Estimación de metano por estequiometría de la fermentación ruminal

Basados en las leyes de química, se puede establecer un balance de la fermentación ruminal con la ecuación general (Van Soest, 1994):

C₆H₁₂O₆ + NH₃ → microorganismos + ácidos grasos volátiles + CH₄ + CO₂

Las ecuaciones de la fermentación fueron descritas por Baldwin (1970):

Glucosa → 2 acetatos + 2 CO₂ + 8H

Glucosa → 1 butírico + 2 CO₂ + 4 H

Glucosa + 4 H → 2 propionato

CO₂ + 8 H → CH₄ + 2 H₂O

Como se puede apreciar, la formación de propionato captura hidrógeno y la formación de acetato y butirato resultan asociados a la formación de metano.

Wolin (1960) calculó el estado de oxidación (número de átomos de oxígeno menos la mitad de átomos de hidrógeno) con lo cual se puede estimar la formación de metano a partir de conocer los productos de la fermentación ruminal (ácidos grasos volátiles).

Cuadro 57.1 Equivalentes de oxidación de compuestos orgánicos de la fermentación ruminal

La descripción de los cálculos para estimar el metano y el CO2 se describen ampliamente en la referencia original de Wolin (1960) y Van Soest (1994) ha presentado una forma resumida que se basa en el establecimiento de dos ecuaciones algebraicas.

Usando el ejemplo original de Wolin (1960), se tiene un patrón molar de fermentación de 65 moles de acetato, 20 de propionato y 15 de butirato. Nótese que la suma de los tres da 100. Algunos investigadores han criticado este modelo, dado que no considera la fermentación de la proteína (Moss et al., 2000). La ecuación estequiométrica se puede presentar como: 

X glucosa (6C) → 65 acetato(2C) + 20 propionato(3C) + 15 butirato (4C) + Y CO₂ + Z(CH₄)

La ecuación balanceada en equivalentes netos de oxidación sería equivalente a cero:

Y + Z + moles de acetato + moles de propionato + moles de butirato = 0

Se establece una ecuación de incógnitas de Y Z basadas en los ácidos que contribuyen a su formación:

Y CO₂ + Z CH₄ = 65 acetato + (2 X 15 butirato 4C)

Sumando los carbonos del acetato son 65 y los correspondientes del butirato:

Y CO₂ + Z CH₄ = 65 acetato + 30

Y + Z = 95

Posteriormente, se calcula el estado de oxidación del sustrato multiplicando el equivalente neto de oxidación (cuadro 57.2):

Y + Z + moles de acetato + moles de propionato + moles de butirato = 0

(65)(0) + (20)(-1) + (15)(-2V + (Y)(+2) + (Z)(-2)

Y - Z = 25

Entonces se tienen ya dos ecuaciones con Y Z que se pueden resolver en forma algebraica:

Y + Z = 25

Y + Z = 25

2Y = 120 = 60

Despejando Z en otra ecuación se tiene:

Z = 35

Entonces son 60 moles de CO₂ y 35 de CH₄.

Los moles de glucosa de cada ácido graso volátil se estiman a partir de los que se forman a partir de cada mol de glucosa:

Acético → 2 moles = 65 / 2 = 32.5

Propiónico → 2 moles = 20 / 2 = 10

Butírico → 1 moles = 15 / 1 = 15

Total = 57.5 moles de glucosa

Los moles de agua son equivalentes a la resta de los de acetato menos los de butirato. Por lo que la ecuación general de la fermentación quedaría:

57.5 de glucosa = 65 acetato + 20 propionato + 15 butirato + 60 CO₂ + 35 CH₄ + 25H₂O

La producción de CO₂ y CH₄ se pueden estimar a partir de la proporción molar de ácidos grasos volátiles con estas ecuaciones resumidas por Van Soest (1994):

CO₂ = (acetato/2) + (propionato/4) + (1.5 butirato)

CH₄ = acetato + 2 butirato - CO₂ 

Usando los datos de Wolin (1960) usamos las ecuaciones:

CO₂ = (65/2) + (20/4) + 1.5(15) = 60

CH₄ = 65 + 2(15) - 60 = 35

Si consideramos los moles de hexosas consumidas divididas por su peso molecular polimerizado y las proporciones de dióxido de carbono y metano, se pueden estimar los moles emitidos diariamente de CO₂ y de CH₄ y si se desea obtener las cantidades en gramos se hace a partir de los pesos moleculares de cada gas.

El conocimiento de los productos de la fermentación permite conocer la energía de los productos fermentados cuanto se queda en compuestos utilizables por el rumiante y los que no se consideran pérdidas (Riquelme, 1983). Para esto se multiplican los moles de la fermentación de la ecuación estequiométrica por su calor de combustión y basados en la relación de:

Calor producido = calor sustratos - calor en productos

Se puede obtener el total del calor de los sustratos (glucosa x 680 kcal/mol), el de los productos (cada ácido y metano por su correspondiente calor de combustión) y entonces se procede a estimar el metano del total como porcentaje y el total de la energía en ácidos grasos para conocer la eficiencia de la fermentación ruminal (cuadro 57.2).

Cuadro 57.2 Cálculo de calor de la fermentación ruminal