ARTÍCULO ORIGINAL
Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba
Studies of some physical-mechanical and chemical property in organic waste to use for biogas production in Cuba
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Dr.C. Carlos M. Martinez HernándezI, Dr. Hans OechsnerII, Mathieu BruléII, Dra. Elena Marañon MaisonIII
I Universidad Central de las Villas, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.
II Universidad de Hohenheim, Stuttgart, Alemania.
III Universidad de Oviedo, Campus de Gijón, España.
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RESUMEN
El trabajo aborda el estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos agrícolas los cuales pueden ser utilizados en la producción de biogás en las plantas en producción en Cuba, utilizando la co-fermentación de los mismos. Para su realización se colectaron las biomasas agrícolas y residuos de cantina; así como afluentes y efluentes de una planta de biogás en producción (“Niña Bonita”) próxima a la ciudad de Santa Clara, Villa Clara, Cuba, para su posterior análisis. Las muestras de las biomasas investigadas (sorgo 49V-96, sorgo-132 R, girasol JE-94, yuca, maíz, cáscara de malanga, pan, cáscara de boniato, papa y cáscara de maní); así como de los afluentes y efluentes de la planta de biogás fueron investigadas en laboratorios de la Universidad Central de las Villas; así como en el laboratorio de biogás de la Universidad de Hohenheim, Alemania. Los resultados mostraron que el rendimiento especifico de metano máximo logrado fue con el girasol JE-94 (0,393 m3/kg VS), mientras que el mínimo valor se alcanzó con la cáscara de maní (0,095 m3/kg VS). El objetivo del trabajo, consistió en determinar algunas propiedades físico-mecánicas y químicas, tales como: relación carbono nitrógeno (C/N), rendimiento especifico de metano (m3/kg VS), solidos totales (TS), sólidos totales orgánicos (oTS), acidez (pH) y sólidos volátiles (VS) en residuos orgánicos agrícolas y de cantina, los cuales pueden ser usados para la producción de biogás mediante la co-fermentación con excretas de origen animal bajo las condiciones de Cuba. Para dar cumplimiento al objetivo se desarrollaron investigaciones a escala de jeringas, de biodigestores plásticos de pequeño formato; así como a escala real.
Palabras clave: residuos orgánicos agrícolas, planta de biogas, biomasa.
ABSTRACT
The work approaches the study of some physical-mechanical and chemical properties of agricultural organic residuals which can be used in the biogas production in Cuba´s plants production, using their co-fermentation. It has also been necessary to collect agricultural biomass, canteen waste, influent and effluents of a biogas plant (“Niña Bonita”) next to Santa Clara’s city, Cuba, for their later analysis. the investigated biomasses samples (sorghum.49V-96, sorghum-132 R, sunflower JE-94, cassava, corn, sweet potato skin, bread, potatoes and peanut skin); as well as the influent and effluents of the investigated biogas plant were analyzed in some laboratories belonging to the Central University of Las Villas. Other analyses were done in the biogas lab at Hohenheim University. The maximum value of specifies methane yield achieved was with the sunflower JE-94 (0.393 m3/kg VS), while the minimum value was reached with the peanut shell (0.095 m3/Kg VS).The main objective of the work consists on determining some of the physical-mechanical and chemical properties like carbon nitrogen ratio (C/N), specific methane production (m3/kg VS), total solid (TS), organic total solid (oTS), alkalinity (pH) and volatile solid (VS) in agricultural organic residuals and canteen waste, which can be used for the production of biogas under co-fermentation with animal manure under Cuban conditions. In order to do this, we developed some experiments to syringes, small and real scale.
Key words: agricultural organic residuals, plant of biogas, biomass.
