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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambient. 21 (4) 159-170, 2005
VARIACIÓN DEL pH DURANTE LOS PROCESOS ANAEROBIOS DE EMISIÓN DE
METANO POR EL SECADO Y LA FERMENTACIÓN DE EXCRETAS DE GANADO
BOVINO EN EL CENTRO DE MÉXICO
Eugenio GONZÁLEZ-ÁVALOS y Rigoberto LONGORIA-RAMÍREZ
2
1
Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central Norte Lázaro Cárdenas No. 152, Col. San Bartolo Atepehuacan
07730 México, D.F. Tel.: (55) 9175-6757; fax: (55) 9175-8272. Correo electrónico egavalos@imp.mx
2
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Interior Internado Palmira s/n, Col. Palmira 62490
Cuernavaca, Morelos, México. Correo electrónico: rlr@cenidet.edu.mx
(Recibido diciembre 2004, aceptado agosto 2005)
Palabras clave: pH, excretas de bovino-pH, metano, ganado bovino-excretas-fermentación, México
RESUMEN
En México se han realizado dos inventarios de emisiones de metano por excretas de
ganado bovino. El primero (González-Ávalos 1994) siguió la metodología de la EPA
(Environmental Protection Agency), mientras que el segundo (González y Ruiz 1995)
estuvo apoyado en un procedimiento experimental del IPCC (Intergovernmental Panel
on Climate Change). Los Factores de Emisión de Metano involucrados en ambas
metodologías no eran aplicables a los climas, la producción pecuaria y el manejo de
excretas en México. Este trabajo resultó de la necesidad de estimar los Factores de
Emisión de Metano (FEM) por excretas de ganado bovino especializado en la produc-
ción de leche, carne y doble propósito para diferentes climas, razas, tipos de alimenta-
ción y sistemas de manejo de excretas, con el fin de obtener un inventario representati-
vo de emisiones de metano acorde a las condiciones de México. En este estudio presen-
tamos la relación entre los valores de pH durante los procesos de secado y fermenta-
ción de excretas de ganado bovino, de diferentes climas, sistemas y funciones de
producción. También se muestra la cantidad de gas generado, con la inclusión del
contenido de metano como función del tipo de alimentación, la temperatura y la fermen-
tación de excretas en laguna anaeróbica a 35 °C. Aún cuando la variación del pH duran-
te la fermentación en laguna anaeróbica fue similar a la del proceso de secado, la gene-
ración de metano fue 46 veces mayor en laguna anaeróbica con respecto al proceso de
secado y fermentación. Asimismo, a partir de diferentes valores iniciales, si el pH des-
cendía rápidamente hasta valores cercanos a 6 unidades, entonces la generación de
metano era inhibida drásticamente. Por el contrario, la producción máxima de metano
correspondió a procesos con pH inicial mayor a 7 unidades, con un descenso lento del
pH durante el proceso de fermentación, pero sin alcanzar el mínimo de 6.0 unidades.
Finalmente, el R
2
= 0.9646 entre las tendencias exponenciales del pH y de la humedad de
las muestras está relacionado con la población de bacterias en las muestras de excretas
y, por tanto, con la producción de biogás y metano.
Key words: pH, cattle manure-pH, methane, cattle manure-fermentation, México
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
160
ABSTRACT
In Mexico, two inventories of methane emissions from cattle manure have been con-
ducted. In the first one (González-Avalos 1994), Environmental Protection Agency (EPA)
methodology was followed, while the second inventory (González and Ruiz 1995) was
supported on an experimental methodology from the Intergovernmental Panel on Cli-
mate Change (IPCC). Methane Emission Factors used in both methodologies were not
appropriate to climate, cattle production, and handling of manure in México. This work
resulted from the necessity of estimating the Methane Emission Factors (MEF) from
cattle manure, specialized for milk, meat, and dual-purpose, from several climates, breeds,
feed, and manure management systems in order to obtain a representative inventory of
methane emissions from cattle manure, in agreement to Mexican conditions. In this
study we show the relation among pH values during the drying and fermentation pro-
cesses of cattle manure, from different climates, cattle production systems and produc-
tion functions. The quantity of formed biogas included methane contents as a function
of the types of feeding, temperature, and the manure fermentation in an anaerobic
lagoon at 35 °C, are shown too. Although the variation of pH for the period of fermen-
tation in the anaerobic lagoon was similar to that of the drying process, methane pro-
duced was a factor of 46 greater in the anaerobic lagoon than that of the drying and
fermentation process. Also, for any initial values, if pH descended quickly close to 6
units, then methane production was inhibited drastically. On the contrary, maximum
production of methane was linked to an initial pH value greater than 7 units, with a slow
descent of pH during the fermentation process, but without reaching a minimum of 6
units. Finally, R
2
= 0.9646 obtained among the exponential trends of pH and the samples
humidity, is related to the bacteria population in the manure samples and, therefore, to
the production of biogas and methane.
INTRODUCCIÓN
Además de actuar como un gas de efecto inverna-
dero, el metano afecta la composición química de la
atmósfera, influyendo en la concentración del ozono,
del radical hidroxilo y del monóxido de carbono
(O
Neill 1994, Winfield 1995).
El metano reacciona con átomos de cloro en la
estratosfera para formar cloruro de hidrógeno (CH
4
+ Cl
CH
3
* +
HCl
), una especie inactiva en las
condiciones dadas en esa región de la atmósfera te-
rrestre (Baird, 2001) y evita la participación del áto-
mo de cloro en la destrucción de la capa de ozono.
En la troposfera el metano reacciona, en forma
competitiva por el radical hidroxilo libre, con el
monóxido de carbono, dando origen a otras especies
de efecto invernadero como agua y dióxido de car-
bono (CH
4
+ HO*
CH
3
* +
H
2
O y CO + HO*
H* +
CO
2
).
Actualmente el metano, tanto el generado por
fuentes naturales como antropogénicas, ha sido se-
ñalado, junto con el dióxido de carbono (CO
2
), el óxido
nitroso (N
2
O) y los compuestos halogenados del car-
bono (CFC), como factor de cambio en las propie-
dades de la atmósfera de la Tierra, en donde juega
un doble papel, como contribuyente al calentamiento
de la atmósfera por su potencial de calentamiento
21 veces mayor que el del dióxido de carbono
(Wuebbles y Edmonds 1991) y, por otra parte, como
energético derivado de un recurso renovable, la
biomasa.
