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Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica

versão impressa ISSN 0123-4226

rev.udcaactual.divulg.cient. vol.22 no.1 Bogotá Jan/Jun. 2019  Epub 24-Maio-2019

http://dx.doi.org/10.31910/rudca.v22.n1.2019.1220 

Ciencias Naturales

Efecto del pretratamiento térmico de residuos de alimentos sobre la producción de metano

Effect of the thermal pretreatment of from food waste on methane production

Brayan Alexis Parra-Orobio1  , Carlos Vásquez-Franco2  , Wilmar Alexander Torres-López3  , Luis Fernando Marmolejo-Rebellón4  , Patricia Torres-Lozada5 

1Ing. Sanitario. M.Sc. Universidad del Valle, Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental-ECCA. Cali, Colombia, e-mail: brayan.parra@correounivalle.edu.co, https://orcid.org/0000-0001-9256-6797

2Ing. Sanitario. Universidad del Valle, Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental-ECCA. Cali, Colombia, e-mail: carlos.vasquez@correounivalle.edu.co, https://orcid.org/0000-0001-9798-5077

3Estadístico. Universidad del Valle, Departamento de Biología. Cali, Colombia, e-mail: wilmar.alexander.torres@correounivalle.edu.co, https://orcid.org/0000-0002-2482-013X

4Ing. Sanitario. M.Sc. PhD. Universidad del Valle, Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental-ECCA. Cali, Colombia, e-mail: luis.marmolejo@correounivalle.edu.co, https://orcid.org/0000-0001-9993-2841

5Ing. Sanitaria. M.Sc. PhD. Universidad del Valle, Grupo de Investigación Estudio y Control de la Contaminación Ambiental-ECCA. Cali, Colombia, e-mail: patricia.torres@correounivalle.edu.co, https://orcid.org/0000-0001-9323-6677

RESUMEN

Los residuos de alimentos son el componente principal de los residuos sólidos municipales y dado su elevado contenido de materia orgánica tienen alto potencial de producción de metano, mediante la digestión anaerobia; sin embargo, la predominancia de material lignocelulósico dificulta su hidrólisis. En este estudio, mediante ensayos de potencial bioquímico de metano, se evaluó el efecto de diferentes condiciones de pretratamiento térmico del sustrato, aplicando temperaturas entre 72 - 128°C y tiempos de exposición de 15 - 33 minutos sobre el rendimiento de producción de CH4. Para evaluar el efecto de las condiciones de pretratamiento, se empleó la metodología de superficie de respuesta y la aplicación de los modelos cinéticos de primer orden y de ajuste de Gompertz modificado. Los parámetros cinéticos identificados fueron validados, mediante niveles de confianza, usando la matriz de información de fisher. Se encontró que la región óptima, para alcanzar un mayor rendimiento en la digestión anaerobia, en cuanto a la producción de CH4, superior a 150mLCH4 gSV-1 y tiempos de la fase de latencia menores a 1 día, fue alrededor de 100°C, con tiempos de exposición cercanos a 15 minutos, condición en que se alcanzó una mayor solubilidad y mejorando positivamente la etapa hidrolítica del proceso anaerobio.

Palabras-clave: cinética; digestión anaerobia; metano; residuos sólidos; temperatura

ABSTRACT

Food waste are the main component of the municipal solid waste and given their high content of organic matter, have high potential for methane production through the anaerobic digestion. However, the predominance of lignocellulosic material hinders its hydrolysis. In this study, by means of assays of biochemical methane potential, the effect of different thermal pre-treatment conditions of the substrate was evaluated by applying temperatures between 72 - 128°C and exposure times of 15 - 33 minutes on the conditions on the performance of CH4. To evaluate the effect of pretreatment, we used the Response Surface Methodology accompanied by the application of first order kinetic and modified Gompertz models. The identified kinetic parameters were validated using confidence levels using the fisher information matrix. It was found that the optimal region, to reach a higher yield in the anaerobic digestion with regard to the production of CH4 higher than 150mLCH4 gVS-1 and lag-phase times less than 1 day, was around 100°C with exposure times close to 15 minutes, condition in which a greater solubility was reached and positively improving the hydrolytic stage of the anaerobic process.

