Utilización de pre-tratamientos básicos y específicos para la producción de biogás. Revisión y análisis

Use of basic and specific pre-treatments for the biogas production. Revision and analysis

Dr.C. Carlos M. Martínez Hernández, Dr. M.VC. Yaser García López

Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, Santa Clara. Villa Clara. Cuba.

RESUMEN

Teniendo en cuenta la importancia que tiene hoy en día la utilización de plantas de biogás a escala nacional e internacional, las cuales utilizan como materia prima excretas de origen animal; así como residuos agrícolas y agroindustriales para la producción de energía y biofertilizantes, minimizando los aspectos de contaminación medioambiental. Este trabajo se presenta en tres partes, en las cuales: primeramente se describen las tecnologías y los métodos para aplicar los pre tratamientos básicos y especiales a las diferentes biomasas con vistas a obtener su máximo potencial de metano. Una segunda parte donde se aborda las particularidades para llevar a efecto los mismos. Finalmente, una tercera parte donde se analiza su posible utilización en el caso cubano. Como resultado del mismo, se muestra el estado del arte en la utilización de pre tratamientos básicos y especiales, con el objetivo de potenciar el aumento de la producción de metano en biomasas de origen agrícola o animal.

Palabras clave: biogás; pre-tratamientos básicos; pre-tratamientos especiales.

ABSTRACT

Keeping in mind the importance that has today the use of national and international biogas plants, which use as raw material animal manure; as well as agricultural and agroindustrial residuals for the energy production and biofertilizers, minimizing the aspects of environmental contamination. This work is presented in three parts, in those which: firstly the technologies and the methods are described to apply the basic and special pre-treatments to the different biomasses in order to obtain their maximum potential of methane. A second part where it is approached the particularities to do that. Finally, a third part where their possible use is analyzed in the Cuban case. As a result of the same one, the state of the art is shown in the use of basic and special pre-treatments, with the objective of to potentialize the increase of the methane production in agricultural or animal biomasses.

Key words: biogas; basic pre-treatments; special pre-treatments.

INTRODUCCIÓN

Los digestores anaeróbicos fueron inicialmente diseñados para el tratamiento de las aguas negras, cloacales y las excretas de origen animal. Sin embargo estos sustratos no son los de mayor potencial en este campo, en estos momentos existen una gran cantidad de sustratos que pueden ser utilizados tales como residuos agrícolas, de la producción de alimentos industriales, residuos de origen animal, residuos de cantinas, de restaurantes, residuos sólidos municipales, grasas, aceites, residuos domésticos entre otros. La composición de los sustratos es el factor principal para determinar el rendimiento y potencial de metano. La mayoría de las fuentes bibliográficas reportan que las diferencias en la cinética, potencial y rendimiento de metano están en dependencia del tipo de sustrato utilizado. En esta misma dirección plantean que el empleo de pre tratamiento en los mismos tales como: reducción mecánicas, tratamiento con calor y tratamiento químico pueden mejorar la digestibilidad de estos. El objetivo de utilizar pre tratamientos es modificar la estructura compleja de estos materiales (usualmente celulosa), para reducir el grado de polimerización, debilitar los enlaces de lignina y carbohidratos, e incrementar el área de contacto de estos componentes celulares al ataque de los diferentes microorganismos que intervienen en su degradación. En la naturaleza la aparente asociación entre los carbohidratos y la lignina esta aun en discusión. En general los sustratos para su fermentación deben tener una adecuada relación carbono/nitrógeno (C/N) que debe oscilar entre 25 y 35. Para valores bajo (< 25) se debe añadir materiales ricos en carbono en otros casos materiales ricos en nitrógenos tales como: excretas animales o aguas negras. El gran crecimiento y desarrollo humano en las ciudades durante el siglo 20 y 21 ha traído como consecuencia una producción inmanejable de estas aguas negras, en las plantas de tratamientos creadas a estos fines, estas aguas y lodos cloacales pueden ser tratados anaeróbicamente (Lei et al., 2010; Pilli et al., 2011). Sin embargo estas tienen relaciones C/N entre 6:1 y 9:1 (Forster-Carneiro et al., 2007). Mientras con los sustratos digeridos presentan valores entre 14 y 16 (Guo et al., 2008), valores por debajo de la relación C/N recomendada. En este caso prácticas de mezclado de aguas negras con excretas de origen animal incrementan esta relación favorablemente para el proceso de fermentación anaeróbica (Carrère et al., 2010). Los residuos sólidos municipales (basura) son también factibles de tratar mediante las técnicas de fermentación anaeróbicas (Forster-Carneiro et al., 2010). Sin embargo, una promisoria tendencia actual es el tratamiento combinado de residuos líquidos y sólidos mediante estas técnicas en las plantas de tratamiento municipales (Forster-Carneiro et al., 2007). En la actualidad muchas plantas de tratamiento no cuentan con pre tratamientos de sus sustratos lo que trae como consecuencia largos periodos de retención hidráulica, baja eficiencia de la remoción de materias orgánicas e inestabilidad en los procesos de digestión anaeróbicos (Fernández-Güelfo et al., 2011).

