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Introducción
La producción de biogás muestra un crecimiento significativo debido a las nuevas políticas ambientales y al uso de energías renovables en todo el mundo, además de otros beneficios económicos y climáticos. Alcanzó los 18 millones de metros cúbicos de metano en 2015 en la Unión Europea (UE) (Scarlat, Dallemand y Fahl, 2018). La UE tiene un ambicioso objetivo de reducir el efecto invernadero del 80% al 95% para 2050 (Rubiales, 2011). La obtención de biogás a partir de residuos biológicos es de interés mundial, ya que promueve la economía circular a través de diferentes innovaciones que buscan transformar y aprovechar residuos biológicos en energías limpias (Jain et al., 2022).
El biogás se compone principalmente de metano (50% a 75% en volumen) y dióxido de carbono (25% a 40% en volumen) y es el producto de la digestión anaeróbica (DA) de varias materias primas. La DA es llevada a cabo por comunidades microbianas a través de diversos procesos bioquímicos, donde los compuestos orgánicos complejos son hidrolizados por acción de enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolíticos; los sustratos solubles generados después de la hidrólisis se dividen en intermediarios por bacterias fermentadoras (Parawira, 2012).
La codigestión anaeróbica de una mezcla de sustratos puede ser más eficiente que la DA de un solo sustrato, al proporcionar materia prima con una composición equilibrada. Ello mejora el crecimiento bacteriano, aprovecha la complementariedad de las composiciones para permitir perfiles de proceso más efectivos; además, minimiza las variaciones temporales en la composición y producción de cada residuo por separado, y reduce los costos de inversión y operación (Castro-Molano, Parrales-Ramírez y Escalante-Hernández, 2019).
En algunas ciudades del Perú, igual que en otros países en vías de desarrollo, existen sistemas poco sofisticados de producción de biogás de mediana escala cuyos propietarios son personas dedicadas al negocio agropecuario. Estos sistemas precarios son una alternativa para aprovechar la gran cantidad de residuos orgánicos producidos por la actividad agrícola y ganadera, cuyo principal residuo biológico es de ganado bovino, porcino y cuyes (Garfí et al., 2011).
La digestión de estiércol de animales para obtener biogás ha sido altamente experimentada con un solo sustrato (monodigestión) y con combinación de varios tipos de sustratos o con uso de sustratos y otros residuos como la paja o rastrojos (co-digestión). Por ejemplo, la monodigestión de estiércol de vaca puede ocurrir debido a la presencia de bacterias y materia degradable. De ello se obtiene bajo rendimiento de biogás en comparación con su rendimiento teórico, principalmente debido a su alto contenido de lignina. La co-digestión con otros residuos animales ayuda con el equilibrio carbono-nitrógeno y hace más eficiente el proceso de DA; reporta una producción de hasta el 86% de biogás (Alfa et al., 2021).
Según Alfa et al. (2021) el rendimiento del biogás disminuye si está compuesto por más de 25% de estiércol de vaca, suplementado con estiércol de caballo, por lo cual recomiendan buscar mejoras en la preparación del sustrato con el fin de obtener un mayor rendimiento de biogás. Li et al. (2020) también experimentaron con desechos de vacas y de ovejas en digestores continuos y discontinuos, logrando efectos sinérgicos interesantes. Ameen et al. (2021) realizaron pruebas con estiércol de cerdo, pollo y vaca; lograron mayor rendimiento de metano con proporciones iguales de cada sustrato, con co-digestión, en comparación con el procesamiento de estiércol de un solo animal.
Los metales pesados (MP) que se acumulan en los sustratos de digestión pueden afectar a los rendimientos de biogás; se necesitan trazas de MP para la actividad de algunas enzimas, por ejemplo, Cu2+ y Cd2+ actúan como cofactores en el centro catalítico de la celulasa y estimulan la actividad enzimática; pequeñas cantidades de MP estimulan el crecimiento y la actividad de los metanógenos, mientras que los niveles altos tienen efectos tóxicos sobre los metanógenos (Guo et al., 2019). Asimismo oligoelementos como el Mo, Se y Mn mejoran los rendimientos de metano hasta en 59% (Cai et al., 2018).
El objetivo de este estudio fue evaluar la producción de biogás a partir de doce mezclas diferentes de tres sustratos (estiércol de vaca, cerdo y cuy), así como la caracterización fisicoquímica y los metales totales en los sustratos.
