Digestión anaeróbica de rúmen bovino en laboratorio y determinación química pre y post tratamiento

E Valencia*, E Valenzuela**, S González*** y C Vargas*

Universidad de Los Lagos, Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos, Osorno, Chile
* Programa FITOGEN, Laboratorio de Investigación Química, Osorno, Chile
** Laboratorio de Investigación Química, Osorno, Chile
*** Laboratorio de Fisicoquímica de los Alimentos Osorno, Chile
evalen@ulagos.cl

Resumen

El desecho de rúmen bovino (contenido del estómago bovino) proveniente del proceso de evisceración, es utilizado como un sustrato para la digestión anaeróbica. Se construye un digestor tipo batch con agitación a escala de laboratorio, que se mantiene a 35ºC  durante 35 días. Para evaluar la eficiencia del proceso se trabaja con una concentración de sólidos totales en el sustrato de 3%, 6% y 9%, en base seca; midiendo la cantidad de biogás obtenido, la relación CH₄/CO₂ en él y su combustión. Además, se caracteriza químicamente el sustrato rumen de bovino pre y post proceso de fermentación para los correspondientes  porcentajes de sólidos totales.

De acuerdo a los resultados obtenidos se encuentra que en el rango de porcentajes de sólidos totales de 3% y 6% presentan las mejores condiciones para la digestión anaeróbica, al igual que la producción de biogás y la relación CH₄/CO₂; no así para la concentración de sólidos totales de  9% donde se genera el fenómeno de sobrecarga orgánica. Bajo las condiciones anteriores, el desecho de rúmen bovino podría constituirse en un recurso bioenergético, además de poder utilizarse como acondicionador o mejorador del suelo de cultivo.

Palabras clave: Biogás, concentración de sólidos totales, digestor tipo batch, factores de digestión anaeróbica, metano

Anaerobic digestion of bovine rumen in laboratory and chemical determination pre and post treatment

Abstract

Disposal of bovine rumen (stomach contents of cattle) from the evisceration process, is used as a substrate for anaerobic digestion. We build a batch type digester with stirring at laboratory scale, which is maintained at 35 º C for 35 days. To assess the efficiency of the process is working with a total solids concentration in the substrate of 3%, 6% and 9%, dry basis, measuring the amount of biogas produced, the relationship CH₄/CO₂ and burning it. In addition, the substrate is chemically characterized bovine rumen pre-and post-fermentation process for the corresponding percentages of total solids.

According to the results obtained the percentage of total solids of 3% and 6% had the best conditions for anaerobic digestion, as well as biogas production and the relationship CH₄/CO₂, not for the concentration total solids of 9% was generated by the phenomenon of organic load. Under the above conditions, the bovine rumen waste could become a bioenergy resource, also could be used as soil conditioner or growing breeder.

Keywords: anaerobic digestion factors, batch type digester, biogas, methane, total solids concentration

Introducción

El medio ambiente es un sistema donde por un lado, se obtienen los recursos naturales necesarios para desarrollar las actividades humanas, y por otro es el receptor de los desperdicios de estas actividades. Mantener un adecuado balance de ambas se torna hoy en día más importante debida a la creciente preocupación internacional por las consecuencias adversas del cambio climático, contaminación, depredación de los recursos naturales, etc. (CEPAL 2009). En la actualidad comienzan a surgir conceptos tales como “la hipótesis del vinculo positivo” y “huella ecológica” que señalan que los países con normas ambientales más estrictas ayudan a que sus empresas se destaquen por el bajo impacto de sus productos y procesos, pudiendo ganar en competitividad en base a estas características y sus desarrollos tecnológicos (Porter and Van der Linde 1995).

La industria de la carne y en  especial las plantas faenadoras (mataderos) generan una amplia gama de residuos sólidos y líquidos. Considerando una planta que en promedio sacrifique 450 bovinos al día, generará aproximadamente unas 20 toneladas diarias de residuos sólidos (mayoritariamente huesos, vísceras, sangre, cabezas, patas, órganos genitales y grasa perirrenal y escrotal), los cuales en general en Chile, no son aprovechados, excepto para la fabricación de harinas. El principal residuo sólido es el contenido del estómago bovino que representa entre 15 a 21% y su masa varía entre 30 a 60 kg (Owens y Goetsch 1988; Phillipson 1981). Este residuo se caracteriza por contener lignocelulosa, mucosas, fermentos digestivos y una elevada carga de microorganismos patógenos (CONAMA 1998).

