UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ - UNCP

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

ESCUELA DE POSGRADO

UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TESIS

PRESENTADA POR:

YOVANY DAMISELA LOZANO PAULINO

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

HUANCAYO - PERÚ 2019

OPTIMIZACIÓN DE LA CODIGESTIÓN ANAEROBIA

PARA MEJORAR LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

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NIDAD DE PO§GRADÜ DE I,A FACULTAD *E INGEN{TRIA MilüANICA

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En Ia sala de sustentaciones de la Facultad de lnsenlería Mecánica de la Universidad fiéacionai del Centro del Perú, siendo las 1ü:0CI a.nn., del día martes 3]. de diciemhre del 203"9, se reunieron k:s il'lienibrss deljurado examinad*r co*farn*ad* p*r:

Presidente Secretaria

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Dr. llalerian* Máxir*o l{uarnán Adriano Dr. Marcial üe la Cruz Lezama

Dr. Brecio Daniol La¿o Baltazar Mg. Ale.landro Ben§mín García Ortiz ür" Mario Alfonso Arellano Vilcher

El presidente del juradcr, encargado rnediante OFlClO F¡c 11"9-2CI19-UpG FfM,/ UISCP, ür"

Valeriano M§xima lluarnán Adriano invita ai secretario Dr. Marrial De la Cru: L*:arna dar lectura

a ta RE§OLiJCtÓfi¡ fi¡s O$5- 3S3.S - ^I,.IPG F!fiJUEFG-UNCP, de fee ha 3ú de die iemhre de zü1-9, donti*

se indiea que §oña Y$VANY DAe¡§§lt& LSZANü FAU¡"lhtt se encuentra apta ^para sustentarsu

tesi* titulada: "OPTlMtzAüÓf{ DE

tA (üs$rsTI*N

F§ODUCCÚN OE BIOGÁ§", c*r'l la finalidad de optar el grado acadérnicCI de tvtAE§TR& en TECNSLÜ6í& §NÉRCÉTK&. Luego de ia leetura el presidente dei jurado indica a Ia sustentante a rcalizar su exp'osieión p*r el tiempo de 2ü minutos. Finalizada la exposi*ién !a *ustentante rrali¡a la def*nsa de su tesis.

§**cluida ia defe*sa, etr presidoni* invita a le su*entante ^y * l*s a*lste*tes ebandanar el r*cint*

para la de liberacién de las seficres miembr*s deljurado, despur*s de fa detlberación de acuerdo

al Art. N§ 122 del fteglamenta Seseral de Ia Escuela de Posgrads de la UI$CF, el presldente invita

a la sustentante V a ios asistentes ingresar a ia sala para cornunicar ios resultadas d* la sustentaei*n de tesis, qüe e$ el siguiente:

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rcriemllr*s del jurado _{en eeñal d,*} *onf*r:xidad"

Dr. Valeriaoa fulaxi

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Ia Cn¡z Leza.ma

ASESOR:

Dr. Brecio Daniel Lazo Baltazar

AGRADECIMIENTO A mis maestros de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica, en especial al Dr. Ciro Espinoza Montes.

Al Dr. Brecio Daniel Lazo Baltazar, asesor de mi tesis, por su profesionalismo y experiencia compartida.

DEDICATORIA

A Dios, a mis padres, a mi esposo, por sus consejos, por su amor y paciencia para alcanzar nuevas metas.

A mi regalito de Dios, mi amado hijo José Antonio.

ÍNDICE

ASESOR ………ii

AGRADECIMIENTO ... iii

DEDICATORIA ... iv

ÍNDICE ... v

ÍNDICE DE FIGURAS ………...viii

ÍNDICE DE TABLAS……...………ix

RESUMEN …………..…………..………xi

ABSTRACT ………..………...………xiii

INTRODUCCIÓN……….xv

CAPÍTULO I………..17

PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO………...17

1.1 Fundamentación del problema………..17

1.2 Formulación del problema………..19

1.3 Objetivo de la investigación………19

1.4 Justificación e importancia………..19

1.5 Alcances y limitaciones de la investigación………..20

CAPÍTULO II……….22

MARCO TEÓRICO………..22

2.1 Antecedentes de la investigación………..………....22

2.2 Bases teórica científicas………...………..25

2.2.1 Materia orgánica y nivel óptimo de pH ... 25

2.2.2 Características del biogás ... 34

2.2.3 Producción del biogás ... 36

2.2.4 Uso del biogás ... 37

2.2.5 Codigestión anaerobia ... 37

2.2.6 Parámetros ambientales y operacionales………39

2.3 Bases conceptuales y operacionales………40

2.3.1 Definición conceptual………..………40

2.3.2 Definición operacional………..………..42

2.4 Hipótesis………42

2.5 Sistema de variables………42

2.5.1 Operacionalización de variable……….42

CAPÍTULO III………44

DISEÑO METODOLÓGICO……….………..44

3.1 Método de investigación….………44

3.2 Tipo de investigación………...46

3.3 Nivel de investigación……….….45

3.4 Diseño de la investigación…….……….…45

3.5 Diseño del tratamiento……….…46

3.6 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos…….………47

3.7 Características de los instrumentos………….……….50

3.8 Técnicas de procesamiento de datos…….………..51

3.9 Recolección de datos………..……52

3.10 Procesamiento de datos……….53

CAPÍTULO IV………...55

RESULTADOS DE LA INVESTIGACION………..………..55

4.1 Presentación de resultados…. ……….…….55

4.2 Medición de la producción de biogás………....56

4.3 Análisis de datos estadísticos……….……..……….57

4.4 Prueba de hipótesis………. ………..……….68

CAPÍTULO V ... .72

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ………..……….………...72

5.1 Discusión de los resultados ….…..………...72

5.2 Producción del biogás……….………..……..72

5.3 Impacto ambiental……….………...………...73

5.4 Consecuencias teóricas………..………….……..73

5.5 Aplicaciones prácticas……….73

CONCLUSIONES ... 75

RECOMENDACIONES………...………76

BIBLIOGRAFÍA………...……….77

ANEXOS………81

ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 2.1 Residuos ganaderos

Figura Nº 2.2 Residuos agrícolas

Figura Nº 2.3 Equivalencia de biogás con otras fuentes de energía Figura Nº 3.1 Diseño factorial 2³

Figura Nº 3.2 Desarrollo experimental Figura Nº 4.1 Diagrama de Pareto Figura Nº 4.2 Efectos estandarizados

Figura Nº 4.3 Residuos vs orden de producción de biogás Figura Nº 4.4 Histograma de residuos

