efecto de pre-tratamientos sobre la producción de biogás a

Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 9(21):1562 – 1580 2018

Memoria en extenso. XVII Congreso Internacional XXIII Congreso Nacional de Ciencias Ambientales

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Efecto de pre-tratamientos sobre la producción de biogás a partir de residuos

orgánicos de la industria procesadora de mango.

Pre-treatment effects on biogas production from organic residues obtained from

mango industry.

1Karla Denisse Luna Avelar, 2Nildia Yamileth Mejías Brizuela, 1Angel Valdez Ortiz, 1Lourdes

Janeth Germán Báez, 2§David Ulises Santos Ballardo.

1Facultad de Ciencias Químico-Biológicas, Universidad Autónoma de Sinaloa, Culiacán, Sinaloa. 2Universidad Politécnica de Sinaloa, Mazatlán, Sinaloa. § Autor de correspondencia:

[email protected]

RESUMEN El biogás es un biocombustible constituido principalmente por metano (CH4)

y dióxido de carbono (CO2), es obtenido mediante el proceso de digestión anaerobia (DA)

de materia orgánica. En la última década, diversos autores han analizado el empleo de

diferentes tipos de materias primas para ser sometidas al proceso de DA para la producción

de este biocombustible, destacando los residuos orgánicos provenientes de alimentos

debido a sus bajos costos, por lo que la conversión de dichos residuos biodegradables,

además de liberar energía alternativa en forma de biocombustibles, tienen un gran potencial

de reducir los problemas ecológicos de vertederos. Dentro de la DA es de suma importancia

aplicar pre-tratamientos que conlleven a la mejora de la biodisponibilidad a los

microorganismos. La presente investigación muestra el efecto de diferentes pre-

tratamientos sobre la digestión anaerobia para la producción de biogás a partir de residuos

orgánicos de mango (ROM). Se obtuvieron los ROM provenientes de la industria

procesadora Mazazul Organics S.A. de C.V. Se obtuvo una harina de ROM (sustrato), se

determinaron los sólidos totales (ST) y los sólidos volátiles (SV), y se aplicaron diferentes

pre-tratamientos: térmico, físico y biológico, variando condiciones de trabajo para para

determinar su efecto sobre la producción de biogás. Como resultado, se eligió el pre-

tratamiento térmico a 80 °C como el más eficiente en cuanto a producción de biogás,

obteniendo una mejora del 10.1 % en comparación a la DA de ROM sin pre-tratamiento.

Palabras claves: Biogás, Digestión Anaeróbica, Mango, Pre-Tratamientos, Residuos

Alimenticios.



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INTRODUCCIÓN

La industria alimentaria engloba a todas las empresas que desarrollan actividades

relacionadas con la transformación, la conservación o manipulación de productos

agroalimentarios principalmente destinados al consumo humano (Raventós, 2005). En la

Unión Europea (UE), la producción de alimentos y bebidas es considerada como la

industria manufacturera más importante (O’Shaughnessy, 2013), de forma similar, en

México es una de las actividades más relevantes de la economía, donde el 50 % del

mercado alimentario corresponde a los alimentos frescos o productos perecederos como el

pollo, carne o huevos; mientras que el porcentaje restante se reparte entre los productos

procesados, destacando la industria panadera y tortillera entre otras (Luke, 2016).

La industria alimentaria depende, en primera instancia, del medio ambiente natural para

garantizar un suministro de materias primas que permita obtener productos libres de

contaminantes adecuados para el consumo humano. Debido a esto, desde un contexto

ecológico, la mayoría de los análisis de factibilidad para la producción industrial de

alimentos, pone especial interés en el tratamiento que se da a los desechos, centrando su

atención en las cargas de contaminantes orgánicos arrojados al medio ambiente, ya que si

estas cargas no se evitan o controlan adecuadamente, tendrán un impacto negativo en los

ecosistemas (García, 2015)).

Dentro de los principales desechos de la industria alimentaria, se encuentran los asimilables

a urbanos, los residuos peligrosos, emisiones atmosféricas, y principalmente, los residuos

orgánicos (RO) (Analiter, 2001). Según datos de la FAO (2014), a nivel mundial se

desperdicia alrededor de un tercio de los alimentos producidos para consumo humano, lo

cual genera desechos per cápita de 223 kg anuales de residuos orgánicos.

