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Cómo utilizar de manera eficiente los residuos agrícolas para fermentar biogás es un importante desafío al que se enfrenta la agricultura actual. Las instituciones de investigación y las universidades, tanto nacionales como internacionales, han realizado numerosas investigaciones al respecto. Según los estudios de Liu Dejiang, en comparación con la fermentación del biogás a partir de un único material de fermentación, la mezcla de estiércol de ganado o la combinación de estiércol de ganado con paja permite aumentar eficazmente la producción de biogás. Cuando se aumenta la proporción de estiércol de vaca en el material de fermentación, el contenido de CH4 en el gas aumenta significativamente. Por otro lado, el estiércol de cerdo tiende a acidificarse durante el proceso de fermentación anaeróbica, lo que provoca una disminución en la producción de gas e incluso su cesación. En cambio, el estiércol de ovejas y vacas no se acidifica fácilmente, por lo que no afecta significativamente la producción de gas. Según los estudios de Li Wenzhe, cuando la temperatura y la concentración del líquido de cultivo son altas, y el tiempo de retención del agua es largo, el contenido de propiónico en el líquido de fermentación también aumenta. Esto tiene un efecto negativo en la fase posterior de producción de metano. La relación óptima entre carbono y nitrógeno para la producción de biogás a partir de microorganismos es de 25:1. Los materiales de fermentación puros no logran satisfacer este requisito; por lo tanto, es importante estudiar las diferentes proporciones de mezclas de materiales para su fermentación. Este estudio experimental analiza, a la misma temperatura, el impacto de la fermentación con solo estiércol de cerdo o estiércol de oveja, así como de la fermentación con una mezcla de ambos en diferentes proporciones, en la producción de biogás y en el contenido de CH4. El objetivo es proporcionar una base teórica para mejorar la producción y calidad del biogás. 1 Materiales y métodos 1.1 Materiales Los materiales utilizados en los experimentos provienen de estiércol de vaca y oveja fresco, obtenido de las granjas de cría ubicadas en la zona trasera de la Universidad Agrícola de Shenyang ； El sustrato de inyección experimental se obtuvo del lodo del fondo de los tanques de biogás utilizados por los agricultores en el distrito de Dongling, en la ciudad de Shenyang. El contenido de carbono y nitrógeno en las materias primas para la fermentación se muestra en la Tabla 1. 1.2 Métodos 1.2.1 Pruebas de fermentación Se utilizó un dispositivo de fermentación anaeróbica a temperatura constante, diseñado por nosotros mismos. Este dispositivo consta de tres partes: un frasco de fermentación, un frasco para recoger el gas y un frasco para recoger el agua. Se utilizaron frascos de plexiglás de 1500 mL como recipientes de fermentación y recolección de gas. Se hicieron orificios en los frascos de fermentación y en los recipientes de recolección de agua, respectivamente, para servir como orificios de muestreo y de salida del agua. Además, se emplearon abrazaderas estancas para cerrar los orificios de muestreo. Se utiliza un tubo de silicona de 10 mm × 8 mm para conectar el frasco de fermentación con el frasco colector de gas. El recipiente colector utiliza un medidor de 100 mL; se emplea el método de drenaje hacia abajo para recoger el gas. Todas las conexiones están selladas adecuadamente. La representación estructural se muestra en la Figura 1. En este ensayo se utilizó una concentración de fermentación con un contenido de inóculo del 20% y un contenido total de sólidos del 8%. La fórmula del líquido de fermentación se divide en los siguientes 4 grupos: Grupo I: Fermentación con estiércol de cerdo puro ； Grupo II: Fermentación con estiércol de oveja puro ； Grupo III: Estiércol de cerdo: estiércol de oveja (proporción de materia seca) = 1:1, fermentación mixta ； Grupo IV: Estiércol de cerdo: estiércol de oveja (relación de materia seca) = 1:2, fermentado. Se realizaron 2 pruebas en paralelo para cada uno de los líquidos de fermentación de las diferentes recetas. Los cuatro grupos experimentales, I, II, III y IV, fueron colocados en frascos de fermentación de 1500 mL. Se dejó que permanecieran abiertos durante 9 días como paso previo al proceso de fermentación. Luego, se sellaron los frascos y se conectaron tubos para la extracción del gas. El equipo de fermentación fue colocado en una cámara de cultivo a temperatura constante, donde se llevó a cabo la fermentación anaeróbica a una temperatura de (28±1) °C durante 30 días. 1.2.2 Métodos de análisis y medición: La cantidad de gas producido por unidad de tiempo, así como la cantidad total de gas producido, se miden mediante el método de drenaje hacia abajo. El valor de pH del líquido de fermentación se determina con un pHmetro inteligente del modelo PHS225. El contenido de CH4 en el gas se mide con un analizador de biogás del modelo ZS22. 