ARTICULO ORIGINAL

Metodología HBT (Hohenheim Yield Test) para la determinación del potencial de metano en sustratos agrícolas

0000-0003-1853-1195Dr.C. Carlos M. Martínez-Hernández^{I  *}  , Dr.Sc. Hans Oechsner^II  , Dr. Mathieu Brulé^II 

^IUniversidad Central “Marta Abreu “de las Villas. Santa Clara. Villa Clara. Cuba

^IIUniversity of Hohenheim, State Institute of Agriculture Engineering and Bioenergy, Germany.

RESUMEN

El trabajo presenta la metodología HBT, creada y de amplia utilización en la Universidad de Hohenheim, Alemania para el análisis y valoración del potencial de metano de sustratos agrícolas con el objetivo de ser utilizadas como materia prima en las diferentes plantas de biogás en producción en ese país. Esta metodología es sencilla y puede ser extrapolable a cualquier institución de investigación o desarrollo que se ocupe del análisis de la potencialidad de producción de metano de diferentes sustratos agrícolas. Por su importancia y aplicabilidad se describen los pasos fundamentales de esta metodología, la cual pudiera ser introducida en nuestras Universidades o Instituciones de investigación que se dedique a esta actividad, siendo el objetivo de este trabajo dar a conocer la misma en nuestro país. Mediante esta metodología es posible valorar simultáneamente un gran número de ensayos de investigación ahorrando recursos materiales, humanos y dinero. Al mismo tiempo, los resultados alcanzados con esta metodología son transferibles a escala productiva, ya que están apoyadas en las normativas existentes en este campo.

Palabras-clave: HBT metodología; sustratos agrícolas; biodigestión; biogás

INTRODUCCIÓN

En la actualidad numerosos países buscan resolver sus problemas energéticos con la utilización de las fuentes renovables de energía. Cuba no escapa a esta problemática y en los últimos años el país ha realizado un enorme esfuerzo por revertir su matriz energética, la cual depende en más del 70% de la producción de energía eléctrica a partir de la generación en plantas de gran tamaño denominadas “termoeléctricas” y a menor escala en los llamados “grupos electrógenos”. En ambos, la generación de electricidad se soporta sobre la base del consumo de combustible fósil (gasoil y petróleo).

Por tal motivo, en el plan de desarrollo del país hasta el 2030, se tiene previsto ser capaz de generar alrededor de un 30% de electricidad utilizando fuentes renovables de energía (paneles solares, paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, mini hidráulicas y biogás). En este contexto, las Universidades Cubanas; así como varios centros de investigación del país se proyectan al estudio e investigación de estas fuentes renovables y su optimización.

Es por ello, que este trabajo tiene como objetivo presentar una metodología utilizada en Alemania para estudiar y valorar el potencial de metano de diferentes sustratos agrícolas con el objeto de transferir hacia la producción los mejores resultados investigativos obtenidos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Ensayo de digestión anaeróbico. Objetivo del ensayo

Este ensayo conducido bajo las condiciones de uso del equipo denominado HBT (Hohenheim Biogas Test), tiene como objetivo analizar procesos batch discontinuos. Los sustratos son digeridos bajo condiciones mesofílica a temperatura constante de 37⁰ C y tiempos de retención hidráulico de 35 días. Aquí se prueban diferentes sustratos mezclados en los respectivos digestores.

El objetivo principal del equipo HBT ha sido simplificar el análisis del potencial de metano de diferentes sustratos y correr un gran número de procesos de digestión anaeróbica de forma simultánea. También este equipamiento (HBT) permite reducir las labores en el laboratorio, así como supervisar la cantidad de pruebas a ejecutar en los sustratos objeto de valoración. Este nuevo método tiene también dentro de sus objetivos utilizar equipamiento comercial de laboratorio disponible en la actualidad (^{Shumi, 2008}).

