ES2334147T3 - Cepa bacteriana y composicion utilizada para acelerar el compostaje y como fertilizante. - Google Patents
Cepa bacteriana y composicion utilizada para acelerar el compostaje y como fertilizante. Download PDFInfo
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Abstract
La cepa bacteriana de Bacillus megaterium AMCB1 depositada en la Colección de Cultivos Estándar Española (Colección Española de Cultivos Tipo, CECT) el 27 de julio de 2004 con el número de acceso CECT 7012 que acelera los procesos de compostaje.
Description
Cepa bacteriana y composición utilizada para
acelerar el compostaje y como fertilizante.
La presente invención se refiere al desarrollo
de una composición basada en microorganismos naturales, capaz de
acelerar el proceso de compostaje de residuos orgánicos agrícolas,
residuos orgánicos sólidos y lodo a partir de estaciones de
purificación de aguas residuales entre otras cosas, así como de
usarse como un fertilizante.
La presente invención se refiere al
enriquecimiento de los residuos con una población microbiana
beneficiosa que puede intervenir en, acelerar y completar el
proceso de descomposición en un tiempo óptimo, así como la
descomposición de los componentes volátiles (subproductos de azufre,
aminas y ácidos grasos) responsables del mal
olor.
olor.
La composición de la presente invención aumenta
el número de microorganismos presentes de manera natural para
descomponer el residuo orgánico. Las cepas bacterianas usadas en la
composición de esta invención, gracias a la creación de una batería
de enzimas extracelulares, son capaces de descomponer las cadenas
moleculares relativamente grandes (proteínas, carbohidratos y
grasas) convirtiéndolas en productos más solubles y asimilables.
Además, la composición también se puede usar
como un fertilizante.
El solicitante de la presente invención ha
aislado nuevas cepas que pertenecen a las especies de Bacillus
megaterium y Bacillus subtilis.
La invención se caracteriza por una composición
para acelerar los procesos de compostaje que al menos comprende las
dos cepas aisladas la primera vez, así como su uso para acelerar los
procesos de fermentación y como un fertili-
zante.
zante.
Los residuos que se producen de las actividades
agrícolas e industriales, así como los residuos sólidos municipales
y los lodos de aguas residuales, están estrechamente relacionados
con la contaminación ambiental.
Actualmente, la gestión de estos residuos está
controlada por directivas y normas destinadas a determinar las
condiciones en las que se debe tratar el residuo, así como sus
aplicaciones e incidencia sobre el medio ambiente, cultivos,
criaturas vivas y salud en general. Un aspecto central de estas
directivas es la prohibición de uso de dichos residuos sin un
tratamiento previo. Un ejemplo de este Plan Nacional para la gestión
de residuos, emitido por la secretaría General para el Medio
Ambiente, que establece la gestión apropiada de residuos y
establece la estructura legal para su correcta evaluación y
reciclado, de acuerdo con la ley Europea y Española. El objeto del
Plan es proteger el medio ambiente, particularmente la calidad del
terreno, mediante la gestión apropiada de los residuos.
El plan sigue el principio jerárquico
considerado en la Ley de Residuos de 1998, que requiere el reciclado
de residuos tanto como sea posible esto es, haciendo uso completo
de esta materia antes de usar la energía contenida en ella. Ésto
implica priorizar compostaje en todas sus variedades.
El proceso de compostaje implica una
transformación microbiana en condiciones aerobias de materia
orgánica. Este proceso requiere un sustrato sólido sobre el que
actúan diversas poblaciones de microorganismos (bacterias,
actinomicetos y hongos) responsables de la descomposición de la
materia orgánica, para producir un producto orgánico estabilizado
que se puede usar en agricultura para mejorar el suelo.
El compostaje de residuos llega a ser la mejor
opción para eliminarlos, solucionando un problema financiero y de
salud proporcionándolos un valor y objeto.
La inoculación de residuos que van a formar
compost con una biomasa microbiana es una estrategia de vital
importancia para acelerar estos procesos.
Esta estrategia consiste en la adición de
microorganismos (bacterias, hongos y actinomicetos) a los residuos
orgánicos. Estos microorganismos se pueden usar a partir de residuos
o a partir de otra parte, y se seleccionan por sus propiedades
especiales de acelerar el proceso de compostaje y terminarlo de
manera exitosa.
La estrategia comienza mediante una
caracterización exhaustiva de los microorganismos en la inoculación
en el laboratorio. Vargas-García y col. han
estudiado la capacidad de seis cepas de hongos
ligno-celulíticos para crecer en residuos agrícolas
y para producir inóculos para el compostaje.
(Vargas-Garcia, M.C., López, M.J., Suárez, F. y
Moreno, J. (2005), Laboratory study of inocula production for
composting processes. Bioresource Technology, 96:
797-803).
\newpage
Además, Lei y VanderGheynst han estudiado el
efecto de la inoculación con microorganismos y pH sobre la población
microbiana durante el proceso de compostaje (Lei, F. y
VanderGheynst, J.S., (2000). The effects of microbial inoculation
and pH on microbial community structure changes during composting.
Process Biochemistry, 35: 923-929).
La patente con número de publicación
JP2003009848 describe un procedimiento para descomponer materia
orgánica que usa Bacillus subtilis entre otros
microorganismos.
En vista de lo anterior, el solicitante ha
desarrollado composiciones basadas en microorganismos naturales,
particularmente bacterias, que además de enriquecer los sustratos
con una población de microorganismos beneficiosos son capaces de
participar y acelerar el proceso de compostaje en períodos óptimos,
así como reducir el trabajo del proceso de compostaje y permitir su
uso como un fertilizante.
La presente invención se refiere al aislamiento
de una cepa bacteria, una composición que acelera el proceso de
compostaje y el uso que se hace de ella.