Materiales y Métodos
Caracterización Fisicoquímica de Sustratos
Se recolectaron dos kilogramos de estiércol de vaca, cerdo y cuy del Fundo La Católica en la localidad de Majes, Arequipa, Perú. La muestra se tomó fresca y sin restos de pastos, piedras o tierra, luego se almacenó en un recipiente estéril y se refrigeró a 4 ± 1 °C para su traslado al laboratorio. Se tomaron pequeñas porciones de los sustratos para los siguientes parámetros: determinación de humedad (%) con el método D 3173-87 (ASTM, 1998), determinación de cenizas (%) con método E1755-01 (ASTM, 2003), determinación de la materia orgánica con la metodología realizada por Kamran et al. (2020), determinación de nitrógeno (%) con el Método de Kjeldahl (Kirk, 1950), relación carbono-nitrógeno con el método realizado por Avnimelech (1999) y determinación de metales totales (mg/kg) según el Método EPA 200,7 (U.S. Environmental Protection Agency, 1994). Todas las determinaciones se hicieron por triplicado.
Pruebas de Producción de Biogás
Se utilizó estiércol diluido en agua en una proporción de 1:2 y en base a esta se elaboraron nueve mezclas y tres sistemas de estiércol puro. Las mezclas y su codificación se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1 Proporción y tipo de estiércol colocado en cada sistema
| Sist. | Codificación | Estiércol de Vaca, % p/v | Estiércol de Cerdo, % p/v | Estiércol de Cuy, % p/v |
| Sistema 01 | C50.P25.GP25 | 50 | 25 | 25 |
| Sistema 02 | C25.P50.GP25 | 25 | 50 | 25 |
| Sistema 03 | C25.P25.GP50 | 25 | 25 | 50 |
| Sistema 04 | C60.P20.GP20 | 60 | 20 | 20 |
| Sistema 05 | C20.P60.GP20 | 20 | 60 | 20 |
| Sistema 06 | C20.P20.GP60 | 20 | 20 | 60 |
| Sistema 07 | C80.P10.GP10 | 80 | 10 | 10 |
| Sistema 08 | C10.P80.GP10 | 10 | 80 | 10 |
| Sistema 09 | C10.P10.GP80 | 10 | 10 | 80 |
| Sistema 10 | C100.P0.GP0 | 100 | 0 | 0 |
| Sistema 11 | C0.P100.GP0 | 0 | 100 | 0 |
| Sistema 12 | C0.P0.GP100 | 0 | 0 | 100 |
Las pruebas de producción de biogás se realizaron en el laboratorio de biotecnología ambiental de la Universidad Católica de Santa María en la ciudad de Arequipa, Perú a 2235 metros sobre el nivel del mar (570 mmHg), durante 23 días, en frascos de 1000 mL con un volumen operativo de 450 mL dejando espacio para la acumulación de biogás y espuma, producto de la digestión. Cada reactor se cerraba herméticamente con un tapón de goma que dejaba un conducto para la salida de biogás. Todos los sistemas colocados en un baño termostático a una temperatura constante de 37 ± 0.5 °C dentro de los rangos de temperatura mesófila (20-40 °C) (Khumalo, Oyekola y Okudoh, 2021), para optimizar el proceso de DA (Aksay, Ozkaymak y Calhan, 2018; Meneses Quelal et al., 2021). La condición anaeróbica se indujo lavando el espacio de cabeza de cada frasco con nitrógeno durante cinco minutos (Khumalo, Oyekola y Okudoh, 2021).
El volumen (mL) de biogás se midió mediante el método de desplazamiento de agua, colocando la manguera de salida dentro de una muestra graduada invertida, donde el agua contenida fue desplazada por la presión del gas (Tahir et al., 2015), luego fue recogido en bolsas de Tedlar para su análisis.
Resultados
Caracterización de la Composición Fisicoquímica de Muestras de Estiércol de Vaca, Cerdo y Cuy
En la Tabla 2 se presentan los valores ± desviación estándar de los análisis fisicoquímicos y metales totales realizados en las materias primas, nótese que el estiércol de cuy tiene la mayor cantidad de materia orgánica y muy baja humedad.