Muchos residuos agrícolas, industriales y de la industria de los alimentos son candidatos para la digestión anaeróbica producto de poseer adecuadas relaciones C/N (superior a 20), como frutas y vegetales (Bouallagui et al., 2005), boniato, bagazo de caña de azúcar (Meunchang et al., 2005), residuos de restaurant (Castelló et al., 2009; Forster-Carneiro et al., 2010) y otros residuos agrícolas. En el caso cubano estas técnicas no son aplicadas a escala agroindustrial, solo se utiliza la mono fermentación, lo cual impide que los biodigestores más representativos (cúpula fija, cúpula móvil y tubulares flexibles) que generalmente emplean como sustratos excretas porcinas, vacunas o mezclas de ambas, puedan expresar todo su potencial productivo. Por tal motivo, presentar el estado del arte en esta temática, pudiera proveer a los investigadores y personal productivo, herramientas teóricas que posibiliten la introducción de estas técnicas a nivel de país.

DESARROLLO

Los métodos de pre tratamientos de los sustratos tienen como objeto el mejoramiento de las cualidades de digestión anaeróbica de estos, al alterar sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Sin embargo estos 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 cual permite el manejo de la edad de estos sustratos y el decrecimiento de la degradabilidad de sustratos activados (Zhong et al., 2011). De 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 e.V. (2014). Por tal motivo, es necesario un análisis de los pre tratamientos a utilizar en dependencia del tipo, actuación y costos. Se debe hacer énfasis en los principales pre-tratamientos los cuales están relacionados con: tratamientos físicos (mecánicos, térmicos y ultrasónicos), químicos y biológicos anterior a la estabilización de estos sustratos.

MÉTODOS

Los pre tratamientos físicos: pueden ser utilizados cuando existen problemas referidos con la baja degradación de los sustratos, bajo rendimiento de metano, inestabilidad de los pasos o procesos de la degradación anaeróbica, en estos casos, estas condiciones pueden ser mejoradas utilizando tratamientos físicos–mecánicos tales como: molinado, homogenización a alta presión, térmicos y ultrasónicos. La aplicación de pre-tratamientos físicos puede incrementar el rango de la hidrólisis e incrementar la biodegrabilidad anaeróbica de los sustratos, especialmente los residuos sólidos municipales.

Los pre tratamientos mecánicos: estos están dirigidos a reducir las dimensiones de los sustratos mejorando la ruptura de sus paredes celulares, lo cual provoca un mejor ataque de los microorganismos que viven en este hábitat encargados de la degradación por etapas de los compuestos y enlaces complejos a otros más simples, mejorando la velocidad y eficiencia de la hidrólisis. Las operaciones básicas usadas en el proceso de separación de los materiales, principalmente de los sólidos municipales son las siguientes:

1. reducción del tamaño;

2. separación por tamaño;

3. separación por densidad;

4. separación mediante campos electromagnéticos;

5. compactación.