Metodología estándar

El ensayo del potencial de metano del biogás (BMP) ha sido establecido de acuerdo con la norma alemana ^{VDI 4630 (2006)}, “fermentación de materiales orgánicos” desarrollada específicamente para ensayos de producción de metano durante la digestión anaeróbica. Normas internacionales existentes tales como: DIN38424-8 y ASTM and ISO 14853, para excretas de origen animal. Sin embargo, estas han sido desarrolladas principalmente para determinar pruebas de toxicidad y no rendimiento de metano. Por otra parte, debido al gran número de nutrientes y micronutrientes involucrados en el proceso de digestión anaeróbica estas normas no son fácilmente aplicables (^{Müller W-R, 2004}).

Las más importantes recomendaciones de acuerdo con la norma alemana ^{VDI 4630 (2006)}, están relacionadas con la relación que debe existir entre el peso de los sólidos volátiles del sustrato a analizar con respecto al peso de los sólidos volátiles del inóculo a utilizar, la cual debe fijarse por debajo de 0,5 para asegurar la estabilidad de la digestión anaeróbica, asegurando que la relación entre la producción de biogás del sustrato con respecto a la producción total de biogás deba estar por encima de 0,8.

Equipamiento necesario

El sistema HBT, permite la investigación con 130 jeringas simultáneamente, este sistema es una mejora del Sistema de alimentación y valoración Hohenheim (HFT), desarrollado por Steingass and Menke (1986) citado por ^{Helffrich & Oechsner (2003)}, para la evaluación cuantitativa de los fluidos (líquidos) del rumen de vacunos como inóculos. La utilización de este inóculo para aplicaciones en biogás ha sido descrita por Helffrich and Oechsner (^{Helffrich and Oechsner, 2003}) y patentado por (^{Helffrich et al., 2005}).

Cada mezcla preparada (sustrato + inóculo) es colocado en el interior de una jeringa de 100 mL de capacidad, la misma presenta una manguera con una presilla en su extremo que impide la salida del gas que se va acumulando en su interior (Fig. 1) y (Fig. 2). El gas que se acumula en su interior es purgado oprimiendo el embolo de la jeringa, una vez liberado la presilla que oprime la manguera en la parte superior de la jeringa. Este proceso se efectúa siempre y cuando se alcance una producción de gas mayor o igual a 20 mL en 24 horas. Entre el embolo de la jeringa y su cuerpo, se coloca una pasta grasosa de silicona que impide que entre estos dos elementos ocurra una fuga de gas (^{Barbos, 2006}).

Las jeringas son colocadas horizontalmente en un soporte giratorio el cual es introducido en una incubadora (Fig. 1) y (Fig. 2), donde las condiciones mesofílica son mantenidas (37°C). La continua rotación del soporte garantiza la mezcla de los sustratos en el interior de las jeringas. (^{Eyler and Brulé, 2010}).

El volumen de gas, así como el contenido de metano de este; puede ser medido una vez se iguale o sobrepase la producción de 20 mL por día. Producto de la no homogeneidad de la producción de gas entre diferentes sustratos objeto de valoración, medidas de seguridad han sido tomadas para evitar el derrame del sustrato y su consecuente pérdida de gas. Una alarma laser está colocada en este aparato (HBT) para avisar al equipo de investigación cuando alguna jeringa del set de investigación este alcanzando un volumen de producción igual 70 mL (^{Brulé, 2005}).

Un detector electrónico de metano (Figure 2C), equipado con un filtro de fósforo pentóxido para remover vapor de agua contenido en el biogas. Evita que trazas de vapor de agua se introduzcan en el detecto, provocando un efecto corrosivo en combinación con el sulfuro de hidrogeno (H₂S) presente en el biogás cuando este se condensa en las partes metálicas del detector. El sulfuro de hidrógeno (H₂S) derivado del ácido sulfúrico (H₂SO₄) y the la fase ácida líquida produce un efecto corrosivo. El fósforo pentóxido producido por (SICAPENT®) posee un indicador de color, el cual cambia cuando se satura la sal con agua (^{Brulé, 2005}).