Una alternativa es considerar la degradación anaeróbica para su aprovechamiento y/o además minimizar los impactos al medio ambiente, puesto que por lo general los desechos de rumen son enviados a vertederos desperdiciando su potencial como recurso energético. Es pertinente señalar que el tratamiento anaeróbico depende en su mayor parte del desarrollo de una comunidad bacteriana interdependiente basada en tres grupos microbianos: el fermentativo hidrolítico, el acetogénico hidrogénico y el metanogénico hidrogenotrófico. Las bacterias fermentativas hidrolíticas convierten los polímeros complejos en azúcares, ácidos orgánicos, alcoholes y esteres, generando dióxido de carbono e hidrógeno. De igual modo, las bacterias acetogénicas hidrogénicas transforman los productos de la fermentación del primer grupo en acetato, dióxido de carbono e hidrógeno y los metanógenos convierten el acetato y el hidrógeno en metano y dióxido de carbono (Ward 1989; Weiland 2010).

El efluente producto de la fermentación anaeróbica contiene elementos fertilizantes (N, P, K);  de igual manera, algunos sólidos residuales son también buenos formadores y/o acondicionadores del suelo (Fair et al 1971). También es posible constatar la destrucción de patógenos que varían de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención (Cordoba  2005).

Entre los factores de importancia para una adecuada digestión anaeróbica figuran la temperatura, el tiempo de retención, la concentración de sólidos, la concentración de ácidos grasos volátiles, la alcalinidad, la relación C/N, la velocidad de agitación, la materia biodegradable, el pH, además de la concentración de sulfuros y amonio (McCarty 1964; Carrillo 2003; Jagnow y Wolgang 1991; Poulsen 2003; Sosa et al 1998).

La temática expuesta tiene relevancia  en la Región de Los Lagos, Chile, la que se destaca como una zona geográfica de gran producción  de ganado bovino representando un 50% de la existencia nacional (INE. Censo Agropecuario 2007). Actualmente los desechos sólidos de matadero se emplean en la elaboración de harinas, no obstante queda entre un 10 y un 25% de este desecho para la producción de biogás (Comisión Nacional de Energía 2007). En la citada región se  emplazan un total de 9 plantas faenadoras de bovino (FAENACAR A.G. 2010), las cuales procesan alrededor del 25% del beneficio de cabezas de ganado total a nivel del país (ODEPA 2010).

De estas 9 plantas sólo una cuenta con una instalación productora de biogás a partir de desechos de matadero y purines de corrales (Mafrisur 2009). En las restantes, los desechos de contenido ruminal generalmente son desechadas sin aprovechar éstos como fuente de recurso energético.

La finalidad de esta investigación es estudiar la factibilidad de la digestión anaeróbica del desecho rumen bovino a nivel de laboratorio, considerando la producción de biogás y los efectos ocurridos en el proceso cuando se varían los porcentajes de concentración de sólidos totales.

Materiales y métodos 

El sustrato utilizado fue el desecho de rumen bovino, proveniente del proceso de evisceración, llevado a cabo por Matadero Frigorífico Osorno (Frigosorno), Osorno, Chile, durante el año 2009. Dicho desecho es recogido en un tanque de descarga abierto a la atmósfera, en el cual se adiciona agua y se agita de forma intermitente.

Para el estudio se diseña y construye un digestor experimental batch de laboratorio, el que dispone de un sistema de agitación, el cual se carga de una sola vez de forma total y se descarga cuando se ha completado el proceso. El digestor tiene una capacidad total de 5.00 L (denominado volumen útil) sin embargo, por seguridad se deja un espacio sin llenar de sustrato que varia entre 1/4 - 1/8 del volumen total lo cual determina que el volumen de trabajo es de 4.35 L. Considerando los modelos propuestos por Jagnow y Wolgang (1991); Henriquez et al (2006);  Soto et al (1993); Chae et al (2008), en la Figura 1 se presenta un diagrama esquemático del digestor tipo batch y en la Figura 2 se muestra una fotografía del digestor construido a escala de laboratorio.

