Introduction

Renewable energy production is crucial for Cuba due to the scarcity of fossil fuels. Despite investments in photovoltaic and wind energy, the potential of biomass, especially from agro-industrial waste, remains underutilized. There is a lack of information on the potential of different types of animal excreta for biogas production in Cuba. Given this background, it would be important to deepen knowledge and experience regarding the possibilities of using these substrates for energy production at the national level.

According to AINIA (2008)AINIA: Ensayo de potencial de biogás, [en línea], Asistencia Tecnológica, 2008, Disponible en: https://www.ainia.com., the procedure described in VDI 4630 standard is used to determine the maximum biogas potential of a waste or waste mixture. Each organic waste has a specific potential, and there are notable differences depending on its composition. Differences can occur within the same waste family. The maximum biogas production potential of organic waste is determined experimentally using a laboratory-scale batch test, in which the material completely biodegrades under controlled anaerobic conditions. Some of the agro-industrial organic wastes are: agricultural waste from cooperatives (surplus, low-quality, etc.); livestock waste (pig slurry, cattle manure, chicken manure, etc.); food waste of animal origin (slaughterhouses and meat industries, dairy industry waste, fish and seafood processing waste, etc.); food waste of plant origin (surplus and waste from fruit and vegetable production, juice industry bagasse, canning waste, used oils, vinasse, etc.); fatty sludge from industrial food treatment plants; food distribution waste (expired, returned, or out of specification); waste from biofuel plants (glycerin and other residues from bioethanol or biodiesel plants). The advantages are: knowing the actual maximum biogas potential of a specific substrate; performing the specific test to assess its possible use in industrial plants; and comparing the results obtained with existing, published results. Substrate composition is the main factor in determining methane yield and potential. Literature sources report that differences in methane kinetics, potential, and yield depend on the type of substrate used (Forster-Carneiro et al, 2012FORSTER-CARNEIRO T; ISAAC R; PÉREZ M; SCHVARTZ C. Anaerobic Digestion: Pretreatment of Substrates. En: Ackmez Mudhoo. Biogas production. Pretreatment methods in anaerobic digestion. Edit. Scrivener-Wiley, 2012. p.1-20.). Substrate pretreatment methods aim to improve anaerobic digestion qualities by altering their physical, chemical, and biological properties, optimizing the availability of substrate components, and thus increasing the hydrolysis process during anaerobic digestion. There are different types of substrate pretreatments; they can be classified as basic or special. Among the basic ones, there are those that have the purpose of reducing the particle size (crushing, milling, sieving). Among the special treatments are thermal, chemical, ultrasound, microwave radiation, and biological treatments (enzymes, fungi, and bacteria).

Pretreatments (basic and special) exhibit certain peculiarities such as increased handling costs, increased legislative requirements for the stabilization and removal of potential pathogens, a tendency toward lower nitrogen levels, which allows for age management of these substrates, and a decrease in the biodegradability of activated substrates (Zhong et al., 2011ZHONG, W.; ZHANG, Z.; QIAO, W.; FU, P.; LIU, M.: “RETRACTED: Comparison of chemical and biological pretreatment of corn straw for biogas production by anaerobic digestion”, Renewable Energy, 36(6): 1875-1879, 2011, ISSN: 0960-1481, DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.12.020.). However, an analysis of the pretreatment to be used based on the type, performance, and cost is necessary.