Durante el período de fermentación de los sustratos (35 días), el volumen de gas producido por los diferentes sustratos agrícolas objeto de valoración son medidos entre 10 y 20 veces. El inóculo pre-digerido solamente dos veces debido a su baja producción de biogás (^{Brulé, 2005}).

La Figura 1, presenta algunos detalles del conjunto de dispositivos y equipamiento utilizado en la metodología HBT.

FIGURA 1 Esquema de la jeringa, el mecanismo de rotación y la incubadora (^{Barbos, 2006}). 

Otros detalles del sistema HBT se muestran en la Figura 2.

FIGURA 2 A. Incubadora con su unidad de rotación y las respectivas jeringas colocadas. B. Jeringas con los sustratos y su producción de biogás objeto de valoración. C. Detector electrónico de metano (^{Shumi, 2008}). 

Preparación de los sustratos y alimentación

Como recomendación de la norma ^{VDI 4630}, el tamaño de las partículas de los sustratos debe ser inferior a 10 mm. Los sustratos utilizados para estos ensayos deben ser cosechados y triturados en el laboratorio anterior a su utilización.

Cuatro combinaciones que involucran cada una de estas a dos diferentes sustratos de cultivos energéticos, fueron escogidas para investigar diferentes relaciones utilizadas en la metodología HBT (Tabla 1). En todos los casos la duración del proceso es igual a 35 días.

TABLA 1 Diseño experimental del ensayo de digestión anaeróbico 

Primer cultivo	Segundo cultivo	Proporción de las mezclas
Ryegrass perenne	Planta Cup	100/0 - 75/25 - 50/50 - 25/75 - [0/100]
Maíz	Amaranto	100/0 - 75/25 - 50/50 - 25/75 - 0/100
Maíz	Triticale	100/0 - 75/25 - 50/50 - 25/75 - 0/100
Maíz	Ryegrass perenne	100/0 - 75/25 - 50/50 - 25/75 - 0/100

Las mezclas entre corchetes no han sido evaluada.

La Tabla 2 muestra algunos ejemplos de proporciones de la mezcla y los pesos de los sustratos usados para el ensaya de la digestión anaerobia.

TABLA 2 Ejemplos de mezclas del sustrato y pesos de los sustratos utilizados en el ensayo 

Sustrato	Proporción de las mezclas	Número de réplicas	Peso del sustrato 1 (g)	Peso del sustrato2 (g)
Ryegrass perenne/planta Cup	75/25	4	2,42	0,45
Maíz/Amaranto	50/50	5	0,6	1,48
Maíz/Triticale	25/25	5	0,3	0,93

Preparación de inóculo y su alimentación

El inóculo para los ensayos se preparó en la Universidad de Hohenheim. El inóculo se produjo en un reactor del laboratorio de dicha Universidad, este se alimentó periódicamente con una mezcla de estiércol vacuno pre digerido, forraje conservado en silo de maíz, cereales, aceite de semilla de rape y extracto de soya. Se tomó el estiércol vacuno pre digerido de una planta de biogas. La proporción de carbono-nitrógeno (C: N) de la mezcla fue (27:1) y la proporción de carga orgánica del reactor fue 0.5 kg VS/m³/día. Este procedimiento particular tiende a desarrollar una población bacteriana adaptada asegurando una producción de biogás suficientemente baja del inóculo. Anterior a su colocación en el digestor-HBT, el inóculo se pasó a través de un tamiz de 1 mm y el material basto fue removido (^{Brulé, 2005}).

En el experimento 30 g de inóculo fue agregado en cada digestor, junto con el sustrato. El papel del inóculo fue proporcionar bacterias, un medio líquido y un efecto buffer de los carbonatos/bicarbonatos y amoníaco, todos ellos necesarios para un proceso equilibrado.

