FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL “APROVECHAMIENTO DEL EFLUENTE RESIDUAL DE SUERO DE QUESO Y ESTIÉRCOL DE BOVINO EN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y ABONOS LÍQUIDOS ORGÁNICOS DE UNA PLANTA EN PUNO-CABANA” Tesis para optar el título profesional de: INGENIERA AMBIENTAL Presentado por: Nohemi Quispe Apaza (0000-0002-9318-9919) Asesor: Luis Abraham Gomero Osorio (0000-0002-4739-2094) Lima – Perú 2022 1 2 3 INFORME DE REVISIÓN DE ORIGINALIDAD Título del documento evaluado. Aprovechamiento del efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno-Cabana Autores. Nohemi Quispe Apaza. Mecanismo de revisión de originalidad. Evaluación con Turnitin (ID 2264243688). Resultado de la evaluación. 5% Revisado por. Magaly Kelly Guerrero Huaracallo. Comentarios sobre la revisión. Filtros usados: excluir fuentes de menos de 12 palabras. 4 DEDICATORIA Dedico esta investigación a mi familia por ser mi soporte, apoyo y sobre todo por motivarme a concluir la presente tesis. AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios, por darme fuerzas para seguir adelante con mi proyecto de investigación. Agradezco infinitamente a mis padres, Hipolito y Natividad, quienes me apoyaron en todo el proceso de ejecución, a mis hermanos por su apoyo incondicional y a todos mis compañeros y amigos, por su motivación durante el desarrollo. A mi asesor, Ing. Luis Gomero Osorio por orientarme en el desarrollo de la investigación. Agradezco infinitamente a PRONABEC por brindarme una beca para culminar mis estudios universitarios. Finalmente deseo expresar mi más grande y sincero agradecimiento al Dr. Wilbert Ticona, a los socios y el equipo que trabaja en la Cooperativa Agroindustrial de Productores Agropecuarios Cabana Ltda-COOPAGRO, por abrirme las puertas de su establecimiento para desarrollar la investigación. 5 INDICE GENERAL I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 12 II. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 16 2.1. Producción de lácteos .................................................................................... 16 2.2. Producción de queso ..................................................................................... 16 2.3. El suero de leche o lactosuero ....................................................................... 18 2.4. Estiércol de vacuno y composición ................................................................ 27 2.5. Economía Circular y valorización de los residuos agropecuarios .................. 30 2.6. Digestión anaerobia ....................................................................................... 31 2.7. Biodigestores ................................................................................................. 39 III. OBJETIVOS E HIPÓTESIS ....................................................................................... 41 3.1. Objetivos ........................................................................................................ 41 3.2. Hipótesis ........................................................................................................ 41 4. METODOLOGÍA ..................................................................................................... 42 4.1. Localización .................................................................................................... 42 4.2. Colecta de materia prima .............................................................................. 42 4.3. Diseño de investigación ................................................................................. 43 4.4. Preparación de los tratamientos ................................................................... 45 4.5. Duración ......................................................................................................... 46 4.6. Diseño y acondicionamiento de biodigestores discontinuos o tipo batch ... 46 4.7. Toma de muestra ........................................................................................... 47 4.8. Caracterización de parámetros in situ ........................................................... 47 6 4.9. Evaluación de la cantidad de biogás producido ............................................ 48 4.10. Análisis de la relación de Carbono Nitrógeno C/N .................................... 48 4.11. Evaluación de calidad de abono liquido obtenido ..................................... 49 4.12. Mejor relación de mezcla ........................................................................... 50 4.13. Análisis estadístico ..................................................................................... 50 5. RESULTADOS ........................................................................................................ 51 5.1. Resultados de los parámetros analizados in situ .......................................... 51 5.1.1. Resultados del comportamiento del pH .................................................... 51 5.1.2. Resultados del comportamiento de la temperatura ................................. 52 5.2. Resultados de la cantidad de producción de biogás ..................................... 54 5.2.1. Volumen de producción de biogás por semana ........................................ 54 5.2.2. Volumen acumulado de biogás .................................................................. 55 5.3. Análisis de la relación Carbono/Nitrógeno ................................................... 56 5.4. Resultados de la calidad de abonos líquidos orgánicos o biol ...................... 57 6. DISCUSIÓN ............................................................................................................ 72 6.1. Evaluación de parámetros in situ .................................................................. 72 6.2. Cantidad de generación de biogás ................................................................ 75 6.3. Relación C/N .................................................................................................. 78 6.4. Calidad de abonos líquidos orgánicos ........................................................... 78 7. CONCLUSIÓN ........................................................................................................ 81 8. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 83 9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 84 10. ABREVIATURAS .................................................................................................... 90 7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Clasificación del queso ................................................................................... 17 Figura 2. Proceso de elaboración de queso .................................................................. 19 Figura 3. Principales tratamientos del lactosuero......................................................... 26 Figura 4. Etapas y fases de la digestión anaeróbica ...................................................... 32 Figura 5. Mapa de ubicación del experimento .............................................................. 42 Figura 6. Materia de Suero dulce y Estiércol de vacuno recolectada ............................ 44 Figura 7. Distribución aleatoria de biodigestores en el invernadero ............................ 44 Figura 8. Diseño del biodigestor utilizado ..................................................................... 47 Figura 9. Comportamiento del pH según los tratamientos ........................................... 52 Figura 10. Comportamiento de la temperatura según los tratamientos ...................... 53 Figura 11. Comportamiento semanal de la producción de biogás ................................ 55 Figura 12. Acumulación de biogás semanalmente por cada tratamiento ..................... 56 Figura 13. Relación Carbono/Nitrógeno según cada tratamiento al inicio y final ......... 57 Figura 14. Valores de pH al finalizar el proceso anaeróbico. ........................................ 60 Figura 15. Contenido de nitrógeno según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ..................... 61 Figura 16. Contenido de fosforo según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ........................ 62 Figura 17. Contenido de potasio según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ......................... 63 Figura 18. Contenido de NPK según tratamientos ........................................................ 63 Figura 19. Contenido de calcio según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) .......................... 64 Figura 20.Contenido de magnesio según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ..................... 65 Figura 21. Contenido de sodio según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ........................... 66 Figura 22.Relación C/N según tratamientos ................................................................. 67 8 Figura 23.Contenido de hierro según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ............................ 68 Figura 24. Contenido de Zinc según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) .............................. 69 Figura 25. Contenido de manganeso según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) .................. 70 Figura 26. Contenido de Boro según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) ............................. 71 Figura 27. Contenido de manganeso según tratamientos (T0, T1, T2 y T3) .................. 71 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Producción de lactosuero en el Puno de 2017 y 2020..................................... 20 Tabla 2. Composición del lactosuero dulce según diversos autores ............................. 22 Tabla 3. Característica físico químicas del lactosuero generado en Puno ..................... 23 Tabla 4. Rangos de temperatura y tiempo de fermentación anaeróbica ..................... 34 Tabla 5. Tiempo de retención hidráulica para diferentes rangos ................................. 36 Tabla 6. Medición de pH y temperatura del suero dulce y estiércol de bovino fresco . 43 Tabla 7. Cantidad de la materia cargada para cada tratamiento y sus repeticiones ..... 46 Tabla 8. Composición de los abonos líquidos orgánicos ............................................... 58 Tabla 9. Valores iniciales y finales de coliformes fecales y comparación con los ECA-Agua Categoría 3 .................................................................................................................... 59 9 RESUMEN Este estudio investiga el uso del lactosuero y estiércol de bovino en la generación de biogás y biol en reactores artesanales tipo batch que trabajaron en condiciones mesofílicas (20-28 °C) a escala piloto. Se realizaron experimentos de digestión anaeróbica con cuatro tratamientos (T0, T1, T2 y T3) a diferentes dosis y cada uno con tres repeticiones durante 104 días. Los resultados mostraron que la monodigestión del lactosuero se acidificó más que aquellos que contenían estiércol de vacuno. La acumulación de biogás por tratamiento fue del siguiente orden T0 < T1 < T2 < T3. El T3, tuvo mayor producción de biogás. Los coliformes fecales fueron inferiores a lo establecido en el D.S. N°004-2017-MINAM (< 10 NMP/ml). El contenido de nutriente en los abonos líquidos orgánicos en la mayoría de tratamientos aumentó al adicionar el estiércol de bovino, por lo que T2 y T3 presentan mayor cantidad de nutrientes. Según la cantidad de Cu y Zn y de acuerdo con la Norma Chilena (NCh2880.Of2004), el biol pertenece al abono tipo A, sin restricción en su uso. En síntesis, el lactosuero tiene la capacidad de generar biogás y el T3 presentó mayor volumen. Los bioles (T0, T1, T2 y T3) cumplieron con el contenido de nitrógeno (> 700 mg/L) y fósforo (> 170 mg/L), en cuanto al potasio (> 1300 mg/L), el T0 no cumple. El pH ácido del biol puro permite la conservación más prologada del biol, en tanto el pH aumenta al mezclarse con agua antes de su aplicación en cultivos. Palabras claves: suero de queso, estiércol, bovino, biogás, abono líquido orgánico. 10 ABSTRACT This study investigates the use of whey and bovine manure in the generation of biogas and biol in artisanal batch reactors working under mesophilic conditions (20-28 °C) on a pilot scale. Anaerobic digestion experiments were conducted with four treatments (T0, T1, T2 and T3) at different doses and each with three replicates for 104 days. The results showed that whey monodigestion was more acidic than those containing cow manure. The accumulation of biogas per treatment was of the following order: T0 < T1 < T2 < T3. T3 had higher biogas production. Fecal coliforms were lower than those established in D.S. No. 004-2017-MINAM (< 10 MPN/ml). The nutrient content of organic liquid fertilizers in most treatments increased with the addition of bovine manure, so T2 and T3 have a higher amount of nutrients. According to the amount of Cu and Zn and according to the Chilean Standard (NCh2880.Of2004), biol belongs to type A fertilizer, with no restriction on its use. In summary, whey has the capacity to generate biogas and T3 had a higher volume. The bioles (T0, T1, T2 and T3) complied with the content of nitrogen (> 700 mg/L) and phosphorus (> 170 mg/L), as for potassium (> 1300 mg/L), T0 does not comply. The acidic pH of pure biol allows for a longer shelf life of biol, while the pH increases when mixed with water before application to crops. Keywords: cheese whey, manure, bovine, biogas, liquid organic fertilizer 11 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La cadena láctea en el Perú constituye una de las actividades agropecuarias más importantes desde la perspectiva social, económica y sanitaria (D.S.N° 007-2017- MINAGRI), sobre todo en las zonas alto andinas como en la región Puno. Este departamento es una de las zonas con mayor crecimiento de ganado lechero. La producción de leche fresca proviene principalmente del ganado vacuno, las vacas de ordeño en el 2011 fueron alrededor de 101,006 cabezas. Puno concentra mayor cantidad de ganado vacuno con 617,163 cabezas, después de Cajamarca (INEI, 2012). Los factores que contribuyen en el desarrollo de la ganadería son el mejoramiento genético del ganado, mejoramiento de pasturas, mejoras tecnológicas en la cadena productiva, aumento en la cantidad de ganados y aplicación de las buenas prácticas en la alimentación y demanda de derivados lácteos, especialmente queso que genera el aumento de ingresos económicos (OCDE y FAO, 2021; MIDAGRI, DGPA y DEE, 2021; FAO, 2018; MINAGRI, 2017). Esto ha incrementado en 5.5.