The use of different pretreatments for agricultural and animal substrates has been reported in the literature by various authors such as: Kurakake et al. (2007)KURAKAKE, M.; IDE, N.; KOMAKI, T.: “Biological pretreatment with two bacterial strains for enzymatic hydrolysis of office paper”, Current microbiology, 54(6): 424-428, 2007, ISSN: 0343-8651.; Taherzadeh & Karimi (2008)TAHERZADEH, M.J.; KARIMI, K.: “Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review”, International journal of molecular sciences, 9(9): 1621-1651, 2008, ISSN: 1422-0067, DOI: 10.3390/ijms9091621.; Vintiloiu et al. (2009)VINTILOIU, A.; BRULÉ, M.; LEMMER, A.; OECHSNER, H.; JUNGBLUTH, T.; JURCOANE, S.; ISRAEL, R.F.: “Influence of temperature and pH value on enzyme activity in the biogas process.”, Landtechnik, 64(1): 22-24, 2009, ISSN: 0023-8082.; Brulé (2014)BRULÉ, M.: The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops, [en línea], Institut für Agrartechnik, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Fakultät Agrarwissenschaften, PhD. Thesis, Universität Hohenheim, Germany, 180 p., 2014, Disponible en:http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/1030/, [Consulta:15 de diciembre de 2014].; (Martinez et al., 2014MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.); Martinez et al. (2015)MARTÍNEZ, C.; OECHSNER, H.; REINHARDT, A.; GARCÍA, Y.; LÓPEZ, L.: “Studies of chemical-thermal pre-treatment in biomass to use for biogas production in Cuba”, Journal of Basic and Applied Research International, 14(3): 215-224, 2015.; Martínez & García (2016)MARTÍNEZ, H.C.; GARCÍA, L.Y.: “Utilización de pre-tratamientos básicos y específicos para la producción de biogás. Revisión y análisis”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(3): 81-92, 2016, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054. This research had its genesis in a project proposal submitted simultaneously in Russia and Cuba by the respective Ministries of Science, Technology, and Environment. Its planned objectives were the pyrolysis of Cuban biomass and its evaluation for methane generation potential. Hence the interest in evaluating cattle, pig, and poultry substrates (excreta) in mono-fermentation to assess their biogas generation potential.

Biogas production from excreta varies among cattle, pigs, and poultry farms due to the composition and quantity of manure. In cattle, daily excreta production ranges between 30 and 79 kg per day. In pigs, this is around 3.5 kg per day, while in poultry, both excrement generation and biogas production are lower per animal, and biodigesters must be previously adapted for this type of waste. In summary, cattle manure has the greatest biogas production potential, due to its greater quantity and organic matter content; pigs produce less, but with good relative efficiency; and poultry contributes biogas, but on a smaller scale due to less material and waste volume. Optimal management and mixing (co-digestion) greatly influence the final biogas production and efficiency of each type of manure. In summary, the literature on the subject expresses methane and biogas yields in different units such as: m3 CH4/kg VS*; mL CH4/kg VS; mL CH4/g VS; L_N/kg_FM; L_N/kg_oTS. Some examples of these values in animal excreta are shown below: cattle (0.15-0.23 m3 CH4/kg VS); pigs (0.10-0.40 m3 CH4/kg VS); poultry (127-288 mL CH4/g VS). Renewable energy production is crucial for Cuba due to the scarcity of fossil fuels. Despite investments in photovoltaic and wind energy, the potential of biomass, especially from agro-industrial waste, remains underutilized. There is a lack of information on the potential of different types of animal excreta for biogas production in Cuba. This study aims to assess the biogas potential of cattle, pig, and poultry excreta for future use in pyrolysis in Cuba.

Materials and Methods

This study was conducted at the Universidad Central "Marta Abreu" in Las Villas between March and April 2025. Feces samples (cattle, pigs, and poultry) were collected from two livestock facilities of each type, located in four municipalities in the province of Villa Clara. Based on two poultry farms (Ranchuelo (Platinical) and Santa Clara (Yacusey), two pig farms (Manicaragua (El Negrito) and Remedio Buena Vista) and two cattle farms (Remedio (CPA 26 de Julio) and (Buena Vista), Cuba. The test protocol applied was based on the VDI 4630 standard. This standard is frequently used in other European countries. Its application facilitates comparison with previous results on the same or similar substrates. The test also allows to highlight fermentation problems due to inhibitory substances naturally present in the waste (e.g. polyphenols) or incorporated into it during its generation (e.g. pesticides or other xenobiotic substances). Also incompatibilities between wastes in a mixture: Using the VDI 4630 standard the following results can be obtained: Composition of the waste or mixture of wastes: humidity, C/N ratio, toxins, etc. (as needed); biodegradability rate; maximum biogas potential (litres of biogas/kg VS); biogas composition (CH4, CO2, H2S).

