3

8 48 22 21 20,5 20

12 52 23 22,5 22,5 20,5

16 56 21 19 19 19

24 4

8 72 24 21,5 21,5 21

12 76 27 26 24 23,5

16 80 26 25 22,5 23,5

24 5

8 96 17 15 15 14,5

12 100 23 20 19,5 19,5

16 104 17 15 14,5 15

24 6

8 120 16 14,5 14,5 15

12 124 31 29 25 24,5

16 128 19 16 16,5 17

24 7

8 144 20 21,5 20,5 20

12 148 22 19,5 19,5 19

16 152 15 15 15 16,5

40

Continuación Tabla 7.

Formulaciones

MN1 MN2 MN3


24 8

8 168 23 22,5 21 21

12 172 21 18,5 16,5 18

16 176 19 18 16 16,5

24 9

8 192 19 18,5 18 16,5

12 196 23 18,5 18 16

16 200 21 19 18,5 16,5

24 10

8 216 25 22 21 20

12 220 20 19 17 18

16 224 16 14 15 14,5

24 11

8 240 25 22,5 20,5 20,5

12 244 20 18,5 16,5 17,5

16 248 16 14,5 14 14,5

24 12

8 264 23 20,5 18,5 18

12 268 24 22,5 21 20,5

16 272 23 19 18,5 18,5

24 13

8 288 19 17,5 16,5 16,5

12 292 22 20,5 19 19

16 296 19 15,5 14,5 14,5

24 14

8 312 21 19 16,5 18

12 316 24 22,5 21 21

16 320 20 19 18,5 18,5

24 15

8 336 24 21 21,5 21

12 340 27 24,5 20,5 18,5

16 344 22 20,5 19,5 20

24 16

8 360 22 20,5 18 18,5

12 364 24 22,5 20,5 22

16 368 20 17 16,5 17

24 17

8 384 20 18,5 16,5 18

12 388 23 20,5 18,5 18,5

16 392 17 15 14 15

24 18

8 408 17 15,5 15,5 15,5

12 412 21 18,5 18 18,5

16 416 14 14,5 14 14,5

41

Continuación Tabla 7.

Formulaciones

MN1 MN2 MN3


24 19

8 432 24 22 21 22,5

12 436 27 24,5 23 23

16 440 19 18 16 16

24 20

8 456 25 23,5 22 22,5

12 460 27 26 24 24,5

16 464 24 20,5 19 19

24 21

8 480 21 18,5 16,5 17

12 484 31 29 28,5 26,5

16 488 23 22,5 21,5 22

Tabla 8. Datos de temperatura ambiental y temperatura del tanque promedio etapa 3

Formulaciones

Invernadero MN1 MN2 MN3

día t,h Ta, °C Tp,°C Tp,°C Tp,°C

1 8 24,7 21,2 19,0 20,2

2 32 21,0 19,5 18,5 18,0

3 56 22,0 20,8 20,7 19,8

4 80 25,7 24,2 22,7 22,7

5 104 19,0 16,7 16,3 16,3

6 128 22,0 19,8 18,7 18,8

7 152 19,0 18,7 18,3 18,5

8 176 21,0 19,7 17,8 18,5

9 200 21,0 18,7 18,2 16,3

10 224 20,3 18,8 18,3 18,3

11 248 20,3 18,5 17,0 17,5

12 272 23,3 20,7 19,3 19,0

13 296 20,0 17,8 16,7 16,7

14 320 21,7 20,2 18,7 19,2

15 344 24,3 22,0 20,5 19,8

16 368 22,0 18,0 18,3 19,2

42

Continuación de la tabla 8.