La composición de la presente invención incluye
al menos dos cepas, aisladas por el mismo solicitante.
Estas cepas se aislaron y se seleccionaron a
partir de muestras de suelo obtenidas de áreas alrededor de plantas
sanas y huéspedes, tomadas de diferentes áreas geográficas;
específicamente, se han aislado de raíces de cebolla.
Estas cepas se han depositado para propósitos de
patente en la Colección Española de Cultivos Tipo (Colección
Española de Cultivos Tipo, CECT) el 27 de julio de 2004, con los
siguientes números asignados a ellas: AMCB1, CECT 7012 y AMCB3,
CECT 7014.
Las cepas aisladas se mantuvieron con una alta
tasa de supervivencia en una solución de glicerol al 25% y se
almacenaron a -80ºC. Las cepas se recuperaron fácilmente en medios
de cultivo de laboratorio normales tales como agar nutricional
(NA), caldo nutricional (NB), agar triptona-soja
(TSA) y agar patata-dextrosa (PDA).
Se llevaron a cabo un número de ensayos para
caracterizar las cepas.
Se estudió su crecimiento en medios sólidos
tales como TY (triptona-levadura), agar nutricional
(NA) e YM (levadura manitol). En todos los casos el microorganismo
que creció más rápido (14 h) fue AMCB1.
Se realizaron ensayos bioquímicos cinco veces
para establecer un análisis fiable de las bacterias con respecto a
su crecimiento y comportamiento con diferentes reactivos.
Ambas cepas AMCB1 y AMCB3 mostraron resultados
positivos al ponerse a prueba en el ensayo para la enzima
catalasa.
En el ensayo para la enzima oxidasa la cepa
AMCB1 mostró resultado negativo al ponerse a prueba y AMCB3 dio un
resultado variable.
También se estudió la capacidad para reducir
nitratos y nitritos.
Un resultado positivo en este ensayo significa
que el microorganismo puede usar nitrógeno en cualquier estado de
oxidación, pero siempre se asimila como ion amonio. Específicamente,
para las cepas en estudio el resultado fue negativo para AMCB1 y
positivo para AMCB3. La cepa AMCB3 presenta enzima nitrato reductasa
pero no nitrito reductasa.
También se determinó la capacidad de hidrolizar
urea. El resultado fue positivo pero débil para AMCB1 y negativo
para AMCB3.
La actividad de PGPR (Rizobacterias Promotoras
de Crecimiento de Plantas) de las cepas objeto de esta patente se
estudió por su crecimiento en diferentes medios: ACC
(1-amino-ciclopropan-1-carboxilato),
MLACC (medio que carece de
1-amino-ciclopropan-1-carboxilato),
PDYA (agar
patata-dextrosa-levadura), también
se determinó la producción de siderofora y la capacidad de producir
auxinas.
Los resultados obtenidos parecen indicar que las
cepas AMCB1 y AMCB3 tienen una buena actividad de PGPR, ya que eran
capaces de crecer en todos los medios excepto en el único con
siderofora y presentaban una mayor producción de auxinas. Por lo
tanto, pueden ejercer una influencia beneficiosa sobre la planta
tanto directamente, mejorando su nutrición mediante la
solubilización de fosfatos en el medio, como indirectamente mediante
la actividad de la enzima ACC desaminasa, que provoca una reducción
en los niveles de etileno de la planta que da como resultado un
incremento en la longitud de las raíces.
\newpage
Se estudió individualmente el perfil de ácidos
grasos de las diversas cepas bacterianas, de acuerdo con el
protocolo descrito por Jarvis (1994) y Sasser (1990).
Las cepas AMCB1 y AMCB3 muestran gran
variabilidad en la composición de ácidos grasos, así como muestran
contener ácidos grasos del tipo 18:2w6 o 17:1w8 característicos de
especies de Bacillus entre otras.
Se llevaron a cabo estudios sobre la asimilación
de fuentes de carbono "Biolog".
La cepa AMCB3 muestra un bajo uso de glucógeno,
mientras AMCB1 muestra un alto uso de glucógeno, con un moderado
uso de los polímeros que quedan.
Con respecto al uso de carbohidratos,
i-eritritol producía un compuesto en el que las
cepas crecían muy poco o nada.
Como con los resultados para el glucógeno, la
cepa AMCB1 muestra el mayor crecimiento en todos los medios con
precursores de glucosa. AMCB3 crecía bien solamente en la presencia
de ácido D-galacturónico y metiléster pirú-
vico.
vico.
Con respecto al comportamiento con aminoácidos,
la cepa AMCB3 mostró el mayor requerimiento para ellos y creció muy
bien en su presencia.
Con relación al uso de aminas, solamente AMCB1
presentaba una capacidad para usarlas de manera significativa,
aunque no mostró un crecimiento alto con etilamina.
Los compuestos fenólicos no fueron usados por
ninguna de las dos cepas.
Las cepas AMCB1 y AMCB2 se caracterizaron
genéticamente.
La secuenciación de ARNr 16S: AMCB1
\vskip1.000000\baselineskip
Después de los resultados obtenidos con la
secuenciación de ARNr 16S, la cepa AMCB1 se identificó como
Bacillus megaterium.
\newpage
Secuenciación de ARNr 16S: AMCB3
\vskip1.000000\baselineskip
En vista de los resultados obtenidos, la cepa
AMCB3 se identificó como Bacillus subtilis.
De acuerdo con lo anterior, los solicitantes de
la presente invención aislaron dos cepas, AMCB1 y AMCB3, que
pertenecen a las especies Bacillus megaterium y Bacillus
subtillis respectivamente y que son aceleradoras de los
procesos de compostaje.