Durante el 2015, cerca de 260 mil 920 toneladas de la producción total global de mango fue

exportado de México, destacando entre los estados productores Campeche, Colima,

Guerrero, Jalisco, Michoacán, Nayarit, Oaxaca y Sinaloa. Este último, uno de los

principales estados productores y exportadores de mango, se encuentra actualmente en la

tercera posición con aproximadamente el 14 % de la producción en el país, después de

Guerrero y Nayarit, con 22 y 17 %, respectivamente (SAGARPA, 2015).

Alrededor del 20 % de la producción de alta calidad es exportada, esto genera productos de

segunda calidad que permanecen en el país, aproximadamente 10 – 15 % de éstos, son

utilizados por las industrias para su procesamiento y elaboración de productos con valor

agregado. A pesar del aprovechamiento del mango para distintas actividades, existe una alta

producción de residuos orgánicos derivados de este producto; de hecho, del promedio

nacional de alimentos desperdiciados (37 %), aproximadamente 54.5 % se refiere a

desperdicios de éste (FAO, 2015).



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El aprovechamiento del mango radica principalmente en la forma en que éste es procesado,

al producir grandes cantidades de pulpa, este puede ser enlatado y/o congelado. Además,

otra manera de utilizar el fruto puede constar de la transformación del mismo a

mermeladas, deshidratados, botanas, y otros productos que le den valor agregado

(SAGARPA, 2015). Este tipo de industrias genera desperdicios de hasta un 40 – 50 % del

peso total del mango procesado, debido a la gran cantidad de sub-productos que se generan

durante su procesamiento, destacando principalmente la cáscara y el hueso, los cuales

generalmente no se aprovechan y son considerados como desperdicios.

No obstante, este tipo de residuos pueden ser reutilizados aprovechando su composición,

pues contienen una variedad de moléculas de interés, las cuales, podrían generar nuevas

entradas y fomentar el crecimiento económico con un sistema sustentable a partir del fruto,

evitando de esta manera su impacto en el medio ambiente (Poltronieri y D'Urso, 2016).

No obstante lo anterior, el manejo adecuado de los RO puede contribuir a generar

productos con valor agregado como compostas, humus, biocombustibles, entre otros;

destacando estos últimos como uno de los más importantes. El valor agregado que se da a

los RO, se debe a que a través de su degradación biológica se pueden obtener productos que

pueden coadyuvar al desarrollo de la sociedad y la tecnología. El componente principal de

este tipo de residuos es la materia orgánica, cuya característica biológica más importante es

que casi todos sus componentes pueden ser convertidos biológicamente en gases y sólidos

inertes. Por otro lado, conocer la composición química de los RO, permite definir la

cantidad y el tipo de materiales residuales necesaria para conseguir condiciones de proceso

que resulten adecuadas para una conversión biológica eficiente (Tchobanoglous y col.,

2003).

En función de lo anterior, una alternativa prometedora es la conversión de los RO en

biocombustibles a través del empleo de diferentes técnicas biotecnológicas como la

fermentación, la transesterificación, y la digestión anaerobia; utilizadas para la

bioconversión de azúcares y carbohidratos, aceites y grasas, y materia orgánica en general,

respectivamente, en bioetanol, biodiesel y biogás (Álvarez, 2009).

Los biocombustibles son aquellos productos energéticos que se obtienen a partir de

biomasa, la cual, se define como la materia orgánica generada a partir de los procesos

biológicos de algunos organismos vivos, o de sus desechos metabólicos, comprendiendo

productos tanto de origen vegetal como animal. El fundamento de los biocombustibles,

consiste en liberar la energía contenida en sus componentes químicos mediante reacciones

exergónicas, principalmente de combustión. Actualmente, existe un gran interés a nivel

mundial por la producción de biocombustibles como alternativa a los medios energéticos

tradicionales o fósiles, en la búsqueda de mejorar el proceso de suministro de las diversas

fuentes de energía. Por otro lado, uno de los objetivos principales del desarrollo de esta

tecnología es mitigar los daños generados por la emisión de gases de efecto invernadero,

los cuales se considera que están estrechamente relacionados con el cambio climático

global (Makareviciene y col., 2013).



1565

Debido a lo anterior, se ha promovido el avance de tecnologías energéticas sostenibles y

renovables que utilicen biomasa de bajo costo; un ejemplo de esto, es el caso de los RO

provenientes de la industria alimentaria, a los que sorprendentemente se les ha dedicado

poca o nula atención, lo que se traduce no solo en un desperdicio desde el punto de vista de

su gran potencial como fuente de bioenergéticos, si no también, en un problema de impacto

ambiental si no son tratados de manera adecuada. Con el fin de evitar dichos efectos

negativos al ambiente, una de las corrientes de mayor interés es aprovechar dichos residuos

como biomasa para producción de biocombustibles, como el biogás, tomando ventaja de su

alto contenido de materia orgánica disponible para su degradación durante el proceso de

digestión anaeróbica (DA) (Fenton y O-uHallacháin, 2012).