Samples were collected in sterilized 1.5 L containers at the beginning, middle, and end of the analyzed facilities, at ground level and equidistant from each other by 10 meters. The samples were homogenized and refrigerated in the Food Science Laboratory for subsequent analysis. The substrates were characterized according to the VDI (2006)VDI-4630.: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, [en línea], no. 4630, no. 4630, VDI-Richtlinien, Berlin, Vig de 2006. standard in our University's Food Science Laboratory, following the protocol established by the VDI (2006)VDI-4630.: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, [en línea], no. 4630, no. 4630, VDI-Richtlinien, Berlin, Vig de 2006. standard. The following were determined for each substrate: fresh matter, dry matter, ash, and moisture content in triplicate. Using German software specialized in substrate calculations called EinwageBatch (Version 1), the following were determined: the quantity of material to be digested or placed per substrate and inoculum, and the quantity of water to be added to each substrate to meet the (excreta/water) ratio required for its fermentation in The experimental syringes, which act as small-scale biodigesters. To assemble them in the syringes, the substrates were homogenized, filtered, and placed in the respective experimental syringes by treatment and replicate. Using this methodology, the biogas potential generated by each treatment and its respective replicates was determined; 35 values were obtained for each. The results obtained included the mean, standard deviation, and coefficient of variation. This methodology, which is internationally known as the Hohenheim Yield Test (HBT), is described in Martínez et al. (2014)MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054..

No pretreatment was applied to the experimental samples. Porcine inoculum (6 mL of porcine effluent from a biodigester) was added to the cattle and poultry substrates, due to its greater availability. The porcine substrates were evaluated as a control. The substrates were then introduced into 100 mL experimental syringes. The experiment lasted 35 days, to observe the behavior of anaerobic digestion during this cycle. The experimental syringes were placed in a device called the Hohenheim Yield Test (HBT), at a rate of three replicates per substrate evaluated under field conditions; as well as one replicate in a plastic container (plastic bottle), to investigate the pH evolution during the anaerobic digestion process under field conditions. The following parameters were studied:

The biogas yields for the substrates investigated were obtained after the end of the cycle. The biodigestion cycle was carried out by entering the measurements or readings of the volume of biogas produced in each treatment and their respective replicates into a software program called Gärtest nach VDI 4630. This software allowed the results to be graphed and the mean, standard deviation, and coefficient of variation determined.

Results and Discussion

Figure 1 shows the specific biogas yield of cattle and poultry substrates. The cattle substrate had a significantly higher yield (1457.15 LN/kgFM) than the poultry substrate (131.09 LN/kgFM) (p < 0.05). This difference could be due to factors such as the carbon/nitrogen (C/N) ratio, which presents notable differences in each of the substrates evaluated. For example, in cattle manure (16:1 to 25:1); in pig manure (10:1 to 16:1); in poultry manure (6:1 to 7:1). This ratio can vary depending on the animal's diet and the type of manure (solid or liquid). On the other hand, it is proposed that the ideal ratio for the anaerobic digestion process of substrates is 20:1 to 30:1, a high C/N ratio slows the decomposition of substrates due to lack of nitrogen, which limits biogas production; while a low ratio can cause nitrogen losses in the form of ammonia, which is toxic to bacteria that produce methane and can inhibit their activity. Taking this indicator into account, it could be seen that the substrate that closest to the ideal indicator was the one composed of cattle excrement, which was reflected in the yield obtained with this substrate. It could also be seen that biogas production in the different replicates presented drops in its potential during the biodigestion cycle, which corresponds to a diauxia-type behavior. These results partially coincide with those of Barreda et al, (2022)BARREDA, J.E.; ANCCO, M.R.; NÚÑEZ, A.D.; AGUIRRE, C.E.; TEJADA, K.; PACHECO PACHECO, G.M.: “Co-Digestión de tres tipos de estiércol (Vaca, Cuy y Cerdo) para obtener biogás en el sur del Perú”, Revista de investigaciones altoandinas, 24(3): 174-181, 2022, ISSN: 2313-2957., who also found a higher biogas yield in cattle excrement, but differ from those of Martínez et al. (2014)MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054., who used pretreatments on the substrates evaluated in co-fermentation. Therefore, although this research provides new knowledge, it would be prudent not to consider it conclusive.