Tabla 2 Resultados de la caracterización fisicoquímica de los tres tipos de estiércol
| Análisis | Resultado1 | ||
| Vacuno | Porcino | Cuy | |
| Humedad, % | 60.27 ± 5.23 | 87.41 ± 8.22 | 12.13 ± 6.02 |
| Cenizas, % | 6.25 ± 0.66 | 1.58 ± 0.23 | 15.1 ± 2.4 |
| Materia orgánica, % | 33.48 ± 3.55 | 11.09 ± 1.98 | 72.77 ± 6.27 |
| Nitrógeno Kjeldahl, % | 0.41 ± 0.01 | 2.73 ± 0.06 | 0.81 ± 0.04 |
| C/N | 27.36 ± 4.54 | 12.36 ± 1.26 | 28.11 ± 3.98 |
| Metales totales, mg/Kg | |||
| Al | 285.909 | 181.176 | 63.333 |
| As | 13.182 | 7.647 | 8.333 |
| B | 10.909 | 7.059 | 6.333 |
| Ba | 15.909 | 11.176 | 4.333 |
| Ca | 3535.909 | 751.471 | 680.667 |
| Cu | 155.455 | 11.765 | 11.333 |
| Fe | 226.364 | 100.294 | 65 |
| K | 1308.182 | 588.824 | 708.667 |
| Mg | 1157.273 | 307.941 | 149 |
| Mn | 87.727 | 5.588 | 11.333 |
| Ni | 5455 | 2.353 | 2.667 |
| P | 3478.636 | 405.882 | 529 |
| Pb | 9.147 | nd | nd |
| Sb | 0.015 | nd | nd |
| Se | nd | nd | 1.67 |
| Si | 222.273 | 136.176 | 2.667 |
| Sn | nd | 0.294 | 0.333 |
| Sr | 6.6814 | 9.706 | 0.64 |
| Zn | 341.364 | 21.471 | 341.364 |
Nota. Resultado ± desviación estándar.
nd: no determinado (inferior al límite de detección del método).
Producción Volumétrica de Biogás por Día
El volumen total acumulado producido de biogás durante 23 días de cada sistema evaluado se presenta en la Figura 1.
La Figura 2 presenta la producción volumétrica acumulada de biogás a los 23 días de co-digestión, los datos procesados no cumplieron con el supuesto de normalidad (prueba de Shapiro Wilks, p =0.002), sin embargo, sí cumplían con el supuesto de homocedasticidad (test de Levene, p=0.148), posteriormente se ejecutó la prueba no paramétrica de Kruskal Wallis, p=0.0003, que mostró que existen diferencias entre los valores del volumen de biogás acumulado en cada tratamiento (sistema); finalmente se procedió a hacer una prueba de Tukey que permitió agrupar los datos con las letras azules (Figura 2), los sistemas que tienen las mismas letras indican que no hay diferencia entre estos tratamientos. S5 fue el de menor producción de biogás. Es importante señalar que altos porcentajes de estiércol de cerdo no generan altos volúmenes de biogás. Por lo tanto, se puede decir que S1, S4, S8 y S11 no tienen diferencias significativas a pesar de que están compuestos por diferentes proporciones de sustrato. Una característica que comparten estos resultados es que tienen bajos porcentajes de estiércol de cuy y altos porcentajes de estiércol de cerdo (S11 es 100% estiércol de cerdo).
Análisis de la Composición del Biogás
La composición del biogás obtenido en S3 se presenta en la Tabla 3, en ella se pueden apreciar los valores de metano, dióxido de carbono, oxígeno y ácido sulfhídrico. Bal son los gases que el equipo no pudo identificar, posiblemente se trate de nitrógeno.
Discusión
Caracterización de la Composición Fisicoquímica de Muestras de Estiércol de Vaca, Cerdo y Cuy
El contenido de cenizas y C/N de estiércol de cuy encontrado en este estudio es consistente con lo reportado por Toribio et al. (2020). El valor del nitrógeno Kjeldahl del estiércol de cuy es muy similar al 0.83% reportado por Garfí et al. (2011). El carbono constituye la fuente de energía, y el nitrógeno se utiliza para la formación de nuevas células; las bacterias metanogénicas consumen 30 veces más carbono que el nitrógeno, por lo que la proporción óptima de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de 30:1 a 20:1 (Varnero, 2011).
En la Tabla 2 también se presentan las concentraciones de metales totales en los tres tipos de sustrato, elementos como Ag, Be, Cd, Co, Li, Mo, Na, Ti, Ta y V no superaron el límite de cuantificación del método en los tres tipos de estiércol analizados. Boro, bario, calcio, cobre, hierro, potasio, magnesio, manganeso, níquel, fósforo, silicio, estroncio y zinc son elementos presentes en los tres tipos de sustratos estudiados. Todos estos elementos se encuentran en mayor concentración en el estiércol de vaca a excepción del zinc cuyo valor en estiércol de vaca y cerdo es el mismo. El plomo y el antimonio se encontraron solo en el estiércol de vaca, el selenio solo en el estiércol de cuy, el estaño solo en el estiércol de cerdo y de cuy. El plomo en el estiércol podría derivarse de varias fuentes, pero es posible suponer que las principales fuentes son el plomo ingerido con alimentos, el ingerido del suelo, el inhalado directamente de la atmósfera o que ingresó en la cadena alimentaria a través del consumo de vegetación que atrapó el plomo de la atmósfera (Bacon y Dinev, 2005). Es muy probable que las hierbas con las que se alimentan las vacas contengan altos niveles de plomo.