El biogás es una mezcla constituida principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono

(CO2), el cual tiene varias aplicaciones tales como combustible para vehículos, calefacción,

cocina, y la producción de electricidad. El biogás es obtenido mediante el proceso de

digestión anaerobia de materia orgánica, este proceso ya ha sido reportado para la

producción de biogás a partir de diversos desechos del procesamiento de alimentos, y

desechos de la agricultura basados en la industria (Okonko y col., 2009).

Estos presentan el potencial de ser tratados biológicamente para dar lugar a la generación

de productos útiles antes de su disposición final. Adicional a esto, el residuo de la digestión

anaerobia puede ser utilizado como un excelente acondicionador del suelo (Bouallagui y

col., 2003).

Para que este proceso sea controlable desde el punto de vista de la operación y el

rendimiento, es importante controlar parámetros como la temperatura, el tiempo de

retención hidráulica, la composición del substrato a utilizar, la relación C:N, entre otros

factores, los cuales afectan directamente a la producción de este biocombustible (Santos-

Ballardo y col., 2016).

La dificultad del proceso de DA de los RO industriales está relacionada con las cualidades

intrínsecas de su fuente, lo que genera variaciones en su descomposición durante la etapa

de hidrólisis. En este sentido, la aplicación de un pre-tratamiento, combinación de diversos

tipos de modificaciones fisicoquímicas de los sustratos a emplear en la AD, hace que estos

estén en condiciones de producir mayores rendimientos en cuanto a calidad del biogás

(Shah y col., 2015).

Los principales efectos que tienen los pre-tratamientos en los sustratos son la reducción del

tamaño de partícula, la solubilización, la mejora de la biodegradabilidad, y de la

biodisponibilidad de la materia orgánica, generando productos finales adecuados para ser

utilizados por los microorganismos acetogénicos y metanogénicos. Una clasificación

completa de los pre-tratamientos podría ser la que engloba a los térmicos, mecánicos,

químicos y biológicos, así como la combinación o aplicación de múltiples pre-tratamientos

(pre-tratamientos fisicoquímicos o bioquímicos) (Shah y col., 2015).



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En resumen, la alta cantidad de residuos orgánicos provenientes de la industria alimentaria,

representa un foco importante de contaminación, sin embargo también representa una

fuente desaprovechada de materia prima. Lo anterior, discierne de las tendencias mundiales

actuales en relación a las políticas medioambientales, basadas en el aprovechamiento

integral de la materia orgánica, y a la búsqueda de fuentes sustentables de energías

alternativas. Por ello, la digestión de residuos orgánicos provenientes de la industria

alimentaria, representa un sistema que podría coadyuvar a la producción eficiente de

energía alternativa, y que a su vez permitiría el aprovechamiento integral de los principales

alimentos de origen vegetal producidos en la región, coadyuvando a la generación de

energías en el ámbito de la sustentabilidad.

En el presente trabajo, se analiza el efecto de pre-tratamientos en la generación de biogás a

partir de residuos orgánicos vegetales provenientes de la industria alimentaria (procesadora

de mango), a través de un modelo de co-digestión con lodos residuales obtenidos de una

planta tratadora de agua. Con ellos, se busca desarrollar un sistema de manejo de los RO,

que coadyuve en la disminución del impacto ambiental de la industria alimentaria, y a su

vez, impulse la mejora en el balance energético del proceso de producción de

biocombustibles.

METODOLOGÍA

Obtención de residuos orgánicos de mango (ROM)

Los ROM derivados del procesamiento de mango (Mangifera indica L.) fueron

proporcionados por la empresa Mazazul Organics S. A. de C. V. de El Rosario, Sinaloa, con

la finalidad de generarles un valor agregado como posible biomasa para la producción de

biogás. Dichos ROM fueron separados en hueso y cáscara, para su posterior análisis de

manera individual.

