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Eficiencia del biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de residuos s�lidos fermentables

 

Efficiency of the biodigester at scale for the production of biogas and biofertilizer from fermentable solid waste

 

Efici�ncia do biodigestor � escala para a produ��o de biog�s e biofertilizante a partir de res�duos s�lidos ferment�veis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: pachistachislutea@gmail.com

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 15 agosto de 2025 *Aceptado: 28 de septiembre de 2025 * Publicado: �31 de octubre de 2025

 

        I.            Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, Ecuador.

      II.            Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, Ecuador.

 

Resumen

La producci�n de basura en instituciones de educaci�n superior sin planes de manejo y aprovechamiento energ�tico se ha convertido en un problema ambiental. En este sentido, en el Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, se investig� la eficiencia de un biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de residuos s�lidos fermentables. Metodolog�a empleada dise�o experimental de series cronol�gicas con repetici�n de est�mulo, enfoque cuantitativo y descriptivo. Se evaluaron tres sustratos diferentes para determinar el tratamiento m�s eficiente en la producci�n de biog�s y biofertilizantes. El an�lisis estad�stico inferencial se realiz� con los programas Microsoft Excel e InfoStat. Los resultados revelaron 4.9 kg de generaci�n per c�pita. Los biodigestores prototipo mantuvieron par�metros ambientales �ptimos durante las etapas de hidr�lisis y metanog�nesis. El tratamiento que combinaba residuos s�lidos fermentables y esti�rcol vacuno en proporci�n (50:50) fue el m�s eficiente en la producci�n de biog�s y biofertilizantes. A trav�s del an�lisis de generaci�n de residuos s�lidos fermentables y eficiencia de producci�n anaer�bica, se seleccion� el modelo de biodigestor Batch modificado como el m�s adecuado en t�rminos de viabilidad t�cnica, econ�mica y ambiental.

Palabras clave: instituto; digesti�n anaerobia; biodigestor; biog�s; biofertilizantes.

 

Abstract

Waste production at higher education institutions without management and energy recovery plans has become an environmental problem. In this regard, the efficiency of a scaled-down biodigester for biogas and biofertilizer production from fermentable solid waste was investigated at the Martha Bucaram de Rold�s Higher Technological Institute. The methodology employed was a time-series experimental design with repeated stimulus, using a quantitative and descriptive approach. Three different substrates were evaluated to determine the most efficient treatment for biogas and biofertilizer production. Inferential statistical analysis was performed using Microsoft Excel and InfoStat software. The results revealed a per capita generation of 4.9 kg. The prototype biodigesters maintained optimal environmental parameters during the hydrolysis and methanogenesis stages. The treatment combining fermentable solid waste and cattle manure in a 50:50 ratio was the most efficient for biogas and biofertilizer production. Through the analysis of fermentable solid waste generation and anaerobic production efficiency, the modified Batch biodigester model was selected as the most suitable in terms of technical, economic, and environmental viability.

Keywords: institute; anaerobic digestion; biodigester; biogas; biofertilizers.

 

Resumo

A produ��o de res�duos nas institui��es de ensino superior, sem planos de gest�o e valoriza��o energ�tica, tornou-se um problema ambiental. Neste contexto, investigou-se a efici�ncia de um biodigestor � escala reduzida para a produ��o de biog�s e biofertilizante a partir de res�duos s�lidos ferment�veis ​​no Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s. A metodologia empregue foi um desenho experimental em s�rie temporal com est�mulos repetidos, utilizando uma abordagem quantitativa e descritiva. Foram avaliados tr�s substratos diferentes para determinar o tratamento mais eficiente para a produ��o de biog�s e biofertilizante. A an�lise estat�stica inferencial foi realizada com recurso aos softwares Microsoft Excel e InfoStat. Os resultados revelaram uma gera��o per capita de 4,9 kg. Os biodigestores prot�tipos mantiveram par�metros ambientais �timos durante as etapas de hidr�lise e metanog�nese. O tratamento que combinava res�duos s�lidos ferment�veis ​​e estrume de bovino na propor��o de 50:50 foi o mais eficiente para a produ��o de biog�s e biofertilizante. Atrav�s da an�lise da gera��o de res�duos s�lidos ferment�veis ​​e da efici�ncia da produ��o anaer�bia, o modelo de biodigestor em bateladas modificado foi selecionado como o mais adequado em termos de viabilidade t�cnica, econ�mica e ambiental.

Palavras-chave: instituto; digest�o anaer�bia; biodigestor; biog�s; biofertilizantes.

 

Introducci�n

Seg�n el reporte publicado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) entre el 8% y el 10% de las emisiones totales de Gases de Efecto Invernadero (GEI) se asocian al desperdicio de alimentos que no son consumidos a nivel mundial (ONU, 2021). La relevancia y abordaje actual sobre la necesidad ambiental de disminuir la emisi�n de los GEI derivados de la contaminaci�n extensiva e incontrolada atribuida a la p�rdida y desperdicio de alimentos, ha atra�do el inter�s por la generaci�n de fuentes de energ�a renovables provenientes de residuos org�nicos fermentables (Alves et al., 2020; Castillo et al., 2021; Granzotto et al., 2021; Singh et al., 2021).

La Organizaci�n de las Naciones Unidas para la Alimentaci�n y la Agricultura explica que alrededor del 14% de la producci�n alimentaria a nivel mundial se pierde en la industrializaci�n, mientras que el 17% se desperdicia en la venta al por menor y especialmente en los hogares, convirti�ndose en la precursora de graves consecuencias medio ambientales, sociales y econ�micas; afectan a los 3.100 millones de personas que no tienen acceso a una dieta saludable y genera p�rdidas de 400.000 millones de USD anuales (FAO, 2022). Singh et al. (2021) manifiestan que la generaci�n residuos alimentarios es de 74 kg per c�pita anual tanto en pa�ses de renta media como alta, es decir que, cada a�o un tercio de la comida producida a nivel mundial se pierde o desperdicia provocando que la cantidad de desechos org�nicos fermentables sea de aproximadamente 1.300 millones de toneladas.

