1. INTRODUCCIÓN
La digestión anaerobia (DA) es una tecnología mundialmente conocida e implementada a través de la cual se genera biogás a partir de la acción de diferentes grupos de microorganismos en ausencia de oxígeno. El biogás generado constituye una mezcla de gases formado principalmente por metano y dióxido de carbono, el cual es empleado para producir electricidad y calor. En países en vías de desarrollo como Cuba, es fundamentalmente empleado para cocinar. En este sentido, la política energética del país está encaminada a promover la utilización de las fuentes renovables de energía fomentando el desarrollo del biogás y diversificando sus aplicaciones (Gutiérrez y col., 2018).
La actualidad cubana exhibe un excesivo potencial de residuos sólidos biodegradables listos para ser evaluados respecto a sus potencialidades energéticas y que actualmente su único protagonismo es la contaminación del medio ambiente. En ese contexto, la industria azucarera cubana es un sector de la economía que genera continuamente residuos con carácter biodegradable. Dentro de esos residuos se destacan la cachaza, la vinaza y el bagazo; de los cuales el bagazo es el único que se utiliza hoy día como fuente de energía en el proceso agroindustrial del azúcar de caña (Gutiérrez y col. , 2018). Sin embargo, existen otros residuos con elevada disponibilidad que actualmente no se aprovechan (e.j., la cachaza). La cachaza se caracteriza por su elevado contenido de materia orgánica (e.j.,157 g/kgDQO) (Baez-Smith, 2008) y de micronutrientes esenciales para los procesos biológicos de bioconversión como son el calcio, potasio, nitrógeno, fósforo, magnesio, manganeso y zinc (Rouf y col., 2010). Es empleada para la alimentación del ganado vacuno y como mejorador de suelos. Sin embargo, debido a las dificultades que implica su transportación y manejo en la mayoría de los centrales azucareros cubanos es abandonada en los campos lo que implica una descomposición espontánea de la misma, emitiendo grandes cantidades de gas metano e impidiendo por tanto el efecto positivo de la utilización de esa bioenergía. Por otra parte, la vinaza es el subproducto líquido de la destilación del mosto en la fermentación del etanol. Estos residuos son generados en grandes cantidades diariamente y las prácticas actuales de manejo de las mismas causan grandes problemas de contaminación ambiental (Christofoletti y col., 2013).
Con el objetivo de incrementar la biodegradabilidad y el rendimiento de metano en el proceso de DA, la co-digestión de residuos es un tópico de particular interés. Este proceso permite mejorar el rendimiento de biogás debido a las sinergias que se producen entre las mezclas y a la compensación de nutrientes entre los sustratos co-digeridos (Mata-Alvarez y col., 2014). Su mayor expansión se debe a la posibilidad de obtener un mejor balance en la relación C/N, pH, alcalinidad, macro y micronutrientes. De igual forma compensa la presencia de compuestos inhibidores y tóxicos. Sin embargo, no todas las mezclas son favorables a la DA por lo que es importante realizar estudios para cada caso particular (Pagés-Díaz y col., 2014).
La co-digestión de residuos de la industria azucarera ha sido previamente reportada en la literatura. La cachaza ha sido co-digerida con otros sustratos como paja de caña y bagazo en diferentes relaciones de mezcla con un efecto significativo en la mejora del rendimiento de biogás en comparación con la digestión de la cachaza como único sustrato (Rouf y col. , 2010). Sin embargo, otros estudios demostraron que cuando la relación de mezcla cachaza-bagazo (e.j., 2,33-1) fue co-digerida en régimen semi-continuo a largo plazo la producción de biogás disminuyó en un 33% en relación a la digestión únicamente de cachaza (Janke y col., 2016). Por otro lado, López-Gonzáles et al., (2015) estudió la co-digestión de cachaza (pretratada y sin pretratar) con vinaza en diferentes relaciones de mezcla. Los resultados demuestran que 25% de cachaza sin pretratar con 75% de vinaza (en base a la demanda química de oxígeno) resultó ser la mejor alternativa de co-digestión para estos dos sustratos. Sin embargo, a conocimiento del autor, no se encontraron reportes en la literatura sobre el efecto sinergético o antagónico que pudiera provocar la combinación de una mezcla ternaria de cachaza, bagazo y vinaza pura en co-digestión anaerobia. En este sentido, el presente trabajo tiene como objetivo fundamental evaluar la co-digestión de mezclas de residuos sólidos y líquidos generados en la industria agro-azucarera cubana identificando las combinaciones de mezclas con efectos positivos y negativos para el rendimiento de metano y la cinética de biodegradabilidad.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Sustratos e inóculo
Se utilizó como sustratos sólidos: bagazo (B) y cachaza de caña (C) provenientes del central azucarero Héctor Molina en San Nicolás, Mayabeque mientras que como sustrato líquido se utilizó vinaza (V), proveniente de la destilaría anexa al propio central. Los sustratos lignocelulósicos (bagazo y cachaza de caña) fueron sometidos a 40oC en la estufa durante 24 horas con el objetivo de disminuir el contenido de humedad y facilitar el proceso de molienda y tamizado. Cada fracción sólida fue picada y molida mediante una picadora eléctrica (CUISINRT, China). Los mismos fueron posteriormente procesados hasta obtener el tamaño de partícula deseado (e.j., 2 mm para el bagazo y <0,2 mm para la cachaza). Para el caso de la vinaza esta fue almacenada a -20oC hasta su posterior utilización.