Del mismo modo, la invención se refiere a
composiciones que incluyen diversas combinaciones de estas cepas
y/u otras cepas que son compatibles.
Específicamente, se refiere a una cepa que
contiene al menos la cepa bacteriana de Bacillus megaterium
AMCB1 junto con la cepa bacteriana Bacillus subtillis AMCB3,
que son aceleradoras de los procesos de compostaje.
También se refiere a una composición que
contiene al menos la cepa bacteriana Bacillus megaterium
AMCB1 y la cepa bacteriana Bacillus subtillis AMCB3, que son
aceleradoras de los procesos de compostaje, y/o la cepa
Azospirillum brasilense; y/o Azotobacter chroococcum
y/o Saccharomyces cerevisae, conjuntamente con una reserva
nutricional.
Las composiciones se pueden aplicar en forma
sólida o líquida incluyendo coadyuvantes tales como agentes
emulsionantes y agentes de resuspensión.
\newpage
Las composiciones sólidas pueden estar en forma
de polvo, gránulos o polvo humectable, mientras que las
composiciones líquidas pueden estar en forma de soluciones,
suspensiones, dispersiones, o formulaciones concentradas acuosas o
no acuosas.
La concentración preferida de microorganismos en
la formulación sólida debe estar entre 10^{3} y 10^{9} unidades
formadoras de colonia por gramo (CFU/g), preferentemente entre
10^{5} y 10^{7} CFU/g. La concentración preferida de
microorganismos en la formulación líquida debe estar entre 10^{3}
y 10^{9} unidades formadoras de colonia por mililitro (CFU/ml),
preferentemente entre 10^{5} y 10^{7} CFU/ml. Sin embargo, estos
intervalos pueden variar de acuerdo con el residuo a tratar, entre
otros factores.
En estas formulaciones el "portador" o
vehículo constituye una reserva nutricional para los
microorganismos, así como les proporciona la protección requerida
para una mayor supervivencia para colonizar el residuo en
cuestión.
El éxito en la producción de una biomasa
importante de los diversos microorganismos depende del desarrollo
de un medio adecuado, que puede ser un subproducto agrícola barato,
fácilmente obtenible y con el equilibrio de nutrientes
adecuado.
El uso de la biomasa vegetal en los procesos de
fermentación como una fuente de energía renovable y materia prima
para la industria es uno de los campos de mayor interés en
biotecnología. Dentro de la biomasa vegetal, los residuos agrícolas
constituyen el material lignocelulósico más adecuado debido a su
bajo coste y alta disponibilidad. Estos sustratos incluyen melazas,
harina de semillas (algodón, soja, etc.), heno, trigo, maíz,
cebada, etc.
Al final de un proceso de fermentación líquida o
sólida, la biomasa se recoge al mismo tiempo que el sustrato,
proporcionando el último protección física y una base nutricional
para el microorganismo.
La composición de la invención también se puede
usar como un fertilizante debido a la buena actividad de PGPR
mostrada por las cepas AMCB1 y AMCB3.
La presente memoria descriptiva se completa
mediante un conjunto de dibujos que ilustran el ejemplo preferido y
no limitan de ninguna manera la invención.
La Figura 1 muestra los cromatogramas de iones
totales emparejados (TIC) de los productos de pirólisis obtenidos
por desorción térmica y pirólisis ultrarrápida a 300ºC que resultan
del análisis de muestras de compost de un montón de control (A) y
del montón tratado (B) en el primer ejemplo de realización. Se
representa gráficamente la abundancia frente al tiempo en
minutos.
La Figura 2 muestra los cromatogramas de iones
totales emparejados (TIC) de los productos obtenidos por pirólisis
a 500ºC que resultan del análisis de las muestras de compost del
montón de control (A) y del montón tratado (B) en el primer ejemplo
de realización. Se representa gráficamente la abundancia frente al
tiempo en minutos.
La Figura 3 muestra los cromatogramas de iones
totales emparejados (TIC) de los productos obtenidos por pirólisis
directa a 500ºC que resultan del análisis de las muestras de compost
del montón de control (A) y del montón tratado (B) en el primer
ejemplo de realización. Se representa gráficamente la abundancia
frente al tiempo en minutos.
La Figura 4 muestra los cromatogramas de iones
totales emparejados (TIC) de los productos de pirólisis obtenidos
por desorción térmica y pirólisis ultrarrápida a 300ºC que resultan
del análisis de muestras de compost del caballón de control (C) y
del caballón tratado (D) en el segundo ejemplo de realización. Se
representa gráficamente la abundancia frente al tiempo en
minutos.
La Figura 5 muestra los cromatogramas de iones
totales de los productos obtenidos por pirólisis ultrarrápida a
500ºC para el segundo ejemplo de realización para tanto el caballón
de control (C) como el caballón tratado (D). Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 6 muestra un ensayo de
reproducibilidad para los resultados del segundo ejemplo de
realización. Se representa gráficamente la abundancia frente al
tiempo en minutos.
La Figura 7 muestra los cromatogramas de iones
totales (TIC) de los productos de pirólisis obtenidos por desorción
térmica y pirólisis ultrarrápida a 300ºC que resultan del análisis
de muestras de compost del caballón de control (E) y los caballones
tratados (F, G) en el tercer ejemplo de realización. Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 8 muestra los cromatogramas de iones
totales (TIC) de los productos de pirólisis obtenidos por desorción
térmica y pirólisis ultrarrápida a 500ºC que resultan del análisis
de muestras de compost del caballón de control (E) y los caballones
tratados (F, G) para el tercer ejemplo de realización. Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 9 muestra una comparación de los
pirogramas para el compost control (parte superior) y el compost
tratado (I) recogido en mayo (parte inferior). Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 10 muestra una comparación de los
pirogramas para el compost control (parte superior) y el compost
tratado (I) recogido en junio (parte inferior).Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 11 muestra una comparación de los
pirogramas del compost control (parte superior) y el compost tratado
(J) recogido en mayo (parte inferior). Se representa gráficamente
la abundancia frente al tiempo en minutos.
