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Recibido, 15/05/2021 Aceptado, 08/08/2021
Artículo original
DOI:10.25127/aps.20212.768
Producción de biogás a partir de estiércol de gallina, utilizando colectores solares
Production of biogas from chicken manure using solar collectors
1* 1 1 1
Wildor Gosgot Angeles , Jesús Rascón , Miguel Ángel Barrena Gurbillón , Carla María Ordinola Ramirez ,
1 1
Manuel Oliva , Yesica Montenegro Santillan
RESUMEN
La producción de biogás a partir de residuos biodegradables se presenta como una alternativa energética sostenible
en comparación a los combustibles fósiles, causantes de las emisiones de gases de efecto invernadero. EL objetivo de
la investigación fue evaluar la producción de biogás a partir de estiércol de gallina de la granja avícola de la UNRTM
– A, durante 15 días a temperatura ambiente, midiendo parámetros de operación (temperatura, producción de biogás
y calidad de biogás en CH , H S, CO, O , CO ), precisando una alternativa de aprovechamiento adecuado de este
4 2 2 2
residuo, para reducir problemas de contaminación ambiental adversos a su disposición final, produciendo una
alternativa limpia, es así que la evaluación consistió en un sistema de digestión anaerobia a nivel de laboratorio,
constituido de biodigestores de botellas PET de 1700 mL y gasómetros de botellas PET de 1 700 mL calibrados cada
20 mL, ambas botellas conectadas a una manguera para medir el biogás por desplazamiento de agua. En el sistema se
aplicó 02 tratamientos, alimentando los biodigestores con: T1 (estiércol de gallina y agua en proporción 1:2) y T2
(estiércol de gallina y biol en proporción 1:2, para acelerar el proceso de digestión anaeróbica debido a la presencia
de bacterias Metanogénicas), 04 repeticiones por tratamiento y 02 colectores solares con aislante térmico. Los
resultados demostraron que el T2, fue el más eficiente con una producción de biogás promedio de 751,45 mL /día, y
un rango mayor de 1200 mL, a comparación del T1 el cual presentó una producción promedio de 209,6 mL / día, y un
rango mayor de 400 mL, a temperatura promedio interna de 24 °C y temperatura externa de 22 °C para ambos
tratamientos. En cuanto a calidad del biogás, para el componente CH , en ambos tratamientos fue muy bajo,
4
empezando su producción para T2 a partir del día 7 y para el T1 a partir del día 11.
Palabras clave: energías renovables, metano, energía solar.
ABSTRACT
The production of biogas from biodegradable waste is presented as a sustainable energy alternative to fossil fuels,
which cause greenhouse gas emissions. The objective of the research was to evaluate the production of biogas from
chicken manure from the poultry farm of UNRTM - A, for 15 days at room temperature, measuring operating
parameters (temperature, biogas production and biogas quality in CH , H S, CO, O , CO ), specifying an alternative
4 2 2 2
of adequate use of this waste, Thus, the evaluation consisted of an anaerobic digestion system at laboratory level,
consisting of 1700 mL PET bottle biodigesters and 1700 mL PET bottle gasometers calibrated every 20 mL, both
bottles connected to a hose to measure the biogas by water displacement. In the system 02 treatments were applied,
feeding the biodigesters with: T1 (chicken manure and water in 1:2 ratio) and T2 (chicken manure and biol in 1:2
ratio, to accelerate the anaerobic digestion process due to the presence of Methanogenic bacteria), 04 replicates per
treatment and 02 solar collectors with thermal insulation. The results showed that T2 was the most efficient with an
average biogas production of 751.45 mL/day, and a range greater than 1200 mL, compared to T1 which presented an
average production of 209.6 mL/day, and a range greater than 400 mL, at an average internal temperature of 24 °C
and external temperature of 22 °C for both treatments. In terms of biogas quality, for the CH component, in both
4
treatments it was very low, starting its production for T2 from day 7 and for T1 from day 11.
Keywords: renewable energies, methane, solar energy.
1
Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas, Instituto de Investigación para el Desarrollo Sustentable de Ceja de Selva,
Chachapoyas, Perú
*
Autor de correspondencia. E-mail: wildor.gosgot@untrm.edu.pe
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I. INTRODUCCIÓN
La mayor preocupación en el mundo es la influencia
que tiene el calentamiento global y el cambio climáti-
co en los diversos sectores de la población, a causa del
uso de los recursos naturales y la disposición inade-
cuado de residuos biodegradables generados, a partir
de una actividad insostenible (Constantini et al.,
2018). La ganadería contribuye como una generadora
en gran manera de las emisiones de gases de efecto
invernadero, causantes de riesgos significativos para
la salud pública y el medio ambiente (Pramanik et al.,
2019; Tayyab et al., 2019). Por otra parte, los proble-
mas energéticos y la disponibilidad limitada de com-
bustibles fósiles especialmente en zonas rurales, se
han convertido en un tema prioritario por atender,
mediante alternativas de valorización energéticas
(Llamas, 2019), donde se aprovechen de manera sos-
tenible los residuos biodegradables, para la produc-
ción de biogás (Pramanik et al., 2019; Sev et al.,
2019). Es así que la actual reforma energética conduce
a sustituir la energía eléctrica por biogás, por ser una
fuente de energía limpia y renovable (Martínez, 2015;
Hagos et al., 2017).