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INTRODUCCIÓNDe acuerdo con el documento referenciado como Asistencia tecnológica (2008), el servicio para determinar propiedades físico-mecánicas y químicas en residuos o biomasas de origen agrícola o animal permite conocer el potencial máximo de biogás de un residuo o mezcla de residuos siguiendo el procedimiento descrito por la norma VDI 4630 (2006). Cada residuo orgánico tiene un potencial específico y existen diferencias notables según su composición. Las diferencias pueden darse incluso dentro de una misma familia de residuos.
El potencial máximo de producción de biogás de un residuo orgánico se determina experimentalmente mediante un ensayo discontinuo o batch a escala de laboratorio en el que el material objeto de estudio se biodegrada completamente en condiciones anaerobias controladas.
Algunos de los residuos orgánicos agroindustriales que pueden ser estudiados en Cuba son los siguientes:
• Residuos agrícolas de cooperativas de producción agropecuaria (excedentes, baja calidad, etc.).
• Residuos ganaderos (purines de cerdo, estiércol de vacuno, gallinaza, etc.).
• Residuos alimentarios de origen animal (mataderos e industrias cárnicas, residuos de las industrias lácteas, pescado y restos de la transformación de productos de mar, etc.).
• Residuos alimentarios de origen vegetal (excedentes y destríos de la producción hortofrutícola, bagazos de la industria de zumos, restos procedentes de conserveras, aceites usados, vinazas, etc.).
• Lodos grasos de depuradora industrial alimentaria.
• Residuos de la distribución alimentaria (caducado, devuelto o fuera de especificaciones). ]]>
• Residuos de las plantas de biocombustibles (glicerina y otros procedentes de plantas de bioetanol o biodiesel).Fievez et al. (2005), mostraron que era factible probar diferentes sustratos y suplementos proteicos en vitro condiciones usando jeringas y predecir con una metodología simple y poco costosa, la producción de ácidos grasos volátiles y el contenido de metano en los mismos.
Chakravorty et al. (1996), plantean que la mezcla de excretas vacunas, desechos avícolas y del alcantarillado incrementan la producción de metano desde un 5,3 hasta 20,7% respecto a su producción en solitario. Estos autores plantean que el máximo incremento se logra cuando se mezclan excretas vacunas con residuos de alcantarilla.
Chandra et al. (2012), reportaron que el potencial bioquímico de metano de las mayores biomasas lignocelulosicas de cultivos agrícolas son:
Residuos de cultivo de maíz 0,338 (m3/kgVSa) a 0,290 (m3/kg TSa); paja de trigo 0,290 (m3/kgVSa) a 0,243 (m3/kg TSa); paja de arroz 0,302 (m3/kgVSa) a 0,232 (m3/kg TSa) y residuos de caña de azúcar 0,278 (m3/kgVSa) a 0,206 (m3/kg TSa). Estos autores plantean que el potencial bioquímico de metano (BMP) y el rendimiento de varios tipos de residuos de biomasas lignocelulosicas agrícolas han sido determinadas por varios autores.
Weiland. (2003), ha reportado el potencial bioquímico de mazorcas de maíz como 0,410 m3/kg VSa. Deublein & Steinhauser. (2008) reportaron que el rendimiento de biogás de paja de maíz varía desde 0,40 a,0 m3/kg de sólidos orgánicos totales con un contenido de metano de 55%. Tong et al. (1990) y Richards et al. (1991) reportaron valores del potencial de metano de residuos de maíz de 0,360 y 0,300 a 0,326 m3/kg de solidos volátiles añadidos respectivamente.
Lane (1984), reportó una producción potencial de metano de 0,267 m3/kg solidos volátiles en mazorcas de maíz.
Weiland (2003), reportó rendimiento en la producción de metano de paja de trigo de 0,390 m3/kg de materia orgánica seca alimentada al digestor anaeróbico. Sharma et al. (1988) y Moller et al. (2004) reportaron una producción potencial de metano en paja de trigo de 0,162 a 0,249 y 0,145 a 0,161 m3/kg sólidos volátiles, respectivamente.