Figure 2 shows the evolution of the specific biogas production yields of the substrates (poultry and pork). Significant differences were observed between these two substrates. In this case, the best performance was obtained with the pork substrate (906.23 L_N/kg_FM), while the poultry substrate had a low biogas production yield (131.09 L_N/kg_FM). In both Fig. 1 and Fig. 2, the behavior of the curves describing biogas production was of the diauxia type, which explains a non-uniform production during the biodigestion cycle (drops in production) in accordance with the VDI 4630 standard. According to these results, it would be pertinent to continue the study of these substrates as candidates to be used in special pre-treatments (pyrolysis) to explore their methane potential under these new conditions

Table 1 presents the results obtained with the tested substrates.

From the analysis of Table 1, the behavior of biogas production could be observed with respect to fresh mass (L_N/kg_FM) and volatile solids (L_N/kg_TS). The average specific biogas yield (L_N/kg_FM and coefficient of variation (%) of the different treatments and their replicates were also obtained. The great variability between the replicates of the different treatments is highlighted, with the poultry substrate showing the greatest variability (41%), followed by the beef substrate (31%), and finally the pork substrate (24%). This was interesting and could be the subject of future research.

Regarding the evolution of pH, the results obtained are shown in Figure 3.

In the biomasses evaluated (pork, poultry, and beef substrates), differences could be observed between the substrates evaluated; however, all substrates presented pH values above 7 at the end of the biodigestion cycle. This demonstrates the favorable action of porcine inoculum, which guarantees a buffer effect that allows maintaining adequate conditions for good substrate degrading activity in the pH ranges (between 6 and 8), which agrees with what was proposed by Vintiloiu et al. (2009VINTILOIU, A.; BRULÉ, M.; LEMMER, A.; OECHSNER, H.; JUNGBLUTH, T.; JURCOANE, S.; ISRAEL, R.F.: “Influence of temperature and pH value on enzyme activity in the biogas process.”, Landtechnik, 64(1): 22-24, 2009, ISSN: 0023-8082.).

Conclusions

Introducción

La producción de energía renovable es crucial para Cuba debido a la escasez de combustibles fósiles. A pesar de las inversiones en energía fotovoltaica y eólica, el potencial de la biomasa, especialmente a partir de residuos agroindustriales, sigue subutilizado. Existe una falta de información sobre el potencial de diferentes tipos de excretas animales para la producción de biogás en Cuba. Con estos antecedentes, sería importante profundizar en el conocimiento y experiencias acerca de las posibilidades del empleo de estos sustratos a nivel de país para la producción de energía.