Key words: anaerobic digestion; kinetic; methane; solid waste; temperature

INTRODUCCIÓN

A través de los años, la cantidad de residuos sólidos municipales-RSM ha ido en aumento, debido al desarrollo económico y al incremento de la población mundial. Los residuos de alimentos-RA constituyen el 40% de los RSM en países desarrollados y del orden del 75%, en los países en desarrollo (Cabeza et al. 2016), con cifras de 1.300 millones de toneladas, en países desarrollados (Dhamodharan et al. 2015) y 160 en países en desarrollo, particularmente, en Latinoamérica y el Caribe - LAC (Sepúlveda, 2016). Estos residuos presentan un alto contenido de humedad, entre el 70 y 90%, relaciones SV/ST superiores al 80% y C/N entre 15 y 36 (Zhang et al. 2014; Thi et al. 2015).

La digestión anaerobia-DA es una alternativa tecnológica, que consiste en la conversión de la materia orgánica presente en el sustrato, en biogás y se lleva a cabo por un grupo de microorganismos, a través diferentes de etapas metabólicas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (Angelidaki et al. 2009). La composición de biogás que se obtiene varía dependiendo del tipo de materia prima y de las condiciones de funcionamiento del digestor (Surendra et al. 2014); el biogás, se compone de 50 a 75% de CH4 y 25 a 50% de CO2, junto con otros componentes, traza como vapor de agua (H2O), sulfuro de hidrógeno (H2S) y amoníaco (NH3).

En general, la hidrólisis, se presenta como la etapa limitante en la degradación de sustratos orgánicos heterogéneos y complejos, como los RA (Ma et al. 2018; Raposo et al. 2012). En esta etapa, se pueden formar subproductos tóxicos, como compuestos heterocíclicos y ácidos grasos volátiles, que alteran los grupos microbianos metanogénicos y, por ende, la calidad del biogás (Neves et al. 2006). Diferentes estrategias de pretratamiento del sustrato, se han implementado, para maximizar la producción de metano (CH4), a partir de la DA, como procesos mecánicos, químicos, biológicos y térmicos, todos con el fin de la solubilizar y liberar macromoléculas de la materia orgánica, que mejoren el rendimiento del proceso (Kempegowda et al. 2017; Parthiba Karthikeyan et al. 2018).

Dentro de los estudios enfocados al pretratamiento térmico, se encuentran los realizados por Liu et al. (2012), quienes determinaron que el tratamiento térmico a RA, a 175 °C, disminuye hasta un 11,7% de la producción de metano; esto lo atribuyeron a la formación de melanoidinas. Por su parte, Ariunbaatar et al. (2014) encontraron que el pretratamiento de RA, a temperaturas entre 50 y 80°C, por periodos de tiempo entre 1,5 y 12 horas, mejoran la producción de metano, en un 40%. Li et al. (2016) obtuvieron un incremento en la producción de biogás del 69 y 75%, en pretratamientos, cuya duración fue de 70 min-90°C y 50 min-120°C, respectivamente; sin embargo, pocos estudios abordan la incidencia del pretratamiento desde una perspectiva de la cinética del proceso (Ma et al. 2018).

Por lo anterior, este estudio evaluó, mediante ensayos de Potencial Bioquímico de Metano-PBM, el efecto de pretratamiento térmico en los residuos de alimentos sobre la producción de metano. Se evaluó su incidencia sobre la hidrólisis del proceso, considerando aspectos clave del proceso, como el pH, la alcalinidad bicarbonática y los ácidos grasos volátiles, empleando herramientas de la cinética y la metodología de superficie de respuesta-MSR.