El inóculo utilizado fue obtenido de una planta piloto de producción de biogás en el Instituto de Investigaciones Porcinas que trabaja con sustrato de estiércol porcino. El mismo fue filtrado usando un tamiz de 5,6 y 10 mm para eliminar residuos orgánicos ajenos a su composición como hojas secas y caracoles. El inóculo fue posteriormente almacenado a 37 ºC en la incubadora durante tres días en condiciones anaerobias con un volumen de espacio libre con el objetivo de facilitar la degradación del material aún presente en su constitución según la metodología previamente descrita en la literatura (Hansen y col., 2004).
2.2. Ensayo anaerobio en sistema discontinuo
El montaje de los reactores se realizó según el método previamente descrito (VDI-4630, 2006). Para ello se utilizaron reactores de vidrio de 500 mL de capacidad y 450 mL de volumen efectivo bajo condiciones mesofílicas (37°C±1°C) durante 30 días. Cada reactor fue alimentado con una proporción adecuada de sustrato para mantener la relación 1:3 (SVsustrato:SVinóculo). Se realizó el montaje de un reactor blanco conteniendo solamente inóculo para garantizar la calidad del inóculo. Cada reactor fue preparado por triplicado y los mismos fueron agitados de forma manual una vez al día a lo largo de todo el período experimental. La producción de CH4 fue medida diariamente por desplazamiento de líquido en una solución de NaOH al 15% (p/v). La corrección de metano se realizó a 0°C y 1 atm asumiendo la ley de gas ideal (VDI-4630, 2006).
2.3. Diseño de experimento
Con el objetivo de identificar posibles efectos sinergéticos o antagónicos entre las mezclas de sustratos bajo estudio se realizó un diseño experimental de mezcla Simplex-Centroide según metodología previamente descrita por Pagés-Díaz et al., (2014). En el presente trabajo se estudió cada uno de los sustratos individuales (e.j., bagazo (B), cachaza (C) y vinaza (V)) así como las posibles combinaciones de mezclas binarias (C+V, B+V, B+C) y ternarias (B+C+V) (Tabla 1).
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4,74 g | 100 | 0 | 0 | |
19,25 g | 0 | 100 | 0 | |
81,05 mL | 0 | 0 | 100 | |
2,37g+9,62g | 50 | 50 | 0 | |
2,37g+40,52mL | 50 | 0 | 50 | |
6,62g+4052mL | 0 | 50 | 50 | |
1,56g+6,35g+26,74mL | 33,3 | 33,3 | 33,3 |
a Cantidad total de sustrato en peso fresco añadido a cada reactor
La base usada para el diseño fue el porcentaje de la proporción de cada componente en base al contenido de sólidos volátiles. Las variables respuestas estudiadas fueron el rendimiento de metano (YCH4), la constante cinética aparente de primer orden (k0) y la velocidad específica de producción de metano (Rm) obtenidas según el modelo cinético de primer orden y el modelo de Gompertz respectivamente y previamente descrito en Pagés-Díaz (2015). Los modelos de regresión lineal (sin efecto sinérgico o antagónico) y no lineal (cuadrático y cúbico, con efecto sinérgico o antagónico) se probaron para cada variable respuesta y se evaluó por ANOVA. El nivel de confianza de los modelos evaluados fue de un 95% (p-valor ≤ 0,05). El análisis de los resultados se realizó con el paquete estadístico STATGRAPHICS Centurion XV.II.