De acuerdo con AINIA (2008)AINIA: Ensayo de potencial de biogás, [en línea], Asistencia Tecnológica, 2008, Disponible en: https://www.ainia.com. para conocer el potencial máximo de biogás de un residuo o mezcla de residuos se utiliza el procedimiento descrito en la norma VDI 4630. Cada residuo orgánico tiene un potencial específico, y existen diferencias notables según su composición. Las diferencias pueden darse 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, donde el material se biodegrada completamente, en condiciones anaerobias controladas. Algunos de los residuos orgánicos agroindustriales son los siguientes: residuos agrícolas de cooperativas (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). Las ventajas son: conocer el potencial máximo real de biogás de un sustrato concreto; realizar el ensayo específico, para valorar su posible uso en plantas industriales, comparar los resultados obtenidos con los existentes, publicados. La composición de los sustratos, es el factor principal para determinar el rendimiento y potencial de metano. Las fuentes bibliográficas reportan que las diferencias en la cinética, potencial y rendimiento de metano están en dependencia del tipo de sustrato utilizado (Forster-Carneiro et al, 2012FORSTER-CARNEIRO T; ISAAC R; PÉREZ M; SCHVARTZ C. Anaerobic Digestion: Pretreatment of Substrates. En: Ackmez Mudhoo. Biogas production. Pretreatment methods in anaerobic digestion. Edit. Scrivener-Wiley, 2012. p.1-20.). Los métodos de pre tratamientos de los sustratos tienen como objeto el mejorar las cualidades de digestión anaeróbica de estos, al alterar sus propiedades físicas, químicas y biológicas, optimizar la disponibilidad de los componentes de los sustratos, para incrementar el proceso de hidrólisis en la digestión anaerobia. Existen diferentes tipos de pre-tratamientos utilizados en los sustratos, se pueden clasificar en básicos y especiales. Dentro de los básicos, están aquellos que tienen la finalidad en disminuir el tamaño de las partículas (trituración, molinado, tamizado). Dentro de los especiales se mencionan (tratamientos térmicos, químicos, utilización de ultrasonido, radiación por microondas y los biológicos (utilización de enzimas, hongos y bacterias).

Los pre tratamientos (básicos y especiales) muestran ciertas particularidades tales como: incremento de los costos de manipulación, incremento de los requisitos legislativos, para la estabilización y remoción de posibles patógenos, tendencia al manejo de menores límites de nitrógeno, lo que permite el manejo de la edad de estos sustratos, y el decrecimiento de la biodegradabilidad de sustratos activados (Zhong et al., 2011ZHONG, W.; ZHANG, Z.; QIAO, W.; FU, P.; LIU, M.: “RETRACTED: Comparison of chemical and biological pretreatment of corn straw for biogas production by anaerobic digestion”, Renewable Energy, 36(6): 1875-1879, 2011, ISSN: 0960-1481, DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.12.020.). Sin embargo, se hace necesario un análisis del pre- tratamiento a utilizar en dependencia del tipo, actuación y costos.

La utilización de diferentes pre-tratamientos a sustratos agrícolas y animales ha sido reportada en la literatura por diversos autores como: Kurakake et al. (2007)KURAKAKE, M.; IDE, N.; KOMAKI, T.: “Biological pretreatment with two bacterial strains for enzymatic hydrolysis of office paper”, Current microbiology, 54(6): 424-428, 2007, ISSN: 0343-8651.; Taherzadeh y Karimi (2008)TAHERZADEH, M.J.; KARIMI, K.: “Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review”, International journal of molecular sciences, 9(9): 1621-1651, 2008, ISSN: 1422-0067, DOI: 10.3390/ijms9091621.; Vintiloiu et al. (2009)VINTILOIU, A.; BRULÉ, M.; LEMMER, A.; OECHSNER, H.; JUNGBLUTH, T.; JURCOANE, S.; ISRAEL, R.F.: “Influence of temperature and pH value on enzyme activity in the biogas process.”, Landtechnik, 64(1): 22-24, 2009, ISSN: 0023-8082.; Brulé (2014)BRULÉ, M.: The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops, [en línea], Institut für Agrartechnik, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Fakultät Agrarwissenschaften, PhD. Thesis, Universität Hohenheim, Germany, 180 p., 2014, Disponible en:http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/1030/, [Consulta:15 de diciembre de 2014].; (Martinez et al., 2014MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.); Martinez et al. (2015)MARTÍNEZ, C.; OECHSNER, H.; REINHARDT, A.; GARCÍA, Y.; LÓPEZ, L.: “Studies of chemical-thermal pre-treatment in biomass to use for biogas production in Cuba”, Journal of Basic and Applied Research International, 14(3): 215-224, 2015.; Martínez y García (2016)MARTÍNEZ, H.C.; GARCÍA, L.Y.: “Utilización de pre-tratamientos básicos y específicos para la producción de biogás. Revisión y análisis”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(3): 81-92, 2016, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054.. Esta investigación tuvo su génesis en una propuesta de proyecto presentada en Rusia y Cuba simultáneamente, por los respectivos Ministerios de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente, sus objetivos planificados: la pirolisis de biomasas de origen cubano, y su evaluación respecto al potencial de generación de metano. De aquí el interés de evaluar los sustratos vacunos, porcinos y avícolas (excretas) en mono fermentación, para evaluar su potencial de generación de biogás.