Formulaciones

Invernadero MN1 MN2 MN3

día t,h Ta, °C Tp,°C Tp,°C Tp,°C

17 392 20,0 18,0 16,3 17,2

18 416 17,3 16,2 15,8 16,2

19 440 23,3 21,5 20,0 20,5

20 464 25,3 23,3 21,7 22,0

21 488 25,0 23,3 22,2 21,8

Tabla 9. pH en funcion del tiempo para la etapa 3

Formulaciones

MN1 MN2 MN3

día pH pH pH

1 7 7 7

2 7 7 6

3 6 6 5

4 6 6 5

5 5 5 5

6 5 5 5

7 5 5 5

8 5 5 5

9 5 5 5

10 5 5 5

11 5 5 5

12 5 5 5

13 5 5 5

14 4 4 4

15 4 4 4

16 4 4 4

17 4 4 4

43

Continuación de la tabla 9.

Formulaciones

MN1 MN2 MN3

día pH pH pH

18 4 4 4

19 4 4 4

20 4 4 4

21 4 4 4

Tabla 10. Crecimiento microbiano en la etapa 3

Tiempo inicial Tiempo final

Recuento total de microorganismos

Formulaciones UFC/ml UFC/ml

MN1B 1x106 4x10

6

MN2B 3100 4x106

MN3B 2x106 8x10

6

44

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

3.1. Cálculo de la gravedad específica del biol

Tabla 11. Datos del picnómetro para la gravedad específica del biol

Wp, g Ww, g Wm, g

9,2541 32,4562 42,0013

1,0314

3.1.1. Balance de masa Etapa 1

Tabla 12. Contenido de macro y microelementos en la etapa 1

Formulación 1 2 3

Unidad kg

Componentes

ZnSO4 1,0 0,8 0,6

K2SO4 1,2 1 0,8

MnSO4.1H2O 1,2 1,0 0,8

MgSO4.7H2O 1,0 0,8 0,6

Roca Fosfórica 1,2 1 0,8

Borax Decahidratado 0,8 0,6 0,4

Tabla 13. Contenido de alfalfa y estiércol en la etapa 1

Nutrientes kg

Alfalfa 10

Estiércol 40

45

Tabla 14. Contenido de magnesio en el sulfato de magnesio heptahidratado

Compuesto Químico MgSO4.7H2O

Elemento Químico Mg S O H

Peso Molecular, g/mol 24,3 32,1 16 1

Xi 24,3 32,1 176 7

Total, g/mol 237,4

% molar 0,10 0,14 0,73 0,03

Total 1,00

Tabla 15. Contenido de potasio en el sulfato de potasio

Compuesto Químico K2SO4

Elemento Químico K S O

Peso Molecular, g/mol 39,1 32,1 16

Xi 78,2 32,1 64

Total, g/mol 174,3

% molar 0,45 0,18 0,37

Total 1,00

Tabla 16. Contenido de fósforo en la roca fosfórica

Compuesto Químico Ca3(PO4)2CaF2

Elemento Químico P Ca F O

Peso Molecular, g/mol 31 40,1 19 16

Xi 62 160,4 38 128

Total, g/ mol 388,4

% molar 0,16 0,41 0,10 0,33

Total 1,00

Tabla 17. Contenido de boro en el bórax decahidratado

Compuesto Químico Na2B4O7.10H2O

Elemento Químico B Na O H

Peso Molecular, g/mol 10,8 23 16 1

Xi 43,2 46 272 20

Total, g/ mol 381.2

% molar 0,11 0,12 0,71 0,05

Total 1,00

46

Tabla 18. Contenido de manganeso en el sulfato de manganeso monohidratado

Compuesto Químico MnSO4.1H2O

Elemento Químico Mn S O H


Xi 54,9 32,1 80 2

Total, g/mol 169

% molar 0,32 0,19 0,47 0,01

Total 1,00

Tabla 19. Contenido de zinc en el sulfato de zinc heptahidratado

Compuesto Químico ZnSO4.7H2O

Elemento Químico Zn S O H


Xi 65,4 32,1 176 2

Total, g/mol 275,5

% molar 0,24 0,12 0,64 0,01

Total 1,00

3.1.1.1. Formulación MN1A

3.1.1.1.1. Cálculo de la cantidad de nitrógeno. %p/v

% N en Estiércol: 2,26%

% N en Alfalfa: 3,25%

