ARTÍCULO ORIGINAL
Estudio de pre-tratamientos con enzimas en biomasas destinadas a la producción de biogás
Study of Enzymes Pre-Treatments in Biomasses Dedicated to Biogas Production
Dr.C. Carlos M. Martínez-HernándezI, Dr. Hans OechsnerII, Ing. Yaser García-LópezI, Ing. Lisbet López-GonzálezIII
I Universidad Central “Marta Abreu”de las Villas, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.
II Universidad de Hohenheim, Landensanstalt fur Agrartechnik und Bioenergie (740), Garbenstrasse 9, Stuttgart. Alemania.
III Universidad de Sancti Spiritus, “José Martí Pérez”, Sancti Spiritus, Cuba.
RESUMEN
En este trabajo se realiza un estudio de la influencia de la aplicación de un pre tratamiento con enzimas a diferentes sustratos con potencialidades de utilizarse para la producción de metano. Los sustratos estudiados fueron de origen agrícola (sorgo-R-132, girasol JE-94, maíz y malanga) y un residuo de cantina (pan blanco). El pre-tratamiento consistió en la adición de la enzima (ZY maXX XL 200) en dosis de 100 µL/jeringas por 350 mg de sustratos mezclados en 30 mL de inóculo. Se investigó su efecto ante dos inóculos diferentes (inóculo vacuno e inóculo porcino). En cada una de las variantes de experimentación, los sustratos se sometieron a un proceso de digestión anaerobia y los resultados se compararon con los obtenidos en ausencia del pre-tratamiento. Se lograron incrementos favorables en el rendimiento específico máximo de biogás de los sustratos. Los mejores resultados se presentaron con la malanga (Colocacia esculenta), (1918,07 LCH4/kgSV); Pan (1792,81 LCH4/kgSV); Girasol JE-94 (1676, 06 LCH4/kgSV); Sorgo R-132 (1145,78 LCH4/kgSV) y Maíz (1139,03 LCH4/kgSV) donde fueron obtenidos incrementos mayores de 100% en el rendimiento máximo específico de biogás cuando se aplicó este pre-tratamiento con inóculo porcino. Por otra parte, se pudo apreciar que la evolución del pH en los sustratos evaluados, se comportó de forma semejante tanto cuando se utilizó el pre-tratamiento con enzimas que cuando este no fue utilizado.
Palabras clave: sustrato; residuos; origen agrícola, inóculo vacuno y porcino.
ABSTRACT
This work presents a study of the influence of an enzyme pre-treatment application to different substrates utilized for biogas production. The substrates studied were biomass of agricultural origin (sorghum-R-132, sunflower JE-94, cornand dasheen) and a tavern residual (white bread). The pre-treatment consisted on the addition of one enzyme (ZY maXX XL 200) in dose of 100 µL/syringes per 350 mg substrates diluted in 30 mL of inoculum. Substrates underwent a biodigestion process and the results were compared with those obtained in absence of the enzyme pre-treatment. Increments were achieved in the maximum specific biogas yield in the substrates. The best results took place with Colocacia esculenta (1918,07 LCH4/kgSV); bread (1792,81 LCH4/kgSV); sunflower JE-94 (1676, 06 LCH4/kgSV); sorghum R-132 (1145,78 LCH4/kgSV) and corn (1139,03 LCH4/kgSV) being obtained more than 100% increment in the maximum specific biogas yield when the treatment is used with enzymes and pig inoculum. On the other hand, it was observed that pH evolves in a similar way in substrates evaluated with enzyme treatment and without pre-treatment.
Keywords: Substrate, Wastes, Agricultural origin, Bovine and swine inoculum.
INTRODUCCIÓN
La composición de los sustratos es uno de los factores principales en la digestión anaerobia para determinar el rendimiento y potencial de metano. Es conocido el empleo de la digestión anaerobia como un método para el tratamiento de residuos agrícolas y de cantina con el objeto de degradar los mismos, reducir su agresividad, poder contaminante y al mismo tiempo producir energía. Sin embargo desde hace algún tiempo, 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. Los métodos de pre- tratamientos de los sustratos tienen como objeto el mejoramiento de las cualidades de digestión anaerobia de estos, al alterar sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Sin embargo, estos pre-tratamientos 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). Sin embargo se hace necesario un análisis de los pre-tratamientos a utilizar en dependencia del tipo, actuación y costos. A continuación se detalla algunos de estos. Un trabajo que aborda una revisión y análisis de estos pre-tratamientos se describe en (Martínez y García, 2016). Este trabajo se centra en el estudio de un pre-tratamiento biológico.