Entre los diferentes mecanismos biológicos que
se dan en la naturaleza, la trasformación de la mate-
ria orgánica por microorganismos anaerobios (fer-
mentación), es el que mayor importancia tiene en el
mantenimiento de la vida en nuestro planeta por su
contribución al ciclo del carbono. La formación de
metano y dióxido de carbono es la característica más
sobresaliente en la descomposición de la materia or-
gánica, proceso en el que microorganismos
metanógenos combinan su capacidad de oxidar el
hidrógeno y de reducir el dióxido de carbono, en la
última de tres etapas distinguibles en las que se tie-
nen, dependiendo de la materia orgánica fermenta-
da, variaciones en el pH que constituyen el motivo
de este trabajo.
En una primera etapa de fermentación, bacterias
anaerobias hidrolizan las proteínas, grasas y
polisacáridos para generar aminoácidos, péptidos de
cadena corta, monosacáridos, disacáridos y ácidos
grasos. En una segunda etapa de este proceso se da
la trasformación de los productos de la hidrolización,
VARIACIÓN DEL pH EN EXCRETAS DE BOVINO
161
a alcoholes simples y diversos ácidos orgánicos como
el acético, el propiónico y el butírico, mediante la
participación de bacterias acetógenas. En la tercera
etapa, donde se genera metano, el pH y la tempera-
tura tienen una influencia decisiva en la rapidez y
cantidad de metano generado, por lo que, cuando el
objetivo es la producción y cuantificación de este hi-
drocarburo, el pH habrá de mantenerse en un inter-
valo de 6 a 7.8 unidades y la temperatura por encima
de 10 °C (Safley
et al.
1992).
Debido a que el pH, la temperatura, la humedad
de las muestras, así como la alimentación del ganado
afectan la producción de metano durante la fermen-
tación de sus excretas (Safley
et al.
1992), en el
presente trabajo se presentan las variaciones de pH,
tanto en procesos de secado, como de fermentación
de muestras en laguna anaeróbica, y su relación con
la variación en la producción total de biogás y las
emisiones de metano para excretas de ganado bovi-
no de los estados del centro de México (Distrito Fe-
deral, Hidalgo, México, Michoacán, Morelos,
Querétaro, Tlaxcala), con climas templados y cáli-
dos, bajo sistemas de producción intensivo, semi-in-
tensivo y extensivo.
MATERIALES Y MÉTODOS
Sistemas de producción de ganado bovino y
manejo de excretas
Este trabajo se realizó con excretas de ganado
bovino adulto de diferentes razas. Los sistemas de
los que se colectaron muestras de excretas para
este estudio se identificaron tomando en cuenta: a)
el grado de explotación de los hatos, intensivo (I),
semi-intensivo (S-I) y extensivo (E); b) de acuerdo
con la función de producción, lechero (L), de carne
(Ca) y de doble propósito (DP); c) de acuerdo con
las características del clima del lugar de proceden-
cia de las muestras, clima templado (T) o clima
cálido (A) . Considerando lo anterior, los sistemas
se identificaron como: ILT (intensivo, lechero de
clima templado); ICaT (intensivo productor de car-
ne de clima templado); EDP (extensivo de doble
propósito); ILA (intensivo, lechero de clima cáli-
do); ICaA (intensivo productor de carne en clima
cálido); S-ILT (semi-intensivo, lechero de clima tem-
plado). Además se tomó en cuenta el manejo de
excretas por almacenamiento en estercoleros, para
su posterior esparcimiento en campos agrícolas, en
corral y en pastoreo. El
cuadro I
proporciona la
información antes descrita, así como acerca de la
alimentación y de los principales lugares de proce-
dencia de las excretas. Se observa que para los
sistemas de producción, el alimento difiere de una
región a otra, en función del clima y de la produc-
ción agrícola local. La calidad del alimento es me-
nor en los sistemas extensivos (EDP), mejora en
los semi-intensivos (S-IL) y es de mayor calidad en
los sistemas intensivos (IL e ICa). La cantidad por
tipo de alimento consumida por los animales es muy
variable, ya que depende de la raza del animal y del
sistema de producción, de la función de producción,
del tamaño, edad y salud del animal, de la disponibi-
lidad regional del alimento acorde a la estación del
año, del tamaño del hato y de la capacidad econó-
mica del productor, entre otros.
Con la finalidad de evitar la fermentación sin con-
trol de las muestras frescas, luego de ser colectadas
en bolsas de polietileno en cantidades de aproxima-
damente 5 kg por hato, se depositaron en recipientes
de poliestireno expandido (unicel) con paredes de 5
cm de espesor, cubiertas en su totalidad con hielo,
para el transporte del lugar de procedencia al labo-
ratorio.
Las muestras frescas de excretas correspondien-
tes a un mismo sistema, función y clima, fueron mez-
cladas mecánicamente para contar con muestras ho-
mogéneas.
La experimentación en el laboratorio se realizó
con muestras a una temperatura específica prede-
terminada, variando la humedad de las excretas me-
diante la simulación del proceso natural de secado
que ocurre al ser acumuladas a la intemperie, dis-
persadas en pastizales o fermentadas en una laguna
anaeróbica. Tanto los procesos de secado como los
de fermentación se simularon para climas templados
y cálidos.
Para la simulación del secado de excretas de cada
sistema de producción de un clima determinado, se
emplearon 39 réplicas de muestras frescas de 400 g
cada una, cuya pérdida de humedad con control de
ventilación y temperatura, se efectuó mediante un
secador diseñado y construido ex profeso. Las mues-
tras frescas de 400 g fueron colocadas en canastas
cilíndricas de polietileno, de 8 cm de diámetro inter-
no y 11 cm de altura. Las canastas presentaban per-
foraciones de 0.5 cm de diámetro que cubrían el to-
tal de las paredes. Luego, 3 canastas con muestras
fueron sometidas al proceso de fermentación anae-
róbica, así como a la medición respectiva de los ga-
ses producidos (incluido el metano); las 36 canastas
restantes fueron colocadas en el secador. Tanto el
secador como el baño isotérmico donde se fermen-
taban las muestras tenían capacidad para procesar
simultáneamente tres grupos de excretas provenien-
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
162
tes cada uno de un sistema de producción. Los pro-
cesos de fermentación, la medición de la producción
total de gas y metano, así como el secado de las
muestras se efectuó en un máximo de dos días, des-
pués de lo cual las muestras fermentadas en ese pri-
mer periodo fueron desechadas. Este procedimiento
continuó por periodos sucesivos hasta concluir con
la fermentación de las muestras que tenían un con-
tenido mínimo de humedad. La pérdida de humedad
de las muestras se asoció directamente con la pérdi-
da de masa registrada.