2.4. Métodos analíticos
La determinación de los sólidos totales (ST) y volátiles (SV) se realizó según la metodología descrita en los métodos estandarizados para el análisis de aguas y aguas residuales (APHA, 1995). En el caso del bagazo se determinó la composición de celulosa, hemicelulosa y lignina (ANSI/ASTM, 1980; ANSI/ASTM, 1977b; ANSI/ASTM, 1977a). Para la vinaza se realizaron análisis de pH, DQO, nitrógeno total (NT) y contenido de Na+ y K+ (APHA, 1995). La demanda química de oxígeno (DQO) se determinó por el método de reflujo abierto. El contenido de Na+ y K+, se definió por fotometría de emisión de llama (Corning 410) y el nitrógeno total por el método de Kjeldahl. El contenido de proteínas se determinó a partir del nitrógeno total usando un factor de conversión de 6,25 (Pagés-Díaz y col. , 2014).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Caracterización del sustrato
La caracterización química de cada uno de los sustratos individuales así como de las mezclas estudiadas se muestra en la Tabla 2. Los resultados obtenidos están en correspondencia con resultados alcanzados por otros autores que estudiaron residuos similares (Abril y col., 2012; Cabrera-Díaz, 2017; López-González, 2016). El contenido de ST de los residuales sólidos varió entre un 25% y un 71% para la cachaza y el bagazo respectivamente. En el caso de la vinaza por tratarse de un residual líquido presentó el contenido de sólidos totales más bajo (4%) en comparación con el resto de los sustratos estudiados. Este valor es común en dicho residual. Autores como López-González (2016) y Cabrera-Díaz (2017) han reportado valores de sólidos totales en la vinaza entre 4-5%. Por otra parte, el contenido de SV varió entre un 68% y un 98%. El contenido más elevado de fibras, principalmente lignina y celulosa, se encontró para el caso del bagazo con 27% y 37% respectivamente. La presencia de lignina puede resultar en bajos valores de rendimiento de metano, así como una lenta velocidad de degradación en la fase de hidrólisis. Esto se debe a que este compuesto es un polímero muy complejo que tiene la función de proteger la pared celular de las plantas y por ende actúa como barrera protectora al ataque microbiano (Barakat y col., 2012).
% | 71 | 25 | 4 | |
% | 98 | 68 | 75 | |
- | - | 6,2a | 4,3 | |
g/L | - | - | 41 | |
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mg/L | - | - | 175 |
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mg/L | - | - | 3233,3 |
g/L | 0,634 | |||
g/L | 3,96 | |||
% | 37 | 11,3a | - | |
% | 35 | 27,1a | - | |
% | 27 | 9,3a | - |
a Valores reportados por López-González (2016) para cachaza cubana, * Valores reportados en base a peso seco
3.2. Biodegradabilidad de los residuos agro-azucareros
3.2.1. Rendimiento de metano en mono-digestión
La figura 1 muestra el comportamiento de la producción de metano acumulada en el tiempo para cada uno de los sustratos estudiados (a- Mono-digestión y b- Co-digestión). Dentro de los sustratos individuales, la cachaza produce el mayor valor de YCH4 (252 mLCH4/gSV) seguido de la vinaza (231 mLCH4/gSV). Estos resultados están en correspondencia con lo obtenido por otros autores, los cuales reportan un valor de rendimiento de metano para la cachaza en el intervalo de 240-281 mLCH4/gSV (Janke y col., 2015; López González y col., 2017; Rouf y col. , 2010) y de 220-270 mLCH4/gSV para la vinaza (Janke y col. , 2015; López González y col. , 2017; Siles y col., 2011).