Los pre-tratamientos biológicos: el objetivo del pre- tratamiento biológico 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), han 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 sólidos domésticos, aguas residuales industriales, 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 anaerobia. Vintiloui et al. (2009), han investigado la influencia de la temperatura y el pH de varias enzimas comerciales sobre la degradación de mazorcas y paja de maíz. Según Vintiloui et al. (2009), los mejores efectos fueron obtenidos a valores de temperatura de 500 C, también plantean que las enzimas originadas por hongos presentan sus mejores potencialidades a valores de pH entre 4 y 6. Sin embargo, la metanogénesis tiene lugar a valores entre 6 y 8, por lo que habría que buscar una enzima que mantenga una buena actividad en estos rangos de pH.
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 pre-tratamientos es baja. Por tal motivo, los pre- tratamientos biológicos en algunos casos necesitan de otros pre-tratamientos anteriores que aseguren el ataque enzimático posterior; esta alternativa puede ser realizada posterior a otros pre tratamientos tales como son los casos de pre-tratamientos físicos o químicos.
Recientemente Martínez et al. (2015), ha publicado un trabajo utilizando un pre tratamiento químico- térmico en las mismas biomasas que se valoran en este investigación. Por lo que el presente trabajo constituye una continuación de la utilización de pre-tratamientos especiales a utilizar en la digestión anaerobia de residuos agrícolas y de cantina.
Del análisis de estas fuentes bibliográficas se puede apreciar que la aplicación de un pre-tratamiento biológico con enzimas a residuos orgánicos de tipo lignocelulósicos, pudiera resultar muy adecuado para favorecer la biodegradabilidad y la producción de metano. Es por ello, que en este trabajo se propone como objetivo general aplicar un pre- tratamiento con enzimas a diferentes sustratos agrícolas, para estudiar su efecto sobre la producción de biogás.
MÉTODOS
Este trabajo ha sido realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, pero el material de investigación (Liquid cellulase enzymatic preparation, ZY maXX XL 200) fue donado por la Empresa BIOPRACT GmbH, a través de investigadores de la Universidad de Hohenheim, Alemania. Los resultados experimentales, fruto de un proyecto de investigación en ejecución, han sido obtenidos durante el período comprendido desde febrero 2015 hasta enero 2016. Para su desarrollo se han tenido en cuenta diferentes normas vigentes para este tipo de investigación, según se indica a continuación.
Los sustratos se caracterizaron de acuerdo con la norma (VDI 4630, 2006), siguiendo la caracterización y clasificación general de sustratos, se pueden estimar las posibilidades de fermentabilidad de los materiales orgánicos. Los residuos agrícolas estudiados en el marco de un proyecto de investigación cubano (Martínez et al., 2014), han sido: sorgo (Sorghum R-132), sorgo (Sorghum halepense), girasol (Helianthus annuus L JE-94), maíz (Zea mays), malanga (Colocasia esculenta L Schott), boniato (Ipomea batata) y papa (Solanum tuberosum Sw). Asimismo también se ha estudiado un residuo de cantina (pan blanco). En el caso de estos residuos agrícolas, los mismos fueron recolectados tomando sus raíces, tallos, hojas y frutos. Posteriormente se secaron y fraccionaron en partículas de 1 mm, empleando un molino VEB Nossener Machinenbau, 8255 Nossen (de cribas), tomando muestras para realizar las investigaciones a escala de laboratorio en Alemania y a escala de campo en Cuba. Las investigaciones en Alemania fueron ejecutadas en una estancia de investigación desarrollada en la Universidad de Hohenheim entre los meses de septiembre y noviembre del 2013. En el caso de Alemania no se aplicó tratamiento con enzimas, tampoco se investigó con inóculo porcino, (solo se investigó con inoculum vacuno). El inóculo fue tomado de una planta en producción, posteriormente fue aclimatado durante un tiempo a nivel de laboratorio. En Cuba se utilizó un pre-tratamiento con enzimas, el cual consistió en añadir la enzima ZY maXX XL 200 en dosis de 100 µL/syringes por 350 mg de sustrato diluido en 30 mL de los inóculos a valorar (vacuno y porcino). Los sustratos inoculados con la enzima se dejaran reposar durante 4 horas, posteriormente se le añade el inóculo (30 mL). El próximo paso consistió en introducir los sustratos pre-tratados en jeringas experimentales de 100 mL de capacidad, se añadió inóculo vacuno en una serie de ensayos, en otros casos se utilizó inóculo porcino (ambos inóculos procedente de biodigestores en producción). En la Tabla 1 se presenta las condiciones de los ensayos a ejecutar.