Figura Nº 4.5 Residuos vs valores ajustados Figura Nº 4.6 Gráfica de probabilidad normal Figura Nº 4.7 Efectos de la producción del biogás Figura Nº 4.8 Diagrama de optimización

Figura Nº 4.9 Grafica de la interacción Figura Nº 4.10 Gráfica de cubos

ÍNDICE DE TABLAS Tabla Nº 2.1 Actividad pecuaria región Junín

Tabla Nº 2.2 Rendimiento promedio de principales cultivos

Tabla Nº 2.3 Relación carbono nitrógeno de residuos ganaderos Tabla Nº 2.4 Relación carbono nitrógeno de residuos agrícolas Tabla Nº 2.5 Composición de valores caloríficos

Tabla Nº 2.6 Factor de producción del biogás Tabla Nº 2.7 Composición del biogás

Tabla Nº 2.8 Tratamiento final sobre el uso del biogás

Tabla Nº 2.9 Operacionalización de la variable independiente Tabla Nº 2.10 Operacionalización de la variable dependiente Tabla Nº 3.1 Factores y niveles de investigación

Tabla Nº 3.2 Tablas de signos de diseño factorial 2³ Tabla Nº 3.3 Anova para diseño factorial 2³

Tabla Nº 3.4 Diseño factorial combinación de Yates Tabla Nº 3.5 Características de los instrumentos Tabla Nº 3.6 Total de residuos orgánicos

Tabla Nº 3.7 Total de residuos orgánicos de todos los experimentos Tabla Nº 4.1 Producción de biogás

Tabla Nº 4.2 Resultados de producción de biogás

Tabla Nº 4.3 Comparación de las variables y producción de biogás Tabla Nº 4.4 Efectos y coeficientes codificados

Tabla Nº 4.5 Análisis de varianza Tabla Nº 4.6 Resumen del modelo

RESUMEN

El trabajo de investigación presentado con título ¨Optimización de la codigestión anaerobia para mejorar la producción del biogás¨ pertenece al tipo de investigación tecnológica y nivel experimental. El objetivo fue optimizar la codigestión anaerobia para mejorar la producción del biogás y comprende las dimensiones de la carga orgánica a través de la codigestión de residuos ganaderos y residuos agrícolas, nivel del pH óptimo de la materia orgánica. El diseño de investigación es el diseño factorial, el cual permitió manipular tres variables independientes que incluyeron dos niveles para cada variable independiente. En consecuencia, al tener tres variables independientes y cada una de ellas con dos niveles, se tiene el diseño factorial 2³.

La técnica de investigación experimental es la técnica de la observación directa, la que permitió tener datos cercanos del objeto de investigación.

Se aplicó técnicas de recolección y análisis de datos, aplicando el minitab para la estadística inferencial y para el análisis multivariado, para

la prueba de hipótesis y el diseño factorial se utilizó el software Minitab, y la T de student como estadístico. Llegando a la conclusión que la producción de biogás aumentó de manera directa a través de la codigestión de los residuos generados por la ganadería y de los residuos generados por la agricultura, con la mezcla compuesta por 40 % de residuos ganaderos, 60 % residuos agrícolas y un pH neutro.

Palabras claves: Codigestión, biogás, materia orgánica.

ABSTRACT

The research work presented with the title ¨Optimization of anaerobic codigestion to improve biogas production¨ belongs to the type of technological research and experimental level. The objective was to optimize anaerobic codigestion to improve biogas production and includes the dimensions of the organic load through the codigestion of livestock waste and agricultural waste, the optimal pH level of organic matter. The research design is the factorial design, which allowed the manipulation of three independent variables that included two levels for each independent variable. Consequently, having three independent variables and each of them with two levels, we have the factorial design 2³.

The experimental research technique is the technique of direct observation, which allowed us to have close data of the research object. Data collection and analysis techniques were applied, applying the Minitab for the inferential statistics and for the multivariate analysis, for the hypothesis test and the factorial design, the Minitab software was used, and the Student's T as statistic. Concluding that biogas production increased directly through the

codigestion of waste generated by livestock and waste generated by agriculture, with the mixture consisting of 40% livestock waste, 60%

agricultural waste and a neutral pH.

Keywords: Co-digestion, biogas, organic matter.

INTRODUCCIÓN

La presente investigación de título “Optimización de la codigestión anaerobia para mejorar la producción de biogás” tuvo el objetivo de optimizar la codigestión anaerobia para mejorar de producción de biogás, comprende la dimensión de carga orgánica a través de la codigestión de los residuos ganaderos con los residuos agrícolas y un pH óptimo de la materia orgánica, realizando la réplica de este proceso de codigestión se puede optimizar la producción de biogás y cubrir en parte la demanda energética en las zonas rurales como es de 42% en la selva y el 30% en costa y sierra, de la población peruana que no tienen acceso al servicio de la energía obtenida por métodos convencionales, por lo cual usamos tecnologías asociadas al uso de los residuos ganaderos y residuos agrícolas con la finalidad de cubrir esta demanda energética.

Según Sarabia et al., (2018), afirma que “En el proceso de codigestión anaerobia se combinan varias mezclas de sustratos organicos biodegradables, logrando aumemntar el potencial de producción de biogas por kilogramo de mezcla degradado” (p.2). Donde la principal característica por lo que un proceso de codigestión puede mejorar los resultados de tratamiento

es su capacidad de balancear los nutrientes necesarios en el proceso, es decir, el contenido de carbono nitrógeno, pH ótimo de la materia orgánica a degradarse.

El trabajo de investigación contiene cinco capítulos: El capítulo I contiene el estudio, se considera la fundamentación y se formula el problema, objetivo, importancia, alcances y las limitaciones que se tuvo en la investigación; en el capítulo II se da a conocer el fundamento teórico donde se menciona los antecedentes, teorías sobre materia orgánica, características, producción y uso del biogás, codigestión, hipótesis y variables; en el capítulo III muestra cómo se ha realizado la investigación, considerando desde método hasta el tratamiento de los datos; en el capítulo IV contiene el resultado de la experimentación, medición de la producción de biogás, análisis estadístico y comprobación de la hipótesis; el capítulo V considera los resultados y su discusión, consecuencias teóricas y aplicaciones prácticas.

La autora

CAPÍTULO I

PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO

1.1 Fundamentación del problema

Según el Banco Mundial (2018), indica que “a nivel mundial aproximadamente 1000 millones de habitantes no tienen electricidad, 3000 millones consumen combustibles que dañan el medio ambiente, como la leña y otros residuos orgánicos para la cocina y calefacción”

(p.3). Esta información del banco mundial es alarmante, ya que las cifras altas indican que muchas familias no tienen acceso al servicio de la electricidad.

