Janeth Sanabria1, Maria Fernanda Duran2 y Nelson Gutiérrez3
Se compararon los métodos de desplazamiento de líqiudo y cromatografía de gases para evaluar Actividad Metanogénica Especifica (AME) cuantrficando la producción de metano durante 40 días empleando como sustrato vinaza cruda. Los resultados obtenidos indican que el volumen de CH4 (mL. gDQO L1) reportado por el método desplazamioito es mayor con respecto al volumen de metano reportado por el método cromatográfico, no obstante, el análisis estadístico aplicado indicó que no se presentaron diferencias significativas (p:=-0,05) entre los dos métodos de cuantificación de producción de metano evaluados cuando el sustrato empleado es vinaza cruda.
Palabras clave: actividad metanogénica específica; desplazamiento de liquido; cromatografía de gases; producción de metano.
The purpose of this study was to carry out tests of displacement of liquid and gas chromatography for the evaluation of the specific methanogeruc activitys, quantifying the methane production during 40 days using as raw vinasse substrate. The results show that the amount of CH4 (mL . gDQO LJ) reported by the displacement method is greater with respect to the volume of methane reported by chromatographic method however, the statistical analysis did not show differences between them (pf=(l,05).
Key words: specific methanogenic activity; displacement of liquid; gas chromatograph); methane production.
Las vinazas son consideradas un residuo por las destilerías de caña de azúcar, estas son un subproducto derivado del proceso de la producción de alcohol, por cada litro de etanol producido se obtienen 13 litros de vinazas (Zolin et al, 2010), en el caso puntual de la industria azucarera del valle geográfico del río Cauca, se obtienen entre 0.8 hasta máximo tres litros de vinaza por cada htro de etanol (ASOCANA, 2010), como punto de referencia se toma la producción en el ano 2011 en el departamento del Valle del Cauca (Colombia) de 412 millones de litros de etanol (ASOCANA, 2011), es decir, aproximadamente 1230 millones de litros de vinazas al año. Las vinazas forman un efluente ácido con alta carga orgánica e inoigánica, incluyendo ácidos, carbohidratos, fenoles y compuestos insaturados; como resultado, presentan elevada Demanda Química de Oxigeno (DQO) y Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO5), alta concentración de sólidos y su inadecuado manejo puede causar problemas ambientales (especialmente en los ecosistemas acuáticos) y en la salud humana por su toxicidad (Caicedo et al, 2010).
Una propuesta reciente para tratamientos de efluentes industriales y domésticos considera im reactor anaerobio como unidad principal de depuración; estos tratamientos han sido responsables por el cambio en las condiciones de control y contaminación industrial, pues son tecnologías de bajo costo económico y energético (Anzola et al, 2008) y generan metano como una adicionalidad de gran valor (Cheirucharo, 2007).
La razón de evaluar la actividad microbiana dentro de la operación de los reactores anaerobios es que de ella depende la degradación de la materia orgánica del residuo. El ensayo de Actividad Metanogénica Especifica consiste en evaluar la capacidad de los microorganismos metanogémcos para convertir substrato orgánico en CH’ y CO2 (Anzola et al, 2008). Algunos métodos utilizados para la medición de la producción de metano en el ensayo de AME son desplazamiento de liquido, cromatografía gaseosa y respirometria (Chemicharo, 1997 citado por Riberio, 2007).
El método volumétrico o por desplazamiento de liquido está ampliamente difundido y aceptado en nuestro medio para la medición de la producción de metano en el tratamiento de aguas residuales domésticas principalmente por su simplicidad y economia. ya que solo se debe hacer pasar el biogás a través de una trampa de NaOH para capturar el CO2 y permitir el paso y la acumulación del CH*. La composición del biogás en un sistema de tratamiento anaerobio depende de la naturaleza de la matena prima digerida, es decir, del residuo que se emplea como material de partida para la obtención de biogás (Pistonesi, 2010), por ejemplo, el biogás resultante de un tratamiento de aguas residuales domesticas está compuesto aproximadamente de 70% de CH*y 30% de CO2 (Pistonesi, 2010), en el caso de las linazas el biogás producido a parte de CH* y CO2 condene N2, IPS, NH5 entre otros gases (Riberio, 2007), motivo por el cual además del método volumétrico el método manométrico o cromatografía gaseosa fue objeto de evaluación para medir la producción de metano a partir de vinazas.
El estudio se realizó en el laboratorio de Microbiología Ambiental del Programa Ingeniería Saratana y Ambiental de la Universidad del Valle, Santiago de Cali - Colombia.