Seg�n Granzotto et al. (2021) los residuos alimentarios son producidos principalmente en hoteles, restaurantes, hogares, comedores estudiantiles y empresas, los cuales influencian significativamente la composici�n de la basura municipal de los pa�ses y por lo tanto exigen una pol�tica exitosa de gesti�n para cada ciudad o regi�n. En el Ecuador, seg�n el Instituto Nacional de Estad�stica y Censo, el servicio de recolecci�n de residuos s�lidos gestionado por los municipios (Gobiernos Aut�nomos Descentralizados Municipales) alcanza un 88,7% a nivel nacional, en 2020 represent� un promedio de 12.613 toneladas diarias; cuyo 85,6% corresponde a basura no diferenciada y apenas el 14,4% a desperdicios diferenciados, a partir de las cuales se logr� determinar que el 39,5% corresponden a residuos org�nicos. Cabe destacar que el 50,5% de los GADM cuentan con rellenos sanitarios, el 31,4% celdas emergentes y el 18,2% botaderos, donde la mayor�a de los RSU son enterrados sin un adecuada separaci�n o tratamiento (INEC, 2021).

�Para Garc�a et al. (2019) los restaurantes, comedores o cafeter�as escolares son considerados laboratorios id�neos para analizar y mejorar el patr�n de consumo de alimentos. Adeniran et al. (2017) definieron a las universidades como �mini ciudades� debido a la extensi�n territorial y cantidad de personas que conforman las comunidades educativas, las cuales ocasionan efectos sobre el medio ambiente en mayor o menor medida, por ello, han adquirido inter�s por parte del p�blico y audiencias cient�ficas.

En el Ecuador se registran 113.745 alumnos distribuidos en 286 institutos t�cnicos y tecnol�gicos, quienes generan en promedio 0,86 Kg de basura diaria por persona (Mor�n, 2020; SENESCYT, 2020). El Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s - (ISTMBR), no cuenta con planes o programas para el manejo y aprovechamiento energ�tico a partir de los residuos alimentarios que se generan en las instalaciones; atribuido a la falta de laboratorios para la experimentaci�n y/o desarrollo de energ�as renovables. El ISTMBR se encuentra expuesto al riesgo de contaminaci�n ambiental tomando en cuenta que las precipitaciones fluviales de la provincia Sucumb�os son significativas (25-27 d�as/mes), la humedad es alta (83% en promedio), al igual que la temperatura (26 �C-31�C), factores que aceleran la descomposici�n de la materia org�nica fermentable.

La evidencia emp�rica sobre la transformaci�n y aprovechamiento de los restos de comida (residuos org�nicos fermentables) procedentes de instituciones educativas demuestra la atenci�n que ha ganado debido al potencial t�rmico, el�ctrico y fertilizante obtenido mediante la utilizaci�n de tecnolog�as como los biodigestores (Rold�n et al., 2022). Como en el caso del estudio realizado por Wilkie et al. (2015) en tres escuelas de Estados Unidos donde se determin� que el 75% de los residuos de cafeter�a se pod�an recoger y reciclar mediante digesti�n anaer�bica para generar productos finales beneficiosos para el suelo y bioenerg�a. En el Tecnol�gico de Costa Rica se aprovech� el biog�s producido a partir de residuos biodegradables procedentes del restaurante institucional (�vila et al., 2018). Tafase et al. (2018) dise�aron un sistema de cogeneraci�n de electricidad y calor a partir de residuos de cocina del campus de Kito Furdisa del Instituto Tecnol�gico de Jimma (India) permitiendo el uso de agua caliente y gas para estufas en la cafeter�a institucional.

En la misma l�nea, V�squez (2020) analiz� el potencial del biocombustible y biofertilizante producido por digesti�n anaerobia a partir de los residuos de comida de la cafeter�a en CETYS Universidad en M�xico, hallando que el biog�s se traduce como un ahorro respecto al consumo de gas licuado de petr�leo (GLP) y el efluente sirve de nutrientes para las plantas y como regenerador del suelo. Mientras que Singh et al. (2021) utilizaron el esti�rcol de oveja (ES) y residuos de cocina (RG) provenientes de la Escuela de Biotecnolog�a del Instituto Kalinga de Tecnolog�a Industrial (India) como innovaci�n para mejorar la producci�n de biog�s, validando el potencial de biometanizaci�n de sustratos org�nicos. El estudio de Granzotto et al. (2021), desarrollado en la Universidad Federal de Santa Mar�a se convirti� en pionero del uso energ�tico a partir de los residuos org�nicos en restaurantes universitarios de Brasil, adem�s proporciona informaci�n importante para el dise�o de una planta a mayor escala. Finalmente, Coca� (2021) destac� al biodigestor como un recurso did�ctico de aprendizaje en la Universidad Nacional �Jos� Faustino S�nchez Carri�n� mediante el uso de los desechos org�nicos del campus en la obtenci�n de biog�s y bioabonos (biol y biosol).

En ese contexto es importante llevar a cabo la presente investigaci�n para observar de manera amplia y precisa la situaci�n sobre la producci�n de desechos alimentarios (residuos s�lidos fermentables) en el ISTMBR para determinar las mejores acciones de manejo y aprovechamiento bajo la aplicaci�n del biodigestor como una tecnolog�a sostenible que permita el mejoramiento de las condiciones higi�nicas, sociales, econ�micas y medioambientales del campus (Achinas & Euverink, 2019; Canales et al., 2021). Otro de los beneficios del proyecto es la construcci�n de un modelo a escala servir� como material did�ctico de campo para fortalecer los conocimientos te�ricos y pr�cticos en los estudiantes de la carrera de Medici�n y Monitoreo Ambiental sobre tecnolog�as sustentables que minimizan la contaminaci�n de los recursos naturales y permiten la producci�n energ�as renovables, ya que, seg�n (Rold�n et al., 2022). en la actualidad los biodigestores son econ�micos, de f�cil instalaci�n y mantenimiento accesible.