Ambos se mantuvieron en refrigeración durante un periodo no mayor de 3 días para su

conservación. Previo al secado, las semillas se limpiaron manualmente, asegurándose de

quitar los restos de pulpa. Para facilitar la eliminación del agua se fragmentaron y se

colocaron en un horno de recirculación forzada previamente calentado a 60 °C; los huesos

y cáscaras se mantuvieron dentro del equipo durante 15 horas. Concluido el tiempo de

secado, se dejaron enfriar a temperatura ambiente durante media hora. Los huesos y

cáscaras de mango, previamente secados, se molieron para disminuir el tamaño de partícula

y facilitar su manejo (Tapia y col., 2013).

Caracterización de inóculo y ROM para la digestión anaeróbica (DA)



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Antes de realizar las pruebas de digestión anaeróbica se caracterizó el inóculo, así como los

ROM (hueso y cáscara); para determinar sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV), se

pesaron tres muestras de 1 g (± 0.1) de ROM (hueso y cáscara) y BR secas. Las muestras

fueron sometidas a 105 °C por 24 h y subsecuentemente se realizó la combustión de las

mismas (550 °C por 4 h) (APHA 1999).

Análisis elemental de las ROM

Para realizar este análisis, se pesaron 0.1 g de cada una de las ROM, utilizando una

microbalanza MX5 Mettler Toledo. Posteriormente, la determinación de C, H, N y S, se

llevó a cabo por combustión de las muestras a 1200 °C en atmosfera de oxígeno empleando

un analizador elemental CHNS Thermo Scientfic Flash 2000. Posteriormente se cuantificó

mediante cromatografía de gases.

Pre-tratamientos para la mejora en la producción de biogás

Con la finalidad de aumentar la producción de biogás, se llevó a cabo el análisis preliminar

de las diferentes condiciones de pre-tratamientos (térmico, físico y biológico) aplicados en

los ROM, que a continuación de describen.

Pre-tratamiento térmico

Se realizó siguiendo la metodología de González y col. (2012) con algunas modificaciones,

para ello, se fijaron tres temperaturas (70, 80 y 90 °C) y se realizaron mezclas de 3 g de

cáscara y hueso de mango (relación 1:1), las cuales se sometieron posteriormente a las

temperaturas antes señaladas, durante 3 horas en una estufa Lindberg Blue M. El

experimento se realizó por triplicado.

Pre-tratamiento mecánico

Se utilizó la sonicación como pre-tratamiento mecánico, empleando un aparato ultrasónico

fabricado por Vibracell W75043, según la metodología modificada de González y col.

(2012). Para ello, se elaboraron mezclas de 4.2 g de cáscara y hueso (relación 1:1), que

posteriormente se diluyeron al 10% utilizando agua destilada.

La sonda ultrasónica se hizo funcionar a una frecuencia constante de 42 kHz, el

experimento se realizó por triplicado variando los tiempos de exposición de la mezcla: 15,

30 y 45 minutos.

Pre-tratamiento biológico

Se llevó a cabo mediante hidrólisis enzimática con la enzima comercial Pectinex ultra SPL

(Novo Nordisk Ferment), la cual es una pectinasa-celulasa que desdobla los complejos de

pectina y celulosa. Se siguió la metodología de García y col. (2015) para el proceso de

hidrólisis; para ello, se utilizó una combinación de cáscara y hueso de mango (relación 1:1)



1568

que posteriormente fue diluida en agua destilada en una relación 5:1 (agua:sustrato). Para

evaluar el proceso de hidrólisis, se añadieron diferentes concentraciones de la enzima: 200,

500 y 800 ppm a la soluciones anteriores; estas se sometieron a una temperatura de 40°C

durante 60 minutos, para asegurar la actividad enzimática. Una vez transcurrido el tiempo

de activación, la enzima se inactivó a 90 ºC durante 5 min.

Análisis del efecto de las condiciones de los pre-tratamientos aplicados a los ROM sobre la

producción de biogás

El análisis de la producción de biogás se realizó a partir de la digestión anaeróbica de los

ROM pre-tratados bajo las diferentes condiciones, anteriormente descritas. Para ello, se

realizaron pruebas anaeróbicas por lotes para la medir la producción de biogás, basadas en

los procedimientos modificados descritos por Ferrer y col. (2008). Previo a la realización

de los experimentos, el inóculo mesofílico obtenido de la cervecería del Pacifico, se

mantuvo 5 d en inanición, a 37 ± 2 °C; hasta que la producción de biogás endógena fue

indetectable, se procedió a ejecutar los ensayos de potencial de producción de biogás

(Ferrer y col., 2008).