Para esta investigación se emplearon vinazas del ingenio Mayagüez ubicado en la terraza media del valle geográfico del no Cauca en el municipio de Candelaria - Valle del Cauca, provenientes del proceso de destilación en la producción de alcohol carburante generado a partir de caña de azúcar, corno materia prima para la obtención de biogás. Se realizó una mezcla de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) en relación 73:23:4 (ácido acético - ácido propiómco - ácido butínco) con el fin de simular el contenido orgánico del agua residual domestica la cual file empleada corno control dada la amplia expenencia en AME con este residuo, el móculo empleado protiene del reactor UASB de la planta de tratamiento de agua residual de la central de sacrifico animal de CAVASA S.A ubicado en el municipio de Candelaria - Valle del Cauca, el efluente tratado en esta planta presenta alto contenido de sangre bovina, por lo tanto es rico en proteínas (Gil, 2011).
La vinaza fue caracterizada mediante los parámetros de DQO (288.787 mg L1), pH (4.42), SST (52.000 mg L4) y DBO’ (96,030 mg L4) según metodología APHA (2005).
Los ensayos de comparación de los métodos de medición de producción de metano a partir de vinazas se realizaron en condiciones de operación exactamente iguales tanto para el método por desplazamiento como por cromatografía (Tabla 1).
Tabla 1. Condición de operación de los reactores en la etapa de comparación
En la tabla 2 se presenta la nomenclatura del sustrato empleada para los dos métodos. Se instalaron 10 reactores por triplicado para llevar a cabo el ensayo de AME, 15 por cada método. El ensayo de Actividad Metanogénica Especifica se realizó durante 40 dias en reactores de 500 mL la siembra fue realizada en cámara de anaerobiosis. La fase líquida (volumen útil) estuvo compuesta por 236 mL de agua destilada, 3.5 mL del inoculo (1.5 g SSV. L‘) y 10.5 mL del sustrato (vinaza cruda, 4 g DQO. L ‘) (Díaz-Báez et al. 2002). Todas las botellas fueron sometidas a desplazamiento de O, con N2 (POE. 2008).
Los reactores y las trampas de NaOH se sellaron con tapones plásticos recubiertos con tapas de PVC, el reactor y la trampa se unieron mediante una manguera de 0.64 cm, la trampa tuvo adherida una aguja hipodénnica de 2.54 cm para permitir la salida del NaOH (figura 1).
El material empleado para los reactores incluye botellas de suero de 500 mL los niales están sellados con tapa rosca y septo de caucho (figura 2). Las pruebas se realizaron en ausencia de nutrientes debido a que el balance de nutrientes realizado a las vinazas demostró que cumplen con la relación C/NP requerida por los microorganismos anaerobios 350-5 — 1 (Cliemicharo. 1997 citado por Ribeno, 2007).
El sistema completo del método por desplazamiento y por cromatografía de gases se observa en la figura 3.
La mayoría de los digestores anaerobios operan entre 30 - 35°C porque la formación de metano a 20°C es baja (Díaz-Báez et al, 2002). La temperatura promedio de la ciudad de Cali durante el periodo de estudio osciló entre 24 y 26°C (Protiempo. 2012) por lo que se adecuó el montaje con bombillos de 60 \V los cuales proporcionaron una temperatura de 32 ±1°C.
Para procesar los resultados del ensayo de Actividad Metanogénica Especifica mediante cromatografía de gases y por desplazamiento de liquido, se realizó una prueba t de Student de comparación de medias con nivel de confianza del 95%. se realizaron pruebas de normalidad y homogeneidad de varianza mediante las pruebas de Shaphno Wtlks la prueba de Levene.
En la tabla 3 se observan las características fisicoquímicas de la vinaza empleada en los ensayos realizados en este trabajo proveniente del ingenio Mayagüez, Candelaria - Colombia.
De acuerdo a esta caracterización la biodegradabilidad anaerobia de la vinaza es DBO DQO: 0,33, las diferencias entre el contenido de DQO y DBO son grandes, lo que indica que existe lina alta proporción de componentes no biodegradable®. Por otro lado, los valores obtenidos de carbono, nitrógeno y fósforo arrojan una proporción óptima para el crecimiento de los microorganismos anaerobios 350:5:1 (Díaz-Baez. 2002) de acuerdo con la siguiente relación:
Teniendo en cuenta que el contenido de Caibono en la vinaza es de 289 g L~' y el máximo requerido para cumplir la relación CNP (350:5:1) es 67.9 g L' no es necesario la adición de elementos en los reactores biológicos de tratamiento anaerobio ya que el sustrato no presenta limitante en cuestión de nutrientes.
La siguiente figura 4 presenta el resultado en mL. gDQO L'1 de metano producido en el oisayo de actividad metanogénica de vinazas crudas durante 40 dias mediante los métodos cromatografía de gases y desplazamiento de liquido.