47

3.1.1.1.2. Cálculo de la cantidad de magnesio. %p/v

Según la tabla 14 se establece

% Mg en sulfato de magnesio: 10%

% Mg en Estiércol: 0,46%

% Mg en Alfalfa: 0,31%

3.1.1.1.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %p/v

Según la tabla 15

% K en sulfato de magnesio: 45%

% K en Estiércol: 1,51%

% K en Alfalfa: 2,86%

48

3.1.1.1.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %p/v

Según la tabla 16

% P en roca fosfórica: 16%

% P en Estiércol: 1,25%

% P en Alfalfa: 0,40%

3.1.1.1.5. Cálculo de la cantidad de boro. %p/v

Según la tabla 17

% B en boro: 11%

% B en Estiércol: 5,1 mg/l

% B en Alfalfa: 17,50 mg/l

49

3.1.1.1.6. Cálculo de la cantidad de manganeso. %p/v

Según la tabla 18

% Mn en sulfato de manganeso: 32%

% Mn en Estiércol: 224,9 mg/l

% Mn en Alfalfa: 32,90 mg/l

3.1.1.1.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %p/v

Según la tabla 19

% Zn en sulfato de zinc: 24%

% Zn en Estiércol: 63,9 mg/l

% Zn en Alfalfa: 24,40 mg/l

50






Según la tabla 14




51


Según la tabla 15

K en sulfato de magnesio: 45%




Según la tabla 16




52


Según la tabla 17

% B en boro: 11%




Según la tabla 18




53


Según la tabla 19






% N en Estiércol: 2.26%


54


Según la tabla 14





Según la tabla 15




55


Según la tabla 16





Según la tabla 17

% B en boro: 11%



56


Según la tabla 18





Según la tabla 19




57


Tabla 20. Contenido de melaza y leche en la etapa 2

Biol I Biol II

Melaza, l 2 1

Leche, l 2 1

3.1.2.1. Cálculo de la cantidad de nitrógeno. %p/v


3.1.2.2. Cálculo de la cantidad de magnesio. %p/v


3.1.2.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %p/v


3.1.2.4. Cálculo de la cantidad de fósforo. %p/v


58

3.1.2.5. Cálculo de la cantidad de boro. %p/v


3.1.2.6. Cálculo de la cantidad de manganeso. %p/v


3.1.2.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %p/v



Tabla 21. Contenido de macro y microelementos en la etapa 3

Formulación 1 2 3

Unidad kg

Componentes

ZnSO4 0.085 0.080 0.075

K2SO4 0.700 0.600 0.500

MnSO4 0.060 0.055 0.050

MgSO4 0.6 0.5 0.4

Roca Fosfórica 1.2 1 0.8

Borax Decahidratado 0.075 0.070 0.065

59

Tabla 22. Contenido de alfalfa y estiércol en la etapa 3

Nutrientes kg

Alfalfa 10

Estiércol 40

3.1.3.1. Formulación MN1B





Según la tabla 14




60

3.1.3.1.3. Cálculo de la cantidad de potasio. %m/v

Según la tabla 15





Según la tabla 16




61


Según la tabla 17

% B en boro: 11%




Según la tabla 18




62

3.1.3.1.7. Cálculo de la cantidad de zinc. %m/v

Según la tabla 19








63


Según la tabla 14


% Mg en Estiércol: 0.46%

% Mg en Alfalfa: 0.31%


Según la tabla 15

K en sulfato de magnesio: 45%

% K en Estiércol: 1.51%

% K en Alfalfa: 2.86%

64


Según la tabla 16



% P en Alfalfa: 0.40%


Según la tabla 17

% B en boro: 11%



65


Según la tabla 18


% Mn en Estiércol: 224.9 mg/l