Hashimoto (1986) reportó una producción potencial de metano en paja de trigo no tratada y tratada con hidróxido de sodio de 0,304 y 0,367 a 0,383 m3/kg de sólidos volátiles añadidos, respectivamente. Gunaseelan (1997) reportó un potencial de producción de metano en un rango de 0,190 a 0,327 m3/kg solidos volátiles añadidos para paja de trigo. Tong et al. (1990) reportaron valores del potencial bioquímico de metano de 0,302 m3/kg de sólidos volátiles alimentados al digestor. Kaparaju et al. (2009), reportaron un rendimiento de la producción de metano en paja de trigo en efluentes de producciones de bioetanol y bio hidrógeno de 0,324 y 0,381 m3/kg solidos volátiles, respectivamente.
El potencial bioquímico de metano de paja de arroz en ensayos tipo batch ha sido reportado entre 0,241 a 0,367 m3/kg de solidos volátiles añadidos por Sharma et al. (1998) para tamaños de partículas de 30 a 1 mm. Deublein & Steinhauser. (2008) reportaron rendimientos de la producción de biogas en paja de arroz en un rango de 0,550 a 0,620 m3/kg de sólidos totales orgánicos alimentados al digestor anaeróbico, con un contenido de metano de 55% en el biogás producido. Lei et al. (2010) reportaron un rendimiento potencial bioquímico de metano de la paja de arroz que varía desde 0,330 a 0,350 y desde 0,270 a 0,290 m3/kg de sólidos volátiles, respectivamente. Deublein y Steinhauser. (2008) han reportado que los rendimientos en la producción de biogás en la digestión anaeróbica de la mayoría de los residuos de cultivos de cereales varían desde 0,200 a 0,500 m3/kg de sólidos orgánicos totales alimentados a digestores anaeróbicos. ]]>
El potencial bioquímico de metano de biomasas de la caña de azúcar ha sido reportado con variaciones desde 0,266 a 0,314 m3/kg de solidos volátiles y desde 0,230 a 0,300 m3/kg sólidos volátiles, respectivamente por Deren & Snyder. (1991) y Chynoweth et al. (1993).En Cuba es prácticamente desconida esta metodología, las plantas cubanas para la producción de biogás solo utilizan excretas vacunas o excretas porcinas para estos fines en mono fermentación; por lo tanto la codigestión de estas excretas con residuos agrícolas no es empleada hasta el presente, de aquí la importancia de dar a conocer esta metodología para el caso cubano. Este trabajo ha tomado como referencias la norma alemana VDI 4630 (2006) y trabajos desarrollados por investigadores de las Universidades de Hohenheim y Rostock, Alemania; así como algunos trabajos publicados por el autor en años anteriores. Martínez et al. (2009), Martínez et al. (2008), Martínez et al. (2009), Martínez et al. (2011) y Martínez et al. (2012). Este trabajo pretende profundizar en algunas de las propiedades físico-mecánicas y químicas de los residuos orgánicos agrícolas y de cantina cubanos evaluados con el objetivo de ver cuáles son los más idóneos para ser usados para la producción de biogás mediante la co-fermentación con excretas de origen animal, en las condiciones particulares de Cuba.
MÉTODOS
Este trabajo fue realizado en la Universidad Central de las Villas, pero algunas investigaciones fueron obtenidas en la Universidad de Hohenheim, Alemania. Estos resultados han sido obtenidos en investigaciones realizadas durante el período comprendido desde los años 2009 hasta el 2012 de acuerdo con varios proyectos de investigación realizados de forma conjunta entre ambos centros. Para su desarrollo se han tenido en cuenta diferentes normas vigentes para este tipo de investigación.
Caracterización de los sustratos: Se realizó de acuerdo con la norma VDI 4630 (2006), siguiendo la caracterización y clasificación general de sustratos en grupos particulares se pueden estimar las posibilidades de fermentabilidad de estos materiales orgánicos. Esto es también importante para la manipulación de estos materiales y de algunos factores especiales que deben tenerse en cuenta para la planificación y el uso de los mismos en instalaciones de biogás.