Los experimentos de producción de biogás se realizaron por triplicado utilizando botellas

de vidrios selladas (150 mL), equipadas con un septo para punción hermético y directo para

la medición del volumen. Se analizó la producción de biogás a partir de los ROM pre-

tratados, empleando una relación 1:1 (cáscara:hueso); dicha producción fue medida

empleando un eudiómetro, que arrojó el volumen (en ml) de biogás producido mediante el

desplazamiento del líquido (agua) contenido en él. Simultáneamente se desarrollaron

pruebas de control negativo (conteniendo inóculo solamente) para monitorear la producción

de biogás de los inóculos debido a su actividad endógena, los resultados de las pruebas

control se utilizaron para corregir la producción de biogás residual. Además, de controles

positivos (conteniendo ROM no pre-tratados), para realizar con ello, la comparación entre

la producción de biogás a partir de ROM con y sin pre-tratamientos.

Análisis estadístico

Los resultados del análisis elemental de inóculos, fueron analizados estadísticamente por

separado, mediante una ANOVA de un factor (tipo de biomasa). Además, los resultados del

volumen de biogás generado a partir de la digestión anaeróbica de ROM pre-tratados

térmica, física y biológicamente, se analizaron por separado mediante un ANOVA de 1

factor (temperatura, tiempo de sonicación y concentración de enzima, respectivamente)

para determinar la condición de pre-tratamiento que arrojó una mayor producción de

biogás.

Al encontrarse diferencias significativas, se realizó además, la comparación de medias

mediante la prueba de rangos múltiples de Fisher (LSD, p ≤ 0.05).



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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización de inoculo y ROM

Los ST corresponden a aquellos sólidos sedimentables, que incluyen sales y minerales

disueltas, e incluso materia orgánica, que a su vez, forma parte de la fracción de SV, al

igual que otros compuestos inorgánicos capaces de volatilizarse durante la incineración al

caracterizar dicha MO (APHA 1999). En la tabla 1, se resumen los resultados obtenidos

durante la caracterización del inóculo y de los sustratos (ROM).

Los ST del inóculo presentaron un valor de 4.04 ± 0.05 %, estos valores pueden ser

considerados bajos, sin embargo, esto es característico en lodos activados, debido a que se

trata de masas de flóculos con material biológico en suspensión y una alta cantidad de agua

que los contienen (Ingraham e Ingraham, 1998); mientras que los SV presentaron un valor

de 42.57± 0.22 %, valores cercanos a los reportados por Dinuccio y col (2010) cuyo

inóculo consistió en lodo digerido de una planta de co-digestión (ST = 7.62 % y SV = 70.00

%), y similares a los reportados por Santos-Ballardo y col (2015), quieres utilizaron dos

lodos activados: uno obtenido de la planta tratadora de agua de la Ciudad de Sabadell,

Barcelona (ST = 2.44 % y SV = 67.40 %) y el inóculo proveniente del Ecoparc de la ciudad

de Montcada, Barcelona (ST = 7.19 % y SV = 55.78 %).

En cuanto a los ST y SV de los sustratos que fueron determinados al material deshidratado

(lo cual puede observarse en los altos valores de ST > 86 %), pueden compararse con lo

reportado por diversos autores. Madhukara y col (1993) reportaron para CM deshidratada al

sol, un porcentaje de ST de 73.56 y 91.8 % de SV, mientras que Anhuradha y Mullai

(2010) señalaron 96.24 % de ST y 92.3 % de SV; por otra parte, Nzikou y col (2010)

reportaron un 96.8 % de SV en HM, muy similar a lo reportado en la presente

investigación.

Tabla 1. Características de inóculos y sustratos empleados en el proceso de digestión

anaerobia

Parámetro INO CM HM

ST (%) 4.04 ± 0.05 93.26 ± 0.26 86.11 ± 0.38

SV (% ST) 42.57 ± 0.22 95.55 ± 0.05 98.17 ± 0.10

C:N N/A 76.0 68.4

Los valores representan el promedio de tres mediciones con su desviación estándar. INO = Inóculo;

CM = Cáscara de mango; HM = Hueso de Mango; ST = Sólidos totales; C:N= Relación

Carbono:Nitrógeno; SV = Sólidos volátiles; N/A = No analizado



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Referente a los valores reportados en el análisis elemental (Tabla 2), el mayor valor

exhibido por los ROM fue en cuanto a su contenido de C, seguido por el H, dado que

presentan entre sus componentes mayoritarios, carbohidratos y lípidos; en cambio, la baja

cantidad de N y casi nula de S, podría adjudicarse a la poca cantidad de aminoácidos y

proteínas que están presentes en su composición, alcanzando alrededor de 3 % en CM y

aproximadamente el 7 % en HM en contenido proteico (Nzikou y col 2010; Ashoush and