Diseño experimental

Se trabaja con una digestión anaeróbica bajo régimen mesófilo de 35ºC, con un tiempo de retención de 35 días (Winkler 1998; Fair et al 1971). El procedimiento considera la variación del porcentaje de concentración de sólidos totales del rúmen, con niveles de 3%, 6% y 9%, permaneciendo constante los factores de temperatura, tiempo de retención y velocidad de agitación.

La muestra a analizar se traslada desde la planta faenadora al laboratorio en termos herméticamente cerrados. El desecho de rumen se homogeniza y se extrae una muestra representativa para determinar su contenido de sólidos; conocido este valor se procede a preparar cada sustrato con los porcentajes de sólidos totales ya seleccionados.

Se acondiciona el sustrato rumen mediante la adición de  cloruro de hierro (III) (70 µM)    (Yadvika  et al 2004) y una solución buffer de bicarbonato de sodio (2.5 % p/v) (Tabla 1).

En cada ensayo se realizaron las siguientes determinaciones:

Producción de biogás

Para cuantificar el volumen de biogás producido, se puede considerar que éste cumple con un comportamiento de gas ideal, y que depende de la presión y la temperatura. El biogás se encuentra saturado de humedad,  por lo tanto,  para poder usar la ecuación de estado del gas ideal es necesario sustraer la presión de vapor del agua líquida (Fair et al 1971; Chae et al 2008). El volumen producido se calcula de acuerdo a la Ecuación 1:

         (1)

Donde:

• pº y Vº son la presión y el volumen del gas en condiciones normales y
• pw es la presión de vapor del agua líquida a la temperatura de trabajo, suponiendo que el biogás se comporta como ideal y que se encuentra saturado con vapor de agua.

Para aproximar el volumen total (VT) que ocupa el gas, es preciso determinar la sumatoria de los volúmenes donde éste se encuentra distribuido. Para este reactor se considera: Vvacío (diferencia entre volumen útil y el volumen de trabajo), Vtub (tubería donde circula el biogás) y Vtoroide (recipiente en forma de toroide donde se acumula el biogás). El volumen del toroide  se calcula de acuerdo a 2п²Rr², donde R es el radio a una distancia del centro del toroide y r es el radio interno de éste. El volumen de la tubería se calcula mediante пr'²L, donde r` y L corresponden al radio y a la longitud de la tubería por donde circula el biogás, respectivamente. De esta manera el volumen total se determina mediante la ecuación 2:

          (2)

Para medir el volumen total de biogás se debe purgar previamente el aire contenido inicialmente en el toroide.

Composición del biogás

De acuerdo a Poulsen (2003), una composición típica del biogás fresco en base seca en porcentaje en volumen es CH₄ (40-70%), CO₂ (30-60%), H₂ (0-1%), H₂S (0-3%), otros como NH₃ (0-2%).

Para determinar la relación CH₄/CO₂, es preciso retirar el H₂S, haciendo pasar el biogás, en un punto de muestreo, a través de un filtro de virutas de hierro en la forma de sulfuro de hierro (Maldonado y Ramon 2006). Realizado lo anterior, se considera que el biogás producido está constituido principalmente por metano y dióxido de carbono.

La determinación  de la composición del biogás obtenido, se realiza  poniendo  en contacto el gas con una solución alcalina (NaOH 30 % p/v), durante un tiempo de 24 horas; esto se realiza  llenando con  el biogás un recipiente graduado denominado buretrol, con una capacidad de 100 mL, con el cual se  mide inicialmente el volumen de biogás recolectado. Después de 24 horas se vuelve  a medir  el volumen del gas remanente. La diferencia entre ambos valores corresponde al volumen de CO₂ absorbido por la solución alcalina.

De acuerdo a Henríquez et al (2005), se usa NaOH al 30% p/v y un tiempo de 24 horas, condiciones en las cuales se aborbe todo el CO₂ presente en el biogas.