La Figura 12 muestra una comparación de los
pirogramas para el compost control (parte superior) y el compost
tratado (J) recogido en junio (parte inferior). Se representa
gráficamente la abundancia frente al tiempo en minutos.
En vista de lo anterior, la presente invención
consta de una composición para acelerar los procesos de
compostaje.
En un ejemplo de la realización, la presente
invención proporciona una formulación líquida con la siguiente
composición cuantitativa:
\vskip1.000000\baselineskip
En otro ejemplo de la realización, la presente
invención proporciona una formulación sólida compuesta por un
soporte sólido y una combinación de componentes biológicos, con la
siguiente composición cuantitativa:
\newpage
Un primer ejemplo de la invención estudia la
aplicación de la composición líquida durante el proceso de
compostaje del lodo de la estación de purificación de aguas
residuales, para ensayar su eficacia en acelerar el proceso y
reducir las tareas de operación del proceso (volteos).
El ensayo se realizó en la planta de compostaje
de biosólidos de la compañía EMASESA, localizada en la estación de
purificación de aguas residuales del sur (Copero, provincia de
Sevilla) el 24 de septiembre de 2004.
La material prima usada en esta experiencia es
lodo obtenido de las estaciones de purificación de aguas residuales
municipales de la compañía EMASESA.
Después que se reciben los biosólidos se vierten
en los controles de secado, se extienden mediante palas de carga y
se exponen a secado natural hasta que su nivel de humedad sea del
40-50% (la humedad óptima para la actuación de los
microorganismos).
Después que se alcanza la humedad óptima el
material extendido se divide en dos partes (de \approx 11000
litros cada una) formando el montón de control (A) y el montón
tratado (B).
El tratamiento con la composición líquida se
realizó en esta fase, ya que el material estaba bien extendido de
manera que se pudo asegurar la aplicación uniforme del producto. Se
usó inicialmente una dosis inicial orientativa de 3 litros de
composición líquida (equivalente a 1,5 kg de la fórmula sólida) por
11 m^{3}; estas dosis se pueden optimizar después. Se preparó una
reserva del producto con una cantidad mínima de agua (7 litros) con
el fin de no cambiar la humedad de la material prima que va a formar
el compost y se pulverizó sobre el lodo extendido usando un
pulverizador de mochila con una capacidad de 10 litros. Después se
apiló y se volteó formando montones semicirculares. El montón de
control (A) se prepare en las mismas condiciones pero no se trató
con la composición.
La fermentación usualmente comienza en esta
fase, y se debe mantener en condiciones adecuadas volteándose a
frecuencia variable. Una mayor frecuencia de volteo acelerará la
transformación proporcionando una mayor aireación a los montones.
La aireación acelera la descomposición de las mezclas, que genera
altas temperaturas de 50-70ºC, permitiendo de este
modo que los patógenos presentes se eliminen.
El proceso de compostaje se completa con un
período de maduración que en condiciones normales (sin ser tratado
con la composición) se prolonga durante al menos tres meses. En esta
última fase se produce una mayor descomposición, estabilización,
destrucción de patógenos y desgasificación, contribuyendo de este
modo a un compost final de mayor cualidad.
Después se puede aplicar una fase de secado y
selección opcional, que varía entre unos pocos días y varios
meses.
Para controlar la temperatura en los montones se
realizaron mediciones en varias áreas de los montones con un
termómetro de escala circular fabricado por MARTIN MARTENS.
Las lecturas de temperatura del montón de
control (A) y del montón tratado (B) se proporcionan en la siguiente
tabla. Se aplicó la composición el 24/09/2004 y se realizaron los
volteos el 30/9/04, 14/10/04 y 29/10/04.
Las lecturas de temperatura se caracterizaron
por una evolución favorable en el montón tratado (B) con las
formulaciones. Este incremento fue rápido en comparación con el
montón de control (A). De hecho, las diferencias de temperatura
alcanzaron hasta 12ºC (19 octubre). La temperatura máxima en el
montón de control (A) fue 38ºC, mientras que en el montón (B)
tratado con las formulaciones alcanzó 47ºC. Después del primer
volteo de los montones el incremento de temperatura fue mayor en el
montón tratado (B) que en el montón de control (A). El montón (B)
tratado con las formulaciones alcanzó temperaturas favorables para
la operación de los microorganismos termófilos (>45ºC),
permitiendo que los patógenos presentes se eliminen.
Durante los volteos se observaron las
diferencias visualmente. De hecho, en el montón tratado (B) se
observó una fuerte emisión de gas, debido a que se alcanzaron altas
temperaturas (que no se observó en el montón de control (A)), así
como un fuerte olor a fermentación. Otro hecho importante es que el
experimento tuvo lugar durante los días con gran lluvia, que no
evitaron el desarrollo favorable del proceso en el montón tratado
con las formulaciones.
El procedimiento empleado fue pirólisis con
cromatografía de gases-espectrometría de masas
(Py-CG-EM), para una
caracterización directa de la materia orgánica (OM) presente en las
matrices de complejos.
En el caso específico de los estudios de la
composición de compost, se mostró que la pirólisis analítica permite
que se diferencien tanto el origen del sustrato orgánico como su
grado de maduración.
En vista de esto, se llevó a cabo un estudio
directo por Py-CG-EM de muestras de
compost de control y el mismo compost se sometió a tratamiento con
la formulación y a un grado diferente de maduración, para detectar
cambios posibles en las características de su OM (materia
orgánica).