El estudio se plantea con la finalidad de agregar valor a los residuos fermentables que se generan en el ISTMBR mediante el uso de una tecnolog�a ecol�gica a construirse a partir del an�lisis experimental del proceso de digesti�n anaerobia m�s eficiente para la producci�n energ�a renovable (biog�s) y abono (biofertilizante) a ser utilizados para las actividades agr�colas y reemplazo de gas dom�stico en la instituci�n.

Por lo mencionado, el objetivo general de la investigaci�n es analizar la eficiencia de un biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de residuos s�lidos fermentables en el Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, Sucumb�os, Ecuador. Para lo cual, los objetivos espec�ficos u operativos son: Determinar la generaci�n per c�pita de residuos s�lidos fermentables del ISTMBR. Evaluar los par�metros ambientales in situ del proceso de biodigesti�n en prototipos de biodigestor utilizando dosificaciones diferentes de residuos fermentables. Cuantificar la eficiencia de la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de residuos fermentables en los prototipos de biodigestor. Dimensionar un biodigestor a escala adaptado a las condiciones del Instituto como un sistema de manejo y aprovechamiento de residuos fermentables.

 

Metodolog�a

El proceso metodol�gico se efectu� bajo el m�todo cient�fico de acuerdo con la ruta cuantitativa de la investigaci�n de los autores Hern�ndez-Sampieri & Mendoza-Torres (2018), del cual se desprendieron una serie de actividades sistematizadas, es decir, alineadas de manera ordenada y l�gica a los objetivos del presente estudio, a fin de incrementar el conocimiento acerca de los beneficios sobre el manejo y aprovechamiento de residuos s�lidos fermentables mediante digestores anaerobios, aplicando el rigor racional, t�cnicas v�lidas y pruebas estad�sticas.

Dise�o de la investigaci�n

La investigaci�n de acuerdo con el grado de control sobre las variables corresponde a un estudio experimental donde se evalu� el potencial de aprovechamiento de los residuos s�lidos fermentables (RSF) generados en el ISTMBR a trav�s de la tecnolog�a biodigestor. Se ejecut� un experimento donde se evaluaron tres tratamientos en las mismas condiciones ambientales para medir el comportamiento de la variable dependiente (eficiencia del biodigestor) en diferentes proporciones de biomasa: RSF + esti�rcol vacuno, 100:0, 50:50 y 75:25, respectivamente, mientras se control� la variable independiente (factores ambientales del biodigestor) que te�ricamente condicionan la producci�n y calidad de los productos de la digesti�n anaerobia.

Seg�n el origen de los datos en el tiempo se defini� el corte como un dise�o experimental de series cronol�gicas con repetici�n de est�mulo, que tom� lugar en la fase de trabajo de campo, permitiendo analizar los efectos no inmediatos que suponen los par�metros ambientales sobre la producci�n de biog�s y biofertilizante en el proceso de digesti�n anaerobia de un digestor, aplicando la repetici�n del tratamiento experimental en dos ocasiones.

 

Tabla 1 Dise�o experimental de series cronol�gicas m�ltiples

Nota: *R = Asignaci�n al azar, *G = Grupo de sujetos (residuos fermentables del ISPIBMBR), *X = Tratamiento o est�mulo en la variable independiente (dosificaciones del sustrato), *O = Medici�n de la variable dependiente.

 

Se utiliz� el enfoque cuantitativo por medio de la estad�stica inferencial para representar una soluci�n �ptima al problema de manejo y aprovechamiento de residuos s�lidos fermentables generados en el Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s (ISTMBR), mediante el dise�o de un biodigestor a escala para producci�n de biog�s y biofertilizantes. Por lo antedicho, el alcance del conocimiento de la presente investigaci�n es descriptivo.

 

 

Poblaci�n y muestra

Para llevar a cabo esta investigaci�n, se realiz� una delimitaci�n espacial y temporal. El Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s est� ubicado en las coordenadas latitud 0�06'24.5"N y longitud 76�51'54.1"W, a una altitud de 297 metros sobre el nivel del mar, en la parroquia Nueva Loja, perteneciente al cant�n Lago Agrio, provincia Sucumb�os, pa�s Ecuador. El estudio se ejecut� en el per�odo comprendido entre septiembre de 2022 y julio de 2023.

 

Figura 1 Ubicaci�n geogr�fica de la investigaci�n

Nota. Instalaciones del ISTMBR campus Nueva Loja.

 

Para el an�lisis de la composici�n y eficiencia de los residuos s�lidos fermentables en la producci�n de biog�s y biofertilizantes, se consider� como poblaci�n todos los residuos s�lidos urbanos (RSU) generados por las 691 personas que conforman la comunidad educativa, recolectados en el campus del ISTMBR durante 10 d�as laborales (grupos sujetos de estudio).

Mientras que, para la definici�n del tama�o de la muestra se utiliz� el muestreo sistem�tico a trav�s del m�todo de cuarteo para residuos s�lidos propuesto por Klee & Carruth (1970), donde una vez iniciado el proceso de recolecci�n (grupos) todos los residuos que cumplieron con la caracter�stica de ser fermentables tuvieron la misma probabilidad de participar en el experimento, es decir, las muestras participantes fueron seleccionadas al azar de manera representativa (Ver procedimientos).

Variables

Para analizar la eficiencia de un biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizantes a partir de residuos s�lidos fermentables en el Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, se parti� de la revisi�n de la literatura, la cual permiti� sistematizar metodol�gicamente el problema de investigaci�n mediante una matriz de consistencia, una vez precisadas las definiciones operacionales y el tipo de datos a recolectar, se procedi� con la construcci�n de la operacionalizaci�n de variables.

 

Tabla 2 Operacionalizaci�n de variables

 

Instrumentos de medici�n y t�cnicas

Se determinaron las fuentes de informaci�n de origen primario y secundario necesarias para el desarrollo de la investigaci�n cuantitativa, mismas que permitieron la recolecci�n y presentaci�n de la informaci�n basada en la medici�n de variables a fin de comparar los resultados e interpretarlos de manera estad�stica en funci�n de la literatura cient�fica, por lo tanto, las t�cnicas utilizadas fueron la investigaci�n documental y la observaci�n cuantitativa.