Gadallah 2011). Los valores expuestos en la presente investigación, se muestran similares a

lo reportado por Nagle y col (2011) quienes emplearon los residuos de este fruto variedad

Chok Anan, propia de Tailandia, para evaluar su potencial como biomasa para la

producción de biocombustibles, reportando para CM 41.60, 7.04, 0.91 y 0.08 %, mientras

que para HM 43.8, 6.79, 1.13 y 0.09 % de C, H, N y S, respectivamente en ambos residuos.

Tabla 2. Análisis elemental (C, H, N y S) de sustratos

Material Elementos

% C % H % N % S

CM 44.86 (0.35) 6.04 (0.04) 0.59 (0.01) < 0.1

HM 41.72 (0.29) 5.99 (0.09) 0.61 (0.06) < 0.1

Los valores representan el promedio de tres mediciones con su desviación estándar entre paréntesis.

CM = Cáscara de mango; HM = Hueso de Mango; % C = porcentaje de carbono; % H= porcentaje

de hidrógeno; % N= porcentaje de hidrógeno; % S= porcentaje de azufre.

Evaluación de pre-tratamientos para la mejora en la producción de biogás de ROM

La presencia de compuestos complejos en la materia orgánica que compone los ROM, tales

como celulosa, hemicelulosa, pectina, lignina, almidón, entre otros, hace difícil la

degradación de la misma por la población microbiana durante la DA, por ello, resulta

recomendable la aplicación de técnicas térmicas, físicas, químicas, biológicas, o la

combinación de éstas para el aumento de la biodegradabilidad de dichos componentes

presentes en este sustrato (Zafar y Zidhu, 2017). A continuación se presentan los resultados

obtenidos durante el presente trabajo.

Efecto del pre-tratamiento térmico sobre la producción del biogás



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En la figura 1, se muestra el efecto de las diferentes temperaturas de pre-tratamiento

térmico sobre la producción diaria (Fig. 1A) y la producción acumulada (Fig. 1B) de biogás

(mL ∙ gSV-1). En ambas figuras se puede apreciar que la producción de biogás a partir de

ROM pre-tratados presentó un comportamiento similar a la producción generada por el

control (ROM sin pre-tratamiento). A pesar de no mostrar diferencias significativas, los

ROM pre-tratados exhibieron una ligera mejora que se reflejó en un aumento en la

producción de biogás, siendo 80 °C la temperatura de pre-tratamiento que arrojó el mayor

aumento de 10.1 %, mientras que al exponer a 70 y 90 °C se obtuvieron mejoras de 8.3 y

6.7 %, respectivamente.

Ariunbaatar y col. (2014) pre-trataron su sustrato a temperaturas en un rango de 70 a 140

°C, ellos obtuvieron un mayor rendimiento al pre-tratar térmicamente a 80 °C, al igual que

en esta investigación, alcanzando un aumento de 52 % en cuanto a producción de CH4,

cabe señalar que fue mayor a lo obtenido en el presente estudio y que sus resultados se

basaron en la mejora de la producción de metano, a diferencia de la presente investigación,

que como prueba preliminar se basó en medir la mejora en cuanto a producción de biogás;

además el sustrato utilizado difería en su composición a los ROM, ya que se trataba de

residuos de alimentos con una proporción mayoritaria de frutas y verduras, sin embargo,

también contenía residuos cárnicos y de pescado; un resultado similar fue reportado por

Yeshanew y col. (2016), quienes emplearon un sustrato semejante compuesto de las

mismas fracciones de residuos de alimentos, obteniendo una mejora de 28.1 % en cuanto a

producción de CH4 al pre-tratarlo a 80 °C, comparado con el sustrato sin pre-tratar.

Consecuentemente la diferencia en las mejoras obtenidas podría adjudicarse a la parte

proteica aportada por la fracción de carne y pescado en el sustrato; dado que los

compuestos orgánicos tales como proteínas y carbohidratos se solubilizan de manera

eficiente durante el pre-tratamiento térmico a temperaturas < 100 °C, estos compuestos

presentan un coeficiente de rendimiento relativamente alto en cuanto a su degradación y

conversión en biogás (Xue y col., 2015), sin embargo, los ROM presentan además, otros

compuestos con menor grado de solubilización.