% Mn en Alfalfa: 32.90 mg/l


Según la tabla 19



% Zn en Alfalfa: 24.40 mg/l

66


3.1.3.3.1. Cálculo de la cantidad de nitrógeno. %m/v


% N en Alfalfa: 3.25%


Según la tabla 14




67


Según la tabla 15





Según la tabla 16




68


Según la tabla 17

% B en boro: 11%




Según la tabla 18


% Mn en Estiércol: 224.9 mg/l


69


Según la tabla 19




3.2. Diseño del bioreactor industrial

Densidad del abono líquido: ≈ 1 kg/l

Tiempo experimental: 21 días

Densidad aparente de la alfalfa: 0,23 kg/l [24]

Porcentaje de volumen acumulado de gas: 20%

3.2.1. Cálculo de la cantidad de estiércol al día

75 cabezas de ganado de leche producen 75 kg de estiércol por cada ordeño.

70

Donde:

F: Estiércol generado al día

E: Estiércol

3.2.2. Cálculo de la cantidad de agua a ingresar en el bioreactor

Relación estiércol/ agua: 1:2

Donde:

Fw: Carga de agua al biodigestor

3.2.3. Cálculo de la cantidad de alfalfa a ingresar al bioreactor

Para la formulación se tomó 10 kg de alfalfa

3.2.4. Cálculo del volumen del biodigestor (VT)

3.2.4.1. Cálculo de la carga del bioreactor

71

Volumen del bioreactor:

3.2.5. Cálculo del diámetro del biodigestor

Se asume la altura del biodigestor: 1 m

√

√

3.2.6. Cálculo del espesor

Datos:

V= 0,33 m3

H= 1 m

D= 0,6 m= 600 mm

ρ= 1000

HL= 0,8 m

HG= 0,2 m

%VACUMULADO GAS= 0,066 m3= 66 l

Factor de seguridad= 2

Material= Acero inoxidable

72

Esfuerzo a la cedencia del acero inoxidable = 7300

= 50305442

[25]

Máximo esfuerzo que soporta el acero inoxidable NOM 1075 T.C.

Eficiencia de la junta= 1

3.2.6.1. Cálculo de la presión hidrostática

3.2.6.2. Cálculo del volumen de metano diario

Densidad del gas a 23 °C: 0,6797

[26]

3.2.6.3. Cálculo del volumen de gas generado del bioreactor

[27]

73

3.2.6.4. Cálculo de la masa y moles de metano generados al día

Se impone una presión de acumulación del gas

3.2.6.5. Cálculo de las moles acumuladas de gas metano

3.2.6.6. Cálculo del tiempo de acumulación de gas metano

74

3.2.6.7. Cálculo de la presión de trabajo

3.2.6.8. Cálculo del espesor de la tapa torisférica

[28]

Donde:


L: Diámetro del tanque

S: Esfuerzo a la cedencia NOM-1075

P= 324160 Pascales

S= 50305442 Pascales

E= 1

L=0,6 m

3.2.6.9. Cálculo del espesor de la costura longitudinal

[28]

Donde:


L: Diámetro del tanque

S: Esfuerzo a la cedencia NOM-1075

P= 324160 Pascales

75

S= 50305442 Pascales

E= 1

R= 0,300 m

3.3. Cálculo de la cantidad de calor transferido

3.3.1. Cálculo del calor perdido (aire)

Figura 7. Dimensiones del invernadero

Cálculo modelo día 21 MN3B

Datos:

Vinvernadero= 30 m3

Tinicial= 21 °C

Tfinal= 31 °C

Tpromedio= 24 °C

Ρaire= 1,189 kg/m3

Cpaire= 1,005 KJ/kg °K[29]

76

3.3.2. Cálculo del calor ganado (biol)

Figura 8. Tanque de fermentación

Cálculo modelo día 21 MN3B

Ecuación de balance de energía

Datos:

Vinvernadero= 30 l

Tinicial= 17 °C

Tfinal= 26,5 °C

Tpromedio= 22 °C

Ρbiol= 1,0314 kg/l

Cp sisema= 0,1209 KJ/kg°C (Biol)

77

3.4. Determinación de los datos estadísticos

3.4.1. Cálculo del promedio de macro y microelementos en las diferentes formulaciones para

la etapa 3

Cálculo modelo para la cantidad de magnesio

Tabla 23. Contenido de Magnesio en las formulaciones MN1B, MN2B, MN3B de la etapa 3

ETAPA 3

Formulaciones Mg

MN1B 0.05

MN2B 0.05

MN3B 0.04

∑

3.4.2. Cálculo de la varianza de macro y microelementos en las diferentes formulaciones

para la etapa 3


∑

78

Donde:

: Varianza

: Porcentaje de magnesio para la formulación i

: Porcentaje de magnesio promedio

: Número de formulaciones

Solución:

3.4.3. Cálculo de la desviación estándar de macro y microelementos en las diferentes

formulaciones para la etapa 3


√

Donde:

S: Desviación estándar

: Varianza

Solución:

√

3.4.4. Cálculo del error respecto al biol de referencia

Cálculo modelo para la cantidad de magnesio en MN2B

Tabla 24. Contenido de magnesio en el biol de referencia y la formulación MN2B

Biol de referencia Biol MN2B

Mg, ppm

0,04 0,05

|

|

79

|

|

| |

3.5. Resultados

3.5.1. Resultados de las formulaciones en las etapas 1, 2 y 3

Tabla 25. Resultados de las formulaciones etapa 1

ETAPA 1

g/ 100 ml (%) mg/l (ppm)

Macronutrientes Micronutrientes

Formulaciones N(total) P K Mg B Zn Mn

MN1A 0,08 0,05 0,55 0,07 438 1208 1961

MN2A 0,07 0,04 0,53 0,06 327 967 1639

MN3A 0,12 0,04 0,50 0,05 217 718 1318


ETAPA 2

g/100 ml (%) mg/l (ppm)



BIOL 1 0,11 0,03 0,30 0,02 0,83 10 40

BIOL 2 0,11 0,04 0,30 0,02 0,98 12 45

80


ETAPA 3

g/100 ml (%) mg/l (ppm)



MN1B 0,09 0,05 0,45 0,05 40 113 139

MN2B 0,08 0,04 0,43 0,05 38 107 135

MN3B 0,13 0,04 0,42 0,04 35 100 126

Tabla 28. Resultados del biosol

BIOSOL

g/100 ml (%) mg/l (ppm)



MS1B - 0,09 0,09 0,08 0,88 1,70 2,1

MS2B - 0,08 0,08 0,07 0,75 1,60 1,9

MS3B - 0,09 0,09 0,08 0,91 1,70 1,8

Tabla 29. Resultados del biol de referencia

BIOL DE REFERENCIA

g / 100 ml (%) mg/l (ppm)



BIOLMAXIME 0,10 0,03 0,30 0,04 39 96 127

Tabla 30. Resultados porcentaje de biol y biosol otenido en la etapa 3

Biol Biosol Total

Masa, kg 105 25 130

Porcentaje 0,81 0,19 1

Tabla 31. Resultados de pH de la formulación etapa 1

Formulación pH

MN1A 3,89

MN2A 4,05

MN3A 3,85

81

Tabla 32. Resultados de pH de la formulación etapa 3

Formulación pH

MN1B 3,95

MN2B 4,09

MN3B 3,91

Tabla 33. Resultados estadísticos. Promedio

ETAPA 3

g / 100 ml (%) mg/l (ppm)