Del mismo modo, se usó otro procedimiento:
"desorción", fundamentalmente similar a la pirólisis. Mientras
se realiza la pirólisis a una temperatura de alrededor de 500ºC, la
desorción tiene lugar a una temperatura más baja (300º),
permitiendo obtener información molecular sobre la descomposición de
precursores de OM muy sensibles.
Los análisis que usan pirólisis (Py) se
realizaron con un pirolizador PY2020 (Frontier Lab) asociado a una
unidad Agilent 5973 de cromatografía de
gas-espectrometría de masas (CG-EM).
El sistema de pirólisis (disparo doble) permite una pirólisis
secuencial a diferentes temperaturas en la misma muestra.
Después de realizar varios ensayos, se
obtuvieron las condiciones de medición optimizadas (para tanto
cromatografía como pirólisis) para analizar las muestras de
compost, implicando básicamente un primer calentamiento entre 100 y
300ºC (temperatura de pirólisis secundaria) a una velocidad de 30ºC
por minuto, seguido de una pirólisis ultrarrápida a 500ºC durante
un minuto. La primera etapa se puede considerar un tratamiento de
desorción térmica, no una verdadera pirólisis, y se sugiere que es
especialmente adecuado para la liberación mediante desorción
térmica de compuestos volátiles y semivolátiles débilmente asociados
al sustrato que se está analizando. La segunda fase (pirólisis a
500ºC) da lugar a los productos de pirólisis obtenidos a partir de
la ruptura de las macromoléculas presentes en la matriz que se está
analizando.
Se analizaron pares de muestras de compost de la
muestra de control (A) y la muestra tratada (B) tomadas a
intervalos de una semana en los meses de septiembre y octubre. Las
principales alteraciones de las muestras se encontraron en la
primera semana, y se mantuvieron estables en los muéstreos
siguientes. Una representación significativa de los cromatogramas
de iones totales (TIC) de los productos de pirólisis obtenidos por
desorción térmica y pirólisis ultrarrápida (pirogramas), así como
la pirólisis directa a 500ºC obtenida en el análisis de las
muestras de compost control y tratado se proporciona en las figuras
1-3.
La Figura 1 muestra los cromatogramas de
análisis de Py/desorción
(300ºC)-CG-EM para las muestras de
pares de control (A) y para las muestras de pares tratados (B). Las
alteraciones claras, principalmente de un tipo cuantitativo, se
pueden observar en el perfil pirolítico de las muestras.
Específicamente, el tratamiento da como resultado una reducción
significativa en la abundancia de ácidos grasos de cadena larga
(C^{14}-C^{18}). Además, se observa la
evaporación térmica abundante de esteróles de origen microbiano en
ambas muestras. Aproximadamente todos los productos de pirólisis se
identificaron de manera inequívoca mediante espectrogramas de masa.
La Figura 1 muestra la identidad química de algunos productos de
pirólisis significativos, tales como ácido dodecanoico (1), ácido
tetradecanoico (2), ácido palmítico (3), ácido oleico (4), ácido
esteárico (5), ftalato de dialquilo (6), 5-alfa
colestano (7).
La Figura 2 muestra los cromatogramas de
análisis de Pirólisis (500ºC)-CG-EM
donde se observó un comportamiento similar. Esto es, las
diferencias cuantitativas entre los productos de pirólisis liberados
en las muestras de control (A) y tratadas (B), aunque los cambios
son menos notables. La destrucción de los productos de pirólisis
indica la presencia de biopolímeros alifáticos (pares de
alcano-alqueno), lípidos (ácidos grasos) paredes
celulares (esteróles), componentes aromáticos no ligníticos (tolueno
y fenoles) entre los componentes de ambas muestras. En la muestra
tratada el patrón del par alcano-alqueno típico de
la pirólisis de polímeros alifáticos es menos claro, y la reducción
de los ácidos grasos mencionados anteriormente es igualmente
significativa. La Figura 2 puntualiza la naturaleza química de los
productos de pirólisis representativos tales como tolueno (8),
estireno (9), metilestireno (10), metilfenol (11), hexadecanitrilo
(12), ácido palmítico (13), ácido oleico (14), ácido esteárico (15)
y 5-alfa colestano (16).
La Figura 3 muestra los cromatogramas de la
pirólisis directa emparejada
(500ºC)-CG-EM, es decir, eliminación
de la fase anterior de desorción a 300ºC, que confirma la tendencia
observada en las pirólisis secuenciales, particularmente la
reducción de ácidos grasos en las muestras tratadas. Un punto que
merece la pena mencionar es la incorporación aparente de los
productos de pirólisis típicos de proteínas y polisacáridos en la
muestra tratada (B), como se muestra mediante la aparición de
furfural (17) y levoglucosano (19) y mediante el máximo aumentado
de indeno (18).
Los resultados obtenidos mediante pirólisis o
desorción muestran una capacidad de reproducción excelente de
pirogramas para las muestras tomadas unas semanas después de la
aplicación de las formulaciones: control tratado con pirólisis los
días diferentes.
Los resultados obtenidos permiten sacar la
conclusión de que el uso de las formulaciones biológicas basadas en
los microorganismos permite la aceleración del proceso de compostaje
de tratamiento de lodos de la planta de aguas residuales en
aproximadamente el 50%.
Los resultados del análisis de pirólisis
(Py-CG-EM) de las muestras muestran
que la descomposición de los diversos productos orgánicos obtenidos
a partir de polímeros (lípidos, polisacáridos, proteínas, etc.)
presentes en el lodo es mucho más eficaz cuando las formulaciones
se aplican en comparación con la muestra no tratada.
La aceleración del proceso de compostaje de lodo
de la planta de tratamiento de aguas residuales mediante la
realización de la formulación, tiene como una consecuencia, además
de un mejor uso del espacio dedicado al compostaje, tareas de
operación reducidas (volteos) y, por lo tanto, costes más bajos.