Una de las tecnologías de valorización de residuos, es
la utilización de biodigestores (Burg et al., 2018),
donde se obtiene biogás de la fermentación anaerobia
de la biomasa por microorganismos (Bong et al.,
2018), descomponiendo macromoléculas para la pro-
ducción de biogás (Corrales et al., 2015). Sin embar-
go, estos microorganismos descomponedores de la
biomasa requieren ciertas condiciones adecuadas para
su buen desarrollo (Reyes, 2016). Algunas de estas
condiciones, están enfocados en el sustrato manejado
para biodigestar y las condiciones a la que está expues-
ta (Abbasi et al., 2012), principalmente la temperatu-
ra, el pH, relación C/N y el tiempo de retención hidráu-
lica (TRH) del sustrato dentro del biodigestor que
juega un papel muy importante (Mussoline et al.,
2013; Kainthola et al., 2019). Si dichos microorganis-
mos, no se encuentran en óptimas condiciones, los
resultados de la digestión anaeróbica serán expresado
en bajos rendimientos y baja calidad del biogás (Kaint-
hola et al., 2019). Al mismo tiempo, para tal efecto la
velocidad de degradación depende en gran parte de la
temperatura, es así que cuando aumenta la temperatu-
ra, menor será el tiempo de retención (Varnero, 2011;
Reyes, 2019), debido a la activación alta de masas
microbianas dentro del sistema (Al-Rubaye et al.,
2018).
Según Ortiz et al. (2015) y Pedraza et al. (2016), los
microorganismos metanogénicos como son: Metha-
nobacterium spp y Methanococcus spp, productores
de metano (CH ), mayor componente del biogás,
4
entran en activación a temperaturas variables de 27 y
3
34 °C con producción mayor de biogás de 0,375 cm
CH /día, durante 15 días y (Tankin et al., 2015), deter-
4
minaron que el rendimiento de un digestor anaerobio,
es bajo cuando la temperatura se reduce, y el pH se
establece en rangos inferiores de 6,5, con obtención de
biogás por debajo de 100 mL/día, pero cuando las
temperaturas suben, el biogás aumenta a niveles de
100 - 270 mL/día. En cuanto C/N de 0,5, con una con-
centración de carbono alrededor de 156 mg/L, ayuda a
mantener la abundancia de microorganismos presen-
tes en el biodigestor (Chini et al., 2019).
Para superar estos desafíos existen diversas técnicas,
una de ellas es la digestión de sustratos de fácil degra-
dación, haciendo eficiente el rendimiento del proceso
anaeróbico (Kainthola et al., 2019). Así lo demuestran
Cuba y Lescano (2007), quienes produjeron biogás a
partir de estiércol de gallina mediante un biorreactor
de acero inoxidable con capacidad 264,21 L, emplean-
do como sustrato de alimentación 29,83 Kg de estiér-
col de gallina mezclado con 12,78 L de lodo activado y
88,34 L de agua, obteniendo una producción diaria
máxima de 0,1928 Kg de biogás durante 26 días y una
producción total de 6,92 Kg al final del proceso,
concluyendo que el estiércol de gallina es un sustrato
potencial para producir biogás.
Es por ello, que el objetivo de esta investigación es
evaluar la producción de biogás partir de estiércol de
gallina y biol, a nivel experimental, midiendo paráme-
tros de operación como la temperatura, pH, radiación
solar, TRH, producción de biogás y calidad de biogás
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en CH , H S, CO, O , CO y su interrelación entre
4 2 2 2
ambas en relación al rendimiento de biogás.
II. MATERIALES Y MÉTODO
Ubicación
La investigación fue desarrollada en el Laboratorio de
Energías Renovables de la Universidad Nacional
Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas en la
ciudad de Chachapoyas.
Diseño experimental
Para la fase experimental se aplicó el Diseño Comple-
tamente al Azar (DCA), evaluando 02 tratamientos y
04 repeticiones por tratamiento, disponiendo biodi-
gestores en colectores solares, durante 15 días, tenien-
do como variable respuesta el volumen de biogás
producido dentro de los sistemas. Los tratamientos
consintieron según mezcla de sustrato utilizado es así
que para: (T1) se empleó estiércol de gallina + agua en
proporción 1:2 v/v, mientras que para el (T2) se
empleó estiércol de gallina + biol en proporción 1:2
v/v.