MATERIALES Y MÉTODOS

Sustrato e inóculo. El sustrato, se tomó de un restaurante universitario de la ciudad de Cali - Colombia, que atiende a más de 3.000 estudiantes al día y genera 86,6kg·d-1, que representan la composición típica de una población de 15.000 habitantes, correspondiendo, en un 56%, a carbohidratos, asociado a cáscaras de plátano, papa, entre otros; 25%, a frutas cítricas; 8,2%, a frutas no cítricas; 8,2%, a fibras y minerales, relacionado a cáscaras de huevo, apio, hierbas, entre otros; además, un 3,2%, de hierbas, atribuido a cilantro, acelgas, cidra y otros. Esta composición fue establecida de acuerdo con lo encontrado por Oviedo-Ocaña et al. (2014) y Soto-Paz et al. (2019), en los RSM, de una localidad que realiza recolección selectiva y separación en la fuente de sus residuos.

Como inóculo, se utilizó biomasa anaerobia activa, procedente del digestor de lodos de una PTAR municipal, que cuenta con tratamiento primario avanzado y trata el agua residual de una población de 2 millones de habitantes (Parra-Orobio et al. 2018). En la tabla 1, se presentan las características fisicoquímicas del sustrato y el inóculo, que fueron caracterizados de acuerdo con ICONTEC (2004), ICONTEC (2009) y APHA (2005).

Tabla 1 Caracterización fisicoquímica de los residuos de alimentos e inóculo. 

m: corresponde a 3 muestras n: número de muestras

Pretratamiento del sustrato. Previamente a los ensayos PBM, los RA fueron sometidos a un pretratamiento mecánico, utilizando una trituradora CB15 Waring Commercial, a una velocidad de 15800rpm, durante un minuto (velocidad estándar del equipo), garantizando tamaños de partículas inferiores a 30mm (Izumi et al. 2010; Parra-Orobio et al. 2017).

El pretratamiento térmico del sustrato, se realizó en un horno WTB Binder 78532. La definición de las condiciones de pretratamiento, se efectuó con base en la literatura y en la metodología de Superficie de Respuesta (Parthiba Karthikeyan et al. 2018), empleándose un diseño experimental factorial 22 con dos factores, los cuales, fueron temperatura y tiempo; cada uno, con dos niveles, respectivamente. El punto central fue 100oC y 22 minutos, que se definió de acuerdo con los resultados obtenidos por Li et al. (2016) y Parthiba Karthikeyan et al. (2018); en dicho punto, se efectuaron cinco réplicas, como lo requiere la MSR. Además, fueron planteados cuatro puntos axiales, conformados por temperaturas de 72, 80, 100 y 128°C y tiempos de exposición de 12, 15,30 y 33 minutos, obtenidos aplicando la MSR y cada uno de éstos, se ejecutó por triplicado. Adicionalmente, se incluyó una unidad experimental, denominada control, en la que el sustrato no fue pretratado. La tabla 2 muestra el diseño experimental y codificado de los factores como X1 y X2.

Tabla 2 Diseño experimental para la optimización entre la temperatura y el tiempo de exposición. 

Se construyó un modelo ajustado, representado mediante la ecuación 1, con la finalidad de analizar el efecto de los factores temperatura y tiempo de exposición sobre de las variables de respuesta PBM, pH, AB y AGV´s.

Ecuación 1

Donde:

y: variable de respuesta analizada: PBM, pH, AB y AGV´s.

b 0 : intercepto.

b 1 y b 2 : coeficientes que acompañan a las covariables temperatura y tiempo en términos lineales, respectivamente.

b 3 : coeficiente de interacción entre las covariables temperatura y tiempo.

b 4 y b 5 : coeficientes que acompañan a las covariables temperatura y tiempo en términos cuadráticos, respectivamente.