Como se observa en la figura 4, la producción de metano obtenido a partir de vinaza cruda tanto por el método por desplazamiento de líquido como por cromatografía gaseosa, es menor que el producido por los Acidos Grasos Volátiles (aproximadamente 27 mL. gDQO L4 de CH4 menos en cromatografía y 10 mL. gDQO L-* de CH4 menos en desplazamiento); esto se debe a que los ácidos grasos volátiles con bajo número de carbonos (ácido acético, propiónico y butírico) son fácilmente asimilados por bacterias acetogéincas transformándolos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono, productos de fermentaaón que dan lugar a tura eficiente metanogénesis (Díaz-Báez, 2002), por otro lado, la vinaza está compuesta por elementos inhibidores del crecimiento microbiano lo que hace de ésta un sustrato de difícil digestión, reflejándose en la capacidad de los microorganismos metanogémcos en convertir la vinaza en CH’. Los valores de biodegradabilidad son 1,7 y 033 para los AGV y la vinaza respectivamente.
Los resultados obtenidos en el ensayo de AME para vinaza cruda muestran que el volumen de CH4 (mL. gDQO L4) reportado por el método desplazamiento de líquido es mayor con respecto al volumen de metano reportado por el método cromatografía gaseosa, esto puede deberse a la presencia de gases como N_ H,S. NH, en el biogás resultante de la digestión anaerobia de la vinaza (Ribeiro, 2007), que al no reaccionar con el hidróxido de sodio tienden a acumularse en la trampa de NaOH y sobreestimar el valor de metano producido, ya que al analizar el gas contenido en la trampa mediante cromatografía de gases el valor obtenido es menor que el valor reportado por el volumen desplazado (tabla 4).
Como se mencionó anteriormente, el móculo empleado en los ensayos es neo en proteina. lo que puede explicar el hecho de la producción de metano en los reactores que contienen solo el inoculo, ja que ésta matena orgánica pudo ser asimilada por los microorganismos hidrolíticos e inducir la actividad metanogénica (Hsieh, 2009).
Los reactores que sirvieron como control de vinaza cruda y AGV sin inoculo no reportaron producción de metano por el método cromatografico. Por el método desplazamiento se obtuvo un valor máximo de 0.41 mL. gDQO L4 de CH4 para la vinaza cruda y de 0.12 para los AGV (Figura 5 lo cual puede ser efecto de la estabilización de los reactores ya que el volumen desplazado se obtuvo en los primeros 2 y 4 dias del ensayo.
En la tabla 5 se presenta el resumen de la producción de metano obtenida en los ensayos de Actividad Metanogénica Especifica realizados mediante los métodos de medición cromatografía gaseosa y desplazamiento de liquido. En la tabla se presentan las medias y desviaciones estándar y el valor de p para cada caso, basados en la lectura final (40 días).
La tabla 5 muestra que los valores de p para los sustratos vinaza ciuda y AGV (73:23:4) medidos por cromatografía de gases y por desplazamiento de líquido analizados estadísticamente mediante la prueba t student son mayores que 0,05 por lo tanto no hay suficiente evidencia para rechazar la hipótesis nula, es decir, no existen diferencias entre los dos métodos anteriormente mencionados cuando el sustrato evaluado es vinaza cruda.
La producción de metano reportada para el inoculo (inoculo control) por el método desplazamiento de liquido es cuatro veces superior al promedio reportado por cromatografía, por lo que el análisis estadístico mdica que si existe diferencia (p < 0,05) entre las mediciones reportadas por los dos métodos para este caso.
Tabla 5. Resumen de la producción de metano (mL. gDQO L-l) medido por los métodos desplazamiento y cromatografía de gases.
Para vinazas, la producción máxima de metano (40 dias) fue 29,23 mL. gDQO LJ reportada mediante el método por desplazamiento frente a 16,36 mL. gDQO L* de metano obtenido por el método cromatográfico.
El análisis estadístico indica que los métodos desplazamiento de liquido y cromatografía de gases no presentan diferencias representativas (p;=O,05) en cuanto a la cuantificación de la producción de metano cuando el sustrato es vinaza cruda.
Los resultados obtenidos en el ensayo de AME para vinaza cruda muestran que el volumen de CH4 (mL . gDQO L4) reportado por el método desplazamiento de líquido es mayor con respecto al volumen de metano reportado por el método cromatografía de gases, esto puede deberse a la presencia de gases como N¡, H,S, NH, en el biogás resultante de la digestión anaerobia de la vinaza (Ribeiro, 2007), que al no reaccionar con el hidróxido de sodio tienden a acumularse en la trampa de NaOH y sobreestimar el valor del metano producido.
Los autores expresan su agradecimiento al guipo de investigación GAOX y la Universidad del Valle, por la financiación y facihtar la realización de este estudio.
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