Los residuos agrícolas investigados fueron: sorgo 49V-96, sorgo-R-132, girasol JE-94, yuca, maíz, cáscara de malanga, cáscara de boniato, papa, y cáscara de maní; como residuo de cantina se valoró el pan blanco.
Una vez seleccionados los sustratos, se procedió a realizar un conjunto de análisis dentro de los cuales tuvieron lugar los siguientes:
1. Determinación del porciento de humedad, y la materia seca de acuerdo con la norma NC74-22:1985. ]]>
2. Determinación del contenido de cenizas de acuerdo con la norma NC74-30:1985.3. Molido y cribado de estos sustratos en fracciones de tamaño de partículas menores a 1 mm.
4. Determinación de la relación carbono/nitrógeno por sustrato analizado.
5. Evolución del pH de las combinaciones de sustratos más excretas vacunas evaluados.
6. Evaluación del rendimiento especifico de metano por sustrato evaluado.
7. Evaluación de la inocuidad de los efluentes tratados.
A partir de estos datos de entrada, softwares elaborados para estos fines y mediante la utilización de la norma VDI4630 (2006). Se procedió a calcular los siguientes parámetros:
• Tasa de biodegradabilidad.
• Potencial máximo de metano (m3/kg SVa).
• Calidad o composición del metano generado/sustrato evaluado (% CH4, % CO2, % H2S). ]]>
En cuanto a la evaluación de la inocuidad de los afluentes y efluentes tratados en la planta de biogás de referencia; así como las cualidades de estos para ser utilizados como biofertilizantes, se efectuaron pruebas para determinar coliformes fecales, coliformes totales y pseudomonas areuginosas. Estas pruebas se efectuaron bajo el protocolo existente para estos casos y de acuerdo con las normas cubanas NC74-22:1985, NC74-30:1985, NC27:1999, NC93-01-128:1988 y NC93-01-129:1988.Las pruebas de calidad de los efluentes para ser utilizados como biofertilizantes, se realizaron utilizando magentas plásticas, las cuales fueron llenada con suelos pardos carbonatados, hasta quedar enrasadas (400 g de suelo). Se utilizaron semillas de frijoles blancos (6 semillas/magenta), variedad BAT-482. Las semillas de frijoles fueron imbuidas en agua normal para el control y en los efluentes investigados para las réplicas objeto de investigación durante 6 horas anterior a su siembra. Los efluentes utilizados fueron diluidos en agua en una proporción de tres partes de agua por una parte de efluente. Posteriormente se dejaron en reposo durante 90 días, para reducir su toxicidad. Posteriormente fueron sembradas en las magentas hasta su germinación. En cada caso el protocolo de investigación consistió en colocar tres controles y nueve réplicas de las muestras investigadas.
Para llevar a cabo todo lo anterior se contó además con la colaboración de investigadores y equipamiento de los laboratorios de biogás de la Universidad de Hohenheim, Alemania.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De análisis de la Figura 1, se puede apreciar el comportamiento de todos los sustratos evaluados. Se aprecia que el mayor rendimiento especifico de metano fue obtenido con el sustrato girasol JE-94 (0.393 m3/kg VSa), mientras que el menor valor obtenido fue con el sustrato cáscara de maní (0.095 m3/kg VSa).
En la Tabla 1 se presentan los resultados referidos a los sólidos totales y los sólidos totales orgánicos por sustrato evaluado, además se puede apreciar la media de los valores obtenidos; así como la desviación estándar en los parámetros objeto de análisis.
En la Tabla 2 se presentan los resultados referidos a la relación carbono/nitrógeno por sustrato evaluado.