2 Resultados y análisis 2.1 Cambios dinámicos del valor de pH en los diferentes grupos de fermentación durante el pretratamiento La mezcla de líquidos de fermentación, preparada según la fórmula correspondiente, se agitó bien y luego se dejó fermentar a temperatura ambiente (20°C) durante 9 días en frascos de fermentación de 1500 mL. Durante el proceso de pudrición, se mide el valor de pH del sistema una vez al día. La evolución del valor de pH del líquido de fermentación se muestra en la Figura 2. Como se puede observar en la Figura 2, en el Grupo I, el valor de pH se mantuvo siempre en un nivel bajo durante todo el proceso de pretratamiento; es decir, el medio era ácido. El valor de pH del grupo II se mantuvo siempre en un rango alcalino, hasta que finalizó el pretratamiento ； En el grupo de experimentos de fermentación con materias primas mezcladas: en el grupo III, el valor de pH al inicio del proceso de pudrición era de 7,50. Al tercer día, este valor disminuyó a 6,95, lo que indica un estado ácido. Posteriormente, el valor de pH volvió a aumentar, manteniéndose en un nivel alcalino. Al final del proceso de pretratamiento, el valor de pH en el grupo III era de 7,50 ； En todo el proceso de pretratamiento, la tendencia de cambio del valor de pH en el grupo IV fue similar a la del grupo III: ambos grupos experimentaron una disminución inicial seguida de un aumento, para luego estabilizarse. Sin embargo, en comparación con el grupo III, la amplitud de los cambios en el valor de pH del grupo IV fue menor, y este se mantuvo siempre dentro del rango alcalino durante todo el proceso de pretratamiento. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg 2.2 Cambios dinámicos en el valor de pH de los diferentes grupos de fermentación durante el proceso de fermentación anaeróbica. Durante los experimentos de fermentación anaeróbica, se mide el valor de pH del líquido de fermentación cada 3 días. La variación del valor de pH del líquido de fermentación durante el proceso de fermentación del biogás se muestra en la Figura 3. Como se puede observar en la Figura 3, en el grupo I, el valor del pH disminuyó hasta 6.20 en el noveno día de fermentación. Se logró elevar este valor a 7.00 mediante la adición artificial de álcalis. Durante el resto del proceso de fermentación, el valor del pH se mantuvo siempre por encima de 6.50. Al final de la fermentación, el valor del pH era de 7.10 ； El valor de pH del grupo II se mantuvo en un nivel elevado durante todo el proceso de fermentación. En el día 15 de la fermentación, este valor disminuyó a 6,70; al final de la fermentación, el valor de pH era de 7,20. En el grupo de fermentación con materias primas mezcladas: en el grupo III, el valor del pH disminuyó rápidamente al inicio de la fermentación; al día 12, este valor había bajado a 6,45. Posteriormente, el pH comenzó a aumentar nuevamente, manteniéndose por encima de 6,50. Al final de la fermentación, el valor del pH en el grupo III era de 7,30 ； El grupo IV presentó la menor variación en el valor de pH. El día 6 de la fermentación, el pH disminuyó hasta los 6,90; posteriormente comenzó a aumentar, llegando a los 7,31 en el día 15. Al final de la fermentación, el valor de pH era de 7,20. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg 2.3 Variaciones en la producción de gas según la proporción de los diferentes ingredientes utilizados en la fermentación. Las variaciones en la cantidad de gas producido diariamente, según la proporción de los diferentes ingredientes de fermentación, se muestran en la Figura 4. Como se puede observar en la Figura 4, el Grupo I comenzó a producir gas de la manera más rápida. Tan solo un día después de que comenzara la fermentación anaeróbica, ya se producía una pequeña cantidad de gas. La producción diaria de gas alcanzó los 100 mL en el cuarto día; posteriormente, esta cantidad disminuyó rápidamente. En el octavo día de la fermentación, la producción de gas por parte del Grupo I cesó por completo. Sin embargo, al añadir álcalis para ajustar el valor de pH del sistema, se logró reanudar la producción de gas. El pico de producción diaria se alcanzó en el undécimo día, con 246 mL/d ； El inicio de la producción de gas en el grupo II fue más lento que en el grupo I. La fermentación comenzó a producir gas desde el día 9; el pico diario de producción de gas se alcanzó en el día 16, con 325 mL/d. Después, esa cantidad comenzó a disminuir gradualmente, pero siguió siendo superior a la del grupo I. En el grupo de fermentación con materiales mixtos, el grupo III comenzó a producir gas a partir del día 6. La cantidad de gas producida por día alcanzó su valor máximo el día 10: 375 mL/d. A partir de ese momento, la producción de gas disminuyó gradualmente; al día 24, ya era de 175 mL/d. Para el día 30 de la fermentación, la cantidad de gas producida por día por el grupo III era solo de 47 mL/d ； El grupo IV comenzó a producir gas desde el cuarto día de fermentación. A continuación, la cantidad de gas producido por día aumentó a medida que avanzaba la fermentación, hasta alcanzar su valor máximo en el noveno día de fermentación: 350 mL/día. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg La variación en el contenido de CH4 en los líquidos resultantes de la fermentación, según diferentes proporciones de ingredientes utilizados en dicha fermentación, se muestra en la Figura 5. En el grupo I, el contenido de CH4 se mantuvo siempre bajo; al día 11 de la fermentación, alcanzó el 60%, para luego disminuir rápidamente. Después del día 25 de la fermentación, ya no había CH4 en los gases producidos. En el grupo II, el contenido de CH4 al inicio de la producción de gas, en el día 9 de la fermentación, fue del 21%. Este valor alcanzó su punto máximo en el día 15 de la fermentación, con un 79%, para luego disminuir gradualmente. Al final de la fermentación, el contenido de CH4 era del 30%. En el grupo III, el contenido de CH4 alcanzó el 35% ya en el quinto día de fermentación, cuando comenzó la producción de gas. Posteriormente, este valor siguió aumentando; en el noveno día de fermentación, llegó a su valor máximo de 82%. Se mantuvo en un nivel alto hasta el decimocuarto día de fermentación, momento en el que comenzó a disminuir lentamente. Al final de la fermentación, el contenido de CH4 seguía siendo del 30% ； El grupo IV alcanzó un valor máximo de contenido de CH4 del 70% en el octavo día de fermentación; posteriormente, este valor comenzó a disminuir gradualmente. Al final de la fermentación, su contenido de CH4 era solo del 10%. En el grupo de fermentación con materias primas mixtas, el grupo III presentó un pico de contenido de CH4 más alto y una duración mayor en comparación con el grupo IV. La cantidad de gas producido y la tasa de producción de gas a partir de las sustancias secas, en función de las diferentes proporciones de los ingredientes utilizados en la fermentación, se muestran en la Tabla 2. Según la Tabla 2, tras un ensayo de fermentación anaeróbica a una temperatura constante de 28 °C durante 30 días, el orden de producción acumulada de gas por los diferentes materiales utilizados en la fermentación, de mayor a menor, es: Grupo III > Grupo IV > Grupo II > Grupo I. El grupo I presentó la menor cantidad total de gas producido (2749 mL), lo que representa solo la mitad de la cantidad producida por el grupo III (6258 mL). La cantidad total de gas producido con materias primas mezcladas es mayor que la obtenida con una sola materia prima; además, la cantidad total de gas producida en el grupo III es superior a la del grupo IV. En cuanto a la cantidad total de gas producido, el grupo III es claramente superior al grupo IV, con una diferencia de 922 mL. La tasa de generación de gas a partir de la materia seca, de mayor a menor, es: Grupo III > Grupo IV > Grupo II > Grupo I. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg 3 Discusiones Antes de llevar a cabo la fermentación anaeróbica, es útil someter la mezcla de materiales de fermentación y cultivos a un tratamiento aeróbico durante 9 días. Esto ayuda a la descomposición de los compuestos orgánicos complejos presentes en los materiales de fermentación, generando ácido. El estiércol de cerdo produce ácido más rápidamente, mientras que el estiércol de oveja lo hace más lentamente. El valor de pH de los líquidos de fermentación obtenidos a partir de 4 grupos diferentes de materias primas experimentó un proceso de disminución seguido de un aumento. La razón de esto es que las bacterias productoras de ácido descomponen los compuestos orgánicos complejos presentes en las materias primas, generando ácidos grasos volátiles y ácidos orgánicos, lo que provoca una disminución en el valor de pH del sistema. Posteriormente, el ácido es descompuesto por las bacterias productoras de gas, lo que hace que el valor de pH comience a aumentar hasta estabilizarse. El estiércol de cerdo tiende a acidificarse durante el proceso de fermentación anaeróbica, lo que provoca una disminución o incluso la interrupción de la producción de gas. Por ello, es necesario ajustar artificialmente el valor de pH del sistema para mantener la generación de gas ； Por su parte, el grupo formado por estiércol de oveja y materias primas mezcladas no presenta fenómeno de acidificación. Dado que el estiércol de cerdo contiene altos niveles de grasa bruta y proteínas brutas, en las primeras fases de la fermentación anaeróbica los microorganismos lo descomponen, produciendo ácidos. Esto provoca una disminución rápida del valor de pH del sistema, lo que a su vez inhibe la actividad de las bacterias metanogénicas. En el grupo de estiércol de oveja sometido a fermentación, la producción de gas se inicia con retraso, ya que los microorganismos descomponen la celulosa y la hemicelulosa a una velocidad lenta, por lo que las bacterias metanogénicas no pueden obtener suficientes sustratos metabólicos. En el grupo de fermentación con materiales mixtos, el ácido generado por la acidificación de estiércol de cerdo puede dañar la estructura química de los materiales a base de fibra lignocelulósica. Esto favorece la hidrólisis de la celulosa y aumenta su tasa de biodegradación. Además, acelera la descomposición de los materiales ricos en celulosa, lo que a su vez incrementa la producción de gas y el contenido de CH4, logrando así mejores resultados en la fermentación. Este estudio demuestra que, bajo las mismas condiciones de concentración de materia seca y temperatura, la cantidad total de gas generado y la tasa de generación de gas por unidad de materia seca son, en orden decreciente: Grupo III > Grupo IV > Grupo II > Grupo I. La combinación óptima de materias primas para la fermentación es estiércol de cerdo : estiércol de oveja (relación de materia seca) = 1:1. (Li Muzi, Sun Junde, Facultad de Tierras y Medio Ambiente, Universidad Agrícola de Shenyang)