La investigaci�n documental permiti� la recolecci�n y an�lisis de la informaci�n secundaria, el procedimiento consisti� en la revisi�n de los instrumentos de medici�n utilizados por otros autores, facilitando la construcci�n de la matriz de operacionalizaci�n y los formularios para el registro de datos, as� como la definici�n de los materiales y herramientas necesarias para el levantamiento de datos.

 

Tabla 3 Par�metros de la investigaci�n documental

Nota. En la tabla se resume las estrategias de b�squeda y bases de datos utilizadas para la revisi�n sistem�tica de la literatura especializada en el tema.

 

La observaci�n cuantitativa consisti� en un procedimiento sist�mico para la recolecci�n la informaci�n primaria, misma que tuvo lugar en el trabajo de campo donde se utilizaron aparatos de c�lculo y m�todos de medici�n confiables para la toma de datos que finalmente fueron registrados de manera estructurada e inequ�voca en bit�coras y formularios orientados a la descripci�n, predicci�n y explicaci�n del fen�meno de estudio mediante el an�lisis estad�stico.

 

Tabla 4 Aparatos de c�lculo cuantitativos

 

Se utilizaron como instrumentos de medici�n de datos cuantitativos las� pruebas estandarizadas propuestas por varios autores: Sandoval (2015) para el c�lculo de la generaci�n de residuos per c�pita en el ISPMBR-BI, D�az et al., (2022) y Granzotto et al. (2021) para la medici�n de la producci�n de biog�s, Le�n et al. (2019) para el c�lculo de la cantidad de biofertilizantes (biol y biosol) y los pasos para la construcci�n del biodigestor a escala, y Apolo Valarezo (2019) para el dimensionamiento del biodigestor a escala (ver procedimientos). Toda la informaci�n recopilada durante la ejecuci�n del experimento se almacen� de manera f�sica en los instrumentos; bit�cora y tablas de registro, dise�adas en funci�n a las variables de estudio, con la finalidad de facilitar la representaci�n y comparaci�n de cambios en los indicadores.

Procedimientos

El procedimiento utilizado en la investigaci�n constituye una herramienta gu�a para ser utilizada por los interesados en el aprovechamiento de residuos s�lidos fermentables para la producci�n de biog�s o biofertilizantes, en el cual se aborda de maneral integral el sistema y dise�o de un biodigestor anaerobio. El bosquejo del procedimiento se compone por 5 etapas y 11 pasos.

 

Tabla 5 Procedimiento del estudio

 

An�lisis estad�stico

El an�lisis estad�stico tuvo como objetivo determinar, con un nivel de confianza del 95%, si existieron diferencias significativas en la producci�n media de biog�s y biofertilizantes entre los diferentes tratamientos, as� como identificar cu�l tratamiento fue el m�s eficiente en la producci�n de biog�s y biofertilizantes en funci�n en funci�n de los diferentes tratamientos utilizados en cada prototipo de biodigestor.

Para ello, se utiliz� el an�lisis de varianza (ANOVA) unidireccional. Dado que ANOVA por s� solo no proporciona informaci�n espec�fica sobre qu� medias difieren entre s�, se aplic� el m�todo de comparaci�n de medias Tukey. Este m�todo permiti� identificar el mejor tratamiento al considerar las diferencias significativas entre las medias de los tres tratamientos en las dos repeticiones, teniendo en cuenta los par�metros ambientales del sitio de estudio. El procesamiento de estas pruebas se realiz� utilizando el programa estad�stico InfoStat, con un nivel de significancia del 5%.

 

Resultados

Este cap�tulo ofrece una visi�n detallada de los resultados obtenidos en la investigaci�n experimental, permitiendo una mejor comprensi�n de la capacidad de un biodigestor para convertir los residuos s�lidos fermentables en recursos energ�ticos y fertilizantes naturales de calidad. El estudio proporciona informaci�n relevante sobre la viabilidad y eficiencia de esta tecnolog�a en el contexto espec�fico del ISTBMBR.

Generaci�n per c�pita de residuos s�lidos fermentables del ISTMBR

Para iniciar el estudio, se llev� a cabo una exhaustiva investigaci�n para determinar la composici�n de los residuos s�lidos generados en el ISTMBR. Los hallazgos revelaron que el 53,48% de los residuos corresponde a materia org�nica o residuos s�lidos fermentables (RSF), los cuales est�n compuestos por restos de alimentos cocidos, desperdicios s�lidos de frutas, verduras, vegetales, remanentes c�rnicos y residuos de jardines. Asimismo, se encontr� que el 28,93% de los residuos son aprovechables, incluyendo papel, cart�n, vidrio y pl�stico, mientras que el 17,59% restante corresponde a residuos s�lidos no aprovechables. Estos �ltimos incluyen servilletas usadas, envolturas de alimentos, papel higi�nico, sorbetes, aluminio y envases de poliestireno.

 

Figura 2 Composici�n RSU institucionales

Nota. Residuos s�lidos urbanos generados en el ISTMBR en diferentes �reas, clasificados en tres categor�as: aprovechables (A), residuos no aprovechables (NA) y residuos org�nicos fermentables (OF).

 

Es importante resaltar que los RSF, que constituyen la fracci�n org�nica, son de particular importancia para la investigaci�n, dado que se utilizan como ingrediente activo en el funcionamiento del biodigestor. Su aprovechamiento resulta esencial para la producci�n de biog�s y biofertilizantes, los cuales se utilizan tanto en la cocci�n de alimentos como en la fertilizaci�n del suelo. Con base en esta caracterizaci�n inicial, se procedi� a realizar el an�lisis de la producci�n per c�pita de los RSF, como se muestra a continuaci�n.

