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

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.

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.

Co-digestión anaerobia de vinaza y gallinaza de jaula: alternativa para el manejo de residuos agrícolas colombianos / Anaerobic co-digestion of vinasse and chicken manure: alternative for Colombian agrowaste management

La digestión anaerobia es una tecnología atractiva para el manejo de residuos al producir energía en forma de biogás y estabilizar la materia orgánica. En este estudio, se evaluó el proceso de co-digestión de vinaza y gallinaza de jaula como una alternativa de manejo y estabilización de residuos generados por la agroindustria colombiana. Se llevaron a cabo, ensayos de biometanización en relaciones de mezcla vinaza y gallinaza de 1:0, 3:1, 1:3 y 0:1 en base a VS. La relación de 3:1 de vinaza y gallinaza permitió aumentar la producción específica de metano en un 55% respecto a la producción específica ponderada de 0.65 m³ CH4/kg VS. Las mezclas entre los sustratos presentaron un efecto sinérgico positivo. La gallinaza de jaula mejoró la capacidad de amortiguación de la mezcla, disminuyendo el riesgo de acidificación por cambio drástico en el pH durante la digestión de la vinaza. Por otra parte, la vinaza permitió diluir la concentración total de nitrógeno amoniacal evitando la inhibición de amoniaco. Dado el aumento de la producción de metano, el co-tratamiento de vinaza y gallinaza mejora la recuperación de energía y la viabilidad económica de la instalación de la planta de biogás como parte de la cadena de producción de etanol.

Anaerobic digestion is an attractive technology for waste management meanwhile energy is recovering. This study evaluated the feasibility of codigesting vinasse and chicken manure (CM) as management alternative for Colombian agro industries. Biochemical methane potential was tested for different vinasse to CM ratios of 1:0, 3:1, 1:3 and 0:1 on VS basis. Vinasse and CM ratio of 3:1 increased the specific methane production up to 55% regard to the weighted specific methane production of 0.65 m³CH4/kg VS. Mixtures between the substrates had a positive synergistic effect. CM improved buffer capacity diminishing the risk on acidification by drastic pH shift during vinasse digestion. Furthermore, vinasse allowed dilution of total ammonia nitrogen concentration avoiding ammonia inhibition. Since a higher methane production, vinasse and CM co-treatment improves the energy-recovery and economic feasibility of installing biogas plant as part of the ethanol production chain.

Residuos agroindustriales con potencial para la producción de metano mediante la digestión anaerobia / Agroindustrial wastes methanization and bacterial composition in anaerobic digestion

Las toneladas de residuos orgánicos que se generan anualmente en la agroindustria pueden aprovecharse como materia prima para la producción de metano. Para que los residuos orgánicos se puedan convertir a metano a gran escala, es importante que previamente se realicen sobre ellos pruebas de biodegradabilidad; un parámetro importante que conviene establecer es su potencial bioquímico de metano. En el presente trabajo se estudió la biodegradabilidad, la producción de metano y el comportamiento de poblaciones de eubacterias y arqueobacterias durante la digestión anaerobia de residuos de plátano, mango y papaya provenientes de la agroindustria, adicionando un inóculo microbiano. Los residuos de mango y plátano tenían mayor contenido de materia orgánica (94 y 75 %, respectivamente) que el residuo de papaya con base en su relación sólidos volátiles/sólidos totales. Después de 63 días de tratamiento, la mayor producción de metano se observó en la digestión anaerobia del residuo de plátano: 63,89 ml de metano por g de demanda química de oxígeno del residuo. Los resultados del potencial bioquímico de metano demostraron que el residuo de plátano tiene el mejor potencial para ser usado como materia prima en la producción de metano. A través de un análisis por PCR-DGGE con oligonucleótidos específicos se logró evaluar el tamaño y la composición de las poblaciones de eubacterias y arqueobacterias presentes en la digestión anaerobia de residuos agroindustriales a lo largo del proceso.

The tons of organic waste that are annually generated by agro-industry, can be used as raw material for methane production. For this reason, it is important to previously perform biodegradability tests to organic wastes for their full scale methanization. This paper addresses biodegradability, methane production and the behavior of populations of eubacteria and archaeabacteria during anaerobic digestion of banana, mango and papaya agroindustrial wastes. Mango and banana wastes had higher organic matter content than papaya in terms of their volatile solids and total solid rate (94 and 75 % respectively). After 63 days of treatment, the highest methane production was observed in banana waste anaerobic digestion: 63.89 ml CH4/per gram of chemical oxygen demand of the waste. In the PCR-DGGE molecular analysis, different genomic footprints with oligonucleotides for eubacteria and archeobacteria were found. Biochemical methane potential results proved that banana wastes have the best potential to be used as raw material for methane production. The result of a PCR- DGGE analysis using specific oligonucleotides enabled to identify the behavior of populations of eubacteria and archaeabacteria present during the anaerobic digestion of agroindustrial wastes throughout the process.

