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INTRODUCCIÓN
La industria de la agricultura tiene un papel significativo en el desarrollo económico en los países llamados del tercer mundo. En promedio llegan al 15% del producto interno bruto de estas naciones, así lo indica 1. El buen manejo de los procesos productivos con el menor impacto ambiental en todas sus etapas 2, es un tema que llama la atención a la comunidad científica en todas las industrias y más cuando la agroquímica muestra un alto índice de afectación al medio ambiente, solamente superado por la industria textil y petrolera 3. Por ello es necesario plantear alternativas urgentes y suplementarias con rumbo medioambiental 4. Frente a esta inapelable realidad, en que la agroecología aparece como una alternativa económica realmente necesaria para contribuir a esta problemática medioambiental como lo menciona 5, la aplicación de una eficiente gestión de los desechos generados por las diversas actividades agropecuarias se ha convertido en una alternativa positiva de gran impacto social y económico, así lo cita 6. Esta es la motivación para la presente investigación, donde una opción a la aplicación de fertilizantes minerales en cultivos forrajeros son los abonos orgánicos, que aportan Nitrógeno en forma natural como proteínas y aminoácidos así lo asegura 7, más o menos estables, que paulatinamente se mineralizan en formas asimilables por las plantas como lo menciona 8.
En la actualidad, para obtener abonos orgánicos hay múltiples estudios, entre los cuales figura la reutilización de los desechos mediante el proceso de compostaje 9. Los modelos integrados de gestión de residuos deben considerar la revalorización de estos como materia prima, con el fin de desarrollar tecnologías que permitan la recuperación de nutrientes 10, así como para obtener insumos que mejoren significativamente el rendimiento de materia seca de cultivos 11 y la fertilidad del suelo 12,13y14.
El objetivo de esta investigación es obtener compost de calidad, a partir de la materia orgánica de hojas de mora y estiércol de cuy, mediante el enriquecimiento por microorganismo de montaña, lo que puede promover un mayor rendimiento de materia seca, altura de forraje y mayor densidad de tallos como lo indica 10, donde se planteó la hipótesis de que si se utiliza un biorreactor, como resultado se obtendría un compost de buena calidad.
MATERIALES Y MÉTODOS
En la provincia de Chimborazo zona central de Ecuador, los investigadores consideraron realizar una investigación del tipo deductivo, con metodología cuantitativa, para obtener compost a partir de estiércol de cuy. Comprendió varias fases donde primero se realizó la caracterización de materias primas a utilizarse, posteriormente se determinó las variables de estudio, luego la ingeniería de las composteras y del biorreactor y finalmente la fase experimental y obtención de resultados.
Caracterización de materias primas.- Hace referencia a la recolección de las muestras in situ que forman parte de la materia orgánica para la obtención del abono orgánico. De manera similar, la información bibliográfica correspondiente para el manejo adecuado de las muestras, variables del proceso de compostaje y normativas vigentes 15.
Determinación de las variables de estudio.- Mediante la recopilación bibliográfica, se determinará la metodología más adecuada para la obtención del abono orgánico, considerando los análisis físico-químicos respectivos de la materia prima utilizada 15.
Diseño mecánico del biorreactor.- Mediante la obtención de las variables del proceso y los análisis físico-químicos del compost de forma experimental, se diseñará el biorreactor mediante cálculos de ingeniería.
Fase experimental y obtención de resultados.- Obtención de muestras de compost, y análisis de las variables de estudio 15
Los residuos sólidos utilizados fueron el estiércol de cuy, que se obtuvo de pequeños productores que habitan en las zonas aledañas a la ciudad de Riobamba, en la región central del Ecuador, y la hoja de mora que, de igual manera, se obtuvo de pequeñas Pymes comunales que comercializan este producto en el área geográfica, citada al igual que los microorganismos de montaña que se obtuvieron mediante la mezcla de hojarasca, melaza de caña, harina de maíz y agua sin cloro, posterior el compactado y sellado 16.
El punto de partida fue el análisis fisicoquímico de la materia prima utilizada para el compostaje, tal como lo sugiere 17.