MNXB 0,1 0,04 0,43 0,05 37,67 107 133

Tabla 34. Resultados estadísticos. Varianza

ETAPA 3

VARIANZA



Θ 0,0007 0,00003 0,00023 0,00003 6,3 42,3 44,3

S 0,03 0,01 0,02 0,01 2,5 6,5 6,7

Tabla 35. Resultados estadísticos. Error

ETAPA 3

% ERROR



MN1B 10 67 117 125 102 118 109

MN2B 20 33 43 25 3 11 6

MN3B 30 33 40 0 10 4 1

Biol 2 10 33 0 50 97 88 65

82

3.6. Gráficos

3.6.1. Temperatura ambiente, temperatura del tanque en función del tiempo

Gráfico 1. Temperatura del tanque 1 en función de la temperatura ambiente


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 100 200 300 400 500 600

T, °

C

t, h

MN1- Tp=f(t)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 100 200 300 400 500 600

T, °

C

t, h

MN2- Tp=f(t)

83


3.6.2. Crecimiento microbiano en función del tiempo

Gráfico 4. Crecimiento microbiológico en el tanque 1 etapa 3

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 100 200 300 400 500 600

T, °

C

t,h

MN3- Tp=f(t)

y = 150000x + 850000

0,00E+00

5,00E+05

1,00E+06

1,50E+06

2,00E+06

2,50E+06

3,00E+06

3,50E+06

4,00E+06

4,50E+06

0 5 10 15 20 25

UFC

/ml

t,días

MN1B- Crecimiento microbiano=f(t)

84



y = 199845x - 196745

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

4000000

4500000

0 5 10 15 20 25

UFC

/ml

t,días


y = 300000x + 2E+06

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

0 5 10 15 20 25

UFC

/ml

t,días


85

4. DISCUSIÓN

La fermentación anaerobia se da desde los 3°C hasta los 70°C. El sistema experimentó

temperaturas desde los 16°C hasta los 24°C, dándose las condiciones para que los

carbohidratos, grasas y proteinas contenidas en la materia seca del estiércol de vaca sea

sometida al proceso de fermentación anaerobica, pasando por una etapa de hidrólisis,

acetogénesis y acidogénesis como se observa en la tabla 9 por la disminución de pH en

función del tiempo.

El proceso de fermentación anaerobica se rige por cuatro etapas, transformando la celulosa

del estiércol (polisacárido) en ácidos orgánicos los mismos que serán desdoblados en

acetatos, propianatos y butiratos para finalmente a partir de estos generar metano. Mediante

el desarrollo del proceso biológico se llegó a establecer el tiempo de residencia en 21 días.

A partir de la fermentacion de estiércol con melaza leche y alfalfa, se obtuvieron los

resultados de la composicion química señalados en la tabla 26. Observando que la

concentración de macro y micro nutrientes contenidas en el biol son bajas, ya que en esta

formulación no se utilizaron componentes auxilares minerales que permitan llegar a las

concentraciones de micro y macro nutrientes deseadas.

Con los datos de la densidad, la temperatura y la presión del gas generado y del biol; además

del máximo esfuerzo que llega a soportar el acero inoxidable se llegó a establecer las

dimensiones del bioreactor aplicando las ecuaciones 1 y 2 situadas en la páginas 26 y 27.

Dando lugar a las especificaciones del tanque de fermentación, siendo el espesor de 3.4 mm,

un volumen de 330 litros con una carga de 75 kg de estiércol soportando una presión de

hasta 3.2 atmósferas.

86

En la tabla 35 ubicada en la página 87, se observa cuan alejados estan los valores de las

concentraciones en macro y micro nutrientes respecto a la composición del biol de

referencia. Debido a que el aporte de magnesio, potasio, manganeso, boro y zinc están

presentes en el estiércol en bajas cantidades. Mientras que con la adición de componentes

auxiliares las concentraciones de macro y micro elementos suben disminuyendo el error,

llegando a tener características similares en concentración a la especificación de calidad (biol

de referencia).