% al año la producción de leche en los últimos años (MINAGRI, DGPA, DEEIA, 2021), conllevando a que Puno sea uno de los cinco departamentos con mayor producción de leche fresca a nivel nacional. En 2020, la producción de leche fue de 131,756 toneladas (t) (MINAGRI, DGPA, DEEIA, 2021). Los productores pequeños y medianos son los que más ofertan leche fresca: de las 128,646 unidades productivas, 114, 997 son productores pequeños que representan el 89.39%, se caracterizan por manejar menos de 10 cabezas de ganado; seguido de los medianos, quienes representan el 10.39%, con 13,369 unidades agropecuarias y los grandes productores son 280, que representan el 0.22% del total (MINAGRI, DGPA, DEEIA, 2021). La producción de leche en esta región es considerada una de las 12 actividades económicas más importantes, ya que satisface las necesidades básicas, mejora la calidad de vida y es considerada como una fuente de ingresos económicos. El tiempo de conservación de la leche fresca es muy corta, por lo que se opta en prolongar la vida útil de este producto transformándolo en queso, mantequilla u otros derivados lácteos (OCDE/ FAO,2017). El 60% de la leche producida en la región de Puno es destinado para el consumo de la población e industrias queseras que se encuentran en el altiplano puneño (Gobierno Regional Puno, 2013). Estas plantas se encargan de transformar la leche fresca en queso, generalmente tipo Paria para darle valor agregado (Gobierno Regional Puno, 2013; Ruelas, 2018; Quispe Cuevas, 2021). En el Perú, existen aproximadamente 6,500 plantas queseras entre medianas, pequeñas y artesanales y Puno es el que tiene mayor cantidad de plantas de producción con 1,311 (MINAGRI, 2021), por lo que se posiciona en el puesto cuarto con mayor producción de quesos en el Perú. Según el Sistema Integrado de Estadística Agrarias (SIEA), la elaboración de quesos en Puno fue 3,088 t de queso en el 2017, en el 2018 aumentó en 3,564 t, en el 2019 fue de 3,655 t y en el 2020 alcanzó alrededor de 3,673 t (MINAGRI, DGESEP y DEA, 2018, 2019, 2021a, 2021b). Sin embargo, en el proceso de producción de quesos se genera una serie de contaminantes ambientales. La emisión de gases de combustión es uno de los contaminantes atmosféricos en la industria de lácteos por el uso de generadores de vapor que, por lo general, son las calderas y el nivel de contaminación varía de acuerdo al combustible utilizado ya sea sólido (madera o carbón), líquido (gasolina, petróleo) o gaseoso (gas natural) (CAR/PL, 2002). A esto se suma la emisión de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) por los excrementos del ganado lechero (Espinoza, 2021). Una vaca excrementa 5.5 kg 13 aproximadamente y eructa al día 350 a 750L de CH4 (Cordero Jauregui, 2013). El estiércol de bovino comúnmente es usado como enmienda orgánica en el suelo y produce aumento de pH, materia orgánica, entre otros (Jiménez, Larreal y Noruega, 2004). El estiércol de animal proporciona la capacidad amortiguadora para los procesos anaeróbicos (Rico, Muñoz y Rico, 2015). La producción de aguas residuales con elevado contenido de materia orgánica es uno de los contaminantes más importante de la industria de quesos. Según Dereli, van der Zee, Ozturk, y van Lier (2019), en la elaboración de quesos la industria de lácteos genera altas cantidades de lactosuero. Este es un líquido residual que resulta de la separación del queso elaborado de la leche (Altuntas y Hapoglu, 2019) y está compuesto por lactosa y proteínas con mayor contenido orgánico y salino. La generación de lactosuero se incrementa al aumentar la producción de queso. Según Padin y Diaz (2009) por cada kilogramo de queso (1kg) se genera nueve (9kg) de lactosuero. Considerando estos datos y la producción anual de queso reportado Ministerio de Agricultura y Riego a través del SIEA, se puede afirmar que en el 2018 se generó 32,078 t de lactosuero, pero en el 2019 y 2020 la generación de lactosuero en la región de Puno aumentó y fue de 32,891 y 33,058 t, respectivamente. Actualmente, el suero de queso para los pequeños y medianos queseros artesanales es un problema, ya que es considerado como un efluente residual y al no contar con un sistema de tratamiento, tecnología y economía para procesar, se ven obligados a eliminar grandes cantidades de lactosuero al suelo o al alcantarillado municipal (Risner, Shayevitz, Haapala, Meunier-Goddik, y Hughes, 2018; Bella y Venkateswara, 2022), como ocurre en la región altiplánica, donde las plantas queseras no tienen ningún sistema de tratamiento para efluentes residuales, por lo que descargan al medio ambiente y además utilizan tecnologías inadecuadas como las 14 artesanales, que no permiten aprovechar este subproducto, sino más bien representa un problema ambiental por la descarga del suero (Incahuanaco, 2013). Según Flores (2018), la industria quesera en Puno descargó 15,192.54 t de efluentes líquidos en el 2018, consume agua de los manantiales y aguas subterráneos alrededor de 2,855.74 t, lo que genera 8,281.65 t de suero dulce y 4,055.15 t de suero salado. Estos efluentes se caracterizan por contener elevadas cantidades de DQO, 40,499.67 mg/L y están por encima del Límite Máximo Permisible (LMP) dispuestas en las regulaciones ambientales (Flores, 2018). En Puno una parte del lactosuero dulce es utilizado para alimento de animales, principalmente para cerdos y la mayor parte es descargado directamente al medio ambiente y/o al alcantarillado sin ningún tratamiento. En el caso del suero salado, estos son vertidos directamente a cuerpos superficiales de agua y suelo o alcantarillado (Incahuanaco, 2013; Flores, 2018). El vertimiento del suero residual se debe principalmente al desconocimiento sobre los componentes nutricionales, también al difícil acceso a tecnologías adecuadas para un buen manejo y procesamiento (Poveda, 2013). El suero de queso en el ambiente representa un problema ambiental; si es descargado sin previo tratamiento debido al alto contenido de nutrientes (Das, Raychaudhuri, y Ghosh, 2016). La descarga de este líquido puede provocar: eutrofización del agua, modificación de las propiedades físico-químicas del suelo y puede dar origen a la emisión de GEI. El aumento de la producción de leche ha traído consigo el incremento de la elaboración de queso y, por ende, el aumento de generación de lactosuero residual. 15 Ante esta situación, surge la preocupación por disminuir las descargas de lactosuero provenientes de las plantas queseras al medio ambiente, por lo que se propone valorizar y aprovechar el lactosuero residual y estiércol de bovino como fuente de nutrientes, por su alto valor nutricional, para producir biogás y abonos líquidos orgánicos mediante la digestión anaerobia en el marco de la economía circular. II. MARCO TEÓRICO 2.1. Producción de lácteos A nivel nacional se ha incrementado en 2.5% la productividad de la leche fresca al año. La leche fresca de vaca producida fue 2.1 millones de toneladas (2,138,028) en el año 2020 (MIDAGRI, DGPA y DEE, 2021). Las regiones que más producen leche son Puno con 6.2%, La Libertad con 7.4%, Lima con 13%, Arequipa con 16.8% y Cajamarca con 17.1% (MIDAGRI, DGPA y DEE, 2021). Puno es uno de los cinco departamentos con mayor producción de leche fresca. En el 2017 la producción de leche fue de 114, 671t y en el 2019 y 2020 la producción de leche aumento hasta 127, 009 t y 131,756 respectivamente (MINAGRI, DGPA, DEEIA, 2021). Según el IV Censo Nacional Agropecuario realizado en el 2012, en Perú hay tres tipos de productores de acuerdo con la cantidad de vacas que manejan: los productores pequeños manejan menos de 10 cabezas de vacas, es decir entre 1-9; medianos (10-49 cabezas de vacas) y grandes (50 a más). La leche en el Perú proviene principalmente de pequeños y medianos productores. 2.2. Producción de queso El queso concentra los sólidos de la leche y es elaborado mediante la coagulación de la caseína por actividades enzimáticas del cuajo o bacterias lácticas (CEDEPAS, 2016; 16 MINAGRI, 2017). El queso contiene proteínas de calidad, vitamina D, calcio, minerales de fósforo y potasio. Existen variedades de quesos, la mayoría es característico de un lugar y depende también de la composición de la leche, procesos de elaboración y microorganismos usados (Flüeler y Marbach, 2021). Las regiones que más producen queso son Cajamarca, Lima, Arequipa y Puno, por encima de las mil toneladas al año. Según el SIEA en Puno se elaboraron 3,088 t de quesos en el 2017, en el 2018 y 2019 aumento en 3,564 t y 3,655 t respectivamente, y en el 2020 fue 3,673 t. Existen distintas formas de clasificar el queso, Martínez (2021) señala que se clasifican: por el animal de procedencia, contenido de grasa, periodo de maduración y tipo de leche como se observa en la Figura 1. Figura 1. Clasificación del queso Fuente y elaboración Martínez, 2021 17 2.2.1. Elaboración del queso Según el tipo de queso requerido varia la elaboración, pero todos cuentan con procesos comunes (Figura 2). La producción de queso inicia con la obtención de leche que proviene de mamíferos debido a la secreción de glándulas mamarias durante y después del parto. La leche debe tener un manejo adecuado para evitar degradar la calidad y evitar la proliferación de microorganismos que pueden ser perjudiciales. Luego, se coagula las proteínas de la leche agregando fermento lácteo o también llamado cuajo (Martínez, 2021). Una vez obtenida la cuajada se procede a prensar con el fin de eliminar el suero de queso; después de eso el suero es sometido al calentamiento para acelerar la coagulación (MINAGRI-2017). Inmediatamente al queso se le añade sal, se le prensa, moldea y se procede a maduración, aunque algunos quesos se comercializan frescos (Martínez, 2021; CAR/PL, 2002). Según Valencia y Ramírez (2009), en promedio para elaborar un o dos kilogramos de queso se requiere diez (10) litros de leche de vaca, pero se generan ocho (8) a nueve (9) kg de suero, este residuo liquido es el más abundante de la industria de quesos. 2.3. El suero de leche o lactosuero Es el residuo líquido que queda en la elaboración de quesos, se obtiene al introducir a la leche enzimas tipo cuajo (digestivas de los rumiantes, renina) o ácidos que coagulan la leche (NTE INEN 2594:2011; Poveda, 2013). El suero es translucido de color verde amarillento por el contenido de riboflavina (Arce, Thompson, Calderón, 2016). La composición del lactosuero cambia según el tipo de queso producido y tecnología utilizada contiene generalmente el 80% a 90% del volumen de la leche y retiene el 50% de los nutrientes de la leche original. Los componentes que tiene el lactosuero son 18 aquellos que no se unen al coagulo de la caseína. (Valencia y Ramírez, 2009). Es importante por las altas cantidades que se genera en la industria de quesos y por su composición nutricional (Mollea, Marmo y Bosco, 2013). Figura 2. Proceso de elaboración de queso Obtención de la leche fresca Recepción e inspección de la calidad Agregado de fermentos y/o aditivos Enzimas Coagulación Corte, agitación, desuerado y cocción Suero Moldeado y prensado Suero Sal Salado Suero salado Secado Maduración Queso Fuente: Martínez, 2021; CAR/PL, 2002 2.3.1. Producción de suero o lactosuero La generación de suero en Puno es de dos tipos suero dulce y suero salado, este se incrementa al aumentar la producción de queso, ya que se generan nueve (9) kilogramos de lactosuero por cada kilogramo de queso elaborado. (CAR/PL, 2002; Padin y Diaz 2009). Considerando estos datos y la producción anual de queso reportado por el 19 Ministerio de Desarrollo Agrario y Riego del Perú a través del SIEA podemos afirmar que a nivel nacional en el 2018 y 2019 la generación de lactosuero fue de 187,626 y 205,906 t respectivamente y en el 2020 se produjo 203,722 t de suero de leche. Las regiones que más generan lactosuero son aquellas que más elaboran queso, por lo tanto, Puno no solo es uno de los departamentos que más produce leche fresca, sino también el que más elabora queso y por ende el que más genera lactosuero residual. En el 2020 está región genero 33,058 t de lactosuero (Tabla 1). Según Flores, en el 2018 la región altiplánica genero 8,281.65 t de suero dulce y 4,055.15 t de lactosuero salado que fueron descargados al ambiente y solo una parte del suero dulce es destinado para alimento de animales. Tabla 1. Producción de lactosuero en el Puno de 2017 y 2020 AÑO QUESO (t) SUERO (t) 2017 3,088 27,792 2018 3,564 32,078 2019 3,655 32,891 2020 3,673 33,058 Fuente: MINAGRI, DGESEP y DEA, 2018, 2019, 2021a, 2021b En la región de Puno las plantas queseras generalmente son pequeños y medianas. Las industrias artesanales en Puno elaboran quesos para darle valor agregado, estas industrias están compuestos por unidades pequeñas (Ruelas, 2018). Según Bella y Venkateswara (2022), los pequeños y medianas productores se ven obligadas a desechar grandes cantidades de lactosuero generadas en la elaboración de queso, puesto que no cuentan con la tecnología y economía para procesar. Las industrias de queso en Puno no tienen sistema de tratamiento de efluentes, razón por la que son descargados 20 directamente al medio ambiente y/o alcantarillado y en algunos casos aprovechado como alimento de animales. 2.3.2. Clasificación del lactosuero de leche El lactosuero puede ser dulce y acido (NTE INEN 2594:2011). El lactosuero dulce, es el líquido que queda por la coagulación de las enzimas, el pH es cercano a la leche y la composición mineral no varía (Parra, 2009). El suero dulce contiene 0.6-0.9% de proteína soluble, más de 5% de lactosa, aproximadamente de 0.3% de grasa y la presencia de ácido láctico es casi inestimable (CAR/PL, 2002). Por otro lado, el suero de leche acido es producto de la coagulación láctica (Parra, 2009). Contiene casi la misma proporción de proteína soluble que el suero dulce, pero grasa y lactosa en menor proporción. Sin embargo, el ácido láctico puede ser hasta 0.8% (CAR/PL, 2002), el pH es alrededor de 4.5, debido al alto contenido de minerales más de 80%, además es rico en ácido láctico, fosforo y calcio (Callejas et al., 2012). 