La masa de las muestras fermentadas en laguna
anaeróbica fue de 100 g, sin pérdida de humedad
durante el proceso. La fermentación con simulación
de la laguna anaeróbica y de las muestras secadas a
20 °C se llevó a cabo en recipientes cilíndricos
(biorreactores) de aluminio de 25 cm de largo por 10
cm de diámetro, sellados con tapa e inmersos en un
baño térmico a temperatura constante. En la tapa de
cada biorreactor se insertó una septa de silicón sóli-
do por donde, mediante una jeringa, se extraían las
muestras de biogás que serían analizadas por
cromatografía de gases para la cuantificación del
metano. En la misma tapa se colocaron dos válvulas
de aguja; una para purgar el aire del biorreactor y
crear luego una atmósfera inerte con nitrógeno a pre-
sión controlada; la otra, para conectarse a un
transductor que registrara el incremento de la pre-
sión total del biogás en el biorreactor conforme se
desarrollaba el proceso de fermentación. La descrip-
ción detallada de las características de los equipos
experimentales empleados durante el secado y la
fermentación de muestras, aparece en González-
Ávalos (1999) y en González-Ávalos y Ruiz-Suárez
(2001).
Análisis proximal
Los nutrientes de los alimentos al ser digeridos
y absorbidos por los animales, son utilizados por
éstos para su mantenimiento y reproducción. No
obstante, una parte de los nutrientes consumidos
no son aprovechados, ya que se expulsaron a tra-
vés de las heces fecales y la orina. Los nutrientes
residuales en las excretas son utilizados por las bac-
Sistema;
Tipo de alimento
Procedencia
Razas;
Manejo de desechos
ILT
T
;
Cascarilla de cítricos, semilla de algodón,
Tizayuca y Pachuca (Hgo);
Holstein y Suizo;
silo de maíz, melaza, alfalfa fresca, alfalfa
Zumpango, Texcoco y
Almacenamiento
achicalada, pastos inducidos, alimento
Tepozotlán (Estado de Méx); Pedro
balanceado de granos y sales minerales.
Escobedo (Qro), Apizaco y
Huamantla (Tlax)
EDP (T)
T
;
Grama nativa, rastrojo de maíz, paja de
Angangueo (Mich); San
Cruzas
cebada, paja de trigo y paja de avena.
Felipe del Progreso y
indefinidas;
Axapusco (Estado de Méx); Apan y
Pastoreo
Zimapán (Hgo);
Calpulalpan (Tlax);
Cadereita (Qro)
ICaA
T
;
Cáscara de cacahuate, maíz molido, melaza,
Amacuzac, Cuautla,
Cruzas Zebuinas;
pollinaza, sorgo molido, harina de pan,
Huajitlán, Puente de Ixtla,
Corral
rastrojo picado y sales minerales.
Yecapixtla y Jantetelco
(Mor)
S-ILT
T
;
Pasto inducido, grama nativa verde, silo de
Sahagún (Hgo); Tepetlixpa
Cruzas Holstein
maíz, rastrojo de maíz molido, paja de
(Mor); Texcoco y San Mateo
e indefinidas;
avena y suplemento balanceado.
(Estado de Méx), Apizaco,
Almacenamiento
Calpulalpan y Huamantla
y Pastoreo
(Tlax)
ICaT
T
;
Maíz molido, sorgo molido, pollinaza, pasta
Texcoco, Tepetlaoxtoc, San
Cruzas Zebuinas
de soya, zacate y rastrojo de maíz molido,
Cristóbal y Axapusco
y Europeas;
harina, suplemento balanceado y pastos
(Estado de Méx); Huamantla (Tlax).
Almacenamiento
inducidos.
y Corral
T
ILT = Intensivo Lechero en clima Templado; EDP = Extensivo de Doble Propósito; ICaA = Intensivo para Carne en clima
cálido; S-ILT = Semi-Intensivo Lechero en clima Templado; ICaT =Intensivo
para carne en clima Templado.
I = Intensivo; S-I = Semi-intensivo; E = Extensivo; L = Lechero; Ca = Carne; DP = Doble Propósito; T = Templado; A = Cálido
CUADRO I.
SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE GANADO BOVINO
VARIACIÓN DEL pH EN EXCRETAS DE BOVINO
163
terias acidofílicas para la generación de metano.
Los componentes presentes en el estiércol son en
general: agua, materia seca, materia orgánica
(carbohidratos, proteínas, lípidos, vitaminas) y ma-
teria inorgánica. Donde la materia seca es todo lo
que queda después de eliminar al 100 % el agua y
la materia inorgánica comprende a los minerales,
que generalmente constituyen las cenizas.
El análisis proximal es un tipo de análisis químico
global mediante el cual se determina la composición
de una muestra en términos de sus principales gru-
pos de nutrimentos, considerando para ello su cali-
dad en función de grupos de compuestos con carac-
terísticas físicas y químicas semejantes, pero con di-
ferente valor nutritivo. Este tipo de análisis no dice
cuáles compuestos y cuánto de cada uno de ellos
contiene cada determinación, sin embargo, es un buen
indicador del porcentaje de nutrientes y de la energía
digestible y metabolizable en el estiércol (Sosa 1981,
Tejeda 1992).
A las muestras frescas colectadas, clasificadas
por sistema y función de la producción y clima de los
lugares de procedencia, se les aplicó un análisis
proximal, siguiendo los Métodos Oficiales de Análi-
sis de la “Association of Official Agricultural
Chemists” (AOAC, 1990) en el Laboratorio de Aná-
lisis Químicos para Alimentos (SARH 0950693), del
Departamento de Nutrición Animal y Bioquímica, de
la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, de
la Universidad Nacional Autónoma de México. El
análisis de las excretas incluyó las siguientes deter-
minaciones: proteína cruda, extracto etéreo, cenizas,
fibra cruda, extracto libre de nitrógeno, energía
digestible y energía metabolizable.