Diseño y construcción del sistema de producción de
biogás
Colector solar
El sistema de producción de biogás, consistió en dos
colectores solares a base de madera ishpingo (Figura
1S y 2S). Para la captación de la radiación solar se dio
30° de inclinación a cada colector. Al interior de los
colectores se colocó como aislante térmico tecnopor y
papel aluminio. Consecuente se dispusieron las bote-
llas PVC de 1700 mL los cuales eran los biodigestores
y la sonda del termo hidrómetro para medir la tempera-
tura a diario (Figura 3S). Para finalizar el sistema se
cubrió con una mica transparente donde irradiará el
sol.
Sistema para captura de biogás
Para la captura y medición de biogás producido dentro
del sistema, se trabajó por desplazamiento de líquidos,
el cual consistió en una botella PVC de 1 700 mL como
gasómetro, graduado con una jeringa de 20 mL, con
una manguera de benoclides en su interior y una man-
guera de salida en la parte superior de la botella el cual
tenía una llave para medir la composición de biogás
producido. Las botellas estuvieron con contenido de
agua, dispuestas de forma invertida en una bandeja
con agua (Figura 4S).
Evaluación de los biodigestores
Preparación de la mezcla
La mezcla para alimentar los biodigestores, si hicieron
dos mezclas, una con agua y otra con biol (Tabla S1 y
Figura 5S).
Medida de pH y la temperatura del sustrato
En la investigación la medida de los parámetros de
temperatura y alcalinidad (pH) del sustrato se midie-
ron con un Multiparamétrico en el laboratorio de sue-
los y aguas de la Universidad Nacional Toribio Rodrí-
guez de Mendoza. Para ello se separó una muestra de
80 mL por tratamiento. Luego se procedió a llenar los
biodigestores al 80% equivalente a 1360 mL con la
mezcla preparada para ambos tratamientos (T1 y T2).
Medida de parámetros de operación dentro del siste-
ma
La evaluación de los parámetros dentro del sistema fue
en un periodo de 15 días, tiempo óptimo para evaluar
la producción de metano (CH ), mayor componente en
4
el biogás, por el cual presenta valores energéticos
produciendo combustión al encontrarse más del 50%.
Los parámetros medidos fueron los indicados en la
Tabla S2. Con respecto a la temperatura se midió a
través de un termo hidrómetro todos los días en los
horarios 8 am, 12 pm y 4 pm (Figura 6S). En cuanto a
la producción y calidad del biogás se midió todos los
días a las 4 pm.
Lectura del rendimiento de producción de biogás
Para el rendimiento de biogás, se midió por desplaza-
miento de líquido, conduciéndolo el biogás hacia una
botella de plástico graduado con contenido de agua,
que por presión será desplazado.
Lectura de la calidad del biogás
La calidad de biogás se midió con el equipo de medi-
ción de gases con los principales gases CH , H S, CO,
4 2
O , CO (Figura 7S).
2 2
Análisis estadístico
Para el análisis estadístico de los datos obtenidos por
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tratamiento, fueron procesados en Excel, realizando
un análisis de varianza (ANOVA) con nivel de con-
fianza al 95% (p<0,05), determinando las diferencias
entre los tratamientos (T1 – T2), en relación a los pará-
metros de operación del sistema y el rendimiento de
biogás producido en un periodo de 15 días.
III. RESULTADOS
Medida de pH y temperatura del sustrato
En un sistema de digestión anaerobia, a medida que las
bacterias influyentes, se van activando para la forma-
ción del biogás, estas requieren ciertas condiciones
adecuadas para su buen desarrollo, los cuales están
enfocados en el sustrato para biodigestar y las condi-
ciones a la que están expuestas y dentro de esta se
encuentra la temperatura y el pH, que al no encontrarse
en óptimas condiciones, los resultados de la digestión
anaeróbica será expresado en bajos rendimientos,
haciendo prolongado el TRH y baja calidad del biogás
producido, con respecto al análisis de la temperatura y
pH del sustrato utilizado en la investigación, estas se
encontraron en rangos óptimos, iniciando con un pH
neutro, para dar inicio al proceso de digestión del sus-
trato a biodigestar.
Medida de parámetro de operación
Temperatura
Dentro del registro de temperaturas durante los 15 días
de evaluación, se obtuvo un rango de temperatura
interna promedio de 24 °C y temperatura externa pro-
medio de 22 °C (Figura 8S).