La producción de biogás a partir de excrementos, varía entre vacunos, porcinos y avícolas, debido a la composición y cantidad de estiércol. En los vacunos la producción diaria de excretas oscila entre 30 y 79 kg diarios. En porcinos esta alrededor de los 3,5 kg diarios, mientras que en avícolas tanto la generación de excretas como la producción de biogás es inferior por animal, y los biodigestores deben ser previamente adaptados para este tipo de desecho. En resumen, el estiércol vacuno tiene el mayor potencial de producción de biogás, por la mayor cantidad de estiércol y contenido de materia orgánica; el porcino produce menos cantidad, pero con buena eficiencia relativa; y el avícola aporta biogás, pero en menor escala por menor materia y volumen de desechos. El manejo óptimo y mezcla (codigestión) influye mucho en la producción final y eficiencia del biogás de cada tipo de estiércol. En resumen, la literatura sobre el tema expresa el rendimiento de metano y biogás en diferentes unidades tales como: m³ CH₄/kg VS^*; mL CH₄/kg VS; mL CH₄/g VS; L_N/kg_FM; L_N/kg_oTS. Algunos ejemplos de estos valores en excretas de origen animal se muestran a continuación: vacunos (0,15-0,23 m³ CH₄/kg VS); porcinos (0,10-0,40 m³ CH₄/kg VS); avícolas (127-288 mL CH₄/g VS). La producción de energía renovable es crucial para Cuba debido a la escasez de combustibles fósiles. A pesar de las inversiones en energía fotovoltaica y eólica, el potencial de la biomasa, especialmente a partir de residuos agroindustriales, sigue subutilizado. Existe una falta de información sobre el potencial de diferentes tipos de excretas animales para la producción de biogás en Cuba. Este estudio tiene como objetivo evaluar el potencial de biogás de excretas vacunas, porcinas y avícolas para su uso futuro en pirolisis en Cuba.

Materiales y Métodos

Este trabajo fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas entre marzo y abril de 2025. Las muestras de excretas (vacunas, porcinas y avícolas) fueron recolectadas en dos instalaciones pecuarias de cada tipo, ubicadas en cuatro municipios de la provincia de Villa Clara. A razón de dos instalaciones avícolas (Ranchuelo (Platinical) y Santa Clara (Yacusey), dos instalaciones porcinas (Manicaragua (El negrito) y Remedio Buena Vista) y dos instalaciones vacunas (Remedio (CPA 26 de Julio) y (Buena Vista), Cuba. El protocolo de ensayo aplicado se basó en la norma VDI 4630. Esta norma es empleada frecuentemente en otros países europeos. Su aplicación facilita la comparación con resultados previos realizados, sobre el mismo sustrato o similares. El ensayo también permite evidenciar problemas de fermentación, debidos a sustancias inhibidoras presentes de forma natural en el residuo (ej. polifenoles) o incorporados al mismo durante su generación (ej. pesticidas u otras sustancias xenobióticas). También incompatibilidades entre residuos de una mezcla: Mediante la norma VDI 4630 se pueden obtener los resultados siguientes: Composición del residuo o mezcla de residuos: humedad, relación C/N, tóxicos, etc. (según necesidad); tasa de biodegradabilidad; potencial máximo de biogás (litros de biogás/kg VS); composición del biogás (CH₄, CO₂, H₂S).