Ensayos de potencial bioquímico de metano - PBM. La cuantificación de biogás en cada una de las condiciones experimentales mostradas en la tabla 2, se realizó mediante el método manométrico, empleando el Sistema Oxitop®, con reactores de 250mL (Pabón et al. 2012). Los ensayos, se realizaron en una incubadora WTW TS 606-G/2-i, con agitación manual intermitente; el volumen útil empleado fue de 200mL. Para garantizar que la medición manométrica del biogás correspondiera predominantemente a metano, se capturó el dióxido de carbono, a través de perlas de NaOH, cuya composición fue verificada mediante cromatografía de gases, usando el Cromatógrafo GC2014. El volumen de metano a condiciones estándar-CE, se determinó de acuerdo con Parra-Orobio et al. (2015), donde se considera la proporción de metano disuelto.

La disponibilidad de nutrientes que se requiere en el ensayo de PBM fue suplida, de acuerdo con lo sugerido por Holliger et al. (2016). La cantidad utilizada de macro y de micronutrientes en cada uno de los reactores fue de 1mL por cada litro útil del reactor. La solución de macronutrientes estaba constituida por NH4Cl (170g·L-1), NaHCO3 (1g L-1), KH2PO4 (37g·L-1), MgSO4 4H2O (9g·L-1) y CaCl2 2H2O (8g·L-1), mientras que la de micronutrientes por FeCl26H2O (2g·L-1), ZnCl2 (0,05g·L-1), CuCl22H2O (0,03g·L-1), MnCl24H2O (0,5g·L-1), (NH4) Mo7O24 4H2O (0,09g·L-1), AlCl3 6H2O (0,05g·L-1), CoCl26H2O (2g·L-1), NiCl26H2O (0,05g·L-1), H3BO3 (0,05g·L-1), Na2SeO35H2O (0,1g L-1), EDTA (1g·L-1) y HCl (1mL·L-1). Para garantizar un ambiente totalmente Redox, se adicionó en cada uno de los reactores Resarzurina (0,5g·L-1) y NaS7H2O (0,1g·L-1) (Aquino et al. 2007; Angelidaki et al. 2009; Torres & Pérez, 2010).

El pH, se acondicionó a 7,0 unidades, con una solución de NaHCO3, al 4% v/v y se mantuvo una temperatura de 35oC, durante 63 días. La relación sustrato-inóculo-S/I empleada fue de 1,0 gSVsustrato·gSVinóculo -1 y se contó con un control negativo, que fue agua destilada más inóculo, cuyo objetivo fue realizar la corrección endógena de metano.

Análisis cinético. La producción de metano acumulado en el tiempo fue modelada, aplicando cinética de primer orden, representada con la ecuación 2 y el modelo ajustado de Gompertz, con la ecuación 3 (Donoso-Bravo et al. 2015):

Ecuación 2

Ecuación 3

Donde, B(t) es la producción de metano acumulado (mLCH4·gSV-1); t es el tiempo en el que transcurre el experimento (d); k h es la constante de hidrólisis (d-1); Bo y Pmax hacen referencia a la máxima producción de metano (mLCH4·gSV-1) (parámetro asociado a la degradación del sustrato); R m es la tasa máxima de producción de metano (mLCH4 gSV-1 ·d-1 ); e corresponde la exponencial de 1 (2,7183) y λ es la fase de latencia (d).

Para la estimación de los parámetros cinéticos, se usaron los datos experimentales del ensayo PBM, aplicando el algoritmo de Nelder-Mead y usando la función Fminsearchbnd de la caja de herramientas de Matlab®, para lo cual, se empleó, como criterio de optimización, la minimización de la función objetivo del error medio cuadrático. Una vez que la función de costo se ha reducido al mínimo, se determinó la inversa de la matriz de información de Fisher, con el objetivo de determinar la incertidumbre de los parámetros cinéticos, obtenidos en cada modelo (Donoso-Bravo & Fdz-Polanco, 2013).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efecto del pretratamiento térmico sobre la producción de metano. De acuerdo con la tabla 3, se encontró que la temperatura y el tiempo de exposición, tuvieron un efecto significativo sobre el PBM, con un p=0,002 y p=0,001, respectivamente, permitiendo maximizar la producción de CH4, con valores superiores a 150mLCH4 ·g SV-1, asociado a una temperatura cercana a 100°C y un tiempo de exposición de 15 minutos, como lo muestra la figura 1. Estas condiciones son similares a las óptimas encontradas por Li et al. (2016), que fueron de 120°C y 15 minutos. Por otro lado, los resultados son superiores a los reportados en investigaciones con sustratos similares sin pretratamiento térmico, como las de Parra-Orobio et al. (2015): 101,8mL CH4 ·g SV-1; Cárdenas-Cleves et al. (2018): 70,9mL CH4 ·g SV-1 y Sánchez-Reyes et al. (2016): 116mL CH4 ·g SV-1.