Por otro lado, el bagazo fue el sustrato individual que obtuvo el valor más bajo de rendimiento (e.j., 170 mLCH4/gSV). Este resultado se debe a que el elevado contenido de lignina presente en el mismo en comparación con la cachaza (un 65% superior) limita la utilización de celulosa y hemicelulosa durante la formación de biogás. Esto se demuestra además, por la fase de retardo de tres días (Figura 1-a, Tabla 2) que presenta la degradación del bagazo en comparación con la cachaza (1,4 días) y la vinaza (0,06 días). Autores como Bolado-Rodríguez et al., (2016) y Janke et al., (2015), han reportado valores de rendimiento de metano para el bagazo de 222 y 236 mLCH4/gSV respectivamente. Sin embargo, rendimientos de 84,7 mLCH4/gSV han sido también obtenidos (Inyang y col., 2010) . Estas divergencias en los intervalos de rendimiento reportados, se deben fundamentalmente a las diferencias en la composición y variedad de la caña, a las características de la cosecha, a las condiciones del suelo, al tipo de nutrientes aplicado en los campos, a los procesos propios de clarificación, así como a otros factores ambientales (Rouf y col. , 2010). En un estudio realizado por Leite et al., (2015) se demostró la influencia de los cambios estacionales en las características de estos residuos así como su influencia en el rendimiento de metano. Esto cambios resultaron en una variación del rendimiento de un 22% para la vinaza y un 26% para la cachaza.
3.2.2. Cinética de la biodegradabilidad en mono-digestión
La tabla 3 muestra los principales resultados experimentales obtenidos para cada una de las mezclas y sustratos así como los valores predichos por los modelos cinéticos estudiados (1er orden y Gompertz) en términos de YCH4, k0 y Rm. Los resultados cinéticos demuestran que la vinaza fue el sustrato individual que mostró los valores más altos de Rm y k0 con 87 mLCH4/gSVd y 0,7 d-1 respectivamente. Este resultado está en correspondencia con el comportamiento exponencial de la curva que se aprecia en figura 1-a. Esto se debe a la presencia de compuestos que pueden ser biodegradados más fácilmente respecto a los residuales lignocelulósicos evaluados (B y C). López-González (2016) obtuvo un valor de k0 de 0,38 d-1 inferior al obtenido en el presente trabajo, mientras que Janke et al., (2015) obtuvieron valores de k0 en el intervalo de 0,107 - 0,413 d-1. Estas diferencias estuvieron atribuidas a la materia prima utilizada para la producción de etanol. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la k0 depende de muchos factores como son la agitación, la temperatura, la naturaleza del sustrato, el tipo de inóculo empleado, etc. El bagazo por otra parte fue el sustrato que mostró una fase de retardo de aproximadamente 3 días y el valor más bajo de k0 (0,04 d-1) en comparación con el resto de los sustratos individuales. Este resultado está en correspondencia con el elevado contenido de lignina presente en el mismo (27 %) que influye negativamente en la biodegradabilidad de la celulosa y hemicelulosa. Normalmente sustratos con estas características son sometidos a pre tratamientos físicos, químicos o biológicos. Sin embargo, la presencia de los mismos en la co-digestión de residuos es importante para mejorar el balance de nutrientes dentro del reactor así como la capacidad tapón del sistema. Por tanto, ellos ayudan a mantener la estabilidad del reactor a largo plazo.
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mLCH4/gVS | 170 (±37) | 252 (±72) | 231 (±26) |
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mLCH4/gSV | 185(±8) | 248(±72) | 222(±22) |
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mLCH4/gSVd | 20(±3) | 25(±6) | 87(±8) |
días | 3(±0,3) | 1,4(±0,3) | 0,06(±0,08) | |
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% | 99(±0,2) | 99(±0,04) | 99(±0,7) |
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mLCH4/gSV | 202(±12) | 270(±75) | 227(±20) |
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días-1 | 0,04(±0,00) | 0,07(±0,08) | 0,7(±0,1) |
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% | 93(±0,3) | 96(±2) | 99(±0,07) |
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mLCH4/gSV | 201 (±16) | 139 (±13) | 209 (±79) |
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mLCH4/gSV | 198(±21) | 127(±10) | 198(±81) |
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mLCH4/gSVd | 20,7(±5,2) | 41(±3) | 49(±1,3) |
días | 0,7(±0,5) | -0,2(±0,0) | -0,09(±0,2) | |
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% | 99(±0,9) | 96(±0,5) | 98(±0,9) |
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mLCH4/gSV | 210(±22) | 131(±12) | 247(±53) |
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días-1 | 0,6(±0,3) | 0,4(±0,2) | 0,2(±0,04) |
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% | 97(±0,6 | 99(±1,1) | 99(±0,5) |
a Valor experimental y desviación estándar de las muestras por triplicado
b Valor predicho por el modelo y desviación estándar en cada caso
3.2.3. Efecto de mezcla. Interacciones sinérgicas y antagónicas
La presencia simultánea de varios tipos de residuos en un proceso de co-digestión anaerobia puede mejorar significativamente el proceso (Mata-Alvarez y col. , 2014) produciendo rendimientos de metano superiores a los obtenidos a partir de cada residuo de manera individual. Una mezcla de sustratos diferentes, puede suplementar nutrientes y elementos trazas necesarios para los microrganismos. Esta heterogeneidad en la composición de los sustratos conlleva a que se desarrollen y crezcan variedad de microrganismos que estimulan el proceso de digestión.