2.3.3. Composición del suero El lactosuero a generarse puede ser dulce o acido; el suero de leche acido es más estable que el dulce, especialmente si se encuentra refrigerado. El lactosuero dulce no refrigerado tiene más probabilidad de degradarse y perder su valor nutritivo (Abaigar, 2009). El componente más abundante del lactosuero es la lactosa (Zhou et al., 2019). Diversos autores hicieron la caracterización del suero dulce para sus posteriores usos (Tabla 2) y tuvieron resultados de lactosa de 3.71%. 6.0%, proteína de 0.6%-1.2%, grasa de 0.006-0.7%, pH de 6.5-6.66%, solidos totales de 5.85-7.0%, minerales de 0.4-1 y agua de 94-95%. Al comparar estos datos con la norma ecuatoriana para utilización del 21 lactosuero como materia prima se observa que los parámetros están dentro de los requisitos establecidos; excepto la grasa, ya que todos pasan de 0.80%. Tabla 2. Composición del lactosuero dulce según diversos autores Sólidos Agua Lactosa Proteína Grasa Acidez Minerales Fuente pH totales (%) (%) (%) (%) titulable (%) (%) (Montesdeoca y - 3.71 0.94 0.7 6.66 0.11 (%) 5.85 - Piloso, 2020) (Alava et al., 2014) 0.7 0.4 6.5 9.7 (°D) 7.0 0.4 - (Mazorra et al., 2019) 5.2 1.2 0.42 6.52 6.5 - - 0.006- 6.5- 93- (Prazeres et al., 2012) 4.5-6.0 0.6-1.1 0.05-0.9 - 0.8-1.0 0.5 6.66 94 Min - 0.80 - 6.8 - - - - Norma INEN 2594 Max 5 - 0.3 6.4 0.16 - - - Nota: La norma INEN 2594 es una norma ecuatoriana y establece los requisitos del suero dulce y suero acido para ser utilizado como materia prima o ingrediente. Las características fisicoquímicas del lactosuero en Puno se observan en la Tabla 3 y presentan Demanda Química de Oxigeno DQO por encima de la normativa peruana para las descargas de los efluentes líquidos al ambiente, además estos se caracterizan por tener valores de pH acido (Flores, 2020). El suero de queso tiene una baja capacidad amortiguadora por esa razón se acidifica rápidamente en los tratamientos biológicos; el pH acido favorece el crecimiento de la biomasa filamentosa (Carvalho, Prazeres y Rivas, 2013). El lactosuero puede ser primario, que corresponde al liquido color amarillo- verdoso después de cortar la cuajada que se genera en el primer desuere que se realiza luego de la coagulación y el secundario corresponde al que se genera en el segundo desuere luego de ser salado la cuajada (Alava et al., 2014; Mazorra et al., 2019). 22 Tabla 3. Característica físico químicas del lactosuero generado en Puno PARAMETROS Solidos Solidos Plantas Solidos DQO Solidos totales CE suspendidos queseras PH volátiles (mg/L) Totales disueltos (mS/cm) totales g/L (g/L) (mg/L) Huata 2018 50,650.00 5.6 23.9 37.54 13.35 27.56 24,190.00 Huata 2017 69,200.00 48.4 2,850.00 Asillo 2018 1,649.00 774 Fuente: Flores, 2020 2.3.4. Contaminación medioambiental del suero de leche El suero de queso para los pequeños y medianos queseros artesanales sigue siendo un problema, ya que es considerado como un efluente residual y al no contar con un sistema de tratamiento se ven obligados a eliminar al suelo o al alcantarillado municipal (Risner, Shayevitz, Haapala, Meunier-Goddik, y Hughes, 2018). Por otro lado, Yadav et al. (2015) señala que muchas autoridades locales prohíben la eliminación del lactosuero a alcantarillas municipales, porque esta agua residual perjudica el proceso que se lleva a cabo en la Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales-PTAR. El suero al ser el líquido más abundante de la industria de quesos y por el alto contenido de materia orgánica y sal representa un grave problema de contaminación ambiental (Gonzales et al., 2021; Prazeres et al., 2012), pero también es una fuente valiosa de materia prima. Las principales causantes del gran contenido de materia orgánica son la lactosa y la proteína; los indicadores del contenido de materia orgánica en el lactosuero es la demanda bioquímica (DBO) y química de oxígeno (DQO) (Prazeres et al., 2012). A esto también se suma las sales, puesto que el proceso de salado del queso provoca la generación de líquidos con escasa materia orgánica, pero con gran cantidad de sales 23 (Villena, 1995). Según CAR/PL (2002), la DQO es aproximadamente 60,000 mg/I; la lactosa y la proteína son las principales causantes del gran contenido de materia orgánica. Por esa razón no debe verterse al medio ambiente. Según Pérez y Rodríguez (2018), en la caracterización de suero acido (pH=4.9) obtuvieron la DQO de 2,748.3 mg/L y la DBO de 1,992.4. Los valores altos de DQO y DBO en los cuerpos de agua provoca el consumo del oxígeno disuelto (Tarek et al., 2019). Las descargas de suero de queso pueden generar eutrofización en lagos y ríos por el consumo excesivo del oxígeno lo que provoca alteración de la calidad de agua y genera costos para la purificación del cuerpo de agua (Zhou et al., 2019). La descarga directa también puede causar la acidificación del agua y el enriquecimiento de nutrientes (nitrógeno y fosforo) generando la eutrofización, este afecta negativamente la calidad y el funcionamiento del ecosistema hídrico por la disminución de la biodiversidad, debido a la poca penetración de luz, aumento de microrganismos patógenos y vectores de enfermedades (Ledesma et al., 2013). El lactosuero puede ser arrastrado mediante diversas capas pudiendo llegar al nivel freático y representar una amenaza para los animales y humanos. En el suelo afecta las características físico-químicas lo que genera reducción del rendimiento de cultivos (Yadav et al.,2015) y por tanto la disminución de cosechas y debido al contenido de nitrógeno del lactosuero también se observa la lixiviación del suelo (Valencia y Ramírez, 2009). En la elaboración de queso para darle sabor se agrega sal y este lactosuero es desechado al medio ambiente, porque los animales como el cerdo no toleran consumirlo. Al desecharse altera la estructura del suelo, puesto que el 24 suelo salino contiene elevadas cantidades de cloruro de sodio que perjudican la productividad de los cultivos (Delgado et al., 2019). 2.3.5. Norma ambientales relacionados al lactosuero En el Perú hay un vacío legal en cuanto a la gestión del vertimiento del lactosuero al medio ambiente, cuerpos de agua y suelos (Palacios, Oclocho y Ordoñez, 2021), puesto que no se encontró lineamientos para la gestión de efluentes de lactosueros. Sin embargo, el Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM es una de las legislaciones relacionadas a esta problemática, aprueba los Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua. En otros países existe normativas para utilizar el lactosuero como materia prima para alimentos. Actualmente en Perú no se cuenta con una norma que establezca los parámetros para utilizar el suero. En Ecuador existe la norma INEN 2594: 2011 que establece los requisitos para el uso del lactosuero como materia prima o ingrediente. Los requisitos generales son que el suero debe provenir de productos que hayan sido pasteurizados sin contener sustancias extrañas al queso. 2.3.6. Uso del suero de queso o lactosuero La forma tradicional de uso de lactosuero es destinar para el consumo de animal, generalmente porcino (Fernández et al., 2016). En el Perú, las medianas, pequeñas y sobre todo artesanales que se encuentran en Puno no cuentan con un sistema de aprovechamiento apropiado del lactosuero por lo que son descargados al medio ambiente o al desagüe sin previo tratamiento. Las principales formas de tratar el lactosuero y aprovechar son mediante el tratamiento fisicoquímico y el tratamiento biológico (Figura 3). En el tratamiento fisicoquímico está el secado; precipitación térmica/ isoeléctrico y la precipitación, coagulación/ floculación, 25 filtración de membrana. Por otro lado, en el tratamiento biológico se encuentra la fermentación anaerobia, fermentación aerobia, digestión anaerobia y celdas de combustibles microbianas. El tratamiento mediante el proceso anaeróbico consiste en obtener hidrogeno o biogás a partir de la conversión de la materia orgánica (Fernández et al, 2016). Los métodos anaeróbicos para tratar los efluentes de lactosuero conservan energía y lo más importante es que ayuda a generar energía en forma de biogás (Bella y Venkateswara, 2022). El lactosuero puede ser aprovechado con fines agrícolas como fertilizante orgánico, en una investigación se llevaron a cabo un experimento en macetas para experimentar la viabilidad en utilizar diferentes lactosueros en la fertiirrigación de Schinus molle y han demostrado que el uso de suero de queso en fertiirrigación es alternativa adecuada para evitar la eliminación del suero al medio ambiente (Abou-Dahab et al., 2019). El aprovechamiento del lactosuero por el contenido elevado de nutrientes contribuye en la disminución de la contaminación ambiental (Osorio-Gonzales et al, 2018). Figura 3. Principales tratamientos del lactosuero Fuente: Fernández et al., 2016 26 2.4. Estiércol de vacuno y composición Es el excremento del ganado vacuno compuesto por fibras y agua, debido a que los animales herbívoros se alimentan generalmente de pasturas o forraje (Arellano, Cruz y Huertas, 2014). Según Cordero (2013), la producción y características químicas del estiércol dependen de la genética, dieta del animal y la edad (bovinos de engorde, becerros de engorde, vacas de lactación, vacas secas, becerras lactantes, etc.). Las vacas de lactación defecan 68 kg/día y con 87% de humedad y estos contienen N: 0.45 kg/dia/animal, P:0.07 y K:0.103 (ASAE, 2005 citado por Cordero, 2013). El estiércol de vacuno generalmente contiene 36% materia orgánica, 1.5% nitrógeno total, 0.6% fosforo, 2.5% potasio, 3.2% calcio, 0.8% magnesio, 1.6% sodio, 130.6 ppm zinc, 264 ppm manganeso, 354 ppm hierro, relación C/N: 26, pH: 8 y 35% de mineralización en el primer año(Cordero, 2013). Las características del estiércol de terneros en diferentes tiempos como en 2 meses, 6 meses y 8 meses mostraron que la concentración del nitrógeno amoniacal es casi 80% en el estiércol más fresco y se reduce de forma importante con el tiempo hasta menos de 8%, con respecto a la materia orgánica este disminuye de con el tiempo de almacenamiento y aunque menos claramente el fósforo y potasio. La relación C/N a los dos meses fue 19.9, a los 6 meses 12.2 y a los 8 meses de 13.4, en el estiércol fresco es más elevada el C/N (Barrós Torres et al, 2018). 2.4.1. Ganado vacuno en Perú El total de cabezas de ganado bovino en el 2012 según el IV CENAGRO fue de 5.2 millones y el 39.8% son vacas. Es decir, 2.0 millones son vacas de los cuales el 74.8% de las vacas es únicamente para producir leche (MINAGRI, 2017). 27 Castañeda Arrascue (2019), calculo la generación de estiércol de bovino en el Perú, para ello, considero los datos de la población anual de bovino nacional reportados por el INEI Y SEIA y el peso promedio del animal (281 kg/unidad). El 5.5% es la cantidad de excretas producidas al día en función peso del animal. De esta manera, en el 2015 la población de bovino fue 5,553,470 y la producción de excretas fue de 31,327,541 t y en los años 2016, 2017 y 2018 la producción de excretas bovinas generadas anualmente fue de 31,254, 896 t; 31,226,560 t y 31,507,599 t respectivamente. Cada vaca de producción láctea genera 75 kg de metano al año, globalmente la emisión de metano seria 20,68x106 Tm, pero la FAO considera que todo vacuno emite unos 100x106 Tm de CH4. La liberación de dióxido de oxígeno y de metano son aspectos involucrados en el calentamiento global, el metano atrapa 84 veces más de calor que el CO2 (Espinoza, 2021). 2.4.2. Contaminación ambiental Los bovinos producen el metano (CH4) y el gas carbónico, estos gases contribuyen al calentamiento global. El metano se origina por el proceso fermentativo del alimento que ingresa al rumen otro gas es el carbónico (Carmona et al.,2005). El ganado vacuno emite gases de metano y bióxido de carbono, el estiércol por sus características químicas produce óxido nitroso que surge de la desnitrificación del nitrógeno que existe en el estiércol y orina de ganado, además por la descomposición del estiércol de genera la emisión de metano sobre todo cuando está en condición anaeróbica, pero en condiciones aeróbicas el gas es escasa. Otra emisión de gas proviene de la fermentación entérica que es un proceso de la digestión, se produce la emisión de metano mediante la exhalación o erucción del animal, este proceso solo ocurre en rumiantes por ser 28 poligástricos (Espinoza, 2021). Otro de los impactos ambientales negativos del estiércol de ganado es la acumulación de micro y macronutrientes en los cuerpos de agua superficial y suelo. Esto si no hay un control adecuado en el almacenamiento, transporte o aplicación (Pinos-Rodríguez et al., 2012). En las personas puede provocar enfermedades al consumir el agua contaminada por excretas de vacuno, porque el excremento de bovino contiene microorganismos como la Escherichia coli que causa enfermedades (diarrea y gases abdominales) en las personas que (Pinos-Rodríguez et al., 2012). Según la FAO el estiércol de bovino no emite metano cuando esta seca totalmente. Al día una vaca puede excrementar 5.5.kg y eructar 350 a 750 litros de metano (Cordero Jauregui, 2013). En algunos países existe regulaciones para el manejo de excretas como en EE. UU. que su legislación de manejo de excretas es supervisada y certificada por la Agencia de Protección Ambiental (EPA), otros países que cuentan con regulaciones son Canadá, Argentina, Chile, Colombia y México, pero en estos últimos cuatro países la regulación es escasa y confusa (Pinos-Rodríguez et al., 2012). 