Tabla 3 Resultados del modelo de superficie de respuesta ajustado para potencial bioquímico de metano, alcalinidad bicarbonática, ácidos grados volátiles y Ph. 

Figura 1 Superficie de respuesta para potencial bioquímico de metano vs temperatura y tiempo y gráfico de contornos para PBM vs temperatura y tiempo. 

También, se identificó que, para las temperaturas extremas a 100°C, con un tiempo de exposición mayor a 15 minutos, la producción de CH4 decrece, fenómeno que podría estar asociado, posiblemente, a la presencia o formación de subproductos complejos difíciles de degradar, ocasionada por la reacción entre los carbohidratos, que representan el 56% del sustrato y los aminoácidos, reacción conocida como Mallaird (Mailard, 1916; Hendriks & Zeeman, 2009; Ariunbaatar et al. 2014). Investigaciones relacionadas por Fujishima et al. (2000), señalan que una disminución de la producción de metano se relaciona por ausencia de carbohidratos.

Efecto del pretratamiento sobre la AB, AGV´s y pH. De acuerdo con la tabla 3 y la figura 2, se identificó que la temperatura es el factor que mayor efecto significativo presenta en cuanto a la maximización de la concentración de AB, según la figura 2ay a la reducción de los AGV´s, representada en la figura 2b, con un p= 0,0045 y p=0,0003, respectivamente. El tiempo mostró una incidencia significativa para ambos. Asimismo, se observa una relación inversa entre AB y AGV`s, pues a medida que la AB se aleja de la región óptima de temperatura, que oscila entre los 98 y 100 oC, aumenta la presencia de AGV´s. Esto puede estar ligado a que a temperaturas cercanas a los 80oC, el sustrato aún presenta elevadas concentraciones de AGV´s, que ejercen una demanda de AB, mientras que el incremento de temperatura por encima de 100oC, en sustratos ricos en hidratos de carbono, generan sustancias recalcitrantes, que reducen la capacidad buffer del proceso (Dwyer et al. 2008; Ferreira et al. 2013).

Figura 2 Alcalinidad bicarbonática-AB final vs tiempo y temperatura: a. superficie de respuesta; b. gráfico de contornos. AGV´s final vs tiempo y temperatura: c. superficie de respuesta; d. gráfico de contornos. pH final vs tiempo y temperatura para pH; e. superficie de respuesta; f. gráfico de contornos. 

Lo anterior es acorde con la amplia región identificada para el pH, que corresponde a valores cercanos a la neutralidad; en ese factor, se encontró que la temperatura y el tiempo de exposición no presentaron un efecto significativo, lo que ratifica que el pH no debe ser considerado como un factor decisorio, en cuanto a la operación en la definición de estrategias de control de reactores anaerobios, siendo más sensible y mejor indicadora la alcalinidad bicarbonática (Parra-Orobio et al. 2014; Zhai et al. 2015).