 

Tabla 6 Producci�n Per C�pita de Residuos S�lidos Fermentables

Nota. El c�lculo del �ndice PPC se bas� en la variable "q", que representa la generaci�n total de RSF en kg, y en la variable "pt", que corresponde a la cantidad de personas que conforman la comunidad educativa durante un per�odo de muestreo de 10 d�as.

 

En el campus del ISTMBR se produce un promedio de 0,01 kg de residuos s�lidos fermentables (RSF) por persona. Esto implica una producci�n diaria de 4,9 kg de RSF, considerando la participaci�n de los 691 miembros de la comunidad educativa. A partir de estos datos, se estima una producci�n semanal de 24,5 kg y mensual de aproximadamente 97,4 kg de RSF.

Se identific� que el bar estudiantil y los salones de clase son las �reas donde se genera una mayor cantidad de RSF en kilogramos. Estos resultados resaltan la necesidad de implementar estrategias espec�ficas en dichos espacios para reducir la generaci�n de RSF y promover pr�cticas de separaci�n, reciclaje y adecuado manejo de estos residuos. En particular, la valorizaci�n de los RSF a trav�s de biodigestores anaerobios se destaca como una opci�n prometedora para obtener beneficios energ�ticos y ambientales, lo cual contribuye significativamente a la sostenibilidad y preservaci�n del medio ambiente.

Evaluaci�n de par�metros ambientales in situ del proceso de biodigesti�n en prototipos de biodigestor utilizando dosificaciones diferentes de residuos fermentables

El registro in situ de los par�metros ambientales durante un per�odo de cuatro semanas por cada repetici�n, permiti� identificar que la temperatura m�nima en el interior de los biodigestores prototipos fue de 29,1 �C, mientras que la temperatura m�xima alcanzada fue de 33,4 �C, lo cual indica que se encuentra en un rango �ptimo para la operaci�n mesof�lica. En cuanto al pH, los diferentes tratamientos mostraron un valor m�nimo de 5,3 durante la etapa de hidr�lisis y un valor m�ximo de 7,1 durante la fase de metanog�nesis; valores adecuados para un desarrollo microbiano �ptimo y una producci�n eficiente de biog�s, ya que se encuentran dentro de los rangos de 5,5 a 6,5 y de 6,6 a 7,5, respectivamente.

 

Figura 3 Comportamiento de los par�metros temperatura y pH

Nota. Se representa la temperatura y pH m�nimos y m�ximos para cada tratamiento en las dos repeticiones durante el experimento.

 

Adem�s, se realiz� un an�lisis de varianza (ANOVA) para determinar si exist�an diferencias significativas en las medias de los diferentes tratamientos en relaci�n con los par�metros ambientales. Adem�s, se aplic� la prueba post hoc de Tukey para definir el tratamiento que ofreci� las mejores condiciones ambientales para el proceso de digesti�n anaer�bica.

 

Tabla 7 An�lisis de varianza y comparaci�n de medias de la variable temperatura

Nota. Hip�tesis nula = No existen diferencias en la temperatura entre los diferentes tratamientos. Hip�tesis alterna = La temperatura al interior de biodigestor var�a de acuerdo con el tratamiento. *Medias con una letra com�n no son significativamente diferentes (p > 0,05)

 

En la Tabla 7 se presenta el an�lisis de varianza y la comparaci�n de medias para la variable temperatura. El coeficiente de determinaci�n (R� = 0,91) y el coeficiente de variabilidad (CV = 1,14) indican una buena capacidad del modelo para explicar el comportamiento de los valores de temperatura en el experimento.

En relaci�n con la hip�tesis nula, que planteaba que no exist�an diferencias en la temperatura entre los diferentes tratamientos, el valor p obtenido (0,1494) es mayor al nivel de significancia establecido de 0,05. Por lo tanto, se acepta la hip�tesis nula y se concluye que la temperatura no se ve afectada por el tipo de tratamiento dentro del biodigestor.

La comparaci�n de medias utilizando la prueba de Tukey con un nivel de confianza del 95% revel� que no existen diferencias estad�sticamente significativas en las temperaturas medias entre los tratamientos. Sin embargo, se observa que el tratamiento 2 presenta una temperatura ligeramente superior, lo cual podr�a ser beneficioso para el proceso de digesti�n anaer�bica.

 

Tabla 8 An�lisis de varianza y comparaci�n de medias de la variable pH

Nota. Hip�tesis nula = No existen diferencias del potencial de hidr�geno entre los diferentes tratamientos. Hip�tesis alterna = El pH al interior de biodigestor var�a de acuerdo con el tratamiento. *Medias con una letra com�n no son significativamente diferentes (p > 0,05).

 

En la Tabla 8 se muestra el an�lisis de varianza y la comparaci�n de medias para la variable pH. El coeficiente de determinaci�n (R� = 0,95) y el coeficiente de variabilidad (CV = 0,63) indican una buena capacidad del modelo para comprender el comportamiento del pH en los diferentes tratamientos.

La hip�tesis nula planteaba que no exist�an diferencias en el potencial de hidr�geno entre los diferentes tratamientos. Sin embargo, el valor p obtenido (0,05) fue igual al nivel de significancia establecido (alfa = 0,05), lo que lleva a rechazar la hip�tesis nula. Por lo tanto, se concluye que existen diferencias entre los grupos en relaci�n con el pH, es decir, el pH se ve afectado por el nivel de concentraci�n de biomasa (RSF: EV) en cada tratamiento.

La comparaci�n de medias utilizando la prueba de Tukey con un nivel de confianza del 95% revel� que los tratamientos 1 y 2 no comparten una letra, lo cual indica que el tratamiento 2 tiene una media significativamente mayor que los tratamientos 1 y 3. Esto significa que, entre los tres tratamientos, el que presentaba una mayor concentraci�n de RSF promovi� un mejor desarrollo de las bacterias anaer�bicas.