En el presente trabajo fue posible modelar las variables respuestas estudiadas (YCH4, Rm, k0) asumiendo que no se produce efecto de mezcla (sin sinergia o antagonismo) a través de la parte lineal del modelo cúbico especial (YCH4, k0) y el modelo cuadrático (Rm) que resultaron ser los modelos que mejor describen la data experimental. La tabla 4 muestra los resultados obtenidos. El efecto de dos y tres factores (sustratos) se tuvo en cuenta con los términos cuadráticos y cúbicos del modelo que permite predecir el efecto de mezcla entre los factores y por tanto modelar posibles efectos sinérgicos o antagónicos.
Como se aprecia en tabla 4, la cachaza tuvo el valor más elevado de coeficiente β en el modelo cúbico especial lo que indica que es el sustrato que individualmente realiza el mayor aporte al rendimiento de metano.
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p-valor | p-valor | p-valor | |||||
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B | 170 | - | 20 | - | 0,048 | - |
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C | 252 | - | 29 | - | 0,07 | - |
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V | 231 | - | 87 | - | 0,66 | - |
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BC | -41 | 0,802 | -18 | 0,1573 | 0,129 | 0,7814 |
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BV | -246 | 0,153 | -55 | 0,0004a | 1,198 | 0,0094a |
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CV | 35 | 0,829 | -37 | 0,007a | 0,197 | 0,6243 |
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BCV | 2429 | 0,043a | - | - | -6,93 | 0,0302a |
a p - valor < 0,05 (95% IC) Denota significancia estadística
La mezcla terciaria con la combinación de B+V+C tuvo un efecto sinergético significativo sobre el rendimiento de metano (p-valor=0,043). Sin embargo, desde el punto de vista cinético la misma mezcla mostró un efecto antagónico en la constante cinética de velocidad aparente lo que indica que los parámetros cinéticos son independientes del rendimiento de metano. El rendimiento de metano es una variable que define la cantidad de metano producida por una cantidad determinada de materia orgánica inicial y caracteriza la actividad metabólica de un ecosistema metanogénico.
Las mezclas binarias de B+C y de B+V resultaron antagónicas sobre el YCH4 con valores de coeficientes β negativos, sin embargo, fueron no significativas desde el punto de vista estadístico. Esto significa que bien pueden ser más antagónicas bajo otras condiciones de operación o pueden resultar sinergéticas cuando se operan a largo plazo en operación semi-continua. En un estudio realizado por Pagés-Díaz et al., (2015), se demostró que la estabilidad e inestabilidad del proceso a largo plazo, así como, el desarrollo de la comunidad microbiana, estuvo en concordancia con la sinergia y el antagonismo encontrado previamente en operación discontinua. Sin embargo, más estudios se requieren para esclarecer el origen del sinergismo y el antagonismo, así como, su influencia directa en las rutas metabólicas de formación de metano.
4. CONCLUSIONES
En el presente trabajo se evaluó la biodegradabilidad de residuos procedentes de la industria agro-azucarera cubana para producir biogás.
Los sustratos bajo estudio mostraron un elevado potencial para producir metano, siendo la cachaza el sustrato individual que mostró el mayor rendimiento (e.j., 252 NmLCH4/gSV).
Desde el punto de vista cinético la vinaza mostró los mejores valores de k0 y Rm. Sin embargo, el efecto de mezclar bagazo+cachaza+vinaza mostró tener un efecto sinergético positivo y significativo en el rendimiento de metano con un aumento de hasta un 23% en comparación con el aporte individual de los sustratos por separado.