Cuantificación del metano
El metano se determinó por cromatografía de
gases (Pye Unicam serie 204), con columna de tubin
de 1.83 m de largo y 4.8 mm de diámetro, empaca-
da con malla molecular 13X y a una temperatura
de 70 °C. La concentración del metano fue deter-
minada para cada periodo de fermentación, toman-
do el promedio de 6 cromatogramas (dos cromato-
gramas por cada uno de los tres biorreactores por
sistema), con una incertidumbre dada por la des-
viación media.
La incertidumbre en el número de moles totales
de gas, por periodo de fermentación, es el resultado
de la propagación de las incertidumbres absolutas de
la presión, el volumen y la temperatura. De esta ma-
nera, la incertidumbre en los moles totales de gas
generado es la suma de las incertidumbres de cada
periodo de fermentación.
Determinación del pH
Para el seguimiento y la comparación de las va-
riaciones del pH, se consideró la temperatura de 20
°C para muestras con secado y de 35 °C para mues-
tras con secado y fermentación, así como para las
muestras fermentadas en laguna anaeróbica. Se se-
leccionó 20 °C porque a esa temperatura hay sufi-
ciente producción de metano con respecto a la pro-
ducción a temperaturas más bajas y porque a tem-
peraturas mayores el secado total de las muestras
ocurre antes de 17 días, tiempo aproximado total re-
querido para la fermentación en lagunas anaeróbicas.
La temperatura de 35 °C fue seleccionada debi-
do a que en ese caso se obtienen los potenciales de
máxima producción de metano (B
0
)
de excretas pro-
venientes de cualquier sistema de producción y que
sean fermentadas en laguna anaeróbica. Sin embar-
go, también es importante comparar las emisiones
de metano de este sistema de manejo de desechos
con aquellas provenientes de excretas con secado y
fermentación a esta misma temperatura.
Las mediciones del pH para muestras con se-
cado se llevaron a cabo en periodos consecutivos
de 1 ó 2 días para asegurar que, de un periodo de
secado al siguiente, tuvieran un contenido notable-
mente diferente de humedad a 20 °C. Para las
mediciones de pH en excretas se aplicó un método
potenciométrico con una resolución en el instrumen-
to (Conductronic PC18-3145) de 0.01 y, para evi-
tar la variación debida a la dilución, se utilizó el cri-
terio de saturación de la muestra con agua a una
relación muestra:agua de 1:5.
En la simulación de fermentación de muestras en
laguna anaeróbica las mediciones del pH se efec-
tuaron al inicio y al final del proceso completo de
fermentación, ya que en esta simulación el biorreactor
permaneció cerrado durante los 17 días que tomó el
proceso.
El método de medición del pH consistió en los
siguientes pasos:
1. El medidor de pH se calibró previamente con so-
luciones patrón de 4.00 ± 0.02 y 7.00 ± 0.02 uni-
dades de pH, a 20 °C.
2. Se pesaron 5g de muestra, se introdujeron a un
vaso de precipitados de 100 ml y se añadieron 25
ml de agua destilada. Luego se agitó durante diez
minutos con una varilla de vidrio.
3. Se introdujo en la muestra diluida el electrodo
combinado y se tomó directamente la lectura de
pH.
La incertidumbre absoluta en los datos del pH
corresponde a la mitad de la mínima escala del
potenciómetro utilizado (0.005 unidades), más la mis-
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
164
ma cantidad por haberse medido dos veces el valor
del pH, es decir, 0.01 unidades.
RESULTADOS
Análisis proximal
Los resultados del análisis proximal de las mues-
tras de excretas, reportados en base a peso seco, se
dan en el
cuadro II
. Con relación al contenido pro-
medio de nutrientes en las excretas, se obtuvieron
las siguientes proporciones: proteína cruda (PC), 12.94
%; extracto etéreo (EE), 2.07 %; cenizas (Ce), 20.86
%; fibra cruda (FC), 25.41 %; extracto libre de ni-
trógeno (ELN), 38.72 %.
En el mismo cuadro se observa que la materia
seca (MS) para el sistema ICaA, es casi 40 % ma-
yor al promedio de los demás sistemas. Lo cual indi-
ca que estos animales consumen alimentos más se-
cos que el resto. La proteína para el mismo sistema
(ICaA) sobrepasa a los demás con el 108 %. Esto
se debe, seguramente, a que la dieta de los animales
productores de carne se compone principalmente de
granos, que tienen un porcentaje de proteínas mayor
que el resto de los alimentos. El EE
grasas y acei-
tes
del mismo sistema ICaA es mayor en un 98 %,
que las demás excretas. En cuanto a la fibra, son
otra vez las excretas del sistema ICaA las que tie-
nen una mayor cantidad de estos nutrientes. Ello
debido a que buena parte de los granos que consu-
men los animales no son triturados por los producto-
res a tamaños tales que puedan digerirse; además
de haber una preponderancia de este tipo de alimen-
to sobre los forrajes, de modo que no todo el grano
ingerido es debidamente digerido. Esta es la razón
para que también las cantidades de ELN, es decir,
azúcares y almidones, así como las energías ED y
EM, presentes en las excretas, sean mayores en este
sistema, con el 41 % para el ELN, el 73 % para la
ED y el 73 % también para la EM; todo ello respecto
al promedio de los valores, de los mismos grupos de
nutrientes en los demás sistemas de producción.
Adicionalmente, al considerar todos los sistemas
de producción, el contenido promedio de materia
seca es del 17 %, obteniéndose un máximo de 26 %
para excretas de ganado en producción intensiva de
carne ICaA.
El
cuadro III
representa una normalización de
los resultados del análisis proximal reportado en el
cuadro II
, para un contenido de materia seca de 26
% en las excretas de todos y cada uno de los siste-
mas de producción que se estudian, considerando un
cambio proporcional en los porcentajes asociados a
los grupos de nutrientes (PC, EE, ELN, etc.) de las
muestras analizadas. A partir del
cuadro III
se pu-
dieron relacionar los grupos de nutrientes y su con-
tenido en las excretas analizadas, con el tipo de ali-
mentación de cada uno de los sistemas descritos en
el
cuadro I
, lo que posteriormente es identificado
con el pH y la cantidad de biogás y metano genera-
dos.