1572

Figura 1. Tendencia de la producción de biogás diaria (A) y acumulada (B) a partir de la DA de

ROM pre-tratados térmicamente, bajo diferentes condiciones de temperatura. Los datos representan

el promedio ± desviación estándar (N = 3).

Además, se ha sugerido que el pre-tratamiento térmico a temperaturas inferiores a 100 °C

no ocasiona la degradación de las moléculas complejas, sino que simplemente induce el

desdoblamiento de dichas macromoléculas para aumentar su solubilización (Prorot y col.,

2011).

Efecto del pre-tratamiento físico / mecánico sobre la producción del biogás

La reducción de tamaño de partícula y el aumento de superficie de contacto son los

objetivos principales del pre-tratamiento físico, siendo la sonicación, uno de los métodos

mayormente empleados para este fin, el cual permite el rompimiento de la estructuras

celulares complejas aumentando la degradabilidad de la MO, y por ende, la producción de



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biogás. En la figura 2 se muestra el efecto de los diferentes tiempos de exposición a la

sonicación del pre-tratamiento físico sobre la producción diaria (Fig. 2A) y la producción

acumulada (Fig. 2B) de biogás (mL∙ gSV-1); el TRH del proceso anaeróbico fue de 28 días,

durante ese periodo, la tendencia diaria de producción se mostró similar entre los diferentes

tiempos de sonicación y el control (sin pre-tratamiento). Sin embargo, la producción

acumulada de biogás de la DA de ROM sin pre-tratar alcanzó 438.9 mL ∙ gSV-1, mientras

que la producción de biogás generada por los ROM pre-tratados fueron de 377.0, 422.8 y

392.0 mL ∙ gSV-1, al exponerlos a 15, 30 y 45 min de sonicación (42 kHz),

respectivamente; dichos resultados indican la nula mejora en producción de biogás que se

obtuvo mediante la aplicación de este pre-tratamiento en los ROM.


ROM pre-tratados físicamente, bajo diferentes tiempos de sonicación. Los datos representan el

promedio ± desviación estándar (N = 3).



1574

Cabe señalar que la mayoría de las investigaciones se enfocan en la aplicación de

sonicación sobre sustratos líquidos (lodos de plantas tratadoras de agua o efluentes de

procesadoras de alimentos, entre otros), como lo reportado por Palmowski y col. (2006),

quienes obtuvieron una mejora del 5.8 % al pre-tratar el efluente de una industria lechera

mediante sonicación a una amplitud de 24 kHz; sin embargo, existen algunas

investigaciones que han reportado la aplicación de este tipo de pre-tratamiento sobre

residuos sólidos, señalando mejoras en los resultados en cuanto al incremento en

producción de biogás, tal como lo reportaron Cesaro y Belgiorno (2012), quienes lograron

un aumento del 16 % en producción de biogás a partir de la DA de la fracción orgánica de

residuos municipales pre-tratados a 20 kHz, mientras que Zeynali y col., (2017) al pre-tratar

una mezcla de residuos de frutas y verduras, a la misma amplitud de onda durante 18 min,

lograron una mejora del 80%, sin embargo, es importante que señalar que estos últimos

investigadores reportaron mejoras en cuanto a producción de CH4.

Las ondas sonoras de baja frecuencia, alrededor de 20 - 40 kHz resultan ser más efectivas

en cuanto a la desintegración de la matriz flocular (en el caso de residuos líquidos) y la

posterior lisis de estructuras celulares (Carrère y col., 2010), mientras que la sonicación de

alta frecuencia provocan la oxidación del sustrato debido a la formación de radicales libres,

lo cual induce a un bajo grado de desintegración del sustrato, y por ende, a una baja

reducción de SV durante la DA; esto podría ser la causa principal de la nula mejor que se

obtuvo en la presente investigación, debido a que se empleó una amplitud de 42 kHz para

pre-tratar a los ROM (Tiehm y col., 2001).