Los pre tratamientos térmicos: los pre tratamientos térmicos son un estado u operación que mejora la eficiencia de los procesos anaeróbicos porque ayudan a la hidrólisis en los procesos de solubilización de los sustratos, los compuestos orgánicos e inorgánicos son eficientemente solubilizados durante el proceso de tratamiento térmico (Appels et al., 2010), reduciendo el volumen del digestor y mejorando la producción de biogás (Bougrier et al., 2008). En la digestión anaeróbica los procesos de hidrólisis térmica pueden ser aplicados con el objetivo de mejorar la biodegradación de los sustratos y también pueden ser usados para reducir la capa de residuos anterior a su secado, para reducir sólidos en los efluentes (digestatos) y para incrementar sólidos en los afluentes (torta). La energía térmica resultante puede ser recuperada para mantener la temperatura del proceso anaeróbico.

Existen dos niveles convencionales de temperatura para los digestores anaeróbicos, los cuales son determinados en dependencias de las especies de bacterias metanogénicas presentes en el biodigestor: mesofílica o termofílica. La temperatura mesofílica tiene lugar óptimamente entre 20 ^oC y 35 ^oC, donde los meso filos son los microorganismos primarios existentes (Ferrer et al., 2008), mientras que la temperatura termofílica tienen lugar óptimamente en los rangos de 45 ^oC a 55 ^oC, donde los termo filos son los microorganismos primarios existentes (Bougrier et al., 2008), sugieren una clasificación de los tratamientos térmicos en dependencia de su impacto en la producción de biogás:

1. tratamientos con temperaturas entre 70 ^oC y 121 ^oC, las cuales permiten un incremento entre 20% y 30% de la producción de biogás;

2. tratamientos con temperaturas entre 160 ^oC y 180 ^oC, las cuales permiten un incremento entre 40% y 100% de la producción de biogás;

Los tratamientos utilizando temperaturas entre 160 ^oC y 180 ^oC, son los más eficientes para mejorar la digestión anaeróbica de los sustratos, pero tienen algunas limitaciones en cuanto a la producción de biogás; De acuerdo con Mottet et al. (2009), la cinética de la producción de metano está fuertemente ligada a la cinética del acetato y propionato, limitando el efecto de la producción de metano. En estudios con tratamientos térmicos en procesos termofílicos de degradación de sustratos, la degradación del acetato fue asociada con la primera fase de la producción de metano, mientras que la degradación del propionato fue asociada con la segunda fase del proceso de producción de metano. La aplicación de temperaturas por encima de los 200 ^oC puede provocar efectos inhibitorios en la producción de metano, debido a que la hidrólisis de los componentes celulares (DNA y RNA involucran la polimerización del azúcar y los aminoácidos), incrementando la concentración de nitrógeno y fosforo en la solución. También temperaturas mayores que 180 ^oC permiten la producción de sustancias orgánicas solubles recalcitrantes y sustancias intermedias tóxicas inhibitorias, reduciendo la biodegradabilidad (Wilson y Novak, 2009).