Por otro lado, según el INEI (2017) indica que “cerca del 42% de la zona rural de la selva no cuentan con electricidad, y el 30% de la zona rural de la costa y sierra, tampoco tienen electricidad” (p.32). Estos porcentajes del 42% y 30% indican que un sector de la población peruana no tiene acceso al servicio básico de energía, y este sector se encuentra distribuida en la zona rural de la costa y sierra de nuestro país, donde se vive en pobreza y extrema pobreza.

Así mismo, el Ministerio de Energía y Minas (2010), de acuerdo con el

Centro de Planeamiento Estratégico (CEPLAN, 2010), indican que en sesión oficial de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), que “el Perú asume el compromiso de cambiar la matriz energética, para alcanzar que las energías renovables lleguen al 50% de la energía consumida” (p.15). Según CEPLAN (2010) indica que “de no lograrlo, pueda considerarse vulnerable al incremento del precio del crudo como también al agotamiento del agua debido al calentamiento global, reduciendo la seguridad energética y no ganar competitividad por el incremento de costos de producción” (p.18).

Ante esto, el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (OSINERGMIN, 2017) indica que “una opción técnica, económica y competitiva confiable para aplicar en zonas rurales de nuestro país son las energías renovables, ya que esta fuente no convencional, disminuye la dependencia energética, promoviendo el desarrollo y protección del medio ambiente” (p.141).

En el nuestro país, la biomasa de residuos ganaderos y residuos agrarios se utiliza como fuente ancestral de energía y es utilizada para cocinar alimentos y calentamiento de sus viviendas para protegerse de las bajas temperaturas durante el año, que utilizan los pobladores dedicados a la actividad agrícola y ganadera de las zonas rurales del país, representando un consumo aproximadamente de un 12% de la fuente de energía primaria.

Estos resultados en este siglo alarman y preocupa, por lo que frente a este problema se propone buscar la solución utilizando los recursos de la zona como son los residuos agrícolas y ganaderos que a través de la

codigestión mediante un proceso anaerobio permitió obtener biogás.

Considerando que, cualquier residuo sólido orgánico por su contenido de materia orgánica es utilizado con para propósitos energéticos mediante las etapas de descomposición de los residuos orgánicos en biogás, a través del proceso de biodigestión que se produce en los biodigestores.

En la investigación se trabajó con la codigestión de residuos orgánicos, y se pretende demostrar la optimización de la codigestión anaerobia utilizando los residuos ganaderos y los residuos agrícolas, con un nivel de pH óptimo de la materia orgánica el cual permitirá mejorar la producción del biogás.

1.2 Formulación del problema 1.2.1 Problema General

¿Cómo optimizar la codigestión anaerobia para mejorar la producción del biogás?

1.3 Objetivo de la investigación 1.3.1 Objetivo General

Optimizar la codigestión anaerobia para mejorar la producción del biogás.

1.4 Justificación e importancia

1.4.1 Justificación de la investigación

El alto porcentaje en peruanos que no tienen acceso a la energía, sobre todo en las zonas rurales.

El incremento del calentamiento global o cambio climático que estamos viviendo en estos últimos años, por el cual la temperatura del planeta va

aumentando en forma progresiva.

El uso inadecuado de los residuos agrícolas y ganaderos en la obtención del biogás, ya que nuestro país ocupa uno de los primeros lugares en América Latina en la generación de residuos orgánicos.

1.4.2 Importancia de la investigación

Considero importante la investigación realizada en nuestro país, debido a que existe una creciente demanda de energéticos en las zonas rurales, como nos muestra el INEI, los altos porcentajes de 42% y 30% de peruanos sin acceso a este servicio básico, lo que nos obliga a desarrollar sistemas de energías renovables utilizando la materia orgánica de la zona en un proceso de digestión anaerobia, de esta manera reduciremos en parte la contaminación ambiental y preservando nuestro ecosistema.

En este sentido, es importante el uso de biodigestores en el Perú, ya que tiene poca aplicación sobre todo en las zonas rurales. A través de la codigestión que es una alternativa de tratamiento que tiene posibilidades de desarrollo importante al amparo del plan energético. Se utiliza los residuos ganaderos que al mezclarse con los residuos agrícolas, con un nivel de pH óptimo de la materia orgánica se mejoró la producción de biogás mediante la codigestión.

1.5 Alcances y limitaciones de la investigación 1.5.1 Alcances de la investigación

Habiéndose desarrollado el proceso de codigestión de la biomasa, el cual permitió mejorar la obtención del biogás. Este trabajo es lo suficientemente eficiente para lograr en parte disminuir la contaminación

ambiental y la producción de biogás.

1.5.2 Limitaciones de la investigación

Limitaciones: el poco uso de los biodigestores en el Perú y la poca concientización en la población del sector ganadero y agrícola, en la contaminación del medio ambiente, hacen que las muestras sean representativas.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la investigación

Aquí se presenta trabajos investigados y desarrollados, los cuales fueron revisados y son la base teórica para el trabajo de investigación.

Según Martínez (2013) en su tesis titulada “Optimización de la producción de metano a partir de la codigestión anaerobia de residuos orgánicos”, concluye que:

El metano producido aumentó directamente con el aumento de residuos de frutas y verduras en la mezcla, encontrándose un punto máximo de remoción de sólidos volátiles 21.7% con la mezcla compuesta por 35.2% de lodos de purga, 47.4% frutas y verduras y 17.4 estiércol de cerdo. (p. 4)

También Lobato (2012) en su tesis titulada “Estudio de la codigestión anaerobia de residuos ganaderos con otros substratos agroindustriales”, concluye que:

La codigestión anaerobia es una alternativa de solución en el incremento de la obtención del biogás. De los residuos orgánicos estudiados en un medio mesofílico, los residuos del cerdo presentaron un alto potencial en la obtención del metano, frente a del estiércol ovino y del residuo vacuno. Y la cascara de la papa, el residuo de la papa frita y el aceite utilizado, son co-substratos aprovechables en la descomposición anaeróbica. (p. 8)

Según Briseño (2017), en su trabajo de investigación “Producción del biogás a través de la codigestión de residuos sólidos y semisólidos hacia una planta centralizada de biogás para la generación de la energía”, concluye que:

Para la codigestión de residuos se debe buscar la composición ideal en las proporciones de la mezcla buscando que se complementen sus características y de esta manera se aprovechen para producir biogás de mejor calidad. (p. 14)