87

5. CONCLUSIONES

En función de las variables de operación definidas como temperatura, tiempo de residencia,

presión ejercida por los compuestos gaseosos generados, la carga hidráulica del sistema. Se

concluye que el reactor biologico cumple con las condiciones de operación requeridas.

El balance de masa permitió que se llegara a establecer las concentraciones de macro y micro

nutrientes similares al biol de referencia, utilizando componentes auxiliares minerales y

orgánicos. Concluyendo que la formulación MN2B es la mas adecuada por su composición.

La generación de ácidos orgánicos hace que el pH disminuya en función del tiempo,

llegando a establecer un pH de 4.1después de 21 días para la formulación MN2B.

El error de la formulación MN2B es menor en macro y micro nutrientes respecto al de la

formulación MN1B y MN3B a excepción del nitrógeno, además esta formulación es la que

presenta el mayor crecimiento microbiano haciendo de esta la mejor candidata para ser

probada como fertilizante natural.

La temperatura ambiental está por encima de la temperatura del tanque, haciendo que el

calor fluya desde el aire caliente (ambiente) hacia el reactor. Concluyendo que el proceso

biológico anaerobio es endotérmico.

88

6. RECOMENDACIONES

Realizar un segundo estudio respecto a la cantidad de metano liberado en el proceso para el

aprovechamiento del mismo.

El estiércol a utilizar debe ser fresco para que las bacterias conserven sus caracteristicas para

el proceso de fermentación.

Aplicar el biol MN2B como fertilizante foliar y evaluar sus resultados.

Ya que el proceso es endotérmico es conveniente colocar una chaqueta de calentamiento o

paneles solares que calienten al reactor para que el proceso se efectue en mejores

condiciones.

Realizar un contaje microbiano en diferentes etapas del proceso para poder construir una

curva de crecimiento microbiano.

89

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

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[4] YEPES, R. Contribución al conocimiento de la situación actual del manejo de los pastos de

clima frío del Departamento de Antioquia. Medellín. 1993. pp. 21-30

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[6] YEPEZ, Op. Cit., p. 33.

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[23] WIKIPEDIA. Datos estadísticos. [fecha de consulta: 16 de Septiembre de 2014]

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[27] SORIA E., CEVALLOS A. y RAMOS R. Diseño y construcción de un biodigestor de

campana flotante a partir de desechos orgánicos de ganado porcino con capacidad de 12 m3

para la obtención de biogas el cual va a ser utilizado en la cocción de alimentos y

climatización de la granja el Descanzo. Facultad de Ingeniería Mecánica. Escuela

Politécnica del Ejército. Quito. 2009. p. 131.

[28] EUGENE, F, Op. Cit., p. 17.

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Noviembre 2013]. Disponible en: < http://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-

d_156.html>

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92

BIBLIOGRAFÍA

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YEPES, R.F.C. Contribución al conocimiento de la situación actual del manejo de los pastos

de clima frío del Departamento de Antioquia. Medellín-Colombia, 1993.

93

ANEXOS

94

ANEXO A. Resultados INIAP formulaciones etapa 1

95

ANEXO B. Resultados INIAP formulaciones etapa 3

96

ANEXO C. Resultados INIAP Biosol

97

ANEXO D. Resultados GRUNTEC formulaciones etapa 2

98

ANEXO E. Fotografías de la obtención de abono líquido orgánico a partir de los desechos del

ganado vacuno

Figura E.1. Biodigestores

Figura E.2. Invernadero

99

Figura E.3. Micronutrientes

Figura E.4. Materiales para la medición de T, pH

100

Figura E.5. Recolección de estiércol

Figura E.6. Alfalfa picada

101

Figura E.7. Pesaje de estiércol

Figura E.8. Pesaje de alfalfa

102

Figura E.9. Disolución de micro y macro nutrientes en agua

Figura E.10. Leche

103

Figura E.11. Melaza

Figura E.12. Biodigestor en la producción de biol

universidad central del ecuador facultad de ......agradezco infinitamente a mi padre, quien es mi...

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