2.4.3. Usos del estiércol El estiércol en el suelo aporta con materia orgánica y suministra nutrientes (N, P, K) a las plantas. Así mismo, mejora la estructura y la capacidad de retención de agua. (Iglesias, 1995). El estiércol se debe aplicar en dosis acorde al contenido de nitrógeno disponible con la finalidad de reducir los gastos en compra de fertilizantes químicos y disminución de los efectos negativos en aguas subterráneas por lixiviados de nitrato (Figueroa et al., 2010). Según Figueroa-Viramontes (2010), en su estudio realizado en Comarca 29 Lagunera-México, donde hay explotación lechera, señala que el estiércol bovino es incorporando al suelo para producir cultivo de maíz forrajero, obteniendo igual rendimiento hasta mayor al sustituir el fertilizante químico por el compost. En el estudio realizado por Jimenez, Larreal y Noruega (2004), usaron estiércol de bovino para ver los efectos en las propiedades químicas en suelos con áreas degradas con el fin de mejorar la productividad. Los resultados fueron favorables, se aumentó el fosforo disponible, el carbono orgánico y el pH. Además, hubo disminución en la saturación del aluminio. Aplicar estiércol de bovino en los suelos como enmienda orgánica permite recuperar las características del suelo. El estiércol de animal en los procesos anaeróbicos proporciona la capacidad amortiguadora para los procesos anaeróbicos (Rico, Muñoz y Rico, 2015). 2.5. Economía Circular y valorización de los residuos agropecuarios El objetivo de la economía circular es prolongar el tiempo de vida útil de los productos; aprovechando los residuos como recurso para producir otros productos. Las ventajas que tiene son la reducción de los residuos y por tanto la disminución de los impactos ambientales negativos. (Cerda y Khalilova, 2016, Kowszyk y Rajiv, 2018). Considerando estas definiciones la economía circular de los residuos agropecuarios, consiste en devolver estos residuos agropecuarios al suelo mediante el compostaje o digestión anaerobia (biofertilizante). La valorización del lactosuero y el uso del estiércol del ganado lechero es beneficiosa, puesto que reduce la contaminación al medio ambiente. Actualmente existe variedades de soluciones técnicas para que los residuos sean valorizados energéticamente. El uso de los residuos orgánicos mediante la digestión anaeróbica para obtener biogás y biofertilizantes es una de las alternativas (Cerem, 2018). 30 2.6. Digestión anaerobia Es un proceso donde interactúan diversas comunidades de los microorganismos en condiciones de anoxia, estos degradan la materia orgánica en productos gaseosos. Se utilizan biodigestores para controlar y hacer eficiente la digestión anaerobia del sustrato y así producir biogás. Las fases del proceso anaeróbico son cuatro: fase hidrolisis, acidogénesis, acetogénisis y metanogénisis; es importante comprender que las reacciones en los digestores son simultáneamente( PNUD, FAO, GEF, 2011). 2.6.1. Fases de la digestión anaerobia a. Hidrólisis Los microorganismos solo utilizan material orgánico soluble para que pueda traspasar su pared celular; más no directamente materia orgánica polimérica. Esta fase consistes en degradar la materia orgánica compleja en materia orgánica soluble (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos). La hidrolisis proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaeróbica mediante la acción de enzimas extracelulares que producen los microorganismos hidrolíticos. Esta fase es afectada por el nivel de pH, temperatura, tamaño de partículas, concentración de amonio, TRH, composición bioquímica de la materia y concentración de productos hidrolíticos (PNUD, FAO, GEF, 2011). b. Fermentativa o acidogénesis Los compuestos solubles obtenidos en la hidrolisis son convertidos en hidrogeno (H2) y dióxido de carbono (CO2) y ácidos grasos volátiles. Si el valor de pH<5, entonces hay más generación de etanol, pero si el nivel de pH>5, existe mayor producción de ácidos grasos volátiles (Nuñez, 2017). 31 c. Acetogénesis Las bacterias acetogenicas son las encargadas de transformar a los compuestos intermedios tales como el etanol, ácidos grasos volátiles y parte de los compuestos aromáticos en acetato, H2 y CO2 (FAO, 2019). d. Metanogénica Las bacterias metanogénicas forman el metano, estos microorganismos tienen dos vías acetoclástica, donde se transforma el ácido acético en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) y la hidrogenotrófica, que a partir de hidrogeno (H2) y el dióxido de carbono (CO2) se produce el CH4. La etapa metanogénesis es limitante del proceso, puesto que organismos metanogenicos son lo más sensibles a cambios de pH. En este proceso la materia orgánica sufre transformaciones químicas y físicas que conduce a producción de biogás y biofertilizante (FAO, 2019). Figura 4. Etapas y fases de la digestión anaeróbica Materia Orgánica compleja (Carbohidratos, proteínas, grasas) Ácido acético HIDRÓLISIS Hidrógeno (H2) Moléculas orgánicas solubles Dióxido de carbono (CO2) (A zúcares, aminoácidos, ácidos grasos) ACIDOGÉNESIS ACETOGÉNESIS METANOGÉNESIS Ácidos grasos Alcoholes • Acetoclástica • Hidrogenotrófica Ácidos orgánicos Principales gases -Dióxido de carbono (CO2) -M etano (CH4) BIOFERTILIZANTES Fuente: FAO, 2019 32 2.6.2. Factores que intervienen en la digestión anaerobia Las dificultades de la digestión anaeróbica del lactosuero se deben al bajo contenido de alcalinidad y la rápida acidificación; que puede agotar la capacidad amortiguadora y provocar la caída de pH e incrementación la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV) y posterior fallo del digestor (Rico, Muñoz y Rico, 2015). Sin embargo, para superar estas limitaciones existe la opción de la Co-digestion (Bella y Venkateswara, 2022; Mostafa Imeni et al., 2019). a. Potencial de Hidrogeno (pH) El pH mide la alcalinidad o acides de una disolución y está relacionada con los iones de hidrogeno. El pH debe encontrarse cerca a la neutralidad; si este difiere afecta la digestión anaeróbica. El valor obtenido de pH no debe subir de 8.0 ni bajar de 6.0; si el pH es inferior de 6 entonces el biogás contiene poco metano y menor cualidad energética, pero si el valor de pH aumenta este beneficia la generación de amoniaco que en elevadas cantidades podría inhibir el proceso anaeróbico para evitar este problema se debe mantener el pH en un rango optimo añadiendo carbonato de sodio, hidróxido de sodio, cal y etc., generalmente se añade bicarbonato de sodio por su menor toxicidad y mayor solubilidad. La evaluación del pH permite evaluar la correcta función del sistema (PNUD, FAO, GEF, 2011). b. Temperatura La temperatura influye en la velocidad de digestión anaeróbica, puesto que al aumentar la temperatura también aumenta la velocidad de crecimiento de organismos que aceleran el proceso anaeróbico, obteniendo mayor generación de biogás. Los rangos de temperatura (Tabla 4) en la que trabajan los organismos anaeróbicos son: 33 psicrófilos, mesófilos y termófilos. El rango psicrofílico es el poco estudiado y es planteado como poco viable. Sin embargo, el más utilizado es el mesofílico; aunque hoy en día se está implementando más el termofílico por la velocidad del proceso y eliminación de organismos patógenos, pero este rango es más sensible e inestable a pequeños cambios en el proceso o sustrato y puede inhibir el proceso. Al aumentar la temperatura también aumentar la solubilidad de la materia orgánica y así la velocidad del proceso de digestión es más rápida, pero también aumenta la solubilidad de los tóxicos (ácidos grasos de cadena corta y nitrógeno amoniacal) que podrían inhibir el proceso (FAO, 2019; PNUD, FAO, GEF, 2011). Tabla 4. Rangos de temperatura y tiempo de fermentación anaeróbica Tiempo Fermentación Anaeróbica Rango de temperatura (°C) (días) Psicrofílicos 4-25 Sobre 100 Mesofílicos 25-45 30-60 Termofílicos 50-80 10-15 Fuente: FAO, 2011 En muchos casos no es importante trabajar a altas temperaturas, más que asegurar la estabilidad del biodigestor. Si la temperatura cambia, es difícil que los microorganismos colonicen permanentemente el medio, por lo que la obtención de biogás no será constante (FAO, 2019). c. Materias primas La composición y naturaleza del residuo utilizado influye en la calidad y cantidad de biogás producido. 34 d. Relación de Carbono Nitrógeno (C/N) Es un número que expresa la relación de dos componentes (Carbono y Nitrógeno) en un sustrato orgánico. El carbono proporciona energía y el nitrógeno permite la renovación y crecimiento celular de los microorganismos metanogénicas. Ambos elementos son importantes en el proceso anaeróbico (FAO, 2019). La falta de nutrientes inhibe drásticamente a los microorganismos metanógenos, por lo que los nutrientes deben estar por encima del óptimo. El carbono es consumido por las bacterias metanogénicas 30 veces más que el nitrógeno. El rango de 30:1 a 20:1 de la realción C/N se considera optimo. Sin embargo, los sustratos con un mayor contenido de carbono (35:1) se descomponen más lentamente debido a un menor desarrollo y reproducción bacteriano en un déficit de nitrógeno, pero los tiempos de producción de biogás son más prolongados. En cambio, si la relación es menor de 8:1 hay formación de exceso contenido de amonio y se inhibe la actividad bacteriana y el proceso. El promedio de la relación de C/N de las excretas de bovino es de 25:1. Si al iniciar la digestión anaerobia no se tiene relación apropiada se debe hacer mezclas de materias para obtener relación adecuada (30/1), en la Tabla 6 se muestra la relación de C/N de algunos residuos (FAO, 2019; PNUD, FAO, GEF, 2011). e. Tiempo de retención hidráulica (TRH) Representa el tiempo en mantener el material orgánica en el digestor, y las bacterias tardan cierto tiempo en descomponer el sustrato. TRH está indirectamente relacionado con la temperatura; si la temperatura es más alta, el tiempo de retención es más corto porque la temperatura afecta en gran medida la velocidad de degradación. El TRH para producir biogás es mayor en el rango de temperatura psicrofilicos que el mesofílicos o 35 termofílicos (Tabla 5). Para biodigestores estacionarios o también conocidos como biodigestores discontinuos, TRH es el tiempo transcurrido entre la carga y descarga del sistema (FAO, 2019; PNUD, FAO, GEF, 2011). Tabla 5. Tiempo de retención hidráulica para diferentes rangos Rangos Tiempo de retención hidráulica (THR) Psicrofílicos 50 a 120 días Mesofílicos 25 a 50 días Termofílicos 15 a 25 días Fuente: FAO, 2019. f. Inhibidores Los compuestos biológicos y/o químicos en ciertas concentraciones pueden inhibir el proceso de biodigestión. Es importante conocer la composición de las materias a usar; estos podrían tener químicos que podrían inhibir el proceso. En la digestión del lactosuero y estiércol de bovino, el pH acido en el periodo experimental podría ser un inhibidor de la metanogénesis (Reddy, Nandan Redd y Chang, 2022). La digestión anaeróbica del lactosuero solo en la hidrolisis podría resultar en la liberación de amoniaco, ácidos grasos con cadena larga, entre otros; estos pueden ser inhibidores del proceso (Bella y Venkateswara, 2022). Por otro lado, en la dieta del animal bovino se utilizan enzimas para el alimento, si las enzimas llegaran al estiércol y al usarlo en un biodigestor la producción de biogás puede ser la no deseada (FAO, 2019) 36 2.6.3. Monodigestión del lactosuero La monodigestión puede generar la liberación de sustancias inhibidoras como el amoniaco, ácidos grasos de cadena larga entre otros inhibidores durante la hidrolisis y por tanto puede inhibir el proceso, por lo que se debe elegir un sustrato de codigestion adecuado para equilibrar la composición y así mejorar la estabilidad y maximizar el rendimiento de biogás (Bella y Venkateswara, 2022). 2.6.4. Co-digestion Cogestión anaeróbica La co-digestion anaeróbica es una tecnología para tratar residuos orgánicos en forma simultánea que permite equilibrar el contenido de nutrientes y mejorar la producción de biogás (Carlini, Castellucci y Moneti, 2015). Los beneficios de la co-digestión son optimizar el proceso digestivo, mejorar la descomposición de la materia prima, aumentar la generación de biogás, mejorar la calidad de los biofertilizantes (FAO, 2019). Según Bella y Venkateswara (2022), la co-digestión es una alternativa viable para abordar los problemas de la digestión anaeróbia al suministrar nutrientes y proporcionar la capacidad amortiguadora. Es importante seleccionar un desecho orgánico adecuado como co-sustrato, este debe ser rico en carbono y altamente biodegradable. La co- digestion de lactosuero con estiércol de animal ha demostrado ser una solución, ya que el estiércol proporciona la capacidad amortiguadora y necesaria para garantizar la estabilidad del proceso y también puede mejorar el proceso debido al mejor balance de carbono y nutrientes lo que es una opción adecuada para mejorar la producción de biogás (Rico, Muñoz y Rico, 2015). En un estudio evaluaron la generación de biogás al realizar mezclas de estiércol de aves de corral (PM) con desechos de lactosuero (CWW), en reactores de 5L, condiciones 37 mesofílicas (37°C), TRH de 35 días y pH de 6.5 a 7.5. Los experimentos fueron por triplicado; la producción de gas se analizó por cromatografía de gases y se midió en una columna de agua. Se realizaron 3 mezclas de CWW:PM (3:1, 1:1, 1:3) para determinar la relación optima de rendimiento de biogás, 18 días después se obtuvo el 90% de rendimiento de biogás y 65% de metano de la relación 1:1. La co-digestion reduce los efectos negativos de los compuestos tóxicos y aumenta la generación de CH4 y biogás. La relación CWW:PM de 1:1 genero más metano, redujo la acidificación de CWW, mejoro el C/N y disminuyo los sólidos totales (Carlini, Castellucci y Moneti, 2015). 