El compost se obtuvo mediante un biorreactor de tipo cerrado horizontal discontinuo, con una capacidad de 600 litros, diseñado como referencia a la norma API (Sociedad Americana de Petróleo) y ASME (Sociedad de Ingenieros Mecánicos Americanos), que es la norma para el diseño mecánico de recipientes a presión 18 y 16.
La mezcla de los residuos sólidos se obtuvo mediante la adición de hojas de mora y estiércol de cuy seco con los microorganismos de montaña (MMS), a la que se le dio seguimiento y control de las variables a estudiar, pH, temperatura y humedad. En periodos controlados y planificados se volteaba la mezcla.
Para elaborar las mezclas de los residuos previo a iniciar el compostaje, se consideró los análisis para obtener una relación Carbono / Nitrógeno (C/N) en el rango 10 a 25, que según la norma chilena NCH2880, como lo indica 15, clasifica al compost como un producto de Clase A o de alta calidad. Esta variable C/N se obtuvo al dividir el contenido del porcentaje de Carbono orgánico total, entre el contenido de porcentaje de Nitrógeno total, del material destinado a compostaje.
Al final de las 14 semanas, se tomaron muestras de las tres composiciones y se los examinó en laboratorio para analizar y tabular los valores de las variables, potencial de hidrógeno, conductividad eléctrica, humedad, nitrógeno total, carbono orgánico total, fósforo disponible, potasio.
Cálculos para proceso de compostaje. -
Para el análisis y cálculo del proceso de compostaje, como punto de partida, se estimó un volumen de estiércol de cuy equivalente a 50 Kg y 3 Kg de hojas de mora. Los MMS (microrganismo de montaña en medio sólido) aproximadamente fueron de 18 Kg.
Se realizaron tres mezclas en tres composteras que se las clasificó en A, B, C. Cada una con diferentes características físico - químicas, con base en el valor de la relación C/N.
Preparación de las composteras
Compostera A.-
Masa de agua
W = mH2O= 71,754Kg
W = masa del agua
Balance de Nitrógeno
()1
Balance de Carbono
()2
Producción por Kilogramo de materia
()3
Compostera B.-
Masa de agua
W=7 71,75Kg
Balance de Nitrógeno
mG N = 0,0966 Kg
Balance de Carbono
mG C = 1,286 Kg
Producción por Kilogramo de materia
P=1,2496*(Kg compost/Kg materia)
Compostera C.-
Masa de agua
W=71,754 Kg
Balance de Nitrógeno
Balance de Carbono
Producción por Kilogramo de materia
Características de los residuos usados en las mezclas para el compostaje.
Estiércol de cuy = 33.125% humedad
Hojas de mora = 33.125% humedad
MMS (microorganismos de montaña sólido en medio sólido) = 47.5614% humedad
Cálculo de la relación C/N
Hoja de mora = 13.39/1.15=11.64
Estiércol de cuy = 13.12/1.13=11.61 MMS (microorganismo de montaña en medio sólido) = 7.48/0.64 = 11.69
Figura 1 Cálculo de la masa total de compost A. (E= cantidad de estiércol, H=cantidad de hojas de mora, MMS=cantidad de microorganismos de montaña)
Figura 2 Cálculo de la masa total de compost B. (E= cantidad de estiércol, H=cantidad de hojas de mora, MMS=cantidad de microorganismos de montaña)
Figura 3 Cálculo de la masa total de compost C (E= cantidad de estiércol, H=cantidad de hojas de mora)
Con base en las características de los residuos usados y el cálculo de masas, en la Tabla 1 se presenta la composición de las mezclas de residuos usadas en el presente estudio.
Diseño del Biorreactor.-
Para el estudio se diseñó y construyó un Biorreactor, el que fue utilizado en tiempos diferentes según las mezclas. Para su diseño mecánico, se consideró la ingeniería básica para un recipiente atmosférico, del tipo horizontal discontinuo, se seleccionó un material bajo en cobre, zinc y plomo como lo sugieren 19,20. En la parte eléctrica, para el giro se seleccionó un motor de 4 caballos de fuerza, con una velocidad angular constante de 40 revoluciones por minuto, que alimenta al biorreactor mediante un mecanismo de giro por poleas y ruedas. Las variables que se consideraron para la ingeniería de proceso fueron: temperatura de trabajo, presión atmosférica, tamaño de la partícula, grado de homogenización, frecuencia de volteo y tiempo de fermentación, así como lo sugieren 21,22.