Con el propósito de hacer práctica la visualiza-
ción de los contenidos de nutrientes, en el
cuadro
III
se ordenaron en forma descendiente tales conte-
nidos, de manera que se puede considerarlos en la
parte superior del cuadro, en la parte media o en la
parte inferior.
Los contenidos de nutrientes de las excretas del
hato identificado como sistema ILT, se localizan en
la parte media del cuadro con respecto al contenido
de proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos; así
como valores en la parte baja del cuadro para gra-
sas, aceites, lipoproteínas y lípidos en general (EE),
que corresponden además a energías digestible y
Sistema
MS
¥
,P
C
¥
,E
E
¥
,C
e
¥
,F
C
¥
,
ELN
¥
,E
D
¥
,E
M
¥
,
%
%
%%%%k
c
a
l
/
k
g
k
c
a
l
/
k
g
ILT
T
14.48
13.81
1.80
22.86
29.00
32.53
369.18
302.69
ICaT
T
15.43
14.78
1.94
28.58
21.13
33.57
379.71
311.33
EDP
T
16.28
11.27
2.51
27.12
25.36
33.74
404.73
331.84
ICaA
T
26.03
15.60
2.38
14.37
33.63
34.02
733.94
601.77
S-ILT
T
17.05
11.88
1.83
16.56
21.18
48.56
502.60
412.09
CUADRO II
. ANÁLISIS PROXIMAL DE EXCRETAS DE BOVINO EN BASE SECA
¥ PC = Proteína Cruda; EE = Extracto Etéreo; Ce = Cenizas; FC = Fibra Cruda; ELN = Extracto Libre de
Nitrógeno; ED = Energía Digestible; EM = Energía Metabolizable
T
ILT = Intensivo Lechero en clima Templado; EDP = Extensivo de Doble Propósito; ICaA = Intensivo para Carne
en clima cálido; S-ILT = Semi-Intensivo Lechero en clima Templado; ICaT =Intensivo
para carne en clima
Templado
VARIACIÓN DEL pH EN EXCRETAS DE BOVINO
165
metabolizable, también situadas en la parte baja de
el cuadro. Esta caracterización corresponde a una
dieta a base de alfalfa fresca, alfalfa achicalada y
pastos inducidos, complementada en primera instan-
cia con alimento balanceado en granos molidos y
sales minerales, así como con cascarilla de cítricos,
semilla de algodón, maíz ensilado y melaza. En las
excretas de este ganado generalmente no pueden
observarse granos, pero sí fracciones no digeridas
del alimento balanceado y de los alimentos no ver-
des, lo cual explica el hecho de que el contenido de
proteína cruda sea abundante en las excretas. De
acuerdo con el
cuadro III
, para el sistema ILT las
energías digestible y metabolizable son las de menor
valor (413 kcal/kg y 339 kcal/kg, respectivamente)
en sus excretas, por lo que se puede decir que en
este sistema de producción se aprovecha eficiente-
mente la energía suministrada por la dieta alimenti-
cia.
En las excretas colectadas de los sistemas ICaA
e ICaT, los valores de PC se situaron en la parte
superior del cuadro, así como valores en la parte
media o alta del mismo para EE y energías ED y
EM.
La alimentación suministrada al ganado en el sis-
tema ICaA consiste de maíz y sorgo molidos, harina
de pan, melaza y pollinaza, complementados con ras-
trojo picado, cáscara de cacahuate y sales minera-
les. En el sistema ICaT la alimentación tiene como
base el maíz y el sorgo molidos, melaza, pollinaza y
pasta de soya, complementados con forraje y rastro-
jo de maíz. En ambos sistemas los granos no se al-
canzan a digerir en su totalidad, ya que su presencia
en las excretas es evidente, lo cual está relacionado,
por estar en la parte superior del cuadro, con el con-
tenido de PC y energía.
Los análisis de las excretas del sistema EDP, mos-
traron un contenido de proteína cruda en la parte
baja del cuadro y valores de EE en la parte media o
superior del mismo. Los contenidos de FC, ELN y
de energía también se situaron con valores en la par-
te media. El alimento típico predominante en estos
sistemas de producción consiste en grama nativa, ras-
trojo de maíz y pajas de cebada y avena. Adicional-
mente, se determinó experimentalmente que la masa
de las excretas producidas por este sistema en pas-
toreo EDP sólo representaron 34 % de la masa de
las excretas producidas por ganado lechero y el 48
% de la masa de las excretas producidas por el ga-
nado productor de carne.
Emisiones de biogás y de metano
Las emisiones de biogás y de metano a 22 °C
muestran la tendencia general del proceso de fer-
mentación, registrándose un máximo de emisiones
de biogás al segundo día del proceso (
Fig. 1
), mien-
tras que el máximo de emisión de metano se observa
desplazado aproximadamente un día respecto al
máximo de biogás (
Fig. 2
). Sin embargo, es impor-
tante señalar que los máximos de generación de
metano, con respecto al tiempo, dependen de la tem-
peratura de fermentación ya que a temperaturas
menores los máximos en generación de metano co-
inciden con tiempos más prolongados de fermenta-
ción.
Es interesante que los máximos para biogás y
metano (
Figs. 1 y 2
) no corresponden al mismo día,
es decir, mientras que en la
figura 1
(presión total de
biogás) el máximo y el mínimo corresponden a los sis-
temas S-IL y EDP, respectivamente, en la
figura 2
(concentración de metano en porcentaje) correspon-
den el máximo al sistema EDP y el mínimo al IL. La
observación anterior indica que gran parte del biogás
que se produce no es metano, y que por tanto la
máxima generación de biogás no necesariamente tie-
ne una relación directa con la producción de metano,
PC
¥
, %
EE
¥
, %
Ce
¥
, %
FC
¥
, %
ELN
¥
, %
ED
¥
, kcal/kg
EM
¥
, kcal/kg
ICaA
T
16.04
EDP
2.60
ICaT
31.02
ICaA
33.63
S-ILT
50.73
ICaA
733.94
ICaA
601.77
ICaT
T
15.60
ICaA 2.58
EDP
28.11
ILT
31.48
ICaA
37.54
S-ILT
547.67
S-ILT
449.04
ILT
T
15.11
ICaT
2.12
ILT
25.01
EDP
27.83
EDP
37.29
EDP
446.00
EDP
365.68
S-ILT
T
13.11
S-ILT 2.01
S-ILT
18.38
S-ILT
23.54
ICaT
37.13
ICaT
419.92
ICaT
344.30
EDP
T
12.52
ILT
1.99
ICaA
16.09
ICaT
23.37
ILT
36.28
ILT
413.41
ILT
338.95
CUADRO III
. VALORES DE NUTRIENTES EN EXCRETAS EN BASE SECA NORMALIZADA A
26 % DE MATERIA SECA;
POR SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y CLIMA
T
ILT = Intensivo Lechero en clima Templado; EDP = Extensivo de Doble Propósito; ICaA = Intensivo para Carne en clima cálido; S-
ILT = Semi-Intensivo Lechero en clima Templado; ICaT =Intensivo
para carne en clima Templado.