Cuantificaci�n de la eficiencia de la producci�n de biog�s y biol a partir de residuos fermentables en los prototipos de biodigestor

Al observar el rendimiento del biog�s generado en el biodigestor prototipo revela diferencias significativas entre los tratamientos, en la Figura 4 se muestra claramente que el tercer sustrato fue el m�s eficiente, logrando una producci�n m�xima de 1,51 cm3, mientras que el tratamiento 1 fue el menos eficiente, generando un m�nimo de 0,68 cm3. En cuanto al rendimiento del biofertilizante l�quido (biol) no se observan diferencias significativas entre tratamientos, alcanz�ndose un m�ximo de 2,49 litros y un m�nimo de 2,28 litros. En relaci�n al biofertilizante s�lido (biosol), los resultados tambi�n indican variaciones en su producci�n, misma que relaciona con la degradaci�n de la materia org�nica durante 28 d�as, siendo el m�ximo de 0,32 kg y el m�nimo de 0,23 kg.

 

 

Figura 4 Rendimiento de los tratamientos en el biodigestor prototipo

 

Estos hallazgos demuestran que el tipo de sustrato utilizado en el biodigestor tiene un impacto significativo en la generaci�n de biog�s, mientras que el rendimiento del biofertilizante l�quido no var�a de manera considerable entre los tratamientos. Adem�s, la producci�n de biofertilizante s�lido tambi�n se ve afectada por el sustrato utilizado y el tiempo de degradaci�n de la materia org�nica. Para evaluar de manera m�s precisa estos resultados, se utiliz� el software InfoStat versi�n estudiantil para llevar a cabo un an�lisis de varianza y una comparaci�n de medias mediante el test post hoc de Tukey, con el fin de determinar el tratamiento m�s eficiente en t�rminos de producci�n de biog�s, biofertilizante l�quido (biol) y biofertilizante s�lido (biosol).

 

Tabla 9 An�lisis de varianza y comparaci�n de medias de la variable Biog�s

Nota. Hip�tesis nula = No existen diferencias del rendimiento de biog�s entre los diferentes tratamientos. Hip�tesis alterna = Al menos un tratamiento presenta un rendimiento diferente de biog�s. *Medias con una letra com�n no son significativamente diferentes (p > 0,05)

El an�lisis de varianza ANOVA para la variable biog�s arroj� un coeficiente de determinaci�n perfecto (R� = 1,00) y el coeficiente de variabilidad de 2,54, lo cual indica que el modelo tiene una excelente capacidad para explicar el comportamiento de los tratamientos en relaci�n con la producci�n de biog�s.

En cuanto al p valor obtenido (0,0027), fue menor al nivel de significancia (0,05) lo que conllev� a rechazar la hip�tesis nula y concluir que al menos un tratamiento muestra un rendimiento de biog�s diferente. Al realizar la prueba de Tukey para comparar las medias de los tratamientos, se determin� que ninguno de ellos comparte la misma letra, dado que las medias obtenidas fueron de 1,50 cm3 para el tratamiento 1, 1,16 cm3 para el tratamiento 2 y 0,72 cm3 para el tratamiento 3. Estos resultados indican que el tratamiento 3 presenta una media de producci�n de biog�s estad�sticamente significativa y diferente a los tratamientos 1 y 2. Por lo tanto, se demuestra que el incremento de esti�rcol vacuno en el sustrato se asocia con una mayor eficiencia en la producci�n de biog�s.

 

Tabla 10 An�lisis de varianza y comparaci�n de medias de la variable Biol

Nota. Hip�tesis nula = No existen diferencias del rendimiento de biol entre los diferentes tratamientos. Hip�tesis alterna = Al menos un tratamiento presenta un rendimiento diferente de biol. *Medias con una letra com�n no son significativamente diferentes (p > 0,05)

 

El an�lisis de varianza ANOVA realizado para la variable de biofertilizante l�quido (biol) arroj� un coeficiente de determinaci�n de 0,88 y un coeficiente de variabilidad de 2,13, lo cual indica que el modelo utilizado tiene una buena capacidad para explicar el comportamiento de los tratamientos en relaci�n con la producci�n de biol. El p valor obtenido (0,1234) result� ser mayor al nivel de significancia (0,05), por lo tanto, se acept� la hip�tesis nula, concluyendo que no hay evidencia suficiente para afirmar que existen diferencias en el rendimiento de biol entre los tratamientos. Sin embargo, al comparar las medias a trav�s del test de Tukey se observa que el tratamiento 3 muestra un mejor rendimiento, con una producci�n de 2,49 litros de biofertilizante l�quido, en comparaci�n con los tratamientos 1 (2,42 litros) y 2 (2,30 litros).

 

Tabla 11 An�lisis de varianza y comparaci�n de medias de la variable Biosol

Nota. Hip�tesis nula = No existen diferencias del rendimiento de biosol entre los diferentes tratamientos. Hip�tesis alterna = Al menos un tratamiento presenta un rendimiento diferente de biosol. *Medias con una letra com�n no son significativamente diferentes (p > 0,05).

 

El an�lisis de varianza ANOVA realizado para la variable de biofertilizante l�quido (biol) revel� un alto coeficiente de determinaci�n de 0,99 y un coeficiente de variabilidad de 2,83, lo que demuestra que el modelo utilizado tiene una capacidad sobresaliente para explicar el comportamiento de los tratamientos en relaci�n con la producci�n de biofertilizante s�lido (biosol).

�El p valor obtenido (0,0147) result� ser menor al nivel de significancia (0,05), por lo tanto, se rechaz� la hip�tesis nula y se concluy� que al menos un tratamiento presenta un rendimiento diferente en cuanto a la producci�n de biosol. Finalmente, al realizar la comparaci�n de las medias mediante el test de Tukey, se observ� que las medias del tratamiento 3 y 2 no difieren de manera significativa (T3 = 0,33 kg y T2 = 0,31 kg), sin embargo, son estad�sticamente diferentes a la media del tratamiento 1 (0,24 kg). Estos resultados indican que el tratamiento 3 ofrece un rendimiento superior en la producci�n de biosol en comparaci�n con los tratamientos 1 y 2.