2.6.5. Productos de la digestión anaerobia a. Biogás Se obtiene de la descomposición de la materia orgánica, donde el sustrato orgánico es degradado por microorganismos especializados. El proceso puede llevarse a cabo en un ambiente natural o en reactores con ausencia de oxígeno. Está compuesto principalmente por 50-70% de metano (CH4) y 40-20% de dióxido de carbono (CO2), además contiene otros gases en cantidades menores como el sulfuro de hidrógeno (H2S) (FAO, 2019). La descomposición del estiércol sin previo tratamiento genera gases de efecto invernadero (GEI); aprovecharlo contribuye a disminuir la emisión de estos gases (Martí-Herrero, 2019). Castañeda Arrascue (2019) estimo la producción de biogás teórico de la Co-digestión anaeróbica del lactosuero y estiércol de bovino. El cálculo para el 2017 esta producción fue aproximadamente de 747,515 (NM3). a. Biol o abono liquido orgánico Son conocidos también como biofertilizantes líquidos, digestato, digerido, etc. Es uno de los subproductos de la digestión anaeróbica originado por la acción de los 38 microorganismos que degradan la materia orgánica. Los nutrientes del material orgánico como el potasio, fosforo, nitrógeno y otros son mineralizados y están disponibles para las plantas (Martí-Herrero, 2019). La cantidad producida y calidad del biofertilizante liquido depende del sustrato utilizado; si el biofertilizante es destinado para fines agronómicos se debe evitar usar sustratos que contengan tóxicos como los metales pesados. Una de las ventajas de obtener el biofertilizante es sustituir los a fertilizantes químicos y mejora las propiedades físico- químicas del suelo (FAO, 2019). Según Robles et al 2008, el biol contiene hormonas vegetales de crecimiento. Los cinco grupos hormonales (adenina, purina, auxina, giberelina, citocina) que son desechos del metabolismo de microorganismos y su uso principal es fortalecer el crecimiento de la planta, raíz y frutos. Según la DRA-Dirección Agraria Puno (2009), los nutrientes para las plantas se clasifican en macronutrientes primarios (nitrógeno, fósforo y potasio), macronutrientes secundarios, los macronutrientes se necesitan en grandes cantidades para el desarrollo de la planta. Por otro lado, los micronutrientes (hierro, manganeso, cobre, zinc, molibdeno, boro, cloro y níquel) son también esenciales y en baja concentración. 2.7. Biodigestores Son sistemas diseñados en lo que se lleva a cabo la digestión anaerobia, dentro de este sistema las bacterias degradan a la materia orgánica que ingresa en ausencia de oxígeno y se obtiene biogás y biofertilizantes. La funcionalidad es parecida al sistema digestivo animal (Martí-Herrero, 2019). Está compuesto por un reactor o contenedor para digerir sustratos, en el ocurre el proceso bioquímico de degradación. Además, cuenta con una entrada y salida para ingresar la materia y retirar los productos (MINENERGIA / PNUD / 39 FAO / GEF, 2011). Estos sistemas optimizan la generación de biogás y permiten tener energía limpia, renovable y de bajo costo. Un parámetro que se utiliza para evaluar la obtención de biogás en biodigestores es la producción de metano (Rivas Solano, Faith Vargas y Guillén Watson, 2010). Los biodigestores se diferencian por el tamaño, características, nivel de tecnología y entre otros. El nivel de tecnología de los biodigestores puede ser bajo, medio, alto. En todas las tecnologías hay un espacio de 20%-50% de volumen libre para el biogás (FAO, 2019). Los biodigestores tipo batch funcionan por ciclos y cada ciclo está dividido en cuatro etapas: alimentación (efluente se incorpora al biodigestor), reacción (descomposición del material orgánico), sedimentación (separación del efluente por la decantación de la biomasa) y descarga del efluente obtenido (MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF, 2011). Estos son utilizados en investigaciones para conocer la capacidad de generación de biogás de diferentes sustratos y permite saber si el material es apto o no, son fáciles de construir, operar y sin costos elevados; permite simular diferentes escenarios (FAO, 2019). En Bolivia existe experiencias utilizando biodigestores a temperaturas extremas menores que el umbral de tolerancia de microorganismos metanogénicos (<10°C), mantienen la temperatura adecuada aislando las paredes y sobre zanjas para no perder el calor y también utilizan invernaderos para proteger el sistema y aumentar la temperatura de trabajo del reactor para climas extremos (FAO, 2019; Martí-Herrero, 2019). 40 III. OBJETIVOS E HIPÓTESIS 3.1. Objetivos 3.1.1. Objetivo general Determinar el uso del efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino utilizando diferentes proporciones en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de calidad. 3.1.2. Objetivos específicos ▪ Estimar la cantidad del biogás producido a partir del proceso de digestión anaeróbica del lactosuero y estiércol de bovino. ▪ Analizar la calidad del abono líquido orgánico producido a partir del proceso de digestión anaeróbica del suero de queso y estiércol de bovino. ▪ Determinar la mejor relación de mezcla entre el suero de queso y estiércol de bovino para producir mayor cantidad de biogás y abono liquido orgánico de calidad. 3.2. Hipótesis ▪ H0: El efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino a diferentes proporciones tiene efectos para la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de calidad. ▪ Ha: El efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino a diferentes proporciones no tiene efectos para la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de calidad. 41 4. METODOLOGÍA 4.1. Localización El estudio se desarrolló en la parcialidad de Antajahua (15° 38’ 50.13” S 70° 17’ 51.22” O) ubicado en la región Puno, provincia San Román y distrito de Cabana (Figura 5), al sur del Perú a una altitud de 3879 m.s.n.m. Figura 5. Mapa de ubicación del experimento Fuente: Modificado de Instituto Geofísico del Perú 4.2. Colecta de materia prima 4.2.1. Lactosuero o Suero de queso El lactosuero utilizado se obtuvo de la elaboración de queso tipo Paria y se utilizó lactosuero dulce. Este fue colectado en bidones de 180 y 240 L por 4 días consecutivos de la Cooperativa Agroindustrial de Productores Agropecuarios Cabana Ltda. COOPAGRO (15° 38’ 55.47” S 70° 19’ 6.27 O”), situado en Cabana, San Román, Puno. 42 Estos fueron transportados a la parcialidad de Antajahua del mismo distrito. 4.2.2. Estiércol de bovino El estiércol fresco de vacuno procedió de un establo, ubicado en el sector Ayagachi del distrito de Cabana. Se colectó un volumen total de 345L de estiércol de vacuno lechero fresco por 3 días en carretillas, los cuales fueron traslados dentro de bolsas de plástico. Se midió el pH del estiércol fresco y del lactosuero (Tabla 6). Tabla 6. Medición de pH y temperatura del suero dulce y estiércol de bovino fresco Parámetro Suero dulce de leche Estiércol de vacuno pH 6.45 7.14 Temperatura (°C) 29.4 16.9 Después de la recolección de las materias a usar, se procedió a homogenizar el suero de queso recolectado en los diferentes días y se hizo lo mismo con el estiércol de vacuno 4.3. Diseño de investigación La investigación desarrollada presenta un Diseño Experimental Completamente al Azar (DCA) con tres tratamientos (T1, T2 y T3) y un control (T0), cada uno de estos con tres repeticiones, por ello, se utilizó 12 biodigestores que fueron distribuidos aleatoriamente dentro de un invernadero (6.80x2.80x2m) como se muestra en la Figura 6. 43 Figura 6. Materia de Suero dulce y Estiércol de vacuno recolectada Figura 7. Distribución aleatoria de biodigestores en el invernadero En la Figura 7 se observa a CR1, CR2 y CR3, estos son los grupos de control y a estos se introdujeron lactosuero puro, es decir al 100% que es 192 litros. Los grupos 44 experimentales están compuestos por tres mezclas (de lactosuero y estiércol de bovino) a diferentes proporciones. El primer tratamiento y sus repeticiones (T1R1, T1R2 y T1R3) contiene lactosuero al 90% y estiércol de vacuno al 10%, el segundo tratamiento (T2R1, T2R2 y T2R3) tiene 80% de lactosuero y 20% de estiércol y, por último, al tratamiento tres (T3R1, T3R2 y T3R3) se agregaron 70% y 30% de lactosuero y estiércol respectivamente. 4.4. Preparación de los tratamientos Una vez homogenizada las materias primas se procedió a cargar y preparar los biodigestores de acuerdo a cada tratamiento y sus repeticiones (Tabla 10). Los tratamientos fueron preparados con diferentes materias y cantidades. Se considero como principal criterio de mezcla los resultados de una previa experimentación utilizando las mismas condiciones, pero diferentes proporciones de mezcla. La relación de mezcla de 50% de lactosuero y 50% de estiércol, resultó ser espesa y fue considerada en el análisis de laboratorio como materia orgánica sólida y no liquida (biol). Teniendo en cuenta esta proporción se optó por añadir materia orgánica (estiércol de vacuno) menor al 50% del volumen total. La relación de mezcla de la materia no puede sobrepasar el 50% para ser considerada materia liquida o biol. En el tratamiento control (T0), se introdujo solamente el suero hasta los 192 L. El tratamiento uno (T1), contenía 90% de suero y estiércol de vacuno 10%, como se aprecia en la Tabla 7. Una vez llenado se procedió a homogenizar el contenido preparado durante 15 min (Paucar y Quispe, 2015). Es importante señalar que cada biodigestor fue rotulado con el nombre de la materia orgánica y la cantidad empleada. 45 Tabla 7. Cantidad de la materia cargada para cada tratamiento y sus repeticiones Estiércol Estiércol TOTAL TOTAL Tratamientos Contenido Suero (L) Suero% (L) % Suero Estiércol T0 Suero 192 0 100% 0% 576 0 T1 Suero+estiércol 173 19 90% 10% 519 57 T2 Suero+estiércol 154 38 80% 20% 462 114 T3 Suero+estiércol 134 58 70% 30% 402 174 TOTAL(L) 1959 345 4.5. Duración El proyecto de investigación se desarrolló por 15 semanas o 104 días, debido a que el lugar donde se llevó a cabo fue un invernadero que acelera la descomposición. 4.6. Diseño y acondicionamiento de biodigestores discontinuos o tipo batch 12 biodigestores fueron construidos con funcionalidad de tipo batch (Figura 8). Se utilizaron cilindros de polietileno de 240 L de capacidad con un aro de fleje y cierre que estuvo prensado junto a la tapa para que se encuentre herméticamente cerrado y así evitar el escape de gas. Se implementó accesorios que se describen en el procedimiento de construcción (Apéndice A). La metodología utilizada para la construcción de los biodigestores fue de Carhuancho (2012). Del contenido total, solo se utilizó un volumen de 192 litros; para calcular este volumen de trabajo se considero el cálculo utilizado por Narvaez y Saltos (2007) que es del 80% del volumen total del cilindro. 46 Figura 8. Diseño del biodigestor utilizado 4.7. Toma de muestra Una vez cargada la materia orgánica en los biodigestores y cerrado herméticamente, se procedió a recoger 1.5 L del abono liquido orgánico; cada tratamiento fue homogenizada con sus réplicas, es decir, que se tomó del tratamiento T0, T1, T2 Y T3 una muestra, las cuatro muestras fueron llevados al laboratorio LASPAF de la Universidad Agraria La Molina. Es importante señalar que la caracterización de las cuatro muestras fue solo al inicio, puesto que al final del proceso se hizo una caracterización de las 12 muestras y durante el proceso se ha medido los parámetros (pH y temperatura) a los 12 biodigestores. 4.8. Caracterización de parámetros in situ Se utilizo un potenciómetro de la marca ATS para medir el valor de pH. Para ello, se homogenizó la muestra de un volumen de 30 ml y luego se introdujo el electrodo hasta que se estabilice la lectura por 10 s. Seguidamente, se anotó los datos para su posterior uso. Luego, de cada uso el electrodo del potenciómetro fue enjuagado con agua cielo 47 para evitar alterar el valor de las muestras posteriores. La medición fue dos veces por semana (Paucar y Quispe, 2015). Del mismo modo, se midió la temperatura del biodigestor para eso se utilizó un termómetro digital para líquidos. La conductividad eléctrica no se ha determinado, porque no se ha trabajado suero salado. 4.9. Evaluación de la cantidad de biogás producido Para medir la cantidad de biogás producido se utilizó el método de desplazamiento de volumen o también llamado Principio de Arquímedes. Para ello, se construyó un gasómetro artesanal (Apendice B). Para determinar la cantidad del gas producido, se utilizó cámaras de llanta de moto, donde se almacenó el biogás obtenido de cada tratamiento, es importante señalar que cada vez que estos se llenaron, se procedió a trasladarlos a un bidón con agua, tomando en cuenta el principio de Arquímedes, donde la cantidad de agua desplazada está relacionado directamente a la cantidad del biogás generado (Castillo, 2012). Antes de cambiar las cámaras de llanta se cerró la válvula esférica y de esa forma se evitó perdidas de biogás que pueden interferir en los resultados. El bidón de medición estuvo conectada a dos mangueras, uno para la entrara del biogás, que se almacenó en las cámaras de llanta, y el otro es para disponer el agua que se va a desplazar a través de este, el cual estuvo sumergido en el fondo del bidón, y por presión del biogás el líquido es desplazado a un recipiente con medidas (Palomino, 2007). 4.10. Análisis de la relación de Carbono Nitrógeno C/N Se tomó 1 L de muestra homogenizada de cada tratamiento a una repetición el día que se realizó las mezclas con la finalidad de conocer la relación en la que se encuentra el C/N. El análisis fue desarrollada por el laboratorio LASPAF de la UNALM. 48 4.11. Evaluación de calidad de abono liquido obtenido 4.11.1. Análisis de enumeración de coliformes fecales Se evalúa la enumeración de bacterias de coliformes fecales por ser propias del tracto estomacal de los animales y representa un indicador fecal del biol, estos tienen la particularidad de ser termotolerantes y son capaces de multiplicarse a temperaturas elevadas como a 44°C (Von Sperling, 2007). Se determinó la cantidad de coliformes fecales al inicio y final del proceso para determinar la reducción de los organismos. Al inicio, una vez cerrados los biodigestores, se cogieron 500 ml de biol en recipientes plástico por tratamiento sin repeticiones, en total cuatro muestras homogenizadas que fueron llevadas al Laboratorio de Ecología Microbiana y Biotecnología "Marino Tabusso" de la UNALM. Luego de 15 semanas de fermentación se realizó el último análisis de la misma manera que al inicio, pero esta vez se analizó las doce muestras (tratamientos y sus repeticiones). Los resultados fueron comparados con el Estándar de Calidad Ambiental (ECA) de la categoría D1 que comprenden a las aguas utilizadas en el riego de los cultivos vegetales; dependen del tipo de riego, tipo de consumo y procesos industriales o de transformación que son sometidos los productos agrícolas (D.S. N° 004- 2017-MINAM). 4.11.2. Caracterización del abono liquido orgánico Al terminar la experimentación, es decir en la semana 15 se analizó los macronutrientes (carbono, nitrógeno, fosforo, potasio, calcio, magnesio y sodio), micronutrientes (hierro, cobre, zinc, manganeso y boro), otros parámetros: pH, conductividad eléctrica, solidos totales y materia orgánica en LASPAF de la UNALM con el fin de evaluar la calidad del abono liquido obtenido. Para ello, se recolecto 1L de cada muestra en envases de plástico. 