Los pre tratamientos por ultrasonido: la aplicación de altas intensidades de ultrasonido a sistemas líquidos permite reacciones físico-químicas que pueden modificar significativamente la estructura de los materiales presentes en el líquido. Los sonidos propagados en forma de ondas (ondas de sonido), con diferentes longitudes e intensidades (frecuencias) también son utilizados. Ultrasonido es un término usado para algunas ondas sobre los 20 kHz, las cuales los humanos pueden oír. Sin embargo, la extremadamente alta frecuencia provoca un efecto conocido como cavitación. Cuando las ondas de ultrasonido pasan a través de un medio, generan burbujas de gas, las cuales son subsecuentemente comprimidas y expandidas por el paso de las ondas de sonido, hasta alcanzar un punto crítico donde eventualmente explotan, produciendo condiciones extremas locales de temperatura y presión. La alta temperatura y presión local de las “ondas de choque” pueden afectar seriamente las matrices orgánicas, liberando el material intercelular haciendo más asequible e incrementando el contacto entre el medio y el sustrato mejorando dicho proceso. Dependiendo de la frecuencia e intensidad de las ondas de ultrasonido, las burbujas pueden oscilar más, anterior a su explosión, generando burbujas más grandes (también pequeñas burbujas son generadas) con gran acumulación de energía. En general, las burbujas grandes son formadas con bajas frecuencias (20 kHz), mientras que las burbujas pequeñas son formadas con altas frecuencias (40 kHz). En este contexto, bajas frecuencias son usualmente utilizadas cuando el objetivo es la destrucción del material sometidos a pre tratamientos por ultrasonido (como es el caso de los sustratos), mientras que altas frecuencias son usadas para materiales delicados (como son los casos de materiales electrónicos y componentes de joyas) (Foster-Carneiro et al., 2012). La mayoría de los aparatos de ultrasonido para pre tratamientos de sustratos usan frecuencias entre 20 y 40 kHz, con intensidades de potencia en el rango de 50–80 W y hasta más de 20 000 W. El volumen es un importante aspecto, ya que esto puede provocar una sobre–dilución, dándose la potencia y la intensidad en W/m². También una completa desintegración del sustrato es posible, teniendo en cuenta un balance entre el efecto de cavitación y el consumo de potencia necesario de forma de minimizar los costos del proceso (Pilli et al., 2011). De esta forma, la aplicación del ultrasonido tiene un alto potencial para ser usado en pre tratamiento de sustratos. Un corto pre tratamiento de 15 minutos de sonificacion incrementa la demanda química de oxigeno inicial (COD) desde 50 mg/L hasta valores de 2 500 mg/L. Además de incrementar la actuación de la biodigestión anaeróbica incrementando la solubilidad de los sustratos y su biodegradabilidad. También un análisis económico del uso del ultrasonido muestra su viabilidad económica (Apul y Sanin, 2010). El ultrasonido ha sido usado como pre-tratamientos en lodos crudos anterior a ser alimentados a digestores mesofílicos y termofílicos con significativas mejoras en la eficiencia del removimiento de la demanda química de oxigeno (COD) y la producción de biogás, especialmente en las condiciones mesofílica. También ha sido observada una notable reducción de los contenidos de micro-contaminantes. A veces estas dependen de las características de los componentes. El ultrasonido puede remover la naftalina, particularmente en la condición mesofílica, mientras que la remoción del pireno se mantiene al mismo nivel con o sin tratamiento por ultrasonido.

Los pre tratamientos por químicos: los métodos de pre tratamiento químicos incluyen álcalis (hidrólisis alcalina y peróxido alcalino), procesos organosolv, oxidación húmeda (tratamientos con agua, aire u oxígeno a temperaturas sobre los 120 ^oC por períodos de 30 minutos), oxonolisis (tratamientos con ozono), pre tratamientos de hidrólisis acida (ácido sulfúrico es el más aplicado). En el caso de los pre tratamientos anaeróbicos de los sustratos, el método del álcalis es el más usado por incrementar la actuación en términos de solubilizacion de la demanda química de oxigeno (COD) y la producción de biogás. En la literatura se pueden encontrar diferentes agentes alcalinos tales como: NaOH, KOH, Mg (OH)_2, y Ca (OH)₂, hidróxido de sodio (NaOH) también conocido como sosa cáustica, es una base metálica cáustica. El procedimiento para los pre tratamientos químicos de sustratos en biodigestión anaeróbica consiste en la adición de dosis de NaOH a los sustratos a temperatura ambiente (25 ^oC) con tiempo de retención de 24 horas, posteriormente las muestras deben ser filtradas en mallas de nylon mesh de 20 micrones (Lin et al., 1997), o ser centrifugadas obteniendo una fracción líquida (supernatan) y una parte sólida (precipitado). El ambiente alcalino causa deslizamiento de las partículas orgánicas haciéndolas más susceptibles al ataque enzimático, mejorando la biodegradabilidad de la parte sólida en contraste con la hidrólisis ácida, caracterizada primero por mecanismos de solubilización de la materia orgánica. Además de esto, la capacidad buffer resultante producto de la adición de álcalis, pueden ayudar a la neutralización de ácidos orgánicos grasos (VFA) durante las etapas de la digestión, atenuando su efecto inhibitorio. Las concentraciones propuestas de NaOH son variable de un autor a otro.