Por otra parte, Gonzales (2015) en su tesis titulada “Evaluación de un sistema de codigestión anaerobia de residuos agropecuarios”, concluye que:

La codigestión anaerobia de sustratos orgánicos se muestra como una opción viable para gestionar los residuos orgánicos de excreta de ovino y pulpa de café de un beneficio cafetalero convirtiéndose en un tratamiento económico-sustentable, accesible para las pequeñas y medianas industrias generadoras de residuos orgánicos. (p. 12)

Según Plascencia (2014) en su tesis titulada “Estudio de codigestión de residuos orgánicos agroindustriales para la producción y uso de biogás”, concluye que:

Se obtuvieron rendimientos de metano de 27 y 36 l/kg SVT y reducciones de DQO 17 y 32% para MC y FP respectivamente se obtuvo una composición máxima de 58% de metano en ambos digestores. (p. 13)

Según Gonzáles (2017) en su tesis titulada “Sistema de aprovechamiento de residuos orgánicos de ganado vacuno y su aplicación en la agropecuaria Campos de Chira EIRL”, concluye que:

La obtención del biogás desde la biomasa genera un combustible que no altera el medio ambiente. No se tiene una cultura de orden y limpieza, por lo que se encuentra aún en las calles y parques, también se tiene en los hogares residuos domésticos no seleccionados, lo que provoca olores desagradables. La implementación tecnológica de un biodigestor nos conducirá a organizar y aprovechar mejor los residuos. (p. 12)

Finalmente, Taipe (2019) en su tesis de maestría en Tecnología Energética titulada “Diseño de un biodigestor para mejorar la obtención de biogás y biol”, concluye que:

El tiempo de retención para la producción de biogás fue de 28 días, y una producción estimada de biogás de 315.6 l/día, esto significa 2.40 horas de utilización diaria en una cocina doméstica, ó 3.30 horas de utilización diaria en lámparas de gas. (p. 66)

2.2 Bases teóricas científicas

Según Fernández (2010), en su trabajo de “Optimización de la digestión anaerobia seca de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos em reactores en fases de temperatura”, define digestión anaerobia como:

Digestión anaeróbica como un proceso biológico donde los residuos orgánicos sin presencia de oxígeno, y con la participación de las bacterias, se inicia la descomposición en diferentes gases como el metano, el dióxido de carbono, hidrógeno, gas sulfhídrico entre otros, en una mezcla residual llamado digestato y compuestos de difícil descomposición. El control del proceso de digestión anaeróbica es el más adecuado para la reducir emisiones de efecto invernadero. El proceso de digestión anaeróbica tiene como materia prima los residuos agrícolas, ganaderos, residuos sólidos urbanos y domésticos, que pueden ser tratados de manera independiente o en conjunto la que se llamará codigestión. (p.15) 2.2.1 Materia orgánica y nivel óptimo de pH

2.2.1.1 Materia orgánica residuos ganaderos

Según el Ministerio del Ambiente (2013), en la Ley Nº27314 de residuos sólidos, define que “los residuos sólidos son aquellas sustancias, productos o subproductos en estado sólido o semisólido que su generador dispone, en virtud de lo establecido en la normatividad nacional que causan a la salud o ambiente” (p.8).

Según el IDAE (2015) en su publicación de biomasa, sobre digestores anaerobios, indica que “la materia orgánica a utilizar en la digestión

anaeróbica es la biomasa, la que se clasifica en: biomasa vegetal, y en biomasa animal” (p. 12).

Por otro lado, IDAE (2015) menciona también que:

Los problemas relacionados con los residuos ganaderos incluyen la contaminación del agua y el suelo, así como problemas sanitarios debido al contenido de microorganismos patógenos en los desechos. Aunado a ello se encuentran los olores causados por los gases producidos por la descomposición en instalaciones de manejo o bien al momento de su disposición en el suelo, así como la emisión incontrolada de gases de efecto invernadero (GEI).

Además, es posible que los nutrientes en exceso lleguen a sistemas acuáticos superficiales, causando la eutrofización de cuerpos receptores o bien se infiltren en el suelo contaminando aguas subterráneas. Dentro de sus características químicas, los residuos ganaderos se componen por un contenido alto de sólidos y materia residual orgánica, así como fósforo, nitrógeno, y niveles de poblaciones microbianas altos. Adicionalmente, el estiércol de cerdo tiene un alto contenido de nitrógeno orgánico, proveniente de proteínas y otros compuestos nitrogenados. (p. 13)

En la zona rural del Perú se tienen muchas familias que tienen como principal actividad a la ganadería. Del cual se tiene la cantidad de ganado vacuno en las diferentes regiones como se muestra en la Tabla 2.1 del Ministerio de Agricultura (2018), donde se observa que la población pecuaria en la región Junín cuenta con 321586 cabezas de ganado vacuno y 37386 de vacas en ordeño, el cual genera un alto

porcentaje de residuos ganaderos que contaminan el medio ambiente, los cuales pueden ser utilizados en el proceso de la codigestión anaerobia, con una relación armoniosa con la naturaleza.

Tabla 2.1

Actividad pecuaria región Junín – 2017

Región Ave Alpaca Llama Caprino Ovino Porcino Vacuno Vacas en ordeño Junín 3554426 91678 59605 10580 1478438 168586 321586 37386 Fuente: (MINAGRI, 2018)

La muestra de los residuos ganaderos se obtuvo del establo de la familia Laura localizada en el distrito de Mito, Concepción. Esta muestra fue recogida de los corrales donde se encontraban las vacas dedicadas a la producción de leche. La razón por la cual se tomó esta muestra fue que en este corral el estiércol se encontraba sin mezcla de algún otro material, ya que por el contrario, en los corrales de engorde, el estiércol es mezclado con paja y otros productos de engorde. La figura 2.1 muestra parte de estiércol ganadero, con el que se trabajó la investigación.

Figura 2.1 Residuos ganaderos

2.2.1.2 Materia orgánica residuos agrícolas

IDAE (2015) en su publicación de biomasa, sobre “Digestores anaerobios”, indica que:

Los residuos agrícolas se obtienen de la actividad final agrícola, generando altas cantidades de desechos residuales. Los frutos, hojas y raíces se descomponen y mejoran las propiedades del suelo agrícola; la parte aérea de los tallos son aprovechados para la ganadería y la industria; también se tiene residuos no aprovechables y que son indispensable eliminarlos para la comodidad de la faena agrícola. Algunas plantaciones deben podarse anualmente para el cultivo posterior, siendo la poda residual una fuente de alto poder calorífico. (p.14)

Como se muestra en la figura 2.2 de residuos agrícolas producidas en nuestra región.