Combustión del biogás

Para comprobar la presencia de metano en el biogás, se realiza su combustión en un mechero Bunsen. Previo a esto, el biogás es lavado en una solución alcalina (NaOH 2.5% p/v) (Soto et al 1993) para evitar daños por corrosión y luego se pasa por virutas de hierro para evitar el retroceso de la llama, permitiendo una mayor seguridad del experimento (Jagnow y Wolgang 1991).

Caracterización del sustrato pre y post proceso de fermentación

Se extraen muestras representativas del sustrato rumen pre y post fermentación anaeróbica, se homogenizan y se someten a las siguientes determinaciones: sólidos totales, sólidos volátiles, alcalinidad parcial y total, ácidos grasos volátiles, demanda química de oxigeno, sulfuros solubles totales, nitrógeno total (Kjeldahl), pH (APHA 1992); grasa total, fibra bruta, fósforo total (ISP 1998); carbono orgánico total, relación C/N  (Chapman y Pratt 1973); nitrógeno amoniacal y orgánico (Grasshoff et al 1983). Los resultados obtenidos se expresan en base seca y fueron realizadas por triplicado.

Resultados y discusión  

Caracterización del sustrato pre y post proceso de fermentación

Los valores de pH obtenidos se situaron con máximos de 7.58, 7.75 y 7.18. Los mínimos fueron de 6.71, 6.85 y 6.23. El promedio de los datos obtenidos fueron de 7.24, 7.27 y 6.65 para las concentraciones de sólidos totales de 3%, 6% y 9% respectivamente (Figura 3). El valor de pH 7.18 para el sustrato rumen pre fermentación corresponde al día cero de operación (Figura 3).

De acuerdo a bibliografía, los microorganismos anaeróbicos necesitan un pH cercano a la neutralidad, para su adecuado desarrollo y además un tratamiento anaeróbico puede proceder bastante bien en un rango de pH entre 6.6–7.6. No obstante, si el pH cae por debajo de 6.2 el proceso suele ser menos eficiente (McCarty 1964).

Como se observa en la Figura 4, la alcalinidad al bicarbonato, expresada como CaCO₃, presenta valores de 2630.0 mg/L para el sustrato pre-fermentación. Los sustratos post-fermentación de 3%, 6% y 9% presentan valores de 1066.0 mg/L, 1780.3 mg/L y 574.5 mg/L, respectivamente.

De acuerdo a Mc Carty (1964), para mantener un adecuado funcionamiento de un digestor anaeróbico la alcalinidad al bicarbonato debe situarse entre las concentraciones de 1000 a 5000 mg/L expresados como CaCO₃, de manera que el porcentaje post-fermentación 9%, queda fuera de este rango.

En relación a los valores obtenidos de ácidos grasos volátiles, expresados como ácido acético, (Figura 4), estos se situaron en 982.5 mg/L para el sustrato rumen pre-fermentación y para los sustrato post-fermentación de 3%, 6% y 9%, los valores fueron 1092.0 mg/L, 1029.1 mg/L y 3972.1 mg/L, respectivamente. En cuanto a las concentraciones de ácidos grasos volátiles el rango inhibitorio está entre 2000 a 3000 mg/L expresado como ácido acético (Carrillo 2003), valor sobrepasado en el porcentaje post-fermentación de 9% en sólidos totales.

La importancia de estas determinaciones está en que ambas afectan el pH, el cual es una función de la concentración de bicarbonato, alcalinidad del sistema, fracción de CO₂ en el gas producido en el digestor y de la concentración de los ácidos grasos volátiles (Keshtkar et al 2001).

En cuanto a la remoción de sólidos totales, la Figura 5 muestra que esta correspondió a 43.4%, 41.0% y 33.0% para los sustratos post-fermentación de 3%, 6% y 9%, respectivamente.

Estos valores se pueden considerar aceptables, si se compara con un sustrato de similar característica (estiércol bovino), para el cual Karim et al (2005) reporta un rango de remoción entre 37-40%. De igual forma, (Figura 5), la remoción de sólidos volátiles presenta valores para el sustrato post-fermentación de 3%, 6% y 9% de 47.6%, 47.7% y 34.4%, respectivamente. El mismo autor informa que el rango de remoción de sólidos volátiles  obtenido fue de 50-63%, valor algo mayor al obtenido en el presente estudio, lo que sugiere que el desecho rumen presenta material orgánico no del todo digerido por los microorganismos anaeróbicos.