Variantes de control

Las variantes de control corrieron según lo especificado en la norma alemana ^{VDI 4630 (2006)}, en otros tres digestores el inóculo se colocó junto con un sustrato de composición y producción del metano conocida (sustrato estándar) para verificar la reproductibilidad del ensayo. Para eso se utilizó celulosa microcrystalline (250 mg) como un sustrato normal (AVICEL, MERCK).

Cada variante del substrato se colocó en 3 a 5 digestores (jeringas) que fueron considerados suficientes para obtener datos exactos del rendimiento de metano específico.

Medida de gas

Según la norma ^{VDI 4630 (2006)}, la presión del gas generado tiene que ser tan bajo como posible para minimizar las pérdidas de gas. Esta recomendación para la medida de gas va contra la corriente principal de usar botellas de acero a presión y transductores de presión según ^{Angelidaki & Lijadoras (2004)} y favores el uso de sistemas de presión bajos, como el equipo eudiómetro. Los transductores de presión pueden sufrir las interferencias de las variaciones de temperatura (^{Rozzi & Remigi, 2004}). El proceso de HBT puede ser considerado como un sistema de baja presión, desde las características fluidas de la pasta de silicona que permite sellar y mantener un equilibrio en condiciones de temperatura y presión normal (^{Brulé, 2010}).

Para realizar una medida de gas, el operador lee el volumen de gas primero en la escala de la jeringa. Entonces, el operador pone la jeringa verticalmente, el gas permanece en la cima y el sustrato permanece en el fondo. Posteriormente se conecta la tubería de caucho de descarga de la jeringa a un sensor de metano electrónico, el operador abre la grapa de la atadura de la tubería de caucho para permitir la salida del gas a continuación oprime el embolo de la jeringa, permitiendo que el gas pase al dispositivo de medida electrónico. Se apunta el valor del volumen del metano proporcionado por el dispositivo, y el volumen restante del substrato en el digestor. Para cada medida de gas, la fecha, el tiempo, la temperatura exacta de la incubadora y la presión atmosférica del laboratorio también se graba para calcular la producción de gas bajo las condiciones normales (es decir a los 0°C y 1013.25 hPa) (^{Brulé, 2005}).

Duración del experimento

Los experimentos se planificaron para una duración de 35 días. Esta duración fue aplicada como un punto terminal, pero necesariamente implica que el rendimiento del biogás máximo pueda alcanzarse al final de este período. Según ^{VDI 4630 (2006)}, los experimentos pueden terminarse cuando la producción del biogás diaria caiga por debajo de 1% de la producción de biogás del acumulado total. Se asume que aplicando la duración del ensayo de 35 días, esto permita cumplir este criterio.

Cálculo del rendimiento del biogás

De acuerdo con la norma ^{VDI 4630 (2006)}, la ecuación 1 se utiliza para calcular el volumen de biogás seco (corregido del vapor de agua) a las condiciones normales (temperatura de 0°C, presión de 1013, 25 hPa), quedando la expresión 1 como:

$V_N=\frac{V_R\bullet (P-P_W)\bullet T_0}{T_R\bullet T_0}$

V N	Volumen seco de gas en condiciones normalizadas (L)
V R	Valor de lectura del volumen de biogás (L)
P	Presión del gas en el momento de la lectura (hPa)
P w	Presión de vapor de agua en biogás (hPa)
T 0	Temperatura normal (273 K)
P 0	Presión normal (1013, 25 hPa)
T R	Temperatura del biogás (K)

La presión del vapor de agua en biogás fue estimada en 58 hPa a 35°C.

Ensayo de digestión anaerobia:

El rendimiento del metano de una mezcla fue calculado según algunas variables que deben definirse para cada cosecha de energía: el rendimiento del metano específico, los sólidos volátiles, el rendimiento de masa fresca y seca por hectárea obtenida del campo. Entonces, sabiendo las proporciones de peso de cada planta en la mezcla, la herramienta Excel puede evaluar el rendimiento del metano de la mezcla escogida.