Las jeringas experimentales fueron montadas en un aditamento denominado Hohenheim Bench Test (HBT), a razón de dos réplicas por sustrato en cada jeringa; asi 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. El HBT es capaz de portar de forma simultánea 12 jeringas experimentales. Fueron objeto de valoración los siguientes parámetros:
Algunos resultados de las investigaciones han sido procesados con el paquete estadístico profesional Statistica 8,0.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Figura 1 se observa que el comportamiento de los sustratos evaluados sin la utilización del pre-tratamiento con enzimas y utilizando inoculo vacuno. Se pudo apreciar que el mayor rendimiento específico de metano fue obtenido con el pan (346,12 LCH4/kgSV), mientras que el resto de las biomasas no alcanzaron valores superiores a (180 LCH4/kgSV), encontrándose estos valores por debajo de los obtenidos por Martínez et al. (2014), lo cual pudiera estar dado por la utilización de raíces, hojas, tallos y frutos mezclados de estas biomasas agrícolas, las cuales poseen mayor cantidad de fibra (celulosa y hemicelulosa) comparado con los estudios efectuados anteriormente de estas biomasas en solitario.
En la Figura 2 se observan los resultados obtenidos utilizando pre-tratamiento con enzimas e inóculo vacuno. Se pudo apreciar que el mayor rendimiento específico de metano fue obtenido con el pan (bread) (507,77 L/kgSV), siguiendo la malanga (Colocacia esculenta) (336,80 LCH4/kgSV), mientras que en el girasol (Helianthus annuus L JE-94) (161,54 LCH4/kgSV) se presentaron los valores más bajos. Estos resultados se encuentran dentro del rango de otras investigaciones conducidas por Brulé et al. (2011), en las cuales estos investigadores no encontraron diferencias significativas en el rendimiento de biogás (m3/kgSV) en efluentes del primer y segundo bioreactor de plantas alemanas en producción que usaron enzimas con estos fines, comparadas con la no utilización de éstas.
En la Figura 3, se presentan los resultados del comportamiento de los diferentes sustratos evaluados con la enzima
ZY maXX XL 200 e inóculo porcino.
En este caso un comportamiento diferente se observa en todos los sustratos. Se pudo apreciar que el mayor rendimiento específico de metano fue obtenido con la malanga (Colocacia esculenta) (1918,07 LCH4 /kgSV), significando un incremento de 782,7% respecto al comportamiento de este sustrato sin pre-tratamiento, mientras que en el (Maíz), se obtiene el mínimo valor (1139,03 LCH4/kgSV), resultando en un incremento de 326,5% (Martínez et al., 2014). Según Brulé (2014), los experimentos en la etapa de hidrólisis enzimática mostraron una pobre eficiencia de la adición de enzimas en sustratos agrícolas. Brulé (2014), concluyó que la eficiencia de las enzimas puede ser favorecida por bajo contenido de fibras recalcitrantes y lignina, bajo pH y baja temperatura. Brulé (2014), ha referido que para lograr un efecto positivo de la adición de enzimas en la práctica productiva, los bioreactores deben tener una alta carga orgánica (COV), un bajo tiempo de residencia hidráulica (TRH) y sustratos caracterizados por poseer una mezcla de cultivos energéticos. Por lo tanto, los resultados obtenidos en este trabajo están en contradicción con este autor y hasta el presente no se tienen referencias de resultados semejantes. Estos resultados indican un efecto muy positivo de la enzima ZY maXX XL 200 en los sustratos evaluados, cuando se utiliza este tipo de inóculo. Se debe destacar que estos resultados son sorprendentes y muestran la potencialidad que posee la enzima ZY maXX XL 200 para favorecer la digestión anaerobia y la producción de biogás.
También merece destacarse que utilizando el inóculo porcino, los rendimientos logrados en las diversas biomasas están muy por encima de los resultados alcanzados con inóculo vacuno.
El costo de la enzima ZY maXX XL 200 es 64,00 €/kg. Teniendo en cuenta las pequeñas cantidades utilizadas en este pre-tratamiento (100 µL/jeringas por cada 0,350 mg de sustrato evaluado), se puede inferir que el gasto es no significativo, sin embargo los rendimientos específicos de biogás por sustratos obtenidos, alcanzan valores desde un máximo 782,7% (Colocacia esculenta) hasta mínimo 326,5% (Maíz) de incrementos, comparando estos mismos sustratos sin pre-tratamientos (Martínez et al., 2014). Por lo tanto, esto pudiera tenerse en cuenta a la hora de analizar la factibilidad económica de su utilización.