¥ PC = Proteína Cruda; EE = Extracto Etéreo; Ce = Cenizas; FC = Fibra Cruda; ELN = Extracto Libre de Nitrógeno; ED = Energía
Digestible; EM = Energía Metabolizable
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
166
__
__
__
Intensivo Lechero
_ _ _ _ _ _ _ Semi-intensivo Lechero
___
_
___ Extensivo doble propósito
0
Tiempo (días)
12345678
Presión (mbar)
0
10
20
40
30
50
Fig. 1.
Variación de la presión total de biogás
en mbar, con
respecto al tiempo en el proceso de secado/fermenta-
ción a 21 °C para tres sistemas de producción. La incer-
tidumbre por ser muy baja no se representa en la gráfica
__
__
__
Intensivo Lechero
_ _ _ _ _ _ _ Semi-intensivo Lechero
___
_
___ Extensivo doble propósito
Tiempo (días)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0
0.4
0.8
1.2
1.6
0.2
0.6
1
1.4
Concentración de metano (%)
Fig. 2.
Variación de la concentración de metano en %, a 21 °C,
para tres sistemas de producción
ICaT
ICaA
S-ILT
EDP
ILT
Tiempo (días)
02468
1
0
1
2
1
4
1
6
1
8
pH
5.5
6
6.5
7
7.5
8
5.75
6.25
6.75
7.25
7.75
Fig. 3.
Variación del pH de excretas con el tiempo de secado a
20 °C. Los sistemas de producción y climas aquí repre-
sentados son: Intensivo Lechero en clima Templado
(ILT); Extensivo de Doble Propósito (EDP); Intensivo
para Carne en clima cálido (ICaA); Semi-Intensivo Le-
chero en clima Templado (S-ILT); Intensivo para Carne
en clima Templado (ICaT). La incertidumbre por ser
muy baja no se representa en la gráfica
la cual está más estrechamente relacionada con la
temperatura y con el pH que se tengan en el
biorreactor. Este tipo de comportamiento ocurre para
todas las temperaturas de fermentación.
Variación del pH
En la
figura 3
se observa que hay dos sistemas
que muestran variaciones de aproximadamente 0.4
unidades en el pH durante el tiempo total de secado
y que además se mantienen en un rango de pH entre
7.8 y 7.1. Estos sistemas son el ILT y el EDP. Se
observa además, que los sistemas S-ILT, ICaA e
ICaT, muestran durante el tiempo total de secado
una variación mayor de pH, siendo de aproximada-
mente 1 unidad, alcanzando mínimos de pH de 6.2 el
sistema ICaA y de 5.8 el ICaT.
Durante el periodo total de secado hubo dos inter-
valos principales, uno que parte con el inicio del seca-
do, hasta alcanzar los valores mínimos de pH; y un
segundo intervalo que inicia con los valores de pH
mínimos alcanzados y la tendencia de incremento del
pH hasta concluir el periodo de secado, (
Fig. 3
). Al
comparar el primer intervalo con las observaciones
del
cuadro III
y al considerar las emisiones de biogás
y de metano graficadas en las
figuras 1
y
2
, se dedu-
ce que los valores de PC (15 %) están asociados con
los valores bajos de EE (
2 %) y de energía (412
kcal/kg). Sin embargo, los valores de pH son los más
altos encontrados en las excretas de los sistemas ana-
lizados (entre 7.8 y 7.2 unidades de pH), la genera-
ción de biogás es baja pero con un porcentaje alto de
VARIACIÓN DEL pH EN EXCRETAS DE BOVINO
167
metano (3.8 mg de CH
4
/g de materia seca). El siste-
ma ILT es representativo de este comportamiento.
Por el contrario, valores relativamente altos de
PC (16 %) con valores medios o altos de EE (2.58
%), que se asocia a valores altos de energía (733
kcal/kg), tuvo una producción alta de biogás con por-
centajes bajos de metano (
0.32 mg CH
4
/g de ma-
teria seca) y valores relativamente bajos de pH (
7.2 de inicio y
6.1 mínimo). De aquí que la mayor
parte del gas que se genera no es metano.
El sistema EDP con un contenido relativamente
bajo de PC en sus excretas (12 %), así como valores
medios o altos de EE (2.6 %), combinados con valo-
res medios de energía (
446 kcal/kg),
valores de
pH máximo y mínimo de 7.3 y 5.5 unidades, respec-
tivamente, se situó con una producción de metano
de 0.8 mg de CH
4
/g de materia seca.
Por otro lado, las excretas del sistema ICaA tu-
vieron un pH de 7.24 al inicio del proceso de secado
a una temperatura de 20 °C (
Fig. 3
),
alcanzando en
aproximadamente 9 días un pH mínimo de 6.04 (va-
riación en promedio de 0.13 unidades de pH por día).
Así mismo, en el sistema ICaT el pH descendió
de
6.66 a 5.80 en el mismo periodo (variación de 0.09
unidades de pH por día). Estos dos sistemas (
Cua-
dro IV
), fueron los que en términos generales pro-
dujeron menos metano por gramo de materia seca,
en los dos procesos: secado/fermentación a 35 °C y
fermentación en laguna anaeróbica a 35 °C.