Efecto del pre-tratamiento biológico sobre la producción del biogás

En la figura 3 se muestra el efecto de las diferentes concentraciones de la enzima comercial

empleada para el pre-tratamiento biológico, sobre la producción diaria (Fig 3A) y la

producción acumulada (Fig 3B) de biogás (mL ∙ gSV-1). El TRH del proceso anaeróbico

fue de 29 días, durante ese periodo de tiempo se observó mayor variación en la producción

de biogás diaria de los diferentes pre-tratamientos en comparación al control (sin pre-

tratamiento). No obstante, al analizar posteriormente la producción acumulada de biogás, se

obtuvieron mejoras en la producción del mismo, que fueron de 11.4, 8.7 y 4.0 % al pre-

tratar enzimáticamente los ROM bajo las concentraciones de 200, 500 y 800 ppm,

respectivamente; siendo 200 ppm la mejor concentración de pre-tratamiento biológico, en

cuanto una mayor producción de biogás en este estudio. Cabe señalar que a nivel comercial

esta concentración es utilizada para la extracción de aceite de diversos frutos, así como para

la clarificación de jugos, aprovechando la actividad celulasa-pectinasa de esta enzima

(Novozyme, 2006).

Adicionalmente, los resultados aquí obtenidos fueron mayor a lo reportado por Luste y col.

(2009), quienes pre-trataron biológicamente diferentes tipos residuos de la industria

procesadora de cárnicos con una enzima comercial con actividad proteasa- amilasa-lipasa

no obteniendo mejora al pre-tratar las vísceras, y solo el 2.9 % en producción de CH4 al

pre-tratar lodos procedentes de la misma procesadora.



1575


ROM pre-tratados biológicamente con diferentes concentraciones de enzima. Los datos representan

el promedio ± desviación estándar (N = 3).

Por otra parte, a pesar de que existen pocos reportes en cuanto a la mejora en la producción

de biogás en la DA de residuos de mango, las investigaciones relacionadas a este pre-

tratamiento, apuntan a que resulta factible la acción de microrganismos con este fin, tal y

como lo señalan Madhukara y col. (1993), quienes ensilaron cáscara de mango durante 6

meses logrando un aumento de 58 % en la producción de biogás, mientras que Devi y Nand

(1989), mediante un pre-tratamiento biológico de 6 días lograron aumentar 8 veces la

producción en comparación de la cáscara de mango sin pre-tratar. Es importante señalar

que a pesar de las mejoras señaladas, es necesario tiempo adicional para la aplicación de



1576

dichos pre-tratamientos, dado que los microorganismos requieren un tiempo dedicado a su

aclimatación anterior a la DA.

En cambio, la degradación enzimática es uno de los pre-tratamientos biológicos más

prometedores, puesto que muchas veces por su complejidad, los polímeros y compuestos de

alto peso molecular no se fragmentan completamente durante la etapa de hidrolisis,

afectando las etapas posteriores de la DA. Es por esto que la adición de enzimas tiene como

propósito el rompimiento de dichos compuestos en el sustrato, mejorando

consecuentemente aún más la tasa de hidrólisis de los residuos orgánicos antes del proceso

de digestión (Salihu y Alam, 2016).

Comparación entre los mejores pre-tratamientos aplicados a la ROM.

En la tabla 3 se resumen los parámetros que fueron empleados durante la DA de los ROM,

se señala también el rendimiento de mejora obtenido al aplicar dichas condiciones en

cuanto a producción de biogás (mL ∙ gSV-1), comparado con la producción generada de los

ROM sin pre-tratar.

Tabla 3. Condiciones de operación y resumen de resultados obtenidos posterior a la

aplicación de pre-tratamientos de mejora, bajo diferentes condiciones.

Los valores representan el promedio de tres mediciones con su desviación estándar. ND = No

determinado. SP = Sin pre-tratamiento.

CONCLUSIONES



1577

La caracterización de la MO de los sustratos mostraron valores de ST y SV característicos

de CM y HM, asimismo, la caracterización del inóculo arrojó valores de ST y SV propios

de los materiales biológicos empleados comúnmente en estos procesos anaeróbicos para la

producción de biogás. Por otro lado, la evaluación de las condiciones de cada tipo de pre-

tratamiento aplicado en los ROM, arrojó al pre-tratamiento térmico a 80 °C durante 3 h, al

pre-tratamiento físico/mecánico mediante sonicación a 42 kHz por 30 min y al pre-

tratamiento biológico con una concentración de 200 ppm de enzima comercial Pectinex

Ultra SPL (Novo Nordisk Ferment), como las mejores condiciones que serán empleadas

para la mejora de la producción de biogás a partir de la DA de CM y HM, destacando entre

estos diferentes procesamientos el pre-tratamiento térmico, aunque, se recomendaría

realizar un estudio del balance de costo/energético de los tres pre-tratamientos para lograr

una mejor determinación del mejor proceso para mejorar la productividad de biogás a partir

de los residuos agroindustriales de mango.

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