En este caso solo se alejan de la relación óptima C/N= 30, los sustratos señalados con negritas, siendo el peor en este parámetro la yuca, siguiéndole la cascara de boniato, el pan y finalmente el girasol variedad JE-94. Los otros sustratos están dentro o muy próximos a la relación óptima. ]]>
En la Tabla 3, se presentan los valores finales obtenidos por sustrato analizado al culminar el proceso de biodegradación de estas biomasas. Del análisis de la Tabla 3 se destaca que las biomasas con mejor rendimiento específico de metano son el girasol JE-94 y el maíz. Resultando las biomasas cáscara de maní e inóculo (excreta bovina), las biomasas de menores rendimiento específico de metano.La Figura 2, muestra la evolución de pH de los diferentes sustratos analizados en co-digestión con excretas vacunas en el ciclo de biodigestión analizado. Como se puede apreciar en la figura 2, la evolución del pH en todos los sustratos analizados durante el ciclo de biodigestion es favorable y cumple con los valores recomendados (6 a 8) a excepción de los sustratos sorgo V49-96, yuca, girasol JE-94, los cuales sobrepasan estos valores al final del proceso; sin embargo cuando esto ocurre, ya los mismos han sido degradados desde el punto de vista de su producción de metano, por lo que no constituye una limitación en este sentido.
Los resultados de la inocuidad de los afluentes y efluentes tratados en la planta de biogás de referencia se pueden apreciar en la Tabla 4.
Los valores obtenidos en la Tabla 4 muestran que están por encima de los parámetros establecidos en la norma cubana (OFICINA: 1999); por lo tanto estos efluentes deben ser tratados antes de ser utilizados como biofertilizantes o vertidos en los respectivos espejos de agua de acuerdo con la norma NC-27: 1999.
Resultados referidos a la germinación de granos utilizando los efluentes: en las réplicas del control el resultado obtenido fue como promedio igual a 88,33% de germinación. En las réplicas de los diferentes tratamientos evaluados los valores obtenidos fueron como promedio un 90,73% de germinación. Esto significa que el porciento de germinación de las réplicas de los tratamientos con respecto al control fue como promedio un 2,4% superior.
CONCLUSIONES
• Las biomasas con mejor rendimiento específico de metano son el girasol JE-94 (0,393 m3 CH4/kg oTS) y el maíz (0,346 m3 CH4/kg oTS). Resultando las biomasas cáscara de maní (0,095 m3/kg VSa) e inóculo (excreta bovina), las biomasas de menor rendimiento específico de metano. ]]>
• En relación a la evolución del pH se puede apreciar que todos los sustratos se comportan favorablemente durante todo el ciclo con valores que oscilan entre 0 A 8,0 a excepción de los sustratos sorgo V49-96, yuca, girasol JE-94, los cuales terminan el ciclo con valores de pH por encima de 8, sin embargo cuando esto ocurre, ya los mismos han sido degradados desde el punto de vista de su producción de metano, por lo que no constituye una limitación en este sentido.• Los valores de inocuidad obtenidos están por encima de los parámetros establecidos en la norma cubana (OFICINA:1999), por lo tanto estos efluentes deben ser tratados antes de ser utilizados como biofertilizantes o vertidos en los respectivos espejos de agua de acuerdo con la norma NC27:1999.
• Los resultados referidos a la germinación de granos utilizando los efluentes muestran que en el control se alcanzó un 88,33% de germinación. En los diferentes tratamientos el porciento de germinación fue del 90,73%. Esto significa que el porciento de germinación de los tratamientos con respecto al control fue como promedio un 2,4% superior. Este resultado muestra la posibilidad que tienen estos efluentes de ser utilizados como biofertilizantes cuando son tratados correctamente.
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Recibido: 14 de septiembre de 2012.
Aprobado: 28 de enero de 2014.
Carlos M. Martínez Hernández. Universidad Central “Marta Abreu”de las Villas, Carretera a Camajuaní km.5.5. CP: 54830, Santa Clara, Villa Clara, Cuba, Tel: 53-42-281692, Fax: 53-42-281608. Correo electrónico: carlosmh@uclv.edu.cu ]]>