De acuerdo con Foster-Carneiro et al. (2012), los tratamientos alcalinos a temperatura ambiente de sustratos de paja de trigo, con NaOH a 5 meq/L mostraron un incremento de la biodegradabilidad por encima de un 100%. Los lodos pre tratados mostraron un incremento de la solubilidad de 46%. Algunos autores sugieren que a mayor proporción de sólidos totales en los lodos mayor removimiento de materia orgánica para dosis iguales de NaOH y tiempo de retención iguales, en el caso de concentraciones de sólidos totales de 2% en lodos, se han observado reducciones en la demanda química de oxigeno (CDO) de 47%, comparado con 39% en otros lodos con concentraciones de 1% de sólidos totales, el tiempo de retención hidráulica (HRT) fue de 7,5 días y la dosis de NaOH utilizada fue de 20 meq/L. Por otra parte, los pre tratamientos alcalinos de los lodos en bioreactores permiten reducir el tiempo de retención hidráulica (HRT) desde 15 días hasta 2 días. Después de pre tratamientos alcalinos en residuos celulósicos, la aplicación de álcalis de NaOH promueve la ruptura de lignina, incrementando el área de contacto de la celulosa y disminuyendo su cristalinidad. Los pre tratamientos con amonio muestran numerosas ventajas como suministro de nitrógeno para la biodegradación de los sustratos, promueven la producción de biogás y es un método fácil de operar con pre tratamientos cortos recomendados para la biogasificación a gran escala de paja de maíz (Zhong et al., 2011). En general la relación carbono-nitrógeno (C/N) para la digestión anaeróbica debe estar en el rango de 25-35, algunos sustratos orgánicos necesitan ser suplementados para incrementar la fracción de nitrógeno para obtener una mayor eficiencia de la digestión anaeróbica y el nitrógeno puede ser añadido en forma inorgánica (amonio), o de forma orgánica (urea, excreta animal o residuos de alimentos), mientras un nitrógeno es liberado de la materia orgánica, este es convertido en amonio (NH₄⁺) el cual es soluble y permite reciclar el nitrógeno en el caldo del digestor, reduciendo la cantidad de nitrógeno necesario.

Los pre tratamientos biológicos: el objetivo de los pre tratamientos biológicos es preparar los sustratos para la degradación enzimática y el mejor método y condición de pre tratamiento depende en gran medida del tipo de sustrato. Dentro de los microorganismos utilizados para degradar sustratos orgánicos se encuentran varios tipos de hongos, tales como: carmelita, blanco y suaves putrefactos, además de algunos tipos de bacterias (Taherzadeh y Karimi, 2008). Kurakake et al. (2007), ha estudiado tratamientos biológicos en papel de oficina con dos cadenas de bacterias (Sphingomonas paucimobiles y Baccilus circulans), obteniendo mejoras en la hidrólisis enzimática, así como un 94% de recuperación de azúcar.

Dependiendo del tipo de sustrato (residuos de casas, aguas de industrias, residuos de destilería etc), el ataque enzimático puede ser realizado por diferentes tipos de hongos o combinaciones de estos (Aspergillus niger, Aspergillus awamori, Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus, etc). Taniguchi et al. (2005), evaluaron pre tratamientos biológicos en paja de arroz usando 4 hongos blanco-putrefactos (Phanerochaete chrysospurium, Tramete versicolor, Ceriporiopsis subvermispora y Pleurutus ostreatus) y el pre tratamiento con Pleurutus ostreatus resultó en una degradación selectiva de la lignina y un incremento de la susceptibilidad de la paja de arroz a la hidrólisis enzimática. También en la fase de fermentación sólida de la cáscara de naranja con cadenas de hongos del tipo Sporotrichum, Aspergillus, Fusarium y Penicillum mejoró la capacidad de alimentación de constituyentes y redujo el nivel de sustancias antimicrobiales. En un trabajo similar, cultivos de hongo blanco-suaves fueron usados para descontaminar aguas residuales del molinado de olivas, mejorando su digestión. El bajo requerimiento energético, el no empleo de químicos y la apacible condición ambiental son las principales ventajas de los pre tratamientos biológicos. Sin embargo, a veces la eficiencia de estos tratamientos es baja en la mayoría de estos pre tratamientos. Por tal motivo, los pre tratamientos biológicos necesitan de un extra estado que asegure el ataque enzimático posterior a estos; esta alternativa puede ser realizada posterior a otros pre tratamientos previamente discutidos (físicos o químicos).