Figura 2.2:Residuos agrícolas

En el Perú un alto porcentaje de la Población Económicamente Activa (PEA) en las zonas rurales se dedican a la actividad agropecuaria, y en

la región Junín se conoce que se alcanzó 135,800 productores agropecuarios que viene a ser el 6% del total nacional, de los cuales el 99,3% se desenvuelven como persona natural y solo el 0,3% se encuentran en las comunidades campesinas.

Las actividades agropecuarias son los sembríos de diferentes productos como son frutas y verduras, y se tiene gran cantidad de sembríos por hectáreas en las diferentes regiones como indica la Tabla 2.2 del Ministerio de Agricultura (2018).

Tabla 2.2

Perú: Rendimiento de principales cultivos según regiones (kg/ha)

Región Soya Tarhui Tomate Trigo Vainita Yuca Zanahoria Zapallo Nacional ^{841 11630 5543 127442 2542 110379 7104 7855}

Amazonas ^{236 101 42 465 0 11048 233 46}

Ancash ^{0 375 337 12877 16 217 180 311}

Apurímac ^{0 995 90 4592 84 68 151 187}

Arequipa ^{0 0 860 1401 404 27 1627 1325}

Ayacucho ^{0 301 106 9855 42 749 213 43}

Cajamarca ^{5 487 120 26773 0 7857 381 851}

Callao ^{0 0 0 0 0 0 0 0}

Cusco ^{88 2316 53 9255 0 3793 551 140}

Huancavelica ^{0 435 134 4521 0 0 160 406}

Huánuco ^{0 878 59 7992 21 4438 181 476}

Ica ^{0 0 1296 32 10 397 6 1186}

Junín ^{46 441 15 4784 0 8042 1227 155}

La Libertad ^{0 4256 187 29940 24 995 408 494}

Lambayeque ^{0 0 111 1137 0 1023 114 33}

Lima ^{0 0 1020 214 1497 1248 1493 581}

Loreto ^{0 0 484 0 0 47520 0 403}

Madre de Dios

0 0 0 0 0 1006 0 10

Moquegua ^{0 0 21 0 119 0 9 57}

Pasco ^{0 0 0 119 0 5740 39 606}

Piura ^{353 0 118 0 0 1097 96 69}

Puno ^{38 1046 0 0 0 2013 19 93}

San Martín ^{25 0 131 0 0 5484 0 0}

Tacna ^{0 0 262 5 231 0 0 334}

Tumbes ^{19 0 4 0 0 136 0 13}

Ucayali ^{30 0 31 0 0 7466 0 10}

Fuente: Ministerio de agricultura 2018

La muestra de los residuos agrícolas, fueron recolectados de los terrenos agrícolas ubicada dentro del Valle del Mantaro, en el distrito de Mito, provincia de Concepción. Los residuos fueron obtenidos luego de la cosecha de los diferentes productos agrícolas. Una vez localizados las muestras, se llevó a cabo una colecta de las frutas y verduras de manera aleatoria.

2.2.1.3 Nivel de pH

El manual de biogás de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (2011), indica que:

El nivel de pH es esencial durante el proceso de digestión anaerobia debido a los efectos en la actividad enzimática microbiana. La influencia del pH en la actividad microbiana se da en el cambio de grupos hidrolizables como carboxilos y aminas, y en la alteración de los compuestos no enzimáticos como la ionización del sustrato y la desnaturalización de la estructura proteica de la enzima. El valor óptimo de pH para la digestión anaerobia es de 7 y si nos alejamos de este valor la eficiencia del proceso disminuye, pudiéndose mantener este valor controlando el pH de la materia orgánica que ingresa al biodigestor, para lo cual es necesario calcular la cantidad de los químicos a añadirse a la materia orgánica. (p.45)

Los rangos de pH de los residuos orgánicos: según Varnero y Arellano (1990) menciona que:

Pequeños cambios de niveles de pH en el proceso anaerobio

hacen que se aleje del valor óptimo de 7, siendo en la práctica un rango satisfactorio entre 6 a 8. El valor óptimo del pH en el digestor determina el volumen de producción de biogás y su composición, por lo que es necesario mantener la neutralidad. El pH de residuos ganaderos es 8 y de los residuos agrícolas es 7. (p. 40)

2.2.1.4 Relación carbono nitrógeno (C/N)

La relación óptima de carbono/nitrógeno según Soria (2000) citado por Carhuancho (2012) menciona que:

La relación óptima de C/N para el crecimiento de los microorganismos debe ser de 30:1, si la relación C/N es de 10:1 existirá pérdidas de nitrógeno, reduciendo la calidad de los microorganismos, y si fuese la relación C/N de 40:1 no existirá crecimiento de los microorganismos. (p. 62)

A continuación, se muestra la relación carbono/nitrógeno de los residuos ganaderos en la tabla 2.3 y de los residuos agrícolas en la tabla 2.4

Tabla 2.3

Relación carbono nitrógeno (C/N) de residuos ganaderos Estiércol Disponibilidad

Kg/día

Relación C/N

Bovino (500 kg) 10,00 25:1

Porcino (50 kg) 2,25 13:1

Aves (2 kg) 0,18 19:1

Ovino (32 kg) 1,50 35:1

Caprino (50 kg) 2,00 40:1

Equino (450 kg) 10,00 50:1

Conejo (3 kg) 0,35 13:1

Excretas humanas 0,40 3:1

Fuente: Soria, (1991)

Tabla 2.4

Relación carbono nitrógeno (C/N) de residuos agrícolas Residuos Cantidad residuo

Ton/ha

Relación C/N Cereales (paja)

Trigo 3,3 123:1

Maíz 6,4 45:1

Cebada 3,6 95:1

Arroz 4,0 58:1

Tubérculo (hojas)

Papas 10,0 20:1

Beterragas 12,0 23:1

Leguminosas (paja)

Porotos 3,2 38:1

Habas 4,0 29:1

Hortalizas (hojas)

Tomate 5,5 12.1

Cebolla 7,0 15:1

Fuente: Soria, (1991)

Según esta información consideramos a los residuos ganaderos bovinos que alcanza una relación carbono/nitrógeno de 25:1 y de los residuos agrícolas considerando algunos de ellos como las papas 20:1, habas 29:1, maíz 45:1 y zanahoria 13:1. Valores que se consideran dentro del margen de relación óptima citado por Carhuancho (2012).