Efecto de la carga orgánica de la gallinaza de jaula en el potencial de biometanización / Effect of chicken manure organic load on biomethane potential

El propósito de este estudio fue evaluar el efecto de la carga orgánica expresada en función de la relación inóculo/sustrato (RIS) sobre el potencial de biometanización de la gallinaza de jaula usando como inóculo lodo estiércol bovino. Se llevaron a cabo ensayos de biodegradación anaerobia a temperatura mesofílica de 39 °C. Para cada una de las cargas orgánicas evaluadas (16.6, 11.0, 8.3, 6.6 y 5.5 g SV/L) se cuantificaron las variables: ácidos grasos volátiles totales, alcalinidad, concentración amonio y volumen acumulado de metano. El mayor potencial de biometanización (0.58 m³ CH4/kg SV) se alcanzó cuando la biodegradación anaerobia se llevó a cabo con una RIS de 1.0. Los resultados obtenidos demuestran que la gallinaza es un sustrato potencial para ser degradado por digestión anaerobia y el rendimiento del proceso es directamente proporcional a la concentración de sustrato. Este estudio también confirma que la RIS permite diluir la concentración de compuestos inhibitorios como el amonio en el caso de la gallinaza de jaula.

The aim of this study was to evaluate the effect of inoculum to substrate radio (ISR) on biomethane potential of chicken manure using cattle slurry as inoculum. Biomethane potential assays were carried out at 39 °C mesophilic temperature. Total fatty acids, total alkalinity, ammonium concentration and accumulative methane volume were measured to evaluate organic load (16.6, 11.0, 8.3, 6.6 y 5.5 g VS/L). The highest biomethane potential (0.58 m³ CH4/kg SV) was reached when anaerobic biodegradation was carried out to ISR of 1.0. The results demonstrated that chicken manure is a potential substrate to be degraded by anaerobic digestion and process performance is directly proportional to substrate concentration. This study also confirms that ISR allow dilution of inhibitory components as ammonium by the case of chicken manure.

Biodegradación anaerobia de las aguas generadas en el despulpado del café / Anaerobic biodegradation of wastewater generated in the pulping of coffee

El cultivo y procesado del café es una de las actividades agroindustriales más importantes en varios países de Latinoamérica; sin embargo, dicha actividad conlleva grandes impactos ambientales, ya que genera aguas residuales con alta carga contaminante. La peligrosidad ecológica de estos vertidos ha potenciado la búsqueda de alternativas para su tratamiento y disposición final. En este trabajo se empleó una comunidad microbiana proveniente del fluido ruminal vacuno, para investigar la factibilidad de su empleo en la depuración de aguas residuales provenientes del despulpado del café, mediante la disminución de la carga orgánica expresada como DQO, además del volumen de metano generado. La cinética de degradación fue seguida en un reactor por lotes, anaerobio y mesofílico de dos litros de capacidad, bajo diferentes condiciones de temperatura (28 y 36 ºC) y pH (4,6; 7 y 8,5). Los resultados mostraron un índice volumétrico de lodos de 0,44 mL/g y actividad metanogénica específica de 0,0076 gDQO/gSST*d. En la mayoría de los casos, los resultados de remoción de DQO fueron superiores a la mitad del contenido orgánico inicial, llegando a 91,2% con pH de 4,6 y 28 ºC en 16 días. Los resultados muestran que el consorcio bajo estudio es capaz de adaptarse al sustrato y degradar la mayor parte de su carga orgánica, lo cual lo convierte en una interesante opción biotecnológica para el tratamiento de vertidos del despulpado de café.

The cultivation and processed of coffee, is one of the agro-industrial activities more important in several countries in Latin America; however this activity involves high environmental impacts, because generate wastewater with high pollution load. The danger ecological these discharges, has maximized the search for alternatives of treatment and disposal. In this work, was used a microbial community from fluid ruminal of cow, to investigate the feasibility of your employment in the depuration of wastewater generated in the pulping of the coffee, through the reduction of organic matter expressed as COD, in addition of volume of methane generated. The kinetic of degradation was followed in a reactor batch, anaerobic and mesophilic of two liters of capacity, under different conditions of temperature (28 and 36ºC) and pH (4.6, 7 and 8.5). The results showed a volume index of sludge of 0.44 ml/g and activity specific methanogenic of 0.0076 gDQO/gSST*d. In most cases, the results of removal of COD was more than half of the initial organic content, reaching 91.2% with pH of 4.6 and 28 ºC in 16 days. The results show that the consortium under study is able to adapt to the substrate and degrade greater part of organic load, which makes it an interesting option biotechnology for the treatment of wastewater of pulping of coffee.