Producción Volumétrica de Biogás por Día
S3 y S5 fueron los sistemas con los que se obtuvo el mayor y menor volumen de biogás respectivamente. S12 fue uno de los mejores, sin embargo tenía como única materia prima estiércol de cuy. S9 que contenía un porcentaje significativo de estiércol de cuy también generó un volumen considerable. En este estudio buscamos encontrar la proporción adecuada en función de las cantidades de estiércol disponibles diariamente; de hecho, el estiércol de cuy no se produce en grandes cantidades como el de vaca o el de cerdo, por lo que el sistema S3 es el más adecuado, ya que utiliza una proporción medida de estiércol de cuy y acompaña con pequeñas cantidades de estiércol de vaca y cerdo.
En general, el estiércol de cerdo tanto en la DA como en la co-digestión con otros tipos de estiércol tiene buenos rendimientos en volumen y calidad de biogás (Sebola, Tesfagiorgis y Muzendal, 2015). Sin embargo, es mucho mejor sustrato para producir biogás cuando se realizan pretratamientos térmicos (Carrère, Sialve y Bernet, 2009), aunque esto aumentaría en gran medida los costos del proceso. El calcio bastante presente en el estiércol de vaca no podría considerarse como un inhibidor de la DA ya que la concentración en la que se observa inhibición es de 7000 mg/L (Jackson-Moss, Duncan y Cooper, 1989). Los contenidos entre 30 y 100 mg/L de Cu 2+ aumentan los rendimientos acumulados de biogás en la DA (Hao et al., 2017), el sistema S3 tiene un 25% de estiércol de vaca, que está dentro del rango antes mencionado (34.86 mg / L), lo que aportaría mejoras en la DA.
El cobre, zinc y plomo presentes en los sustratos afectan negativamente la producción de metano. Por otro lado, el níquel afecta a la población bacteriana que participa en el proceso de digestión al unirse al grupo tiol de enzimas vitales, reemplazando los iones metálicos naturales del grupo prostético, lo que resulta en la inactivación e interrupción de la función de algunas enzimas (Mudhoo & Kumar, 2013; Muthusaravanan et al., 2020). El hierro y el manganeso no tienen ningún efecto sobre la producción de biogás (S. K. Jain et al., 1992).
Es muy importante destacar que los sistemas con un porcentaje mayoritario de estiércol de cuy alcanzaron mayores volúmenes de biogás (S3, S9 y S12). Este aumento y mejora se deben principalmente a que dicho sustrato contiene cantidades adecuadas de materia orgánica, nitrógeno y una óptima relación C/N (Toribio et al., 2020). Un factor adicional puede ser que el sustrato tiene selenio, que es un oligoelemento que mejora la producción de biogás (Bhatnagar et al., 2020; Demirel y Scherer, 2011; Feng et al., 2010). Cuando la oxidación del formiato a dióxido de carbono y reductores equivalentes está mediada por la deshidrogenasa (dependiente del selenio) es más favorable para el crecimiento y producción de metano en microorganismos metanogénicos (Jones y Stadtman, 1977).
Análisis de la Composición del Biogás
Varios autores informan porcentajes más altos de metano en co-digestiones de diferentes tipos de estiércol (47 - 55 %) (Álvarez y Lidén, 2009); (59 - 67 %) (El-Mashad y Zhang, 2010). Este bajo rendimiento de metano se debe a la presencia de metales pesados que afectan la producción volumétrica de biogás y, por supuesto, la producción de metano. La tasa de producción de biogás en S3 también se vio afectada por la presencia de metales pesados (0.013 m3 biogás/ m3 digestor) valor inferior a (0.03 y 0.04 m3 biogás/ m3 digestor) (Garfí et al., 2011).
Conclusiones
El Sistema S3 fue el que generó el mayor volumen de biogás; estuvo compuesto por 25% de estiércol de vaca, 25% de estiércol de cerdo y 50% de estiércol de cuy. Este sistema generó hasta 33,6 ± 0.42% de metano. Propiedades fisicoquímicas como la relación C/N y el selenio presente en el estiércol de cuy jugaron un papel positivo en el volumen de biogás producido. Sin embargo, el contenido de metales como Cu, Pb, Zn y Ni en los tres sustratos tuvo un papel antagónico provocando valores por debajo de los reportados, esto abre una vía para investigar los pretratamientos para los sustratos o su combinación con otros residuos agrícolas que permitirían obtener mejores rendimientos.