Para la toma de las muestras se utilizaron recipientes esterilizados de 1,5 l de capacidad. Fueron recolectadas en la parte inicial, central y final de las instalaciones analizadas, a nivel del suelo y equidistante 10 metros entre cada una. Las muestras fueron homogenizadas y guardadas en refrigeración en el laboratorio de Bromatología para su posterior análisis. Los sustratos se caracterizaron de acuerdo con la norma VDI (2006)VDI-4630.: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, [en línea], no. 4630, no. 4630, VDI-Richtlinien, Berlin, Vig de 2006., en el laboratorio de Bromatología de nuestra Universidad siguiendo el protocolo que establece la norma VDI (2006)VDI-4630.: Fermentation of organic material characterization of substrate, sampling collection of material data, fermentation tests, [en línea], no. 4630, no. 4630, VDI-Richtlinien, Berlin, Vig de 2006.. Se determinó en cada sustrato: materia fresca, materia seca, ceniza y porciento de humedad por triplicado. A partir de un software alemán especializado en el cálculo de sustratos denominado EinwageBatch (Versión 1), se determinó: la cantidad de material a digestar o colocar por sustrato e inoculo y la cantidad de agua a añadir a cada sustrato para cumplimentar la razón (excretas/agua) necesarios para su fermentación en las jeringas experimentales, las cuales actúan como biodigestores a escala reducida. Para su montaje en las jeringas, los sustratos se homogenizaron, se filtraron y se colocaron en las respectivas jeringas experimentales por tratamientos y replicas. Utilizando esta metodología se determinó el potencial de biogás generado por tratamiento y sus respectivas replicas; se obtuvo 35 valores de cada uno. En los resultados obtenidos se determinó: la media, la desviación típica y el coeficiente de variación. En Martínez et al. (2014)MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054. se describe esta metodología, la cual se conoce a nivel internacional como Hohenheim Yield Test (HBT).

A las muestras experimentales no se le aplicó ningún pre-tratamiento. Los sustratos vacunos y avícolas se le añadieron inóculo porcino (6 mL de efluente porcino de un biodigestor), motivado por su mayor disponibilidad. Los sustratos porcinos fueron evaluados como control. A continuación, los sustratos fueron introducidos en jeringas experimentales de 100 mL de capacidad. El experimento tuvo una duración de 35 días, para observar el comportamiento de la digestión anaerobia durante este ciclo. Las jeringas experimentales, se colocaron en un aditamento denominado Hohenheim Yield Test (HBT), a razón de tres réplicas por sustrato evaluado en condiciones de campo; así como una réplica en contenedor plástico (pomo plástico), con el objeto de investigar la evolución del pH en el proceso de digestión anaerobia en condiciones de campo. Fueron objeto de estudio los siguientes parámetros:

Los rendimientos de biogás por sustratos investigados fueron obtenidos a partir de finalizado el ciclo de biodigestión y partiendo de la introducción de las mediciones o lecturas del volumen de biogás producido en cada tratamiento y sus respectivas replicas en un software denominado Gärtest nach VDI 4630; el cual permitió graficar los resultados, determinar la media, la desviación típica y el coeficiente de variación de los resultados.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra el rendimiento específico de biogás de los sustratos vacuno y avícola. El sustrato vacuno presentó un rendimiento significativamente mayor (1457,15 L_N/kg_FM) que el sustrato avícola (131,09 L_N/kg_FM) (p < 0,05). Esta diferencia podría deberse a factores tales como: la relación carbono/nitrógeno (C/N), el cual en cada uno de los sustratos valorados presenta diferencias notables. Por ejemplo, en excretas vacunas (16:1 hasta 25:1); en excretas porcinas (10:1 hasta 16:1); en excretas avícola (6:1 hasta 7:1). Esta relación puede variar en función de la dieta del animal y del tipo de excretas (sólida o líquida). Por otra parte, se plantea que la relación ideal para el proceso de la digestión anaerobia de sustratos es 20:1 a 30:1, una alta relación C/N ralentiza la descomposición de los sustratos por falta de nitrógeno, lo que limita la producción de biogás; mientras que una baja relación puede provocar pérdidas de nitrógeno en forma de amoníaco, que es tóxico para las bacterias que producen metano y puede inhibir su actividad. Teniendo en cuenta este indicador, se pudo apreciar que el sustrato que más se acerca al indicador ideal fue el compuesto por excreta vacuna, lo cual se reflejó en el rendimiento obtenido con este sustrato. También pudo apreciarse que la producción de biogás en las diferentes réplicas presento caídas en su potencial durante el ciclo de biodigestión, lo cual corresponde con un comportamiento del tipo diauxia . Estos resultados coinciden parcialmente con los de Barreda et al, (2022)BARREDA, J.E.; ANCCO, M.R.; NÚÑEZ, A.D.; AGUIRRE, C.E.; TEJADA, K.; PACHECO PACHECO, G.M.: “Co-Digestión de tres tipos de estiércol (Vaca, Cuy y Cerdo) para obtener biogás en el sur del Perú”, Revista de investigaciones altoandinas, 24(3): 174-181, 2022, ISSN: 2313-2957., quienes también encontraron un mayor rendimiento de biogás en excretas vacunas, pero difieren de los de Martínez et al. (2014)MARTINEZ, H.C.; OECHSNER, H.; BRULÉ, M.; MARAÑON, M.E.: “Estudio de algunas propiedades físico-mecánicas y químicas de residuos orgánicos a utilizar en la producción de biogás en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 63-69, 2014, ISSN: 1010-2760, E-ISSN: 2071-0054., quienes utilizaron pre-tratamientos en los sustratos evaluados en co-fermentación. Por tal motivo, aunque esta investigación aporta nuevos conocimientos, sería prudente no considerarlos conclusivos.