Los resultados obtenidos se�alan claramente que el tratamiento 3, que combina RSF y esti�rcol vacuno en una proporci�n equilibrada (50:50), ofrece la mejor eficiencia en la producci�n de biog�s y biofertilizantes (biol y biosol). Esta informaci�n es crucial para dise�ar el biodigestor a escala, con el objetivo de aprovechar de manera �ptima los residuos s�lidos fermentables generados en el ISTMBR, adem�s, son relevantes para la planificaci�n de un sistema integral de manejo de residuos que incluya el aprovechamiento del esti�rcol de ganado vacuno proveniente de las fincas cercanas a la instituci�n educativa.

 

Discusi�n

El an�lisis de la eficiencia de un biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de residuos s�lidos fermentables en el Instituto Superior Tecnol�gico Martha Bucaram de Rold�s, Sucumb�os, Ecuador, arroj� los siguientes hallazgos.

Mediante una caracterizaci�n detallada, se determin� que el 53,48% de los residuos generados en un instituto corresponden a materia org�nica o residuos s�lidos fermentables. Estos residuos son de gran importancia para el funcionamiento del biodigestor, ya que se utilizan como ingrediente activo en la producci�n de biog�s y biofertilizantes. La producci�n promedio de residuos s�lidos fermentables por persona se estim� en 0,01 kg, lo que equivale a una producci�n diaria de 4,9 kg considerando a toda la comunidad educativa.

Al contrastar estos hallazgos con investigaciones previas, se observ� una diferencia significativa en la generaci�n de residuos s�lidos org�nicos. Seg�n el estudio realizado por V�squez (2020) en la Universidad CETYS de M�xico, se estim� una producci�n diaria de 12,82 kg de residuos s�lidos org�nicos, representando el 97,69% del total de residuos s�lidos en el campus. Asimismo, en el estudio de �vila et al. (2018) en el restaurante del Tecnol�gico de Costa Rica, se encontr� un promedio de 229,16 kg de residuos s�lidos biodegradables generados diariamente. Esta diferencia puede atribuirse a las diferentes poblaciones estudiantiles y caracter�sticas espec�ficas de cada instituci�n.

No obstante, los resultados obtenidos en este estudio concuerdan con los hallazgos de Wilkie et al. (2015), quienes revelaron que los residuos alimentarios representan entre el 47% y el 58% de la basura total en cafeter�as de escuelas estadounidenses. Adem�s, se encontr� que la producci�n per c�pita diaria de residuos alimentarios oscil� entre 24,7 y 64,9 gramos por estudiante. Estos resultados respaldan la importancia de abordar la gesti�n de residuos alimentarios mediante la implementaci�n de medidas de reducci�n de desperdicios, educaci�n y concientizaci�n de la comunidad educativa, as� como el uso de m�todos de reciclaje como el compostaje o la digesti�n anaer�bica.

En cuanto a los par�metros ambientales del proceso de biodigesti�n, se registraron la temperatura y el pH dentro de los biodigestores prototipos. Se encontr� que la temperatura se mantuvo en un rango �ptimo para la operaci�n mesof�lica, con valores m�nimos de 29,1 �C y m�ximos de 33,4 �C. En cuanto al pH, se observ� que los diferentes tratamientos mostraron valores adecuados para un desarrollo microbiano �ptimo y una producci�n eficiente de biog�s, con un pH m�nimo de 5,3 en la etapa de hidr�lisis y un m�ximo de 7,1 en la metanog�nesis.

Al comparar estos hallazgos con investigaciones anteriores, se encontraron resultados consistentes. Por ejemplo, Alvarez (2020) evalu� la producci�n de biog�s a partir de esti�rcol bovino y encontr� que los valores de pH (rango 6,8-7,3) y temperatura (33 �C) fueron �ptimos para lograr una producci�n m�xima de 26,8 L de biog�s por d�a. Este estudio respalda la viabilidad de implementar y fabricar biodigestores anaer�bicos de bajo costo.

Adem�s, se encontr� que la adici�n de hidr�xido de sodio (NaOH) o el uso de un in�culo de esti�rcol de vaca junto con residuos de cocina a una temperatura mesof�lica mejor� la producci�n de biog�s, especialmente si los residuos eran ricos en almid�n y az�cares, como menciona (Vikrant & Shekhar, 2013). Asimismo, Sanabria et al. (2018) afirmaron que el equilibrio en el pH y la temperatura dentro del rango mesof�lico son indicadores de un excelente funcionamiento del biodigestor y promover�n un mejor rendimiento de biog�s.

En cuanto a la temperatura, se encontr� que en el r�gimen mesof�lico se alcanzan menores tasas de degradaci�n en comparaci�n con el rango termof�lico, como mencionan Ellacuriaga et al., (2021). Sin embargo, tanto en el r�gimen mesof�lico como en el termof�lico, se obtiene un rendimiento de biog�s similar, siendo la desventaja del r�gimen mesof�lico el mayor tiempo de retenci�n necesario para la degradaci�n total de los compuestos. Adem�s, Khanh Nguyen et al. (2021) destacan que el digestato resultante en el r�gimen mesof�lico presenta menos problemas de estabilidad en comparaci�n con el r�gimen termof�lico, lo que lo convierte en una opci�n ideal para aprovechar tanto el biog�s como los fertilizantes.

Los hallazgos y las investigaciones previas resaltan la importancia de considerar los par�metros ambientales y las condiciones espec�ficas al implementar sistemas de biodigesti�n anaer�bica para maximizar la producci�n de biog�s a partir de residuos org�nicos. Los resultados indican que mantener la temperatura dentro de un rango �ptimo, ya sea mesof�lico o termof�lico, junto con un pH adecuado, favorece la eficiencia y la producci�n de biog�s.