RESULTADOS
Los valores fisicoquímicos, de la materia orgánica utilizada en el estudio, se pueden observar en la Tabla 2.
Los resultados obtenidos en la investigación muestran que, el proceso para lograr un compost de buena calidad a partir de estiércol de cuy y hojas de mora es satisfactorio y viable para su implementación.
Las muestras obtenidas realizadas en un Biorreactor en tiempos diferentes se observan en la Tabla 3, las cuales oscilan entre 10 y 15 kilogramos de compost, cada una con sus características físico químicas propias del proceso.
En la Figura 5 se puede observar el comportamiento de la temperatura de la composición en el tiempo. En las primeras semanas tiene los picos altos y bajos, y a partir de la sexta semana tiende a estabilizarse la curva. De igual forma se puede observar el comportamiento del pH, en función del tiempo según la Figura 6. Las tres composiciones tienen similitudes en sus valores, y se encuentran entre el rango ideal 7,5 a 8,5. Debido a la curva de evolución del pH, se consideró como tiempo mínimo al menos 14 semanas para completar el proceso.
Al final de las 14 semanas, se tomaron muestras de las tres composiciones y se las analizó en laboratorio. Donde los resultados del análisis físico químico son de similar valor como se muestra en la Tabla 4.
Se obtuvo una relación C/N en promedio igual a 11,6 según la Tabla 5, para las tres composiciones, lo que indica que es un compost de clase A.
DISCUSIÓN
El uso del Biorreactor diseñado, así como otras variables estimadas influyeron en los resultados observados en la presente investigación. Variables como la materia prima seleccionada que fueron hojas de mora y estiércol de cuy, cuyas características físicas y químicas son favorables para la obtención de una relación C/N final con un valor igual a 11,6. Es decir, en el límite inferior que indica la norma chilena NCh2880. La metodología implementada, además presenta grandes ventajas comparadas con las de otros autores 23 tales como tiempo de proceso y accesibilidad a la materia prima, pero sobre todo la calidad del producto final. En el análisis que realiza 23 obtuvo relaciones de C/N superiores a 25; es decir un compost de clase B, medido con la misma norma chilena citada, que fueron estudios realizados en muestras de desechos orgánicos de varias clases y donde demostró que, con este proceso, su propuesta es una buena enmienda para mejorar la productividad del suelo y la sostenibilidad agrícola. Así mismo reducen el lixiviado de nitrato de las tierras agrícolas; sin embargo, es un proceso extenso y arduo en la selección de materia prima, en comparación con nuestra metodología. Por otro lado 24 encontró que la aplicación de compost no generó cambios determinantes en la abundancia y diversidad, pero modificó su composición. Esto favorece la presencia de hongos descomponedores y biocontroladores, y provoca una mejora de la sanidad y actividad biológica del suelo. Mientras que 25, concluyó en su investigación que el compost y la gallinaza, contribuyen al mejoramiento de las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, a través de la incorporación de nutrientes por medio de la regulación del balance hídrico del mismo. Estos parámetros de efectos al suelo y su comportamiento, luego de aplicar compost orgánico, no fueron analizados en nuestro trabajo investigativo, lo que permitirá dar continuidad a la investigación en futuros proyectos.
CONCLUSIONES
Se concluye que el producto final, hallado en nuestra investigación es de buena calidad, al dar como resultado en la relación de porcentaje total de carbono natural sobre el porcentaje total de nitrógeno igual a 11,6 y el pH dentro del intervalo 7,5 a 8,5. Parámetros que cita la norma chilena NCH2880, tomada como referencia, para considerar que el producto sea un Compost de clase A, apto para la producción de alimentos. Se concluye del mismo modo que, el proceso mostrado en la investigación es viable y accesible para los pequeños y grandes productores agrícolas de la región, al ser un proceso que se obtiene mediante la implementación de un biorreactor de construcción metalmecánica de fácil construcción, y materia prima, para la generación de compost accesible en el mercado local.