Otro sistema que presenta una importante varia-
ción del pH es el S-ILT que inició el proceso de se-
cado a 20 °C con un pH de 7.28 unidades y alcanzó
un mínimo pH de 6.26 después de 13 días. Este sis-
tema se diferenció de los sistemas ICaA e ICaT en
que el cambio del pH es más lento (0.08 unidades de
pH por día) y la producción de metano con respecto
a estos sistemas a 35 °C, fue ligeramente superior
para los dos procesos de secado/fermentación a 35
°C y fermentación en laguna anaeróbica a 35 °C
(0.062 y 0.65 mg de CH
4
/g de materia seca, respec-
tivamente,
cuadro IV
).
El sistema con menor variación en pH a lo largo
del proceso total de secado fue el EDP, que muestra
una variación máxima de pH de 0.26 (de 7.30 a 7.04)
en un lapso de 13 días (variación de 0.02 unidades
de pH por día). Este sistema generó 0.81 mg de
metano por gramo de materia seca en un proceso de
fermentación en laguna anaeróbica y 0.06 mg de CH
4
por g de materia seca en el proceso de secado/fer-
mentación.
De acuerdo con la variación del pH en los dife-
rentes sistemas (
Fig. 3
), se puede concluir que si el
pH desciende rápidamente hasta valores cercanos a
6 unidades, la generación de metano es inhibida
drásticamente. Por el contrario, si el pH inicial tiene
valores superiores a 7 unidades su variación es lenta
Sistemas
Emisiones de CH
4
en laguna anaeróbica a 35 °C
CH
4
, mg
a
MS
§
, g
CH
4
/ g MS
pH- Inicial
pH- Final
ICaA
T
8.3 ±
26.07 %
25.94 ± 3.83 %
0.32
± 6.8 %
7.24 ± 0.01
5.73 ± 0.01
S-ILT
T
11.0 ±
29.27 %
17.74 ± 5.72 %
0.62
±
5.12 %
7.28 ± 0.01
5.37 ± 0.01
ICaT
T
12.0 ±
29.24 %
26.67 ± 3.84 %
0.45
±
7.62 %
6.66 ± 0.01
5.39 ± 0.01
ILT
T
55.0 ±
28.16 %
14.47 ± 6.90 %
3.80
±
4.08 %
7.86 ± 0.01
6.35 ± 0.01
EDP
T
13.0 ±
52.44 %
16.05 ± 6.27 %
0.81
±
8.37 %
7.25 ± 0.01
5.47 ± 0.01
Sistemas
Emisiones de CH
4
en el proceso de secado/fermentación a 35 °C
CH
4
, mg
b
MS, g
CH
4
/ g MS
pH- Inicial
pH- mínimo
ICaA
T
6.1 ±
2.29 % 103.39 ± 3.42 %
0.059 ± 0.67 %
7.24 ± 0.01
6.04 ± 0.01
S-ILT
T
3.8 ±
6.18 %
58.46 ± 1.87 %
0.065 ± 3.30 %
7.28 ± 0.01
6.26 ± 0.01
ICaT
T
1.8 ±
33.58 %
64.29 ± 3.11 %
0.028 ± 10.81 %
6.66 ± 0.01
5.80 ± 0.01
ILT
T
5.2 ±
21.82 %
57.78 ± 2.64 %
0.090 ± 8.26 %
7.86 ± 0.01
7.42 ± 0.01
EDP
T
4.0 ±
22.60 %
63.49 ± 3.87 %
0.063 ± 5.84 %
7.30 ± 0.01
7.04 ± 0.01
CUADRO IV
. EMISIONES DE METANO POR GRAMO DE MATERIA SECA Y VARIACIÓN DEL
pH
a
La masa de las muestras fermentadas a 35 °C en laguna anaeróbica simulada fue de 100 g.
b
La masa de las muestras secadas y fermentadas a 35 °C fue de 400 g.
§
MS = Materia seca
T
ILT = Intensivo Lechero en clima Templado; EDP = Extensivo de Doble Propósito; ICaA = Intensivo
para Carne en clima cálido; S-ILT = Semi-Intensivo Lechero en clima Templado; ICaT =Intensivo
para
carne en clima Templado
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
168
--
--
--
Intensivo Lechero
- - - - - -
Semi-intensivo Lechero
--- - --- - Extensivo doble propósito
----------
Promedio
---------
Ajuste: Promedio
M = 392.06 e
-0.155 t
Tiempo (días)
012
34
5 678
Masa (g)
0
100
200
300
400
M = 392.06 e
-0.155 t
Fig. 4.
Variación de la masa en g, de las excretas durante el
proceso de secado en tres sistemas de producción. La
incertidumbre por ser muy baja no se representa en la
gráfica
y no se alcanza un mínimo de 6 unidades, la genera-
ción de metano es máxima, sólo en función del tipo
de alimentación.
El sistema ICaT es el que menor pH inicial y
final tiene en los procesos de fermentación en la-
guna anaeróbica y de secado/fermentación a 35 °C
(
cuadro IV
) y también corresponde al sistema con
menores emisiones de metano por gramo de mate-
ria seca a esta temperatura. Así mismo, el sistema
ILT es el que mayores valores de pH presenta al
inicio y al final de los dos procesos y esto corres-
ponde a las mayores emisiones de metano por gra-
mo de materia seca.
En el
cuadro V
se muestran los cambios de pH
que experimentaron los diferentes sistemas, tanto en
el proceso de fermentación en laguna anaeróbica como
en el proceso de secado a 35 °C. La generación de
metano en un proceso de fermentación de biomasa es
propiciada en un intervalo de pH entre 6.0 y 7.8 (Safley
et al
. 1992, Heinz 1993); en el presente trabajo se
observa que el pH de las excretas de ganado del sis-
tema ILT, fermentadas en laguna anaeróbica, se man-
tuvo dentro de este intervalo y generó la mayor canti-
dad de metano por gramo de materia seca.
Relación entre el secado, el pH y las emisiones
de metano
El proceso de secado pudo representarse median-
te la ecuación:
M = 392.06 e
-0.155 t
(1)
donde M representa la masa de las excretas, en gra-
mos, después de un tiempo t de secado, en días.
Este comportamiento exponencial negativo de
la masa de las excretas como respuesta al secado
(
Fig. 4
), se observa en todos los sistemas de pro-
ducción considerados en este trabajo.