49 4.11.3. Criterios para determinar la calidad del abono liquido Actualmente, Perú no cuenta con normativa para indicar la calidad de los biofertilizantes líquidos y, a nivel internacional, solo hay normas para determinar calidad de compost y de lodos depurados que son usados en el sector agrario. Por esa razón, se utilizará normativas referenciales para la calidad del biol como la Normativa Chilena (Nch 2880, 2004), la cual aplica para materias orgánicas de lodos que provienen de las plantas de tratamientos de aguas servidas como residuos industriales líquidos, agrícolas, ganadero, pesquero, forestales, de mercado, excepto para el compost que son peligrosos o infecciosos. El contenido nutricional se comparó con los parámetros establecidos de Biolac (Tabla 12), el cual es producido por NOGAFER-PERU S.A.C y ampliamente aplicado en el sector agrario. Este es elaborado con microorganismos eficientes (EM) (Ayala, 2015 citado por Quiñones et al., 2016).Por otro lado, los parámetros y rangos mínimos que deben cumplir los abonos líquidos orgánicos son: pH (5.4-7,0), nitrógeno (N> 700 mg/L ), fosforo (P>170 mg/L), potasio (K > 1 300 mg/L) y calcio (Ca> 1 800 mg/L), estos fueron considerados por Suarez (2009). 4.12. Mejor relación de mezcla La mejor relación es aquel tratamiento que genera mayor cantidad de biogás y abono líquidos orgánico de buena calidad. Esto se determinó comparando entre los tratamientos 4.13. Análisis estadístico La presente investigación es de carácter experimental con un diseño completo al azar (DCA) con cuatro (4) tratamientos y tres (3) repeticiones cada uno. Se utilizo IBM SPSS Statistics 28 para el procesamiento de datos. 50 Se realizo el análisis de varianza (ANOVA) para evaluar los parámetros medidos durante el proceso anaeróbico (pH y temperatura), de la misma manera para el contenido de nutrientes. Los resultados que pasaron la prueba de normalidad se les hizo la prueba de Tukey para varianzas iguales; T3 de Dunnett para varianzas diferentes. Por el contrario, se realizó la prueba no paramétrica de Kruskal-Wallis para los que no pasaron la normalidad. 5. RESULTADOS 5.1. Resultados de los parámetros analizados in situ 5.1.1. Resultados del comportamiento del pH Los resultados de la variación de pH durante 104 días se muestran en el Apéndice C1, en el cual se ha colocado los valores promedios de cada tratamiento por semana y repetición. El primer día de preparación de las mezclas los valores iniciales de pH fueron 4.38 y 5.87, estos valores iniciales pertenecen al control (T0) y T3 respectivamente. Durante el monitoreo se observó disminución de pH en todas las muestras. El T3 obtuvo el más alto valor de pH que los demás tratamientos excepto en la semana 1 y semana 2. Mientras tanto, el T2 y T1 registraron valores iniciales de 5.55 y 4.92 y llegaron hasta 3.31 y 3.18 respectivamente. Finalmente, el control (T0) llegó hasta 3.09. El comportamiento de los valores de pH de durante 15 semanas de las cuatro muestras se observan en la Figura 9, todos iniciaron con un pH por debajo de 6, lo que indica que son ácidos. Los valores de pH de todos los tratamientos fueron disminuyendo drásticamente en las semanas posteriores, pero en la semana 12, 13 y 14 tuvo un ligero aumento en todos los tratamientos y en la semana 15 disminuyeron. Los análisis estadísticos indicaron que existe diferencias significativas (f=747,881; p=0.000) entre los tratamientos en el comportamiento semanal del pH. La prueba Tukey demostró que 51 todos los tratamientos son estadísticamente diferentes con un nivel de significancia de 0.000 (Apéndice C2). Figura 9. Comportamiento del pH según los tratamientos 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 Tiempo T0 T1 T2 T3 5.1.2. Resultados del comportamiento de la temperatura Los resultados de la variación de temperatura promedio durante 15 semanas de los tratamientos (T0, T1,T2 y T3) se muestran en el Apéndice C3. La temperatura interna de los biodigestores al inicio fue menores a 20°C de todos los tratamientos, puesto que recién se había sellado los reactores anaeróbicos; durante la experimentación se mantuvo en el rango mesofílico (20-28 °C), este se logró debido al uso de un invernadero que mantuvo la temperatura por encima de los 20°C. El invernadero permitió que los biodigestores mantengan temperaturas adecuadas para que la materia orgánica sea más soluble y este a la vez aumenta la rapidez de la digestión anaeróbica, caso contrario el proceso hubiese demorado más (FAO, 2019; PNUD, FAO, GEF, 2011). 52 pH La Figura 10 muestra los cambios de temperatura durante el proceso anaeróbico. Como se puede observar, los tratamientos tienen temperaturas similares con una tendencia ascendente y luego descendente. La temperatura máxima se registró en la semana 4 para T1,T2 y T3 , este último registro 27.67°C, seguido del T2 con 27.42°C y T1 con 26.17. Sin embargo, T0 alcanzó la máxima temperatura (25.30 °C) en la 5ª semana. En general todos obtuvieron menores valores en las siguientes semanas. Figura 10. Comportamiento de la temperatura según los tratamientos Tiempo T0 T1 T2 T3 Al realizar la prueba estadística ANOVA se encontró diferencias significativas entre tratamientos para la temperatura y la prueba Tukey demostró que T0-T2 son significativamente diferentes (0.004), lo mismo ocurrió con T1-T2 (0.003). En cambio, T3 no presenta diferencias con T2, T1 y T0 (Apéndice C4). 53 Tíemperatura (°C 5.2. Resultados de la cantidad de producción de biogás La producción promedio y el volumen acumulado semanal de biogás de los tres tratamientos y el control se presenta en el Apéndice C5. Es importante señalar que el volumen de producción semanal es el promedio de generación de biogás diario por semana. Mientras tanto, el volumen de acumulación de biogás es la suma de generación de biogás durante la experimentación. La combinación que genera mayor producción de biogás corresponde al T3, que tiene más estiércol animal en comparación con los demás tratamientos. 5.2.1. Volumen de producción de biogás por semana La generación semanal promedio de biogás se muestra en la Figura 11 de los cuatro tratamientos. Los resultados presentan mayor producción de biogás en la primera semana. En la semana 3 todos los tratamientos alcanzan la máxima producción en litros; en las semanas posteriores comienzan a decaer. La prueba estadística ANOVA indica que los tratamientos son significativamente diferentes para la producción promedio de biogás semanal (f=6,116; p=0.018) y la prueba Tukey demostró que el T0 es significativamente diferente al T3 (p=0.012). Mientras que T1 y T2 no presentan diferencias significativas entre sí y tampoco con T0 y T3 (Apéndice 6). 54 Figura 11. Comportamiento semanal de la producción de biogás T0 T1 T2 T3 12 10 8 6 4 2 0 Tiempo 5.2.2. Volumen acumulado de biogás La acumulación de biogás producido según cada tratamiento durante 15 semanas de operación del biodigestor se aprecia en la Figura 12. Los resultados muestran que el T3 produjo mayor cantidad de biogás seguido del T2, T1 y T0. Por lo tanto, el orden de producción total de biogás para cada tratamiento es T0< T1 < T2 T2 > T1 > Control, lo que podría deberse a que el estiércol aporta con nutrientes y su pH más elevado podría disminuir la acides del lactosuero. Además, Castro-Molano et al. (2019) indican que el estiércol de bovino requiere un co-sustrato para aumentar su rendimiento de biogás, ya que alcanza el estado estacionario luego de 10 días. Además, este sustrado de bovino tiene bajo rendimiento de metano que el estiércol de porcino y equino. Por esta razón, se puede inferir al hacer mezclas de lactosuero con estiércol de equino o porcino podría generarse mayor cantidad de biogás. 77 6.3. Relación C/N Al finalizar el proceso anaeróbico, la relación C/N aumentó en todos los tratamientos y se encontraron valores desde 38.02 hasta 43.38, que son T0 y T1, respectivamente. Según Bella y Venkateswara Ro (2022), la relación C/N del lactosuero es alta que las aguas residuales, esto representa el bajo contenido de nitrógeno del lactosuero. Por ello es importante hacer una Co-digestión del lactosuero con sustratos ricas en nitrógeno, ya que puede ayudar a generar relaciones óptimas de C/N. Por otro lado, Quiñones et al. (2016) menciona que cuando la relación C/N es óptima (entre 20:1 y 30:1), se puede lograr suficiente crecimiento microbiano y digestión de la materia orgánica. Si la proporción es más amplia, como 40:1, el crecimiento microbiano se inhibe debido a la falta de nitrógeno (Soria et al., 2000; citado por Carhuancho, 2012). En esta investigación la relación de C/N fue más alta que la relación óptima, podríamos señalar que los microorganismos se hayan inhibido por falta de nitrógeno. 6.4. Calidad de abonos líquidos orgánicos 6.4.1. Enumeración de coliformes fecales Los coliformes fecales se han reducido al finalizar el proceso anaeróbico a <3 (NMP/mL) en todos los tratamientos luego de 15 semanas. Estos resultados coinciden con lo que reportó Jordán (2021), quien utilizó suero salado con estiércol de cuy y luego de 64 días TRH la enumeración de coliformes fecales se redujo. E. coli es la especie más predominante de los coliformes fecales y es utilizado como indicador de contaminación fecal (Bres, 2019). El tiempo de fermentación ayuda a disminuir los niveles de coliformes totales y fecales (Gallegos Llerena y Bustos Urquizo, 2019). Asimismo, las concentraciones de coliformes fecales se encuentran debajo de la Norma de Calidad de 78 Agua D.S. N° 004-2017-MINAM para riego de vegetales y bebida de animales (Categoría 3). Estos niveles debajo nos permiten inferir que los bioles obtenidos se han idóneas para aplicar como un biofertilizante, pero también se debe evaluar otros parámetros. 6.4.2. Nutrientes La cantidad de materia orgánica presente y el pH hacen que la composición de los sustratos sea diferente (Bella y Venkateswara Rao, 2022). El control resultó con mayor cantidad de nitrógeno (1,491.33 mg/L), el cual contiene suero al 100%, seguido del T3 (1,308.53 mg/L), este contiene mayor cantidad de estiércol. Según Carhuancho (2012), el biol a base de gallinaza en jaula y piso presenta concentraciones elevadas de nitrógeno tales como 1,708 mg/L y 1,813 mg/L respectivamente a causa del pH bajo, el contenido de nitrógeno de gallinaza no se ha perdido. Se puede afirmar que el pH interfiere en la cantidad de nitrógeno, ya que, a menor pH, mayor concentración de nitrógeno, lo que ocurrió con el control (lactosuero al 100%), que presentaba valores mínimos de pH y valores más altos de nitrógeno. Considerando lo señalado de Suarez (2009), que la cantidad de nitrógeno debe ser mayor a 700 ml/L podemos afirmar que todos los tratamientos cumplen con ello. En la cantidad de fósforo, se obtuvo el T2 es el que tiene mayor (482.59 mg/L), seguido de T3 (481.55 mg/L). Sin embargo, T1 y T0 contienen menor cantidad de fósforo. Según Jordán Bouchon (2022), se encontró como resultado que el contenido de fósforo está relacionado con la cantidad de estiércol. Por otro lado, Torres (2013), señala que los biofertilizantes líquidos de estiércol de vacuno presentan 335.6 mg/L de concentración de fósforo de casi cercanos a esta investigación. Al comparar nuestros resultados con lo 79 propuesto de Suarez (2009), donde fosforo debe ser mayor a 170 mg/L para biofertilizantes líquidos, todos los tratamientos cumplen con lo señalado. Con respecto al contenido de potasio, este fue incrementando a medida que se aumenta el estiércol de vacuno, por lo que T0 contiene menor concentración de K (1,213.3 mg/L), mientras que T3 mayor cantidad (1,466.67 mg/L). Este resultado es similar a lo que reporto Jordán Bouchon (2022), donde el aumento del contenido de K coincide con la adición de estiércol, es decir los tratamientos con cantidades mayores de estiércol presentaron mayor concentración de K como en el T5 (K=2,155.83 mg/L) y obtuvo una tendencia decreciente a creciente del siguiente orden T5>T4>T3>T2>T1. Al comparar con lo propuesto de Suarez (2009), donde el Potasio (K) debe ser mayor a 1,300 mg/L. El T0 no cumple con lo señalado, mientras que los T1, T2 y T3 sí cumplen. En las concentraciones de Ca y Mg se obtuvo que el T3 presenta cantidades mayores de Ca y Mg y fue del siguiente orden: T3>T2>T1>T0, esto coincide con la adición de estiércol. Al comparar estos resultados con lo obtenido por Garavito (2018), quien indica que la concentración de nutrientes de Ca, Mg y Na aumentan al incrementar la cantidad de estiércol de vaca. Lo mismo señala Jordán Bouchon (2022), quien indica que los valores de K, Ca y Mg se incrementa al aumentar la cantidad de estiércol de cuy, pero a mayor cantidad de lactosuero salado el Na aumenta. En esta investigación el Na se presentó en bajas proporciones para el que contenía mayor cantidad de estiércol y para e que contenía mayor cantidad de suero. Se puede concluir que la elevada proporción de estiércol disminuye el contenido de Na, lo mismo ocurre si se incrementa la cantidad de lactosuero. Según los resultados se puede inferir que el estiércol de bovino contiene mayor cantidad de nutrientes de Ca y Mg que el lactosuero. Según Suarez (2009) para biofertilizantes 80 líquidos el calcio debe ser mayor a 1800 mg/L, al respecto ningún de los tratamientos de esta investigación cumple con lo señalado. La concentración de Cu en esta investigación se encuentra entre de 1000 a 0.2800 mg/L y la de Zinc en el rango de 0.2333 a 2.0067 mg/L. Al comparar con la Normativa Chilena NCh2880.Of2004 para compost clase A, donde establece que como mínimo las concentraciones de Cu y Zn de 100 y 200 mg/kg respectivamente. Por lo tanto, podemos afirmar que el biol obtenido es de clase A y su uso pude ser sin restricciones. 