\vskip1.000000\baselineskip
En un segundo ejemplo de realización la
aplicación de la composición de la invención se estudia durante el
compostaje del lodo de la planta de tratamiento de aguas residuales
mezclado con biomasa vegetal (VB), con el fin de poner a prueba su
eficacia en acelerar el proceso y reducir las tareas de operación
(volteos).
La material prima usada en este ejemplo es el
lodo de la planta de tratamiento y la biomasa vegetal como un
agente de estructura, obtenido a partir de las podas de bosque y de
jardín. Este último agente, aparte de actuar como una fuente de
carbono durante el compostaje, juega un papel esencial incrementando
la porosidad y por lo tanto el área de contacto del lodo expuesto
al oxígeno durante el proceso. También reduce el nivel de humedad
inicial de la mezcla. Además, la descomposición de la materia
incrementa su área superficial expuesta a ataque microbiano,
afectando a la velocidad del proceso. Una relación de 1:3, es decir
una parte de lodo a tres partes de agentes estructurales, se
considera adecuada.
El lodo y la biomasa requieren un tratamiento
anterior. En el caso de lodo, dependiendo de su humedad puede o
puede no requerir un tratamiento de secado realizado en un número de
comprobaciones proporcionadas para tal propósito.
\newpage
La biomasa puede estar en pedacitos, obtenidos
por molienda hasta que se obtienen fragmentos más pequeños que 15
cm de largo y 2 cm de ancho.
Se usa el procedimiento de caballón, que
proporciona las siguientes ventajas: secado rápido del compost
(pérdida de humedad cuando los montones se voltean); material
compost más seco; posibilidad de manipulación de un gran volumen de
material; gran estabilidad del producto; bajo coste económico.
Se depositan los diversos materiales en capas
para amontonamiento o formación del caballón. Se colocan las capas
de las diferentes materias primas de manera consecutiva y
alternativamente. Después del amontonamiento, se realiza una
primera mezcla y comienza la fermentación.
El tratamiento con las formulaciones se realiza
durante la primera mezcla de los materiales amontonados. Se usa
inicialmente una dosis de 1 a 1,5 litros de formulación bacteriana
por 10 m^{3} de substrato. Se prepara un caldo del producto
usando una cantidad mínima de agua y se pulveriza sobre el caballón,
que más tarde se voltea para homogeneizar el tratamiento. Se
prepara otro caballón en las mismas condiciones sin aplicar el
tratamiento con la formulación, con el fin de usarlo como
control.
En esta fase comienza la fermentación en sí
misma y se mantiene en condiciones adecuadas mediante los volteos
aplicados con una frecuencia variable.
Una mayor frecuencia de volteo acelera la
transformación proporcionando una mayor aireación de los
caballones.
El proceso de formación de compost se completa
con un período de maduración que en condiciones normales (sin
tratamiento con la formulación) durará al menos dos meses. En esta
última fase, tiene lugar una mayor descomposición, estabilización,
destrucción de patógenos y desgasificación, contribuyendo a producir
un compost final de mayor calidad.
Las lecturas de temperatura de los caballones de
control y tratado se caracterizan por una evolución favorable. Sin
embargo, este incremento fue muy rápido en el caballón tratado con
la formulación (las temperaturas máximas obtenidas en el caballón
de control estaban entre 50 y 52ºC, mientras que en el caballón
tratado eran 10 grados mayores). Esto es debido a un proceso de
fermentación aeróbica correcta llevado a cabo por los
microorganismos inoculados.
En este ejemplo, además de una lectura de
temperatura diaria, el proceso de compostaje se controló mediante
la técnica Py-CG-EM.
Los cromatogramas de iones totales (TIC) de los
productos de pirólisis obtenidos por desorción térmica y pirólisis
ultrarrápida (pirogramas) en el análisis de las muestras de compost
se muestran en las figuras 4-5, y permiten que se
deduzcan las siguientes conclusiones:
La Figura 4 muestra un análisis de
(300ºC)-CG-EM Py/desorción que
muestra las alteraciones en el perfil pirolítico de la muestra de
control (C) y la muestra tratada (D), tanto en un sentido
cuantitativo como en un sentido cualitativo. El tratamiento con las
formulaciones provoca un cambio brusco en el comportamiento de la
muestra en la desorción térmica, mostrado en la evaporación térmica
abundante de los compuestos alifáticos (ácidos grasos con una baja
masa molecular y n-alcanos de cadena lineal
saturados).
La Figura 5 muestra un análisis de pirólisis
(500ºC)-CG-EM en el que se reproduce
el comportamiento anteriormente mencionado, es decir existen
diferencias entre la muestra de control (C) y la muestra tratada
(D), aunque los cambios están menos marcados. Los datos moleculares
indican que el pirograma de la muestra de control (C) claramente
muestra los productos de pirólisis de lignina (20). En la muestra
tratada el patrón de lignina es menos obvio, y el pirograma está
dominado por los compuestos alifáticos con una masa molecular alta
(cetonas, ácidos grasos no saturados, etc.), probablemente de las
paredes celulares microbianas.
La Figura 6 muestra la excelente
reproducibilidad de los pirogramas en las pruebas descritas
anteriormente.
Los resultados obtenidos como un todo permiten
llegar a la conclusión de que el uso de las formulaciones biológicas
basadas en microorganismos, objeto de la presente invención,
permite que se acelere el proceso de compostaje de residuos
obtenidos a partir de lodo de planta de tratamiento de aguas
residuales mezclados con la biomasa vegetal (agente
estructural).