En el intervalo de secado comprendido entre el
inicio del proceso y los valores mínimos de pH a los 9
días (
Fig. 3
), periodo en el que comúnmente ocurre la
mayor parte de las emisiones de metano, se observó
en general un descenso exponencial del pH en el tiem-
po para los sistemas de producción, dados por:
pH
(ICaA, ICaT)
= 6.797 e
-0.0175 t
(2)
pH
(S-ILT, EDP)
= 7.2997 e
-0.007 t
(3)
pH
(ILT)
= 7.7423 e
-0.0052 t
(4)
En cada una de las ecuaciones anteriores se agru-
pan aquellos sistemas de producción de bovinos bajo
la consideración de que son compatibles en cuanto
al tipo de alimentación.
A partir de las tendencias que se obtuvieron al
graficar el pH contra el tiempo (ecuaciones 2 a 4)
resultaron ser muy semejantes, permitiendo
Sistema
T
ICaA
T
S-ILT
T
ICaT
T
ILT
T
EDP
T
Δ
pH (LA)
1.53 ± 0.02
1.85 ± 0.02
1.25 ± 0.02
1.35 ± 0.02
1.70 ± 0.02
Δ
pH (S)
1.20 ± 0.02
1.02 ± 0.02
0.86 ± 0.02
0.44 ± 0.02
0.26 ± 0.02
CUADRO V
. VARIACIÓN MÁXIMA DEL pH EN LAGUNA ANAERÓBICA Y DURANTE
EL PROCESO DE SECADO/FERMENTACIÒN A 35 °C
S = Secado/fermentación a 35 °C; LA = Fermentación a 35 °C en laguna anaeróbica;
T
ILT = Intensivo Lechero en clima Templado; EDP = Extensivo de Doble Propósito;
ICaA = Intensivo para Carne en clima cálido; S-ILT = Semi-Intensivo Lechero en clima templado;
ICaT =Intensivo
para carne en clima templado
VARIACIÓN DEL pH EN EXCRETAS DE BOVINO
169
Masa = 483.74•pH - 3154.87
pH
6.6
6.8
7
7.2
7.4
0
Masa de excretas (g)
100
400
300
Masa = 483.74
pH - 3154.87
R
2
= 0.9646
Fig. 5.
Relación entre el pH y el cambio en la masa de excretas
por efecto del secado. La incertidumbre por ser muy
baja no se representa en la gráfica
200
graficar los valores de pH obtenidos de cualquie-
ra de estas tres ecuaciones, a un tiempo dado,
contra el valor de la masa del proceso de secado
a ese mismo tiempo (ecuación 1).
De la gráfica del pH resultante de las tres
ecuaciones contra la variación de la masa de excretas
por efecto de la pérdida de humedad durante el pro-
ceso de secado (dada por la ecuación 1) se obtiene
la relación que existe entre el contenido de humedad
de las muestras y el pH de las mismas. La
figura 5
muestra que hay un coeficiente de determinación
dado por R
2
= 0.9646 indicando una dependencia alta
del pH de la muestra con su contenido de agua.
El metano es producido por bacterias metanogé-
nicas de géneros como methanobacterium, metha-
nobevribacter, methanococus, methanomicrobium,
methanogenium, methanospirillum y methanosarcina,
entre otras (Galicia 1982), las cuales por ser acidofí-
licas provocan, en la medida en que se reproducen,
que las muestras de excretas incrementen su acidez,
esto es, que el pH descienda hasta en tanto la hume-
dad de las muestras sea suficiente para que la colo-
nia de bacterias sobreviva, en cuyo caso el metano
se incrementa significativamente. En caso contrario,
es decir, cuando la humedad desciende demasiado,
entonces la población de bacterias empieza a bajar
hasta llegar a cero, coincidiendo este hecho con un
ligero incremento del pH a partir de su valor míni-
mo, pero no con un aumento del metano debido al
decremento continuo en el número de bacterias me-
tanogénicas por el descenso de humedad en las
muestras.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Las emisiones de metano a partir de excretas de
ganado bovino de los estados del centro del país y el
Distrito Federal para la producción de leche, carne o
de doble propósito, muestran una clara dependencia
con la acidez de las muestras, tanto en lagunas
anaeróbicas simuladas como en el proceso secado/
fermentación.
La generación de metano en una laguna anaeró-
bica puede ser hasta 46 veces mayor a aquella de un
proceso de secado/fermentación a la intemperie.
Esto sin duda resulta interesante y factible cuando el
objetivo sea optimizar la obtención de metano a par-
tir de biomasa.
Se pudo observar que es la alimentación el factor
que más influye en los cambios de pH y en las emisio-
nes de biogás y de metano. Para excretas de deter-
minados sistemas y climas, el cambio de pH máximo
durante el proceso de secado a 20 °C, y el cambio
máximo de esta misma variable durante el proceso de
fermentación en laguna anaeróbica, son de la misma
magnitud y la relación de pH y emisiones se conserva
al variar las temperaturas de secado/fermentación o
fermentación a 35 °C en laguna anaeróbica.
Dado el valor R
2
= 0.9646 para datos de secado y
pH, se estima que la disminución exponencial de la
humedad y el pH de las muestras corresponde al com-
portamiento en general en cuanto al crecimiento o dis-
minución de las emisiones de biogás y de metano.
Se recomienda realizar estudios sobre el incre-
mento del pH en las lagunas anaeróbicas al final de
la etapa de acetogénisis y medir el suplemento de
metano que aún se pudiera obtener incrementando
el pH por encima de 6 unidades.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Programa de las Naciones Uni-
das para el Desarrollo (Proyecto MEX/95/G31/A/
IG/99), al Instituto Nacional de Ecología, al Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de
Apoyo a Estudios de Posgrado de la Universidad
Nacional Autónoma de México (UNAM), por el
apoyo económico a este proyecto. Agradecemos
también al Dr. L. G. Ruiz-Suárez por sus comenta-
rios durante la realización de los experimentos, al
E. González-Ávalos y R. Longoria-Ramírez
170
Ing. A. Rodríguez y colaboradores por su ayuda en
la construcción de los dispositivos experimentales, al
Mtro. A. Díaz-Cruz y colaboradores por el análisis
químico de las muestras y al Quím. J. M. Hernández-
Solís por su apoyo en cromatografía de gases.
REFERENCIAS
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