2.2.2 Características del biogás Según Castells (2005), indica que:

El biogás es el resultado de la digestión anaeróbica de la materia orgánica. La composición del biogás se sujeta a la mezcla digerida y a la tecnología del biodigestor utilizado, pudiendo ser de: 50 a

70% metano, 30 a 40% de anhídrido carbónico y ≤ 5% de hidrógeno, ácido sulfhídrico, entre otros gases. El biogás se encuentra por debajo de los combustibles comparados en el factor de emisión directa de CO2, lo que lo posiciona como una opción menos contaminante. (p. 12)

Tabla 2.5

Comparación de valores caloríficos para diferentes combustibles Combustible Valor Calorífico

(CV) aproximado

Factor de emisión indirecto (KgCO2e/GJ,CV neto)

Petróleo 45,21 MJ/Kg 12,51

Gas Natural 36 MJ/Kg 5,55

Gas Natural Licuado 55,14 MJ/Kg 20

Kerosene 43,12 MJ/Kg 13,34

Diésel 44,79 MJ/Kg 13,13

Biogás 23 MJ/Kg 0,246^b

Fuente: Castells, (2005)

Por otro lado, Castells (2005) indica que:

El metano por su alto contenido tiene un poder calorífico superior a la mitad del poder calorífico del gas natural. El biogás con metano del 60%

muestra un poder calorífico de aproximadamente 5.500 kcal/Nm³ (6,4 kWh/Nm³), siendo un combustible ideal a excepción del ácido sulfhídrico.

(p. 13)

En la figura 2.3 se muestra las equivalencias del biogás con otras fuentes de energía.

Figura 2.3: Biogás y sus equivalencias con otras fuentes de energía.

Fuente: (IDAE, 2007)

2.2.3 Producción de biogás 2.2.3.1 Volumen del digestor

Según Martí (2008) el volumen requerido por el digestor es:

(2.1)

Donde:

VL = Volumen de la mezcla VG = Volumen gaseoso

Volumen del gasómetro

VGAS = 35% *VL (2.2)

2.2.3.2 Producción de biogás Martí (2008) indica que:

La mezcla de la codigestión de materia orgánica con agua en el

digestor, sin presencia de oxígeno, dará como producto el biogás.

La obtención es variable, y dura según el tiempo de retención que se da de acuerdo a la temperatura del interior del digestor. Así se tendrá, una cantidad de materia orgánica producirá biogás de a pocos en el transcurso del tiempo de retención del sistema. (p. 36- 37)

Martí recomienda llevar a cabo una mezcla con agua en las proporciones son de 1:3 (residuo/agua) para la codigestión de la materia orgánica agrícola y ganadera.

La estimación del volumen producido del biogás requiere que se considere la materia orgánica de los residuos ganaderos y agrícolas, para lo cual se utiliza el procedimiento de sólidos totales y el de sólidos volátiles, según Martí (2008):

Sólidos totales (ST): El estiércol varía de 13% al 20% = 17% y los residuos agrícolas varía de 10% al 25% = 18%, teniendo un promedio de ST= 17%. Sólidos volátiles: Este valor generalmente corresponde al 77% de sólido total por día. Así se tiene que SV=

0.77 (ST). (p. 42)

De la tabla 2.6 se determina el factor de producción u obtención del biogás

Tabla 2.6

Factor de producción u obtención del biogás Residuos

orgánicos

Factor de producción

Factor total

Bovino Bovino 0.25-0.30 0.27

Residuos Agrícolas

Residuos agrícolas 0.25-0.32

0.28 Fuente: Martí (2008)

2.2.4 Uso del biogás

La FAO (2011) en su manual de biogás, indica que:

El biogás obtenido en el proceso de digestión anaerobia puede dárseles varios usos: por ejemplo, en calderas para generar calor;

en los motores y en las turbinas para producir electricidad; en las pilas de combustible para purificarlos y añadirles aditivos para conectar una red de transporte del gas natural; también utilizarse para material base en la síntesis de productos como es el metanol o el gas natural licuado. (p. 12)

En la tabla 2.7 se muestra la energía equivalente de biogás y otras fuentes de energía como el gas metano, gas propano, gas natural y el hidrógeno:

Tabla 2.7

Composición del biogás: CH4 (65%) – CO2 (35%)

Valores Biogás Gas

Natural

Gas Propano

Gas Metano

Hidrog.

Valor Calorífico (Kwh/m³) 7.0 10 26 10 3

Densidad (t/m³) 1.08 0.7 2.01 0.72 0.09

Densidad con respecto al aire

0.81 0.54 1.51 0.55 0.07

Límite de explosión (%

de gas en el aire)

6-12 5-15 2-10 5-15 4-80

Temperatura de

encendido

687 650 470 650 585

Máxima velocidad de encendido en el aire (m/s)

0.31 0.39 0.42 0.47 0.43

Requerimiento teórico de aire (m³/m³)

6.6 9.5 23.9 9.5 2.4

Fuente: (FAO, 2011)

Según el IDAE (2007), menciona que:

El biogás, contiene metano y otras impurezas, que puede ser necesarios eliminarlos, por lo que es importante limpiar el combustible. Un uso que se da mayormente es el aprovechamiento de la digestión anaeróbica en residuos vacunos y porcinos, que arrojan las excretas en grandes cantidades. Por lo que se propone la instalación de una planta de digestión anaeróbica de obtención del biogás para las mismas granjas, según sus necesidades. (p. 12)

Tabla 2.8

Tratamiento de uso final de biogás (0 = sin tratar, 1 = con tratamiento, 2 = con tratamiento alto).

Uso final Eliminación del agua

Eliminación del CO2

Eliminación del H2S Producción térmica en

caldera

1 0 0-1-2

Producción de

electricidad en motores estacionarios

1 ó 2 0-1-2 1 ó 2

Combustible de

vehículos o para turbinas

2 2 2

Gas natural para calefacción

2 2 2

Pilas de combustible 2 2 2

Fuente: (IDAE, 2007)

2.2.5 Codigestión anaerobia

Según Fernández (2010) en su trabajo “Optimización de la digestión anaerobia seca de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos en reactores en fases de temperatura”, explica que consiste:

La codigestión consiste en la mezcla de la materia orgánica con el

propósito de mejorar la composición y la producción del biogás. Por otro lado, la codigestión anaerobia representa la mezcla de dos o más diferentes residuos orgánicos, siendo su principal ventaja la utilización de la sinergia de las mezclas, equilibrando las carencias de los sustratos individualmente. El proceso de codigestión anaeróbica de materia orgánica diferentes, tiene un efecto provechoso en los intervalos mesofílico y termofílico. (p. 17)

Por otro lado, según Álvarez (2009), menciona que:

La codigestión anaerobia se define como el tratamiento de una mezcla de al menos dos tipos diferentes de residuos, y tiene el propósito de aumentar la eficiencia de la codigestión. La principal característica por la cual un proceso de codigestión puede mejorar los resultados de tratamiento es su capacidad de balancear los nutrientes necesarios en el proceso, es decir, el contenido de macro y micronutrientes, relación C/N, nivelar la presencia de compuestos inhibitorios o tóxicos, así como de materia orgánica biodegradable. (p. 12)

Culmina Álvarez (2009) afirmando que:

Se obtuvieron resultados positivos en mezclas de materia orgánica ganadero, combinado con residuos orgánica de los camales, alcanzando así incrementar la producción del metano, en un rango de 47 m³/t de residuo ingresado. Por otro lado se obtuvieron resultados positivos en el proceso de codigestión de lodos de depuradora y pequeñas cantidades de porciones de residuos

orgánicos urbanos, siendo la mezcla con aguas residuales y residuos orgánicos domésticos. Se conoce que los residuos sólido urbanos y residuos sólidos industriales tienen concentraciones altas de materia orgánica biodegradable, lo que indica un potencial mayor de producción del biogás que la materia orgánica ganadera.

(p. 16)

Según Sánchez y Vizcón (2017), indican que:

Actualmente a nivel mundial se arrojan cantidades grandes de materia orgánica residual que son producidos principalmente por el hombre en su diferentes actividades, a los que no se realizan ningún tratamiento, esto conlleva a un problema muy grave de contaminación ambiental del ecosistema; sin embargo, la materia orgánica residual al dársele un adecuado tratamiento como el caso de codigestión, se puede obtener beneficios como la producción del biogás, biol, biosol, y disminuir la contaminación ambiental. En experimentos de codigestión realizados en laboratorio con residuos orgánicos bovino, residuos de comida y lodos de aguas negras, se consiguieron resultados justificatorios para emplear esta tecnología. (p. 21)

2.2.6 Parámetros ambientales y operacionales Según el IDAE (2015), menciona que:

Se tiene parámetros ambientales que deben ser controlados en el proceso de biodigestión, se tienen: la materia orgánica a utilizar en

el proceso de digestión anaerobia y el pH que debe mantenerse cercano a la neutralidad, es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3. También debe tenerse en cuenta parámetros operacionales en el interior de los reactores, rangos de temperatura de operación como: psicrofílico que representa la temperatura ambiente, mesofílico que representa temperaturas alrededor de 35ºC, termofílico que representa temperatura alrededor de 55ºC;

donde se tiene que a mayor rango de temperatura se alcanza menor tiempo de retención. (p. 48)

2.3 Base conceptual y operacional 2.3.1 Definición conceptual

Se tiene la variable independiente (VI), que viene a ser la codigestión anaerobia y la variable dependiente (VD), que viene a ser la producción de biogás.

VI: codigestión anaerobio; es la mezcla de residuos orgánicos entre ellos la materia orgánica ganadera y la materia orgánica agrícola, para producir biogás en un biodigestor cuyas dimensiones a considerar son:

Residuos ganaderos, es la biomasa animal a utilizar en el proceso de codigestión anaerobia; C1: RG 60% y C2: RG 40%

Residuos agrícolas, es la biomasa agrícola a utilizar en el proceso de codigestión anaerobia; C1: RA 40% y C2: RA 60%.

Nivel de pH, indica la acidez o alcalinidad de los residuos orgánicos, es recomendable un pH de 7, según Martí (2008).

Respaldando esta definición conceptual se tiene a Martínez (2013),

quien menciona que:

Manteniendo una mezcla compuesta por 59% residuos de frutas y verduras y 41% estiércol de ganado (bovino y porcino) la producción de metano mejoró 52%, obteniendo un valor de 320 mlCH4/gSVad, con respecto a lo obtenido durante la digestión individual de estiércol de cerdo (210 mlCH4/gSVad), lo que nos sirve como base para seleccionar los porcentajes de los residuos a utilizar. (p. 14)

VD: Producción de biogás; proceso que se obtiene de un biodigestor anaerobio, que transforma la materia orgánica, a través de la descomposición de ésta, mediante la codigestión anaerobia de residuos ganaderos y agrícolas, obteniendo gas cuya composición es el metano y otros.

Según Reinoso (2011) indica que “el biogás es el resultado del proceso de codigestión anaeróbica de residuos orgánicos, siendo su composición el metano (CH4), anhídrido carbónico (CO2), ácido sulfhídrico (H2S), hidrógeno (H2) y otros gases” (p. 48). Su dimensión es el peso del biogás obtenido.

Según Castells (2005) afirma que “el biodigestor es un contenedor llamado reactor que transforma la biomasa en biogás y en biol, mediante la digestión anaeróbica que consiste en descomponer la materia orgánica en elementos más simples” (p. 32).

Sus parámetros externos son: la codigestión de la carga orgánica, y pH óptimo de la biomasa, para la obtención del biogás.

2.3.2 Definición operacional VI: Codigestión anaerobio

La codigestión anaerobio de la materia orgánica ganadera y la materia orgánica agrícola, con un pH óptimo; en un biodigestor genera la descomposición de los residuos mediante la digestión anaerobia y producir el biogás.

VD: Producción de biogás

Mediante la codigestión de residuos y el diseño experimental 2³ se determinó la influencia de la variable independiente en sus dimensiones (factores) en la producción de biogás.

La obtención de biogás en (kg), el cual se medió utilizando el instrumento de una balanza en la salida del biodigestor.

2.4 Hipótesis

La optimización de la codigestión anaerobio mediante la mezcla de carga orgánica a utilizar en el proceso de la codigestión anaeróbica, y el pH de ingreso de la materia orgánica permitirá la mejora de la producción de biogás.

2.5 Sistema de variables

2.5.1 Operacionalización de variables

Las tablas 2.9 y 2.10 dan a conocer la explicación conceptual y la explicación operacional de las variables empleadas en la tesis.

Tabla 2.9

Operacionalización de la variable independiente Variable Independiente: Codigestión anaerobia

Definición Dimensiones Indicadores La codigestión

anaerobia es la mezcla de residuos orgánicos entre ellos los residuos ganaderos y los residuos agrícolas y pH óptimo para producir biogás en un digestor biogás.