PARTICULARIDADES

El desarrollo de cada una de estas técnicas se basa en protocolos y normas, nacionales e internacionales, las cuales son de estricto cumplimiento a la hora de la preparación de los diversos experimentos. Por supuesto que se debe constar con el equipamiento y la capacitación suficiente para poder asumir estos. En el caso cubano, esto es posible y factible ya que se cuenta con ambas premisas.

ANÁLISIS EN CUBA

En Cuba son prácticamente desconocidas la co-fermentación y la utilización de pre tratamiento básicos y especiales para mejorar la cantidad y calidad del biogás obtenido, las plantas cubanas para la producción de biogás solo utilizan excretas vacunas, excretas porcinas o mezclas de ambas para estos fines en mono fermentación; por lo tanto la codigestión (co-fermentación) de estas excretas con residuos agrícolas, así como los pre tratamientos básicos y especiales no son empleados hasta el presente, de aquí la importancia de dar a conocer estas metodologías para el caso cubano. En este sentido se puede decir que en el caso cubano, los trabajos desarrollados por Martinez et al. (2014), con investigadores de la Universidad de Rostock y la Universidad de Hohenheim, Alemania desde el año 2007 hasta el presente, son algunos de los pocos existentes en estas temáticas, no obstante se conoce que en otros centros del país se trabaja la temática a nivel de proyectos de investigación, sin embargo, hasta el presente no se reportan estudios sistemáticos en esta esfera en nuestra literatura científica nacional. Por otra parte, la poca utilización de diferentes tipos de biomasas de origen agrícola y animal para la producción de biogás, el bajo rendimiento y calidad del biogás obtenido en las instalaciones cubanas. Pudiera ser resuelto si se enfrenta el siguiente problema: ¿Cómo mejorar la utilización, rendimiento y calidad de estos tipos de biomasas en el caso cubano? La respuesta a esta interrogante pudiera estar dada en la utilización de diferentes tipos de biomasas de origen agrícola y animal; así como una adecuada preparación de las mismas (pre-tratamientos) anterior al proceso de biodigestión, lo cual pudiera representar una importante oportunidad para obtener un alto potencial de biogás (metano), biofertilizantes y disminuir la contaminación ambiental que estos residuos provocan al verterlos indiscriminadamente al medio ambiente.

CONCLUSIONES

De acuerdo con lo reportado en las investigaciones precedentes, se puede concluir que:

-Estos tipos de pre tratamientos básicos y especiales no se emplean en la actualidad en las instalaciones de biogás existentes en Cuba.

-Estas tecnologías pueden ser utilizadas para mejorar la producción y calidad del biogás que se genere en nuestro país.

-Queda demostrado en el trabajo que se dispone del conocimiento y equipamiento necesario para llevar a cabo este tipo de investigación y desarrollo bajo las condiciones actuales en Cuba.

AGRADECIMIENTOS

Al Proyecto de investigación CITMA Territorial No. 0321. 2011. Estudio de la producción de biogás utilizando diferentes biomasas de origen agrícola y animal”. 9pp.

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Recibido: 20/11/2015
Aprobado: 03/06/2016

Carlos M. Martínez Hernández, Prof. Titular. Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Carretera a Camajuaní km.5.5. CP: 54830. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. Email: carlosmh@uclv.edu.cu