7. CONCLUSIÓN El suero de queso tiene la capacidad para producir biogás, pero tiende acidificarse rápidamente. La cantidad de producción de biogás por tratamiento fue del siguiente orden T0 < T1 < T2 < T3; obteniéndose valores de, 62.35 L, 67.53 L,69.55L y 75.56 L. La generación de biogás aumento con la adición de estiércol de bovino. El T3 genero mayor cantidad de biogás y alto valor de pH, mientras que T0, monodigestión del suero resulto con menor producción de biogás y bajo pH. Es necesario controlar el pH, puesto que este disminuye la cantidad de CH4 y mayor acumulación AGVs. Con respecto a la calidad del abono líquido orgánico (T1, T2 y T3), contienen nutrientes de NPK dentro de los rangos establecidos. Los tratamientos T0, T1, T2 y T3 cumplieron con la cantidad de nitrógeno (> 700 mg/L) y fósforo (> 170 mg/L), pero con respecto al potasio (K> 1300 mg/L), T1, T2 y T3 cumplen y solo T0 no cumple, puesto que la cantidad de K es inferior. La cantidad de Ca (>1800 mg/L) ningún tratamiento cumplió con el rango mínimo. Según las concentraciones de Cu y Zn y la clasificación para abono orgánico de acuerdo a la Norma Chilena (NCh2880.Of2004), el biol pertenece al abono tipo A sin restricción en su uso. Todos los tratamientos presentan coliformes fecales <3 al finalizar 81 el proceso, cumpliendo con lo señalado en el D.S.N° 004-2017-MINAM; indicando idoneidad para aplicar como un biofertilizante. El pH de todos los tratamientos fue inferior al rango establecido tratamientos (pH =5.4-7.0). El pH ácido del biol puro permite la conservación más prologada del biol, en tanto que el pH aumenta al mezclarse con agua antes de su aplicación en cultivos. La mayor generación de biogás se obtuvo al realizar Co-digestión de 70% de lactosuero con 30% de estiércol, que corresponde al T3, quien contiene mayor cantidad de estiércol que todos los tratamientos. Los abonos líquidos orgánicos (T1, T2 y T3) obtenidos cumplieron con los rangos mínimos establecidos por Suarez para nutrientes de NPK. La mejor relación entre estiércol y lactosuero es aquel que contiene mayor cantidad de estiércol, que vendría a ser el T3 y menor cantidad de suero de queso. Finalmente, se concluye que la generación de biogás y abonos líquidos orgánicos a partir de los residuos agropecuarios puede ser una opción para minimizar la contaminación ambiental de las industrias de queseras y al convertir las mezclas del lactosuero con estiércol de bovino en biofertilizante y biocombustible es un modelo de economía circular. 82 8. RECOMENDACIONES • Medir la cantidad y calidad de biogás generado al combinar el lactosuero y estiércol de bovino. • Considerar utilizar más cantidad de estiércol con agua o agregando oxido de calcio para tener un pH optimo, ya que la acides ocasionado por el lactosuero puede inhibir el sistema. • En climas fríos utilizar invernaderos para mantener temperaturas estables en el proceso de digestión anaeróbica. • Realizar ensayos de germinación antes de aplicar el biol y así encontrar la dosis adecuada para utilizar como biofertilizante. 83 9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abaigar, A., (2009). 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Materia Orgánica dS deciSiemens Mn Manganeso Número más pH Potencial hidrogeno NMP N Nitrógeno probable PVC Policloruro de vinilo t o tn Tonelada Na Sodio Tiempo de retención TRH NH3 Amoníaco hidráulica + Nitrógeno N-NH4 amoniacal P Potasio Zn Zinc B Boro 90 11. APÉNDICES Apéndices A. Procedimiento para la construcción de los biodigestores Se utilizaron 12 bidones de plástico con capacidad de 240 litros para construir biodigestores del tipo Batch a este se le acoplo accesorios y se utilizaron materiales que se detalla en la Apéndice A1. Primero, se lavaron los bidones y luego se realizó tres orificios en los biodigestores; para esto se utilizó un taladro. Dos de los agujeros se hicieron en la parte superior de la tapa del biodigestor que corresponde a la salida del biogás y el homogenizador; para la salida del biol o abono líquido se perforo en la parte inferior lateral a 26 centímetros de la base. La perforación para la salida del biogás se realizó en el extremo de la tapa, para ello, se utilizó materiales de media pulgada (½”) de espesor, que está compuesto por un niple de PVC, que se fijó a la tapa de cada uno de los biodigestores con la ayuda de silicona y teflón, para asegurar que no haya emanación de biogás y no se dañe la tapa se ha colocado una empaquetadura de metal y por debajo de la tapa se ajustó con un contratuerca y empaquetadura de goma; luego al niple se le acoplo una válvula esférica de ½” para el control del flujo, a esto se le adhirió un adaptador de lengüeta de manguera ( ½”x ¼”), donde se unió la manguera de alta presión de ¼” hasta otra válvula esférica que por sus dos aperturas estuvo unida a dos adaptadores de lengüeta de manguera y este fue unida con las cámaras de almacenamiento (cámara de llanta de moto) posteriormente se aseguró con abrazaderas de un ¼”. Para la descarga del biol o abono líquido orgánico se utilizaron accesorios de una pulgada (1”), se realizó un agujero de 1” en un costado del cilindro, a una altura de 0.26 metros de la base inferior, se colocó un niple (1”x 5cm), el cual se ajustó con una 91 contratuerca y empaquetadura de goma por el interior del bidón y por y por el exterior fue unida a un empaque de goma para evitar fugas y luego a una válvula esférica, esta última se unió a otro niple. Por último, se instaló el homogenizador en la parte céntrica de la tapa considerando el espacio de los biodigestores. En el agujero de la tapa se colocó un adaptador de tanque de 1”, luego por el exterior de la tapa del bidón se acoplo a un niple de 1”x15cm mediante una unión de 1” y en la parte inferior de este niple se colocó un tapón hembra de 1” para evitar fugas de biogás. Al interior de la tapa del bidón se unió a un niple de 1"x40 cm y este aun reductor de 1”x 3/4” (usada para mover el agitador para homogenizar la muestra); al interior de este paso un tubo de ½” en forma de T invertida para este último se utilizó un tubo de ½”x1m que fue unido a una tee de PVC de ½”, a dos niples de ½”x 20 cm y a dos codos que estuvieron acoplados a otros dos niples de ½”x8cm formando una T invertida. Para evitar la acumulación de sustrato en los orificios de los niples se colocó tapones hembra en cada extremo. Las uniones se realizaron con la ayuda de cinta teflón y silicona negra de auto. Al final de la construcción de los biodigestores se verifico la inexistencia de fuga de gas y biol, mediante la prueba de hidrostática utilizados por Narváez y Saltos (2007), que consiste en llenar agua a los biodigestores y así evitar pérdidas. Apéndice A1. Materiales utilizados para construir el biodigestor de 240 L Biodigestor de 240L Materiales Cantidad Cinta teflón de 1" 6 Cinta teflón de 1/2" 10 Silicona negra de autos 6 Formador de empaquetaduras N°1 3 Generales Taladro 1 Cilindro de 240 litros 12 Terraja de 1/2" y de 1" 1 Desarmador plano 1 Hoja de cierra 1 92 Lija 1 Flexómetro 1 llave stilson 2 Niple hidro de 1/2" X2-1/2" (6 cm) 12 Empaquetadura de metal 1/2" 12 Empaquetadura de goma 1/2" 12 Contra tuerca grifesa 1/2" 12 Válvula esférica roscada de PVC de 1/2" 24 Salida del biogás Adaptador de bronce de lengüeta de manguera 36 1/4" X 1/2" Manguera de alta presión 1/4" X 1m 12 Manguera de alta presión 1/4" X 15 cm 12 Cámaras de llanta de moto 12 Abrazadera para manguera 1/4" 36 Niple de 1"X5cm 24 Salida del biol o abono Empaquetadura de goma de 1" 24 liquido orgánico Válvula esférica roscada de PVC de 1" 12 Contratuerca de 1" 12 Unión con rosca de 1 " 12 Adaptador para tanque de 1" 12 Niple de 1"X 15 cm 12 Tapón hembra de 1" 12 Niple de PVC 1"x 40 cm 12 Anillo reductor de 1"x3/4" 12 Homogenizador Tubo de PVC de 1/2"X 1m 12 Tapón hembra de 1/2" 24 Codo rosca de PVC de 1/2" 24 Niple de PVC de 1/2"X 8 cm 24 Niple de PVC de1/2"X 20 cm 24 Tee de PVC de 1/2" 12 Apéndices B. Procedimiento para la construcción de un gasómetro artesanal Para medir el volumen del biogás se ha construido un gasómetro artesanal. Se utilizó el método de desplazamiento de volumen o también llamado Principio de Arquímedes. En esta investigación se utilizó un bidón de 15 litros de capacidad al cual se le hizo tres perforaciones de ½” en la tapa, los cuales fueron para la entrada del biogás, para salida del agua desplaza y para agregar agua (cada vez que sea necesaria). Además, se utilizó un inflador de pie marca INTEX que tiene dos entradas y dos funciones de inflar y desinflar. La primera entrada, fue conectada mediante una manguera de drenaje de 93 lavadora al bidón y la segunda a la cámara de llanta de moto para aspirar el biogás acumulado para ello se utilizó una manguera y una llave de paso que por un extremo estuvo adherida a una lengüeta de manguera que fue unida con la cámara de llanta. Se utilizo abrazaderas para asegurar las mangueras. Los materiales utilizados se describen en el Apéndice B1. Apéndice B1. Materiales utilizados para el gasómetro artesanal Materiales para el gasómetro artesanal Cantidad Bidón de 15 litros 1 Inflador Manual Intex 1 Manguera transparente de 1/4" x50 cm 1 Manguera transparente de 1/4" x1 m 1 Válvula esférica roscada de PVC de 1" 1 Manguera drenaje de lavadora 1 Contra tuerca grifesa 1/2" 2 Empaque de goma 1/2" 2 Niple de PVC de 1/2" X2-1/2" (6 cm) 2 Empaquetadura de metal 1/2" 3 Adaptador macho de PVC de 1” x 1/2" 1 Adaptador de bronce de lengüeta de manguera ¼" X ½” 4 Válvula esférica roscada de PVC de 1/2" 1 Adaptador regulador de gas ½” 1 Manguera de alta presión 1/4" X 15 cm 2 Abrazadera para manguera 1/4" 5 Abrazadera para manguera 1" 2 Balde de 10 litros 1 Apéndices C. Cuadros de promedios de parámetros y cuadros estadísticos Apéndice C1. Variación de pH promedio semanal de los tratamientos pH Tiempo T0 T1 T2 T3 Lectura inicial 4.38 4.92 5.55 5.87 Semana 1 4.45 4.58 4.54 4.57 Semana 2 3.71 3.79 3.85 3.84 Semana 3 3.34 3.55 3.59 3.60 Semana 4 3.25 3.40 3.47 3.50 Semana 5 3.12 3.31 3.34 3.42 Semana 6 3.08 3.28 3.33 3.39 Semana 7 3.08 3.25 3.30 3.44 Semana 8 3.13 3.25 3.29 3.43 Semana 9 3.03 3.18 3.24 3.40 Semana 10 3.07 3.21 3.28 3.47 Semana 11 3.05 3.17 3.28 3.46 94 Semana 12 3.14 3.24 3.35 3.56 Semana 13 3.13 3.27 3.37 3.60 Semana 14 3.17 3.30 3.40 3.62 Semana 15 3.09 3.18 3.31 3.50 Apéndice C2. Prueba Estadística de Tukey al comparar los promedios semanales de pH Tratamiento N Promedio de pH p T0 (suero 100%) 3 3.3267 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 3.4900 b T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 3.5967 c T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 3.7300 d Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C3. Temperatura promedio semanal de los tratamientos TEMPERATURA (°C) TIEMPO T0 T1 T2 T3 LECTURA INICIAL 16.35 18.17 19.83 19.17 SEMANA 1 20.33 20.35 20.72 22.33 SEMANA 2 23.27 22.50 22.40 21.85 SEMANA 3 22.80 22.95 22.90 23.35 SEMANA 4 23.68 26.17 27.42 27.67 SEMANA 5 25.30 25.75 27.22 27.13 SEMANA 6 22.88 24.17 25.08 24.60 SEMANA 7 22.17 23.33 24.57 24.23 SEMANA 8 23.20 23.70 25.03 24.93 SEMANA 9 22.22 22.65 23.52 22.90 SEMANA 10 22.10 21.17 21.17 21.45 SEMANA 11 22.45 22.88 23.85 22.40 SEMANA 12 21.05 21.52 22.58 20.63 SEMANA 13 21.32 22.03 23.40 22.35 SEMANA 14 22.20 22.40 23.60 20.73 SEMANA 15 22.30 22.70 22.83 20.37 Apéndice C4. Prueba Estadística de Tukey al comparar los promedios de temperatura Promedio de T Tratamiento N (°C) p T0 (suero 100%) 3 22.2533 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 22.6533 a T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 23.5033 b T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 22.8833 ab 95 Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C5. Volumen promedio por cada semana y volumen acumulado de biogás Volumen promedio por semana (L) Volumen acumulado por semana (L) TIEMPO T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 LECTURA INICIAL nd* nd nd nd 0.00 0.00 0.00 0.00 SEMANA 1 2.49 3.67 5.89 7.23 2.49 3.67 5.89 7.23 SEMANA 2 5.26 5.10 5.98 9.08 7.75 8.77 11.86 16.32 SEMANA 3 9.05 8.21 8.91 10.06 16.80 16.98 20.77 26.38 SEMANA 4 4.96 5.84 5.82 6.77 21.76 22.82 26.59 33.14 SEMANA 5 6.87 8.05 7.00 6.31 28.63 30.87 33.59 39.45 SEMANA 6 6.28 6.60 6.52 6.00 34.91 37.47 40.11 45.45 SEMANA 7 ND ND ND ND 34.91 37.47 40.11 45.45 SEMANA 8 4.89 5.22 5.45 5.27 39.80 42.68 45.55 50.71 SEMANA 9 4.27 4.60 4.43 4.77 44.07 47.28 49.99 55.48 SEMANA 10 4.00 4.26 4.12 4.18 48.07 51.55 54.10 59.66 SEMANA 11 4.19 4.89 4.88 5.17 52.26 56.44 58.98 64.84 SEMANA 12 3.69 3.73 3.51 3.66 55.95 60.17 62.49 68.50 SEMANA 13 3.75 4.32 4.29 4.47 59.70 64.49 66.77 72.97 SEMANA 14 1.56 1.74 1.63 1.48 61.26 66.23 68.40 74.44 SEMANA 15 1.08 1.30 1.15 1.12 62.35 67.53 69.55 75.56 Nota: ND * no determinado Tratamiento 0 (control): Suero 100% Tratamiento 1,2,3: Mezcla de estiércol y suero (suero al 90%, 80%, 70%) Apéndice C6. Prueba Estadística de Tukey al comparar los promedios semanales de biogás Promedio de Tratamiento N biogás (L) p T0 (suero 100%) 3 4.4533 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 4.8200 ab T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 4.9667 ab T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 5.3967 b Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas). Apéndice C7. Prueba Estadística de Tukey al comparar la acumulación de biogás Promedio de acumulación Tratamiento N de biogás p T0 (suero 100%) 3 62.3500 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 67.5267 ab T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 69.5533 ab 96 T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 75.5600 b Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C8. Relación Carbono/Nitrógeno de los tratamientos al inicio y final del proceso anaeróbico RELACIÓN C/N TRATAMIENTOS INICIAL FINAL T0 24.12 38.02 T1 21.38 43.38 T2 24.73 41.76 T3 20.94 38.04 Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C9. Prueba Estadística de Tukey al comparar los promedios de pH entre los tratamientos Tratamiento N Promedio de pH p T0 (suero 100%) 3 3.2600 a T1 (suero 90%+ estiercol 3 3.3567 10%) b T2 (suero 80%+ estiercol 3 3.4733 20%) c T3 (suero 70%+ estiercol 3 3.6833 30%) d Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C10. Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de Nitrógeno Tratamiento N Promedio de N Total (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 1491.3333 a T1 (suero 90%+ estiercol 3 10%) 1099.4667 b T2 (suero 80%+ estiercol 3 20%) 1254.4000 ab T3 (suero 70%+ estiercol 3 30%) 1308.5333 ab Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C11.Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de Fosforo Tratamiento N Promedio P (mg/L) p 97 T0 (suero 100%) 3 382.1333 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 421.4900 ab T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 482.5900 b T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 481.5533 b Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C12. Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de Potasio Tratamiento N Promedio K (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 1213.3333 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 1320.0000 ab T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 1380.0000 ab T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 1466.6667 b Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C13. Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de calcio Tratamiento N Promedio Ca (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 273.3333 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 515.3333 b T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 823.3333 c T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 994.6667 c Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C14. Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de magnesio Tratamiento N Promedio Mg (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 69.3333 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 112.0000 b T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 163.4000 c T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 212.0000 d 98 Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C15. Prueba estadística ANOVA de un factor al comparar el contenido de sodio Tratamiento N Promedio Na (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 372.0000 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 382.0000 a T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 385.3333 a T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 367.3333 a Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C16. Prueba estadística ANOVA de un factor al comparar la relación de C/N Promedio C/N Tratamiento N (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 38.0233 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 43.3767 a T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 41.7567 a T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 38.0433 a Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C17. Prueba Estadística T3 de Dunnet al comparar el contenido de hierro Tratamiento N Promedio Fe (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 0.9200 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 10.6667 b T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 23.0933 c T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 33.5733 d Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C18. Prueba Estadística T3 de Dunnet al comparar el contenido de Zinc Tratamiento N Promedio Zn (mg/L) p 99 T0 (suero 100%) 3 0.2333 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 0.7000 a T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 1.4400 b T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 2.0067 c Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C19. Prueba Estadística T3 de Dunnet al comparar el contenido de Manganeso Tratamiento N Promedio Mn (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 0.1200 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 2.1867 b T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 5.3867 c T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 8.1400 d Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C20. Prueba Estadística de Tukey al comparar el contenido de Boro Tratamiento N Promedio B (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 15.6667 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 24.3333 ab T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 35.3333 bc T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 46.3333 c Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndice C21. Prueba Estadística Kruskal-Wallis al comparar los tratamientos con el contenido de Cu Tratamiento N Promedio Cu (mg/L) p T0 (suero 100%) 3 0.1000 a T1 (suero 90%+ estiercol 10%) 3 0.1133 a 100 T2 (suero 80%+ estiercol 20%) 3 0.2400 a T3 (suero 70%+ estiercol 30%) 3 0.2800 a Nota: N: Número de repeticiones. p: nivel de significancia en prueba Tukey (letras iguales en la misma línea indican ausencia de diferencias significativas/letras distintas en la misma línea indican diferencias significativas). Apéndices D. MATRICES DE VARIABLES Y CONSISTENCIA Apéndice D1. Operacionalización de variables VARIABLE DEFINICIÓN CONCEPTUAL DEFINICIÓN OPERACIONAL -El lactosuero o suero de leche es el líquido obtenido luego de la coagulación de la leche por la acción de enzimas tipo cuajo (digestivas de los rumiantes, -El suero de leche contiene todos los componentes que no se integran en renina) o por ácidos en la la coagulación de la caseína, este representa el 80 a 90% del volumen elaboración de quesos (NTE INEN total de la leche utilizada y retiene el 50% de los nutrientes de la leche 2594:2011; Poveda, 2013). El original (Valencia y Ramírez, 2009; Arce et al., 2016); su composición suero es translucido de color Uso de suero varía de acuerdo al origen de la leche, al tipo de queso elaborado y la verde amarillento por el de queso y tecnología utilizada (Valencia y Ramírez, 2009). contenido de riboflavina (Arce, estiércol de -Según Cordero (2013), la producción y características químicas del Thompson, Calderón, 2016). bovino estiércol dependen de la genética, dieta del animal y la edad (bovinos de - Es el excremento que proviene engorde, becerros de engorde, vacas de lactación, vacas secas, becerras del ganado vacuno, este se lactantes, etc.). Las vacas de lactación defecan 68kg/día y con 87% de alimenta principalmente de humedad y estos contienen N:0,45 kg/día/animal, P:0,078 y K: 0,103 pasturas o forraje, que es típico de (ASAE, 2005 citado por Cordero, 2013). los animales herbívoros. Por esa razón, la composición de sus excrementos es principalmente fibras y agua (Arellano, Cruz y Huertas, 2014). Variable Dimensiones Indicadores · Ayuda a reducir los niveles de contaminación Digestión anaeróbica Uso del suero · Permite valorizar el suero en diferentes materias de queso y ·Elimina la alta demanda química de Oxigeno (DQO) y nutrientes estiércol de Contaminación bovino ·Afecta al medio ambiente. Co-digestión de la mezcla del · Mejora su aprovechamiento suero con otros sustratos VARIABLE DEFINICIÓN CONCEPTUAL DEFINICIÓN OPERACIONAL *Es una mezcla de gases y se obtiene del proceso de descomposición, donde se degrada el sustrato orgánico por microorganismos especializados. * La principal composición del biogás es el metano (CH4) y dióxido de El proceso puede llevarse en el carbono (CO2), pero también contiene trazas de otros gases en menor ambiente natural o en reactores cantidad como el sulfuro de hidrogeno (H2S). La composición depende con ausencia de oxígeno (FAO, del material que se va a utilizar para alimentar el biodigestor, la Producción de 2019.) tecnología y también de la temperatura (FAO, 2019). biogás y * En el proceso de digestión abonos líquidos anaeróbica también se produce el *Según Robles et al 2008, el biol contiene hormonas vegetales de orgánicos biofertilizante que por general se crecimiento, los cinco grupos hormonales (adenina, purina, auxina, llama biol, efluente, digestato, giberelina, citocina) que son desechos del metabolismo de digerido, etc. En el proceso de microorganismos y su uso principal es fortalecer el crecimiento de la digestión anaerobia, los planta, raíz y frutos. nutrientes de nitrógeno, fosforo, potasio y otros que se encuentran en el material orgánico se mineralizan y son disponibles para las plantas (Martí-Herrero, 2019). Variable Dimensiones Indicadores Producción de ·Volumen producido de biogás Cantidad de biogás producido. biogás y 101 abonos líquidos Calidad del abono liquido ·Propiedades fisicoquímicas, microbiológicas del abono liquido orgánico. orgánicos orgánico. Apéndice D2 Matriz de consistencia PROBLEMAS OBJETIVOS HIPOTESIS VARIABLES METODOLOGIA Problema general Objetivo general Ho: El efluente Variable independiente El diseño aplicado ha ¿Cómo se Determinar el uso residual de suero sido experimental aprovecharía y del efluente residual de queso y trataría el efluente de suero de queso y estiércol de bovino Y: Uso de suero de queso y Diseño Completo al estiércol de bovino a diferentes azar (DCA) de tres residual de suero de estiércol de bovino utilizando diferentes proporciones tratamientos (T1, T2 y queso en la proporciones en la tiene efectos para Variable T3) y un control (T0), producción de producción de la producción de cada uno de estos con biogás y abonos dependente biogás y abonos biogás y abonos tres repeticiones líquidos orgánicos líquidos orgánicos de líquidos orgánicos. X: Producción de biogás y de calidad? calidad. abonos líquidos orgánicos de Ha: El efluente residual de suero calidad de queso y estiércol de bovino a diferentes proporciones no tiene efectos para la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos. Problemas Objetivos Hipótesis VARIABLES PRUEBA ESTADISTICA específicos específicos específicas ¿Cuál es la cantidad Estimar la cantidad El proceso de 1. Tratamientos: T0, Ninguna del biogás del biogás producido digestión T1, T2 y T3. producido a partir a partir del proceso anaeróbica del 2. Biogás del proceso de de digestión suero de queso y 3. PH digestión anaeróbica del suero estiércol de bovino 4. Temperatura anaeróbica del de queso y estiércol permite producir suero de queso y de bovino. biogás. estiércol de bovino? ¿Cuál es la calidad Analizar la calidad El proceso de 1. Tratamientos: T0, del abono liquido del abono líquido digestión T1, T2 y T3. ANOVA y prueba de orgánico producido orgánico producido anaeróbica suero 2. Macronutrientes y Tukey para abono a partir de la a partir del proceso de queso y Micronutrientes liquido orgánico digestión de digestión estiércol de bovino 3. Coliformes fecales anaeróbica del anaeróbica del suero permite producir 4. PH suero de queso y de queso y estiércol abono liquido estiércol de bovino? de bovino. orgánico de calidad. ¿Cuál es la mejor Determinar la mejor Las diferentes 1. Tratamientos: T0, ANOVA y prueba de relación de mezcla relación de mezcla dosis de mezcla T1, T2 y T3. Tukey para varianzas entre la Co- entre la Co-digestion del suero de 2. Porcentaje (%) de iguales y T3 de Dunnett digestion anaeróbica del suero queso y estiércol mezcla de suero y para varianzas anaeróbica del de queso y estiércol de vacuno estiércol: diferentes y prueba no suero de queso y de vacuno para permiten obtener (100:0, 90:10, 80:20, paramétrica de estiércol de vacuno producir mayor mayor cantidad de 70:30 %) Kruskal-Wallis (no para producir mayor cantidad de biogás y biogás y abono pasaron la cantidad de biogás y abono liquido liquido orgánico normalidad). abono liquido orgánico de calidad de calidad orgánico de calidad? 102 Apéndices E. Informe de los análisis de laboratorio Apéndice E1. Informe de análisis de Relación Carbono/Nitrógeno 103 Apéndice E2. Informe de análisis de coliformes Fecales 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 Apéndice E3. Informe de análisis de materia orgánico 120 121 122 123 Apéndices F. Registro fotográficas Apéndice F1. Descarga de suero de queso al medio ambiente Apéndice F2. Construcción de los biodigestores 124 Apéndice F3. Medición de pH y temperatura Apéndice F4. Medición de biogás y anotación de resultados 125 Apéndice G. Carta de autorización de uso de información de COOPAGRO LTDA. 126 RESOLUCIÓN DIRECTORAL ACADÉMICA DE CARRERA N°103-2020-DACIA-DAFCA-U.CIENTÍFICA. FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Lima 15 de junio de 2020 VISTO: El informe de revisión independiente académica y la aprobación de un Comité de Ética del proyecto de tesis titulado: Aprovechamiento del efluente residual de suero salado de queso en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno - Acora, presentado por: • Nohemi Quispe Apaza CONSIDERANDO: Que, de acuerdo al Reglamento General de la Universidad Científica del Sur y los reglamentos de pregrado para obtener el título profesional de Ingeniera Ambiental en la Facultad de Ciencias Ambientales, se debe desarrollar un trabajo de investigación. Que, de acuerdo a la normativa vigente de la Universidad Científica del Sur, en uso de las atribuciones conferidas al Director Académico de Carrera. SE RESUELVE: Aprobar e inscribir el proyecto de tesis titulado: Aprovechamiento del efluente residual de suero salado de queso en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno - Acora con N° de registro: 445-2019-PRE11, y establecer el inicio del periodo de ejecución del mencionado proyecto. Nombrar al docente/colaborador Luis Abraham Gomero Osorio como asesor para el desarrollo de la tesis en cuestión. Regístrese, comuníquese y archívese. Documento firmado digitalmente Mg. Gonzalo Francisco Flores Roca Director Académico Carrera de Ingeniería Ambiental RESOLUCIÓN DIRECTORAL ACADÉMICA DE CARRERA N° 019 -2023-DACIA-DAFCA-U. CIENTIFICA FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Lima 06 de febrero de 2023 VISTO: La solicitud presentada por: Nohemi Quispe Apaza con el fin de modificar el título de la tesis: Aprovechamiento del efluente residual de suero salado de queso en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno -Acora por “Aprovechamiento del efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno-Cabana” CONSIDERANDO: Que, de acuerdo con lo dispuesto en las Normas y Procedimientos de los Trabajos de Investigación para la Obtención de Títulos Profesionales y Grados Académicos, se admite el cambio del título de la tesis dados motivos que justifican el cambio. Que, de acuerdo a la normativa vigente de la Universidad Científica del Sur, en uso de las atribuciones conferidas al Director Académico de Carrera. SE RESUELVE: Aprobar el cambio del título de la tesis titulada Aprovechamiento del efluente residual de suero salado de queso en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno -Acora“ por “Aprovechamiento del efluente residual de suero de queso y estiércol de bovino en la producción de biogás y abonos líquidos orgánicos de una planta en Puno-Cabana” Regístrese, comuníquese y archívese, Dr. Gonzalo Francisco Flores Roca Director Académico Carrera de Ingeniería Ambiental