Los resultados obtenidos a partir del análisis
de Pirólisis (Py-CG-EM) muestran que
la humidificación de los diversos compuestos orgánicos obtenidos a
partir de polímeros (ligninas, polisacáridos, proteínas, etc.),
presentes en el lodo, es mucho más eficaz cuando se aplica la
formulación comparada con el control no tratado.
\newpage
En un tercer ejemplo de realización, la materia
prima usada es residuo sólido municipal reciente (MSW) suministrado
por la compañía EDIFESA-Sevilla. Se seleccionó la
fracción orgánica de la materia prima (MSW), se troceó y se
homogeneizó.
Se depositan los diferentes materiales en capas
para el amontonamiento o para la formación del caballón. Después
que se amontonan se realiza una primera mezcla y comienza la
fermentación.
El tratamiento con la composición de esta
invención se realiza durante la fase descrita anteriormente,
específicamente en la primera mezcla de los materiales amontonados.
La dosis inicial es 1 litro de formulación por 10 m^{3}. Se
prepara una reserva del producto en 50 litros de agua
aproximadamente y se pulveriza sobre el caballón, que después se
voltea para homogeneizar el tratamiento. En el caso de la presente
invención, se prepara otro caballón en las mismas condiciones sin
tratamiento con la formulación, con el fin de usar como un
control.
Normalmente, al final del proceso se realiza una
evaluación de la maduración y estabilidad del compost que asegura
su obtención.
El control de las lecturas de temperatura de los
caballones de control y tratado se caracteriza por una evolución
favorable. Sin embargo, este incremento ha sido muy rápido en el
caballón tratado con la composición que es el objeto de esta
patente (las temperaturas máximas alcanzadas en el caballón de
control estaban entre 60 y 62ºC, mientras que en el caballón
tratado variaban entre 65 y 70ºC). Esto se debe a un proceso de
fermentación aeróbica correcta realizado por los microorganismos
inoculados en el residuo.
El proceso de compostaje en los caballones de
control y tratado se controló mediante la técnica
Py-CG-EM.
Los resultados del análisis de las muestras de
este compost se muestran en las figuras 7 y 8. Se puede concluir lo
siguiente en vista de los pirogramas mostrados:
La Figura 7 muestra los cromatogramas de
desorción térmica. Se pueden ver claras diferencias en los perfiles
pirolíticos de la muestra de control (E) y las muestras tratadas (F,
G). El comportamiento pirolítico de una de las muestras tratadas
(G) corresponde a un material de alta estabilidad, que resulta a
partir de una alta maduración.
La identidad de los diversos picos indicados en
la Figura 7 es como sigue: ácidos alcanoicos lineales
C_{6}-C_{7} (20-22); ceras de
alta masa molecular alta (23,24); escualeno (25);
n-alcano de alta masa molecular (26).
La Figura 8 muestra cromatogramas de pirólisis a
500ºC de la muestra de control (E) y de las muestras tratadas (F,
G).
La identidad química de los diversos picos
mostrados es la siguiente: 1-3, pares de
alcano/alqueno C_{14}-C_{16}
(27-29), n-alcanonas
C_{17}-C_{19} (30-31).
Los resultados obtenidos a partir de la
pirólisis o desorción muestran una excelente reproducibilidad de
pirogramas de las muestras tomadas 10 después de aplicar la
formulación: muestra de control y muestra tratada sometidas a
pirólisis en días diferentes. Validación de la selección de la
muestra para análisis y técnica.
Una evaluación de los resultados mostrada en las
figuras permite ver que el tratamiento con las formulaciones
provoca un cambio brusco en el pirograma de las muestras
tratadas.
La interpretación de los datos moleculares
permite conclusiones importantes que se alcanzan en relación al
grado de humedad de la materia durante el proceso. De este modo, en
solamente 10 días se observan grandes diferencias entre las
muestras de control y las tratadas, con algunos picos apareciendo
(fenoles) y otros desapareciendo, indicando la descomposición
gradual y rápida del sustrato lignocelulósico, descomponiéndose
apenas en los caballones de control.
\vskip1.000000\baselineskip
En este ejemplo se usaron montones de ensayo con
un volumen de 10 m^{3} que contenían materia de residuos
vegetales de cultivos de Almería occidental, España. Este volumen
permite manipulación sencilla de los montones cuando se voltean y
se aplican las diversas preparaciones a ellos.
\newpage
Los tratamientos aplicados se muestran en la
siguiente tabla:
Prog se refiere a Progrowth, un producto para
potenciar el crecimiento microbiano en el suelo fabricado por el
solicitante de esta patente.
Se realizaron estos tratamientos disolviendo las
formulaciones en agua hasta un volumen final de 50 litros, la
cantidad requerida para la aplicación a 1 m^{3} de material
vegetal.
En diferentes momentos durante el proceso de
compostaje, se tomaron muestras de cada tratamiento, se midió la
temperatura de los diversos montones y se realizó posteriormente un
análisis de las muestras tomadas a lo largo del proceso mediante
Pirólisis (Py-CG-EM).
La siguiente tabla proporciona las lecturas de
temperatura diarias en los diversos montones.
Se vio una evolución favorable de la temperatura
en todos los montones, verificando un rápido incremento de la
temperatura con el tiempo como resultado de un correcto proceso de
fermentación aeróbica realizado mediante los diversos
microorganismos inoculados. Se alcanzaron temperaturas de alrededor
de 58-60ºC en todos los casos, con una lectura
ligeramente más alta (3-4ºC) en los montones
tratados con la composición de la invención y
Pro-growth. Este incremento de temperatura fue muy
significativo en el montón 6, considerando la diferencia en el
tiempo de inoculación (1 semana más tarde).