Análisis cinético. La tabla 4 presenta los ajustes de los modelos cinéticos empleados para los tratamientos evaluados. Se destaca que, en general, ambos modelos tuvieron un buen ajuste con R2>0,9 y CME<7. Respecto al modelo de primer orden, se encontró que, si bien hubo un incremento de la tasa de hidrólisis en los tratamientos T1-80oC-15min, T2-80oC-30min, T3-120oC-15min y T6-72oC-22min respecto al tratamiento control-T10, la producción de metano no incrementó. Este fenómeno reafirma lo mencionado previamente, donde se muestra que, a temperaturas mayores y menores a 100oC, se generan sustancias reclacitrantes, que inhiben la acción de los consorcios microbianos, involucrados en cada una de las etapas de la DA de RA.

Tabla 4 Parámetros cinéticos para cada uno de los pretratamientos evaluados con su respectiva incertidumbre. 

El T8-100oC-12min fue el tratamiento que presentó mejor comportamiento en términos de producción de metano en todos los escenarios, con un aumento del 100%, además de una tasa de hidrólisis igual a la del control, indicando que la transformación de la materia orgánica presente en los RA no originó material recalcitrante, que indujera la inhibición de la biomasa metanogénica. El mismo comportamiento, se presentó con el modelo de Gompertz, donde se resalta que, a una temperatura de 72oC, se prolonga la fase de latencia cercana a los 2 días; en la condición T8-100oC-12min, también se logró la mayor tasa de producción de metano, que fue de 3,6 mLCH4·gSV-1d-1, que representa un incremento del orden del 60% y una reducción notoria en la fase de latencia respecto al control.

Según Mirmasoumi et al. (2018), esto puede estar asociado a que, temperaturas menores a 90oC, se requieren tiempos de exposición entre 30 minutos y 1 hora, para lograr que, durante el proceso, no se generen sustancias que reduzcan el pH y, en consecuencia, incidan sobre la producción de metano. Estudios realizados por Jin et al. (2016), también demuestran que, a temperaturas entre 120 y 140oC, se lograron producciones de metano por encima de 400mLCH4·gSV-1, que superan los obtenidos en este estudio, con T8-100oC-12min, lo que se debe a que, para alcanzar estos niveles de producción, se requieren tiempos de exposición cercanos a 50 minutos, lo cual, desde las perspectivas energética y económica, podría ser una desventaja para el establecimiento de un proceso a escala real, lo que amerita ser evaluado.

Por lo anterior, esta investigación permite concluir que el pretratamiento térmico a 100oC y 12 minutos es una opción que puede incrementar significativamente la producción de metano y reducir la fase de latencia; sin embargo, en el contexto de países en desarrollo, se debe evaluar el balance energético y el aspecto económico, para establecer ésta como una opción favorable y sostenible en la Digestión Anaerobia de Residuos de Alimentos.

Agradecimientos

A Colciencias, por la beca de doctoral del estudiante Brayan Alexis Parra-Orobio, Convocatoria 617 - 2013 -Segundo corte y a la Universidad del Valle, por el soporte para la elaboración de este manuscrito.

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Cómo citar este artículo: Parra-Orobio, B.A.; Vásquez-Franco, C.; Torres-López, W.A.; Marmolejo-Rebellón, L.F.; Torres-Lozada, P. 2019. Efecto del pretratamiento térmico de residuos de alimentos sobre la producción de metano. Rev. U.D.C.A Act. & Div. Cient. 22(1):e1220. https://doi.org/10.31910/rudca.v22.n1.2019.1220

2Artículo de acceso abierto publicado por Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica, bajo una licencia Creative Commons CC BY-NC 4.0

Financiación: Esta investigación fue financiada por la Universidad del Valle en el marco del proyecto de convocatoria interna “Digestión anaerobia de una y dos fases de residuos de alimentos para la producción de energía renovable: comparación de la puesta en marcha, estabilidad y rendimiento del proceso-CI-21006”.

Recibido: 17 de Agosto de 2018; Aprobado: 15 de Mayo de 2019

Conflicto de Interés:

Certificamos la originalidad y el carácter inédito del manuscrito elaborado y revisado con la participación de todos los autores, quienes declaramos que no existe conflicto de intereses que ponga en riesgo la validez de los resultados.

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