La determinación de la demanda química de oxigeno (DQO) (Figura 6) permite observar el cambio que sufre el sustrato rumen en el proceso de digestión anaeróbica, es así como para el sustrato pre-fermentación el valor se sitúa en 43733.0 mg O₂/kg y para el sustrato post-fermentación  de 3%, 6% y 9% los datos  respectivos son 13077.0 mg O₂ mg/kg, 11569.0 mg O₂ mg/kg y 28235.0 mg O₂/kg, observándose una disminución en comparación al sustrato inicial. Este valor da una idea del contenido orgánico total ya sea biodegradable o no (Winkler 1998).

La fibra bruta comprende principalmente el contenido de celulosa, además de lignina y hemicelulosa. En la Figura 7 se aprecia que el sustrato pre-fermentación presenta un porcentaje de fibra bruta de 25.8% en cambio para los sustratos post-fermentación de 3%, 6% y 9% los porcentajes van de 61.8%, 46.4% y 30.6 %, respectivamente.

Figura 7.  Fibra bruta y grasa total del sustrato rumen

Al disminuir el porcentaje de sólidos totales en el sustrato, el porcentaje de materia difícil de degradar anaeróbicamente se incrementa.

Por otro parte, el contenido de grasa (Figura 7), incluye además de las grasas otras sustancias solubles como ceras, pigmentos, etc. El porcentaje de grasa para el sustrato pre-fermentación fue de 11.8%  en tanto que para los sustratos post-fermentación de 3%, 6% y 9% los valores obtenidos fueron de 5.4%, 5.6% y 8.9%, respectivamente. La grasa (excluyendo ceras, pigmentos, etc.) es una buena fuente de recursos energéticos para los microorganismos anaeróbicos, esta tiene una menor densidad, por lo cual se produce un fenómeno de flotación porque la biomasa se adhiere a la grasa, lo que acarrea problemas de actividad a la biomasa microbiana (Cirne et al 2007).

De acuerdo a la Figura 8, las relaciones de nitrógeno orgánico a nitrógeno total y nitrógeno amoniacal a nitrógeno total, varían en el transcurso del proceso anaeróbico.

El sustrato pre-fermentación presenta razones de nitrógeno de 0.50 y 0.50; distinto comportamiento presenta el sustrato post-fermentación, donde los valores de estas razones de nitrógeno son 0.66 y 0.34, 0.64 y 0.36, 0.61 y 0.39 para las concentraciones de 3%, 6% y 9%, respectivamente. De acuerdo a Sánchez et al (2000), como consecuencia de la digestión anaeróbica, las proteínas (nitrógeno orgánico), aminoácidos y urea  presentes en el sustrato son transformados en parte a nitrógeno amoniacal.

La relación carbono/nitrógeno (C/N) (Figura 9), indica in valor de 31.1 para el sustrato pre-fermentación, en tanto que para los sustratos post-fermentación de 3%, 6% y 9%, esta relación fue de 13.9, 13.8 y 19.5, respectivamente.  

Según Sosa et al (1998), la relación C/N 30:1 hasta 10:1 es aceptable para este tipo de proceso, pero una relación 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de una excesiva cantidad de amonio.

La concentración de fósforo total (Figura 10) para el sustrato pre-fermentación fue de 6724.9 mg P/kg, en tanto que para el sustrato post-fermentación 3%, 6% y 9% las concentraciones se redujeron a valores de 4003.5 mg P/kg, 4094.2 mg P/kg y 4295.5 mg P/kg, respectivamente. Esto podría deberse, de acuerdo a Sánchez et al (2000), a que parte del fósforo es transformado por reducción biológica y/o asimilado por los microorganismos.

Los sulfuros que están distribuidos en una forma soluble son los precursores del gas sulfhídrico (corrosivo y tóxico). La Figura 11 presenta la variación de concentración de sulfuros solubles totales que pasan de 64.0 mg S^-2/L en el sustrato pre-fermentación a valores de 40.0 mg S^-2/L, 44.0 mg S^-2/L y 23.0 mg S^-2/L para los sustratos post-fermentación 3%, 6% y 9%  respectivamente.