Tras aplicar el ANOVA, para la temperatura al interior
de los colectores solares, se ve que no hay diferencias
significativas entre los tratamientos (F = 0,0711, Valor
critico F = 4,1959).
Producción de biogás
El tratamiento T2, durante el periodo de evaluación, se
obtuvo la mayor producción de biogás con un rango
mayor de 1200 mL el cual dentro de la investigación se
considera como el sistema más eficiente, a compara-
ción del tratamiento T1 en el cual se obtuvo valores
máximos de 400 mL de biogás (Figura 9S).
Tras aplicar el ANOVA, para la producción de biogás,
se ve que hay diferencias significativas entre los
tratamientos (F = 34,3625, Valor critico F = 4,1959).
Composición del biogás producido (calidad)
La composición del biogás para el T2, presentó mayor
proporción con referencia a los componentes del bio-
gás como es CH (ppm), CO (%V), H 0 (ppm), CO
4 2 2
(ppm) y con referencia al oxigeno (0 ), es un dato esta-
2
blecido por el equipo, de valor 20.9 en %V. Además, en
cuanto al componente CH , en ambos tratamientos fue
4
muy bajo, empezando su producción para T2 a partir
del día 7 y para el T1 a partir del día 11 (Figura 10S).
IV. DISCUSIONES
Según Redondo (2015), los microorganismos que se
desarrollan dentro de un sistema de digestión anaero-
bia, necesitan sustratos con pH neutros, es así que
recomienda para: los fermentativos se necesita un pH
entre los rangos de 7.2 - 7.4, para los Acetogénicos
entre 7.0 - 7.2 y para los Metanogénicos un rango de
pH que va entre los 6.5 - 7.5, en este contexto en la
investigación se obtuvo un pH del sustrato a biodiges-
tar entre los valores de 6.7 y 6.9, lo que se puede consi-
derar que el pH del sustrato se encontró en las condi-
ciones adecuadas para dar inicio al desarrollo de los
microorganismos puesto que es neutro.
Los microorganismos fermentadores de un biodiges-
tor, requieren temperaturas no menores a los 35 °C, al
depender de esta su actividad y producción de gas
(Corrales et al., 2015). Es así que la velocidad de
degradación depende en gran parte de la temperatura,
puesto que cuando aumenta la temperatura menor será
el tiempo de retención (Reyes, 2019), debido a la acti-
vación alta de masas microbianas dentro del sistema
(Al-Rubaye et al., 2018). Aunado a esto en la investi-
gación se obtuvo registros de temperaturas desde 17
°C hasta 41 °C, ideales para producir biogás, lo que a
su vez corrobora según Ortiz et al., (2015) y Pedraza et
al., (2016), quienes dan a conocer que los microorga-
nismos metanogénicas como son: Methanobacterium
spp y Methanococcus spp, productores de metano
(CH ), mayor componente del biogás, entran en acti-
4
vación a temperaturas variables de 27 y 34 °C.
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Tankin et al., (2015), determinaron que el rendimiento
de un digestor anaerobio, es bajo cuando la temperatu-
ra se reduce, y el pH se establece en rangos inferiores
de 6.5, con obtención de biogás por debajo de 100
mL/día, pero cuando las temperaturas suben, el biogás
aumenta a niveles de 100 - 270 mL/día, es así que Cuba
y Lescano (2007), produjeron biogás a partir de 29,83
Kg de estiércol de gallina con 12,78 L de lodo activado
y 88,34 L de agua, de los cuales obtuvieron una pro-
ducción diaria máxima de 0,1928 Kg de biogás duran-
te 26 días y una producción total de 6,92 Kg. En la
investigación en la cual se trabajó con estiércol de
gallina en mezclas de agua y biol, constituido en dos
tratamientos (T1 y T2), el tratamiento 2, fue el más
eficiente con una producción de biogás promedio de
751.45 mL /día, y un rango mayor de 1200 mL, a com-
paración del T1 el cual presentó una producción pro-
medio de 209. 6 mL / día, y un rango mayor de 400 mL,
a temperatura promedio interna de 24 °C y temperatu-
ra externa de 22 °C para ambos tratamientos y con
respecto a la calidad del biogás producido, para el
componente CH , en ambos tratamientos fue muy
4
bajo, empezando su producción para T2 a partir del día
7 y para el T1 a partir del día 11, a esto al final del
proceso, concluimos que el estiércol de gallina es un
sustrato potencial para producir biogás.
V. CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES
Todos los autores participaron en la conceptualiza-
ción, metodología, investigación, redacción del
manuscrito inicial, revisión bibliográfica, y en la
revisión y aprobación del manuscrito final.
VI. CONFLICTO DE INTERESES
Los autores declaran no tener conflicto de intereses.
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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