Los valores para los rendimientos de metano específicos dados en la literatura varían ampliamente, dependiendo de las referencias. Por esta razón, en los laboratorios se investigan mezclas y cultivos sin mezclar por medio de un ensayo del laboratorio para validar los valores de los rendimientos del metano específicos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A modo de ejemplo se presenta los resultados alcanzados en un determinado experimento efectuado en el laboratorio de Biogás de la Universidad de Hohenheim. Estos resultados preliminares se muestran en la Figura 3. Las curvas representan el rendimiento específico de metano para las diferentes proporciones de mezcla maíz /ryegrass perenne. La producción de metano aumenta durante el tiempo, pero después de sólo 18 días de experimento ninguna conclusión puede tomarse sobre el rendimiento final. Sólo el rendimiento específico final de metano que se alcanza después de 35 días de experimento podría usarse como variable de entrada para el modelo.

Los ensayos de la digestión anaerobia llevados a cabo en el laboratorio deben mantener las condiciones óptimas del proceso del biogás para obtener el rendimiento de metano más alto alcanzable. Desde las condiciones para el proceso biológico se perfecciona, el ensayo no puede responder de sinergias o efectos inhibitorios que son comunes en las plantas del biogás a gran escala. Específicamente contenido de fibra y proporción de C: N no adecuadas, que juegan un papel inadecuado en la obtención del rendimiento específico de metano en el modelo utilizado en el ensayo de la digestión anaerobia. Una gran cantidad de inóculo usado puede actuar como un buffer contra los volúmenes ricos en fibra; así como incidir en un desequilibrio de nutrientes.

Por consiguiente, contrariamente a la práctica, ninguna sinergia o efecto antagónico se espera: deben alcanzarse los rendimientos de metano máximos, en cualquier caso, sin tener en cuenta la proporción de C: N de la mezcla y volúmenes de fibra. La investigación de mezclas del sustrato servirá para confirmar esta hipótesis. Los resultados actuales sugieren que no existe ninguna inhibición asociada a una mezcla particular: todas las curvas para las mezclas son similares. Sorprendentemente, los cultivos energéticos de Maíz 100% y ryegrass Perennes 100% muestran modelos diferentes comparado a las mezclas. Estos resultados son muy sorprendentes y los protocolos experimentales deben verificarse cuidadosamente.

FIGURA 3 Rendimiento específico de metano en mezclas de sustratos evaluados. Fuente: Laboratorio de Biogás. Universidad de Hohenheim. 

En el caso de Cuba esta metodología es poco conocida y solo se tiene referencias del empleo de este tipo de metodología en los trabajos reportados por ^{Martínez & García (2016}); ^{Martínez et al. (2017)} & ^{Martínez et al. (2020)}, sin embargo, sería provechoso diseminar su utilización en el país, motivado por el ahorro de tiempo, materiales y recursos financieros en la valoración del potencial de metano de diferentes sustratos agrícolas que pueden ser utilizados como materia prima para la obtención de metano.

Por otra parte, la transferibilidad de los resultados logrados a escala de laboratorio a escala real ha sido demostrada en Alemania, donde existen más 40 laboratorios que utilizan esta metodología (^{Oechsner et al., 2020}).

CONCLUSIONES

El trabajo muestra una metodología sencilla, fiable y utilizada a escala de laboratorio con su probada transferibilidad a escala real para la valoración de diferentes sustratos agrícolas que pueden ser utilizados como materia prima para la obtención del potencial de metano de diferentes sustratos de origen agrícola o animal.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad de Hohenheim por apoyar la colaboración existente entre nuestras universidades.

REFERENCIAS

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Recibido: 12 de Febrero de 2020; Aprobado: 01 de Marzo de 2021

Author for correspondence: Carlos M. Martínez-Hernández, e-mail: [e-mail]