De acuerdo a Mc Carty (1964), las formas solubles del sulfuro son un ácido débil que se ioniza en solución las cuales dependen sobre todo del pH. Además, debido a lo limitado de la solubilidad del sulfuro de hidrogeno, una cierta parte que se ha formado, escapa en el biogás del digestor anaeróbico.

Por lo anteriormente expuesto, es conveniente que el contenido de sulfuros solubles totales remantes en el digestor sea lo más alto posible para evitar problemas de corrosión.

Producción de biogás

En la Figura 12 se presenta la producción diaria de biogás. Los valores máximos diarios son: 1.43L/d, 1.45L/d, 2.53L/d; valores mínimos de: 0.20L/d, 0.36L/d, 0.11L/d y promedios de: 0.69L/d, 0.75L/d, 1.24L/d.

Los volúmenes totales producidos son de: 12.37L, 18.50L y 26.09L, respectivamente para las concentraciones de sólidos de 3%, 6% y 9%.

Metano en el biogás y combustión

Es deseable que en la digestión anaeróbica el biogás producido presente un alto contenido de metano, por su implicancia como recurso energético. De acuerdo a la Figura 13, los valores máximos de porcentajes de metano en el biogás alcanzaron a un 94.2%, 97.6% y 83.1%. Los  mínimos fueron 61.2%,  69.0% y 55.4%, obteniéndose valores promedios de 85.8%, 86.3% y 76.0%  para las concentraciones de sólidos de 3%, 6% y 9%, respectivamente.

De igual forma la presencia del metano en el biogás se verifica mediante su combustión en un mechero Bunsen tal como muestra la Figura 14.

Figura 14.  Combustión del metano presente en el biogás obtenido

Dióxido de carbono en el biogás

El porcentaje de dióxido de carbono en el biogás debe ser lo más bajo posible, ya que este no se combustiona y reduce la temperatura de los gases de combustión. De la Figura 15 los valores máximos de porcentajes CO₂ en el biogás son 38.8%, 31.0% y 44.6%.

Los valores mínimos obtenidos son 5.8%, 2.4% y 16.9% y los valores promedios corresponde a 14.2%, 13.7% y 23.3% para las concentraciones de sólidos de 3%, 6% y 9%, respectivamente.

Conclusión y recomendaciones 

• Queda en evidencia que existe la posibilidad de utilizar el desecho rumen como un sustrato e incluso como un inoculo en la digestión anaeróbica, pero solamente en el rango de 3% y 6% de sólidos totales, debido a que la producción de biogás, la biodegradación de materia orgánica, la relación de CH₄/CO₂ y el pH resultaron con índices mejores de eficiencia. Una concentración de sólidos totales de 9% presenta resultados inadecuados para este tipo de proceso, produciéndose el fenómeno de sobrecarga orgánica lo que genera problemas a los microorganismos involucrados en el sistema anaeróbico. La trascendencia de utilizar este residuo en la digestión anaeróbica permite no sólo generar un biogás combustible, sino también un efluente  que podría ser un acondicionador y/o mejorador del suelo y además, reducir la carga contaminante que generan las plantas faenadoras de carnes bovinas.

  
  

• Ya que el desecho de rúmen bovino proporciona un sustrato adecuado para la producción de biogás y por cierto servir como inoculo para la degradación de diversos desechos, es preciso que además de los análisis químicos y físicos expuestos, se considere la medición  de la biomasa generada sea esta preferentemente  por el método de densidad óptica, debido a que los microorganismos anaeróbicos tienen una baja tasa de multiplicación favorecida o perjudicada  por ciertos sustratos u elementos y por cierto del equilibrio simbiótico  de los microorganismos anaeróbicos para poder sobrevivir.

  
  

• De acuerdo a los datos de la experiencia de laboratorio para las muestras obtenidas del Matadero Frigorífico Osorno (FRIGOSORNO), se podrían generar alrededor de 1013 N m³/día de biogás con un contenido aproximado de 86.0% de CH₄.

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Received 17 June 2010; Accepted 28 June 2010; Published 1 February 2011

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