Posteriormente (después del 25/05/03), los
montones tratados con la composición de la invención y Progrowth
mantuvieron una temperatura constante, estable, cayendo gradualmente
hasta que el proceso terminó. En vista de estos resultados, se
puede concluir que en los montones tratados con la composición de la
invención y con Progrowth la fermentación permaneció activa durante
un tiempo mayor que en el montón no tratado. Este efecto positivo
ocasiona una calidad mejorada del compost (mayor degradación de los
polímeros que constituyen el material vegetal inicial).
Se realizó un estudio directo mediante
Py-CG-EM sobre composts de control y
el mismo compost se sometió a diversos tratamientos en un grado
diferente de maduración, con el fin de detectar posibles variaciones
en las características de su OM.
Las Figuras 9-12 permiten la
comparación de los pirogramas del compost de control (que mostró
excelente reproducibilidad en diversos ensayos) y de los composts
tratados recogidos en diversas fases de maduración (I, J).
A pesar de su complejidad, se identificaron
prácticamente todos los productos de Pirólisis, y con ellos sus
probables precursores. Sin embargo, en este caso es más interesante
hacer énfasis en las diferencias obvias entre los diversos patrones
de productos, particularmente en el área del pirograma que muestra
los productos más volátiles (aproximadamente los primeros 15
minutos en las condiciones de cromatografía usadas). También son
obvias las diferencias entre los pirogramas respectivos de los
composts tratados (I, J) en diferentes fases de maduración.
Las partes inferiores de las figuras 9 y 11
muestran el compost tratado (I) recogido en mayo y junio
respectivamente.
La parte inferior de las figuras 10 y 12
muestran el compost tratado (J) recogido en mayo y junio
respectivamente.
El uso de las formulaciones biológicas basadas
en microorganismos objeto de esta invención permite acelerar el
proceso de compostaje del material vegetal. El estudio comparativo
ha mostrado que la aplicación de las formulaciones da como
resultado una evolución adecuada de las temperaturas que permiten
los procesos de fermentación responsables de una mayor degradación
del material vegetal usado para obtener el compost.
Los resultados del análisis de Pirólisis
(Py-CG-EM) muestran que la
humidificación de los diversos compuestos orgánicos producidos a
partir de polímeros (tales como ligninas, polisacáridos, proteínas,
etc.) presentes en la materia vegetal fue más eficaz cuando se
aplicaron las formulaciones. Es económicamente aprovechable tratar
el compost con la formulación bacteriana, ya que el incremento en
coste no es significativo comparado con las ventajas obtenidas.
La esencia de esta invención no está afectada
por las variaciones en los materiales, forma, tamaño y disposición
de los elementos componentes, descritos de una manera no limitante
que permite su reproducción por un experto.
<110> TRICHODEX, S.A.
\vskip0.400000\baselineskip
<120> CEPA BACTERIANA Y COMPOSICIÓN PARA
SU USO EN LA ACELERACIÓN DEL COMPOSTAJE Y COMO FERTILIZANTE
\vskip0.400000\baselineskip
<130> 20051434
\vskip0.400000\baselineskip
<160> 2
\vskip0.400000\baselineskip
<170> PatentIn versión 3.3
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 1
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 1487
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Bacillus megaterium
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (311)..(311)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (1113)..(1113)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 1
\hskip1cm
\hskip1cm
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 2
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 1479
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Bacillus subtilis
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (144)..(144)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (213)..(213)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (244)..(244)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (255)..(255)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<221> misc_feature
\vskip0.400000\baselineskip
<222> (303)..(303)
\vskip0.400000\baselineskip
<223> n es a, c, g, o t
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 2
\hskip1cm
\hskip1cm
Claims (15)
1. La cepa bacteriana de Bacillus
megaterium AMCB1 depositada en la Colección de Cultivos Estándar
Española (Colección Española de Cultivos Tipo, CECT) el 27 de julio
de 2004 con el número de acceso CECT 7012 que acelera los procesos
de compostaje.
2. Una composición caracterizada porque
comprende al menos la cepa bacteriana de la reivindicación 1,
conjuntamente con la cepa bacteriana Bacillus subtillis
depositada en la Colección de Cultivos Estándar Española (Colección
Española de Cultivos Tipo, CECT) el 27 de julio de 2004 con el
número de acceso CECT 7014, que acelera los procesos de
compostaje.
3. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizada porque contiene las cepas de
Azospirillum brasilense, Azotobacter chroococcum y
Saccharomyces cerevisae, conjuntamente con una reserva
nutricional.
4. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizada porque la concentración
preferida de los microorganismos en una formulación líquida es
10^{3} a 10^{9} unidades formadoras de colonia por mililitro
(cfu/ml).
5. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizada porque la concentración
preferida de los microorganismos en una formulación líquida es
10^{5} a 10^{7} unidades formadoras de colonia por mililitro
(cfu/ml).
6. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizada porque la concentración
preferida de los microorganismos en una formulación sólida es
10^{3} a 10^{9} cfu/g.
7. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizada porque la concentración
preferida de los microorganismos en una formulación sólida es
10^{5} a 10^{7} cfu/g.
8. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizada porque la reserva nutricional
al menos contiene:
9. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizada porque la reserva nutricional
al menos contiene:
10. Uso de una composición de acuerdo con las
reivindicaciones 2 a 9 para acelerar el compostaje.
11. Uso de acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizada porque acelera el proceso de compostaje de lodo
de planta de tratamiento de aguas residuales.
12. Uso de acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizada porque acelera el proceso de compostaje de lodo
de planta de tratamiento de aguas residuales mezclado con biomasa
vegetal.
13. Uso de acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizada porque acelera el proceso de compostaje de
residuos sólidos municipales (MSW).
14. Uso de acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizada porque acelera el proceso de compostaje de
materia vegetal.
15. Uso de una composición de acuerdo con las
reivindicaciones 2 a 9 como un fertilizante.
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