En la Figura 4 se muestra el rendimiento de biogás obtenido (LCH4/kgSV) en las biomasas evaluadas en Cuba sin la aplicación del pre-tratamiento con enzimas, utilizando inóculo porcino. En este caso se pudo apreciar que el mejor comportamiento fue obtenido con el maíz (280,13 LCH4/kgSV) y la malanga (Colocacia esculenta) (264,89 LCH4/kgSV), mientras que el resto de las biomasas alcanzan rendimientos inferiores a (200 LCH4/kgSV), comportándose peor que en el caso que se utiliza inóculo vacuno.
Otro aspecto importante objeto de valoración fue el relacionado con la evolución del pH en los sustratos pre-tratadas con enzimas. En la Figura 5 se presenta su comportamiento, del análisis de esta figura; se puede observar que en los primeros cinco días del proceso de biodigestión se presenta una caída del pH, sin embargo a medida que trascurre el proceso, estos valores se incrementan, producto del efecto buffer o tampón del inóculo, culminando con valores entre 8 y 8,7 un poco por encima de los valores recomendados (pH entre 6 y 8).
Algo semejante se presenta en la Figura 6. Se analizan las mismas variables, pero utilizando inóculo porcino. En este caso, todos los sustratos terminan con valores de pH entre 7 y 8. La enzima ZY maXX XL 200 cumple con el requisito de mantener una buena actividad degradadora de los sustratos en estos rangos de pH entre 6 y 8, lo cual concuerda con lo planteado por Vintiloui et al. (2009).
En la Figura 7 se presenta los resultados obtenidos de la comparación estadística de los diferentes sustratos evaluados con enzimas utilizando inóculo vacuno y porcino respectivamente.
Del análisis de la Figura 7, se puede apreciar que en todos los sustratos evaluados, el comportamiento del rendimiento específico de biogás cuando se utilizó inóculo porcino (I.P.), presentó diferencias significativas con respecto a cuándo se utilizó, inóculo vacuno (I.V.).
Los resultados obtenidos a nivel de campo en el proceso de biodigestión de los sustratos pre-tratados con enzimas e inóculo vacuno se muestran en la Tabla 2. Analizando los valores máximos obtenidos, se puede observar que en el pan (Bread) se produjo el mayor rendimiento específico de biogás (574,84 LCH4/kgSV), mientras que el maíz (Zea mays) presentó el valor más bajo (27,89 LCH4/kgSV), difiriendo con los resultados alcanzados a nivel de laboratorio en Alemania por Martínez et al. (2014), así como con otros resultados obtenidos por Martínez et al. (2015), utilizando pre-tratamiento químico-térmico en estas mismas biomasas, lo cual pudiera estar dado por el pre-tratamiento utilizado.
Por otra parte, en el análisis de los valores máximos obtenidos en los rendimientos de biogás con los mismos sustratos con pre-tratamiento con enzimas e inóculo porcino (Tabla 3), se observa un comportamiento totalmente diferente. A continuación se presentan los valores obtenidos en la malanga (Colocacia esculenta), en este caso se manifiesta el mayor rendimiento específico de biogás (1903,31 LCH4/kgSV), mientras que el Sorghum R-132 manifestó el menor rendimiento específico de biogás (717,33 LCH4/kgSV). En este caso estos resultados son muy buenos y muestran la utilidad de este tipo de pre-tratamiento utilizando inóculo porcino.
CONCLUSIONES
-En todos los sustratos evaluados fueron obtenidos incrementos por encima de 100% en su valor máximo de rendimiento específico de biogás cuando se aplicó este pre-tratamiento con inóculo porcino comparado con el caso de la aplicación del mismo pre-tratamiento con inóculo vacuno.
-Se lograron aumentos favorables del rendimiento específico de biogás en los casos de la malanga (1918,07 LCH4/kgSV); pan (1792,81 LCH4/kgSV); girasol JE-94 (1676, 06 LCH4/kgSV); sorgo R-132 (1145,78 LCH4/kgSV) y el maíz (1139,03 LCH4/kgSV) cuando se utiliza el tratamiento con enzimas e inóculo porcino.
-La evolución del pH en las biomasas evaluadas con este pre-tratamiento especial se comportó de forma semejante a cuando las biomasas no son pre-tratadas.
AGRADECIMIENTOS
A CUBAENERGÍA. Proyecto nacional, Código: 9917. Estudio de pre-tratamientos básicos y especiales para mejorar la producción y calidad del biogás; a la Universidad de Hohenheim. Alemania.
NOTA
La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.
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Recibido: 12/09/2016
Aceptado:13/03/2017
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. E-mail:carlosmh@uclv.edu.cu