Porcentaje (%) de residuos ganaderos

Determinar el % de biomasa de residuos ganaderos, utilizando una Balanza (kg)

C1:RG 60% C2:RG 40%

Porcentaje (%) de residuos agrícolas

Determinar el % de biomasa de residuos agrícolas, utilizando una Balanza (kg)

C1:RA 40% C2:RA 60%

Nivel de pH óptimo de la materia orgánica

Medir el pH de la materia orgánica que ingresa al proceso de digestión anaerobia. Mantener el pH neutro

Tabla 2.10

Operacionalización de la variable dependiente Variable Dependiente: Producción del biogás

Definición conceptual Dimensión Indicador Proceso que se obtiene de un

biodigestor anaerobio, que transforma la materia orgánica, a través de la descomposición de ésta, mediante la codigestión anaerobia de residuos ganaderos y agrícolas, obteniendo gas cuya composición es el metano y otros.

Su dimensión es: La composición o riqueza del biogás depende de los parámetros y de la biomasa digerido.

Peso del Biogás Balanza (kg)

CAPÍTULO III

DISEÑO METODOLÓGICO

3.1 Método de investigación

Es sistémico porque considera la relación existente entre la codigestión de los residuos orgánicos y la producción de gas.

Espinoza (2014) indica que “el propósito del método sistémico es estudiar el objeto mediante la determinación de sus elementos, sus relaciones y límites para observar su estructura y la dinámica de su funcionamiento” (p.91).

3.2 Tipo de investigación

Investigación es de tipo tecnológica.

Espinoza (2014) afirma que “la Investigación tecnológica tiene el propósito de aplicar el conocimiento científico para solucionar diferentes problemas que beneficien a la sociedad” (p.90).

La investigación permite solucionar en parte el problema de contaminación ambiental, el que se va incrementando aceleradamente.

3.3 Nivel de investigación Investigación experimental

Espinoza (2014) afirma que “tiene como propósito manipular las variables que tienen relación causal para transformar el objeto de investigación, siendo su finalidad crear conocimientos nuevos para mejorar el objeto” (p.91).

3.4 Diseño de la investigación El diseño a utilizar es el factorial.

Espinoza (2014) mencionan que:

El diseño factorial puede manipular dos o más variables independientes e incluyen dos o más niveles de presencia en cada una de las variables independientes. La construcción básica de un diseño factorial consiste en que todos los niveles de cada variable independiente son tomados en combinación con todos los niveles de las otras variables independientes. (p. 103)

En este caso se tiene el diseño factorial 2³.

Según Espinoza (2014), el diseño factorial 2³ “es donde se manipulan tres variables, cada una con dos niveles. Tiene ocho combinaciones de tratamientos, los mismos que se pueden representar matricialmente”

(p.104).

En la tabla 3.1 se puede visualizar la representación del diseño factorial 2³ de la variable independiente. Por lo tanto, el desarrollo factorial 2³ queda representado como 2³ = 2 × 2 × 2 = 8 combinaciones diferentes, las cuales se representan en la figura 3.1.

Figura 3.1 Representación geométrica del diseño factorial 2³ Fuente: Gutiérrez y De La Vara, 2008

Según Gutiérrez y De La Vara (2008), mencionan que:

La región experimental en este caso se representa mediante un cubo de lados iguales de origen en (0, 0, 0), y los 8 vértices representan a los tratamientos. Donde el diseño de la matriz se desarrolla considerando el orden de Yates. (p.184)

3.5 Diseño del tratamiento

Según Gutiérrez y De La Vara (2008), mencionan que “es la aplicación del método científico para generar conocimiento acerca de un sistema o proceso, por medio de pruebas planeadas adecuadamente” (p.6).

Esta metodología desarrollada explica los resultados obtenidos y que ayudaron a conocer los factores de la codigestión de materias orgánicas con un pH neutro al ingreso del biodigestor logra su más alta producción del biogás.

3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos Técnica empírica de la observación.

Según Espinoza (2014) menciona que “la observación es la técnica de recolección de datos que permite acumular y sistematizar información sobre el objeto de investigación que tiene relación con el problema”

(p.108).

Considerando los siguientes factores a experimentar:

A = Residuos ganaderos 40 %; 60%

B = Residuos agrícolas 40%; 60%

C = pH de la carga orgánica 7 ; 7.5

Para lo cual se trabajó con el diseño factorial 2³; que tiene un nivel bajo y otro nivel alto, y los factores fueron residuos ganaderos, residuos agrícolas y el pH, como se presenta en la tabla 3.1.

Tabla 3.1

Niveles y factores de investigación

Factores Nivel bajo (-) 1

Nivel alto (+) 1

Residuos ganaderos A 40 60

Residuos agrícolas B 40 60

pH C 7 7.5

Según Gutiérrez y De La Vara (2008) indican que:

Los Residuos ganaderos (A), residuos agrícolas (B) y pH (C) son considerados los factores investigados; los niveles de investigación nivel bajo -1, nivel alto 1. Estos efectos se obtuvieron a partir de los signos como se indican en la tabla 3.2, y los contrastes se calculan

multiplicando los signos de cada columna de los totales, los que son representados mediante la combinación de Yates. Los efectos de los contrastes son siete. (p. 185)

Tabla 3.2

Tabla de signos del diseño factorial 2³

Total A B C AB AC BC ABC

(1) - - - + + + -

a + - - - - + +

b - + - - + - +

ab + + - + - - -

c - - + + - - +

ac + - + - + - -

bc - + + - - + -

abc + + + + + + +

Fuente: (Gutiérrez y De La Vara, 2008)

Según Gutiérrez y De La Vara (2008) mencionan lo siguiente: “Si se realizan n réplicas de cada tratamiento, los efectos de un diseño 2³ se calculan dividiendo los contrastes entre 4n” (p.185).

En consecuencia, el efecto de A se calcula de la forma siguiente:

Por otro lado, la sumatoria de cuadrados de efectos se determinan considerando los contrastes, con la siguiente formula.

La suma total de cuadrados se obtiene de la manera usual como:

Dónde: n: número de réplicas

k: número de factores

De igual manera Gutiérrez y De La Vara (2008), manifiestan que:

La suma de cuadrados del error se calcula por sustracción. Con esta información se obtiene ANOVA para el diseño 2³, dada en la tabla 3.3. Aquellos efectos cuyos valores-p son menores a α = 0.05 se consideran activos y son los efectos a interpretar para conocer mejor cómo está operando el proceso y para determinar el mejor tratamiento. También es necesario recordar que mientras menor sea el valor-p para un efecto, significa que éste tiene mayor influencia sobre la variable de respuesta. Es importante notar que se requieren al menos dos repeticiones (n≥2) para calcular el cuadrado medio del error, puesto que la SCE tiene 0 grados de libertad cuando n=1. Entonces se recomienda correr este diseño con al menos dos réplicas para contar con suficientes grados de libertad para el error. (p. 185)