En la Figura 2 se observa la evolución del rendimiento específico de la producción de biogás de los sustratos (avícola y porcino). Se pudo observar que existen diferencias notables entre estos dos sustratos. En este caso, el mejor comportamiento se presentó con el sustrato porcino (906,23 L_N/kg_FM), presentando el sustrato avícola un bajo rendimiento en la producción de biogás (131,09 L_N/kg_FM). Tanto en la fig.1 como en la fig.2, el comportamiento de las curvas que describen la producción de biogás fue del tipo diauxia, lo que explica una producción no uniforme durante el ciclo de biodigestión (caídas en la producción) de acuerdo con la norma VDI 4630. Según estos resultados, sería pertinente continuar el estudio de estos sustratos como candidatos a ser utilizados en pre-tratamientos especiales (pirolisis) para explorar su potencial de metano bajo estas nuevas condiciones.

En la Tabla 1, se presentan los resultados obtenidos con los sustratos valorados.

Del análisis de la Tabla 1, se pudo observar el comportamiento de la producción de biogás), con respecto a la masa fresca (L_N/kg_FM) y con respecto a los sólidos volátiles (L_N/kg_oTS). También se obtuvo la media del rendimiento especifico de biogás (L_N/kg_FM) y Coeficiente de variación (%) de los diferentes tratamientos y sus réplicas. En la misma se destaca la gran variabilidad entre las réplicas de los diferentes tratamientos, destacándose el sustrato avícola con la mayor variabilidad (41%), seguido del sustrato vacuno (31%) y finalizando con el sustrato porcino (24%). Esto resultó interesante y pudiera ser objeto de investigaciones futuras.

Con respecto a la evolución del pH, en la Figura 3 se muestran los resultados obtenidos.

En las biomasas evaluadas (sustratos porcino, avícola y vacuno). Se pudo apreciar diferencias entre los sustratos valorados, sin embargo, todos los sustratos al terminar el ciclo de biodigestión, presentaron valores de pH por encima de 7. Mostrando la acción favorable del inoculo porcino, el cual garantiza un efecto buffer o tampón que permite mantener condiciones adecuadas para una buena actividad degradadora de los sustratos en los rangos de pH (entre 6 y 8), lo cual concuerda con lo planteado por Vintiloiu et al. (2009)VINTILOIU, A.; BRULÉ, M.; LEMMER, A.; OECHSNER, H.; JUNGBLUTH, T.; JURCOANE, S.; ISRAEL, R.F.: “Influence of temperature and pH value on enzyme activity in the biogas process.”, Landtechnik, 64(1): 22-24, 2009, ISSN: 0023-8082..

Conclusiones