La evaluaci�n de la eficiencia de la producci�n de biog�s y biofertilizante revel� que el tipo de sustrato utilizado en el biodigestor tiene un impacto significativo en la generaci�n de biog�s. El sustrato en concentraci�n 50:50 mostr� el rendimiento m�s eficiente, alcanzando una producci�n m�xima de 1,51 cm3, mientras que el tratamiento con solo RSF fue el menos eficiente, generando un m�nimo de 0,68 cm3. En cuanto al biofertilizante l�quido, no se observaron diferencias significativas entre los tratamientos, con una producci�n m�xima de 2,49 litros y m�nima de 2,28 litros. En relaci�n al biofertilizante s�lido, tambi�n se encontraron variaciones en su producci�n, relacionadas con la degradaci�n de la materia org�nica, con un m�ximo de 0,32 kg y un m�nimo de 0,23 kg.

Estos resultados guardan consistencia con los de Granzotto et al. (2021), quienes evaluaron la digesti�n anaer�bica de residuos org�nicos y encontraron que el tiempo de retenci�n y el pH tambi�n influyen en la eficiencia del proceso.� Tambi�n, Jimenez & Garc�a (2020), demostraron que la proporci�n de mezcla de esti�rcol porcino y c�scara de caf� afecta la producci�n de biog�s, siendo la proporci�n de 60% esti�rcol porcino y 40% de c�scara de caf� la m�s eficiente. Adem�s, se observ� que el contenido de agua influye en la producci�n de biofertilizante, siendo el tratamiento uno el m�s eficiente debido a su alto contenido de agua, es decir, que las proporciones del sustrato determinan la eficiencia del proceso de digesti�n anaer�bica. Giubi et al. (2019) expusieron que la codigesti�n de esti�rcol combinado con residuos agr�colas puede producir un mayor volumen de gas en comparaci�n con la digesti�n de cada sustrato por separado. Tafase et al. (2018) tambi�n investigaron la eficiencia de la codigesti�n y encontraron que ciertas combinaciones de sustratos pueden generar un mayor volumen de biog�s.

Montenegro et al. (2017) mencionan que la codigesti�n de diferentes residuos org�nicos puede promover la sinergia bioqu�mica y compensar las deficiencias de cada sustrato por separado. Por ejemplo, Li et al. (2011) identificaron que la adici�n de un cosustrato puede ayudar al equilibrio de la relaci�n C:N y reducir la inhibici�n de amonio durante la digesti�n anaerobia de esti�rcol animal, especialmente bajo condiciones termof�licas. Sin embargo, se�alaron que, bajo condiciones mesof�licas por debajo de 35�C, la codigesti�n puede ser inhibida y menos eficiente que la digesti�n de cada sustrato por separado, lo cual destaca la importancia de mantener la temperatura adecuada para obtener mejores rendimientos. En la misma l�nea, Singh et al. (2021) expusieron que la proporci�n de residuos en la codigesti�n puede afectar el potencial de producci�n de biog�s, destacando la importancia de equilibrar la relaci�n C/N y estabilizar el pH. Por otro lado, Moreno (2021) encontr� en su estudio particular que la producci�n de biog�s fue mayor sin codigesti�n de esti�rcol bovino y residuos org�nicos, atribuy�ndolo a la elevada acidez de los residuos org�nicos utilizados y la baja temperatura del digestor en el sitio de estudio.

La codigesti�n de diferentes sustratos puede proporcionar beneficios en t�rminos de sinergia bioqu�mica y aumento de la producci�n. Sin embargo, las condiciones espec�ficas de cada estudio y los par�metros ambientales deben tenerse en cuenta al implementar sistemas de biodigesti�n anaer�bica para maximizar la eficiencia y la producci�n de biog�s a partir de residuos org�nicos.

Tanto los hallazgos de esta investigaci�n como las realizadas por otros autores indican que el tipo de sustrato utilizado, la composici�n de la mezcla de sustratos, la temperatura, el pH y el tiempo de retenci�n son factores clave a considerar para optimizar el proceso de digesti�n anaer�bica y maximizar sus beneficios ambientales y agr�colas.

Estos resultados demuestran la viabilidad y eficiencia del biodigestor a escala para la producci�n de biog�s y biofertilizante a partir de los residuos s�lidos fermentables del instituto. La implementaci�n de estrategias de gesti�n de residuos basadas en el uso de biodigestores anaer�bicos podr�a contribuir a la sostenibilidad y preservaci�n del medio ambiente, al tiempo que se aprovechan los recursos energ�ticos y fertilizantes naturales generados. Estos hallazgos proporcionan informaci�n relevante para futuros proyectos relacionados con la producci�n sostenible de energ�a y fertilizantes en el contexto del instituto y otros entornos similares.

 

Conclusiones

La generaci�n per c�pita de residuos s�lidos fermentables en el ISTMBR es de aproximadamente 0.01 kg por persona. Esto representa una producci�n diaria de 4.9 kg de residuos s�lidos fermentables considerando a los 691 miembros de la comunidad educativa. Estos resultados resaltan la necesidad de implementar estrategias de reducci�n y manejo adecuado de estos residuos, y la valorizaci�n a trav�s de biodigestores anaerobios se muestra como una opci�n prometedora para obtener beneficios energ�ticos y ambientales.

El estudio in situ de los par�metros ambientales durante el proceso de biodigesti�n mostr� que los biodigestores prototipos mantuvieron una temperatura �ptima para la operaci�n mesof�lica, con m�nimas de 29.1 �C y m�ximas de 33.4 �C. Adem�s, se encontraron valores adecuados de pH durante las etapas de hidr�lisis y metanog�nesis. Estos resultados indican que los par�metros ambientales se mantuvieron en rangos favorables para un desarrollo microbiano �ptimo y una producci�n eficiente de biog�s.

Se observaron diferencias significativas en el rendimiento de biog�s entre los tratamientos utilizados en el biodigestor prototipo, siendo el tercer sustrato el m�s eficiente y el tratamiento 1 el menos eficiente. En cuanto al rendimiento de biofertilizante l�quido, no se observaron diferencias significativas entre los tratamientos. La producci�n de biofertilizante s�lido tambi�n vari� seg�n el sustrato y el tiempo de degradaci�n de la materia org�nica. Estos hallazgos demuestran la influencia del sustrato en la generaci�n de biog�s y biofertilizantes.

 

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