Estudio chino sobre la paja de arroz: el pretratamiento químico aumenta el rendimiento de biogás en un 36–45%

La paja de arroz es uno de los mayores recursos de residuos agrícolas de Asia, pero debido a su alto contenido en lignocelulosa, fermenta de manera lenta e incompleta. Un estudio del equipo de la Jiangsu Academy of Agricultural Sciences en Nankín (con coautores de la Southeast University), publicado en la revista BioResources en marzo de 2019, investigó si tres reactivos químicos económicos podían mejorar el rendimiento de biogás con un tiempo de pretratamiento corto. El mejor resultado lo obtuvo el hidróxido de calcio: 413,5 mL de biogás por gramo de materia seca orgánica, es decir, un 45,2% más que la paja sin tratar.

Metodología

La paja se mezcló con agua en una proporción de 1:3 y se trató a temperatura ambiente en un sistema «en seco» (solid-state). Las concentraciones (en relación con la masa) fueron: 3% de H₂O₂, 8% de Ca(OH)₂ y 5% de NH₃·H₂O. Se probaron tiempos de pretratamiento de 6, 24, 72, 120 y 168 horas. La fermentación se llevó a cabo de forma discontinua a 37 ± 1 °C en botellas de 1000 mL con un volumen de trabajo de 800 mL, utilizando 48 g de paja tratada (materia seca) y 500 g de inóculo en forma de digestato de lodos de depuradora. El pH se ajustó a 7,5, y el aire del espacio superior al medio se eliminó mediante purga con nitrógeno.

Resultados

Los autores concluyen que la reducción del tiempo de pretratamiento es viable para los tres reactivos, y que el Ca(OH)₂ proporcionó el mayor rendimiento en el menor de los tres tiempos óptimos (72 h); la diferencia entre la cal y los otros dos tratamientos fue estadísticamente significativa (P < 0,01), mientras que el H₂O₂ (168 h) y el NH₃·H₂O (120 h) no mostraron diferencias significativas. La velocidad volumétrica media de producción de biogás en estas variantes fue un 35,4–45,8% superior a la del control.

Cómo interpretar estos resultados

En primer lugar, el resultado principal se refiere al biogás, no al metano: el contenido medio de metano en el estudio fue de aproximadamente el 46%, y el rendimiento de metano tras los mejores pretratamientos osciló entre 182,6 y 198,0 mL/g SV (un 31,7–42,8% más que en el control, 138,7 mL/g SV). En segundo lugar, el ensayo discontinuo con un solo tipo de inóculo ofrece resultados dependientes de las condiciones; otros laboratorios podrían obtener valores distintos para la misma paja. En tercer lugar, el porcentaje de mejora respecto al control es más relevante que el valor absoluto, ya que depende menos de la muestra y del inóculo. Por ello, al elaborar tablas de BMP, se indica el método y el tipo de resultado (biogás o metano).

Relevancia práctica

Para una planta de biogás, el pretratamiento de la paja debe evaluarse desde el punto de vista económico: coste del reactivo, energía y tiempo, así como su impacto en el digestato (la cal eleva el pH y el contenido de calcio, y el amoníaco aumenta el contenido de nitrógeno). En explotaciones donde la paja es un residuo, puede ser suficiente un simple triturado y codigestión con purín (dependiendo de la proporción de paja en la dosis y de la instalación); la codigestión de paja de arroz con purín porcino, con pretratamiento microbiológico, se describe en una entrada aparte.

Por qué la paja de arroz es un sustrato difícil

Los autores destacan que el pretratamiento tiene como objetivo eliminar parte de la lignina y las hemicelulosas, lo que aumenta la accesibilidad de la celulosa para las enzimas. Mencionan los métodos químicos como prácticos, rápidos y económicos, pero señalan que el pretratamiento líquido clásico requiere mucha agua para el lavado o ácidos y bases para la neutralización, provoca corrosión y lixivia parte de la materia orgánica soluble. Por ello, en el estudio se aplicó un pretratamiento «en seco» a temperatura ambiente, sin lavado. En la práctica, la elección del reactivo depende del precio, la seguridad en la manipulación y su impacto en el digestato.

Cómo seleccionar el tiempo de pretratamiento

La conclusión más importante del estudio se refiere al tiempo: los mejores resultados se obtuvieron con tiempos de 72 h (cal), 120 h (amoníaco) y 168 h (peróxido de hidrógeno), es decir, de tres a siete días, sin procedimientos más largos. Para una empresa, esto implica la necesidad de realizar sus propias pruebas BMP en varios puntos temporales, en lugar de copiar parámetros de la literatura.

Advertencia sobre la comparabilidad

El estudio de BioResources sirve para comparar métodos de pretratamiento, no para determinar el BMP de la paja de arroz según un protocolo normalizado; por tanto, sus cifras deben considerarse como una ilustración de la magnitud del efecto del pretratamiento.

Qué implica esto para Polonia/Europa

Las pajas de cereales polacas presentan limitaciones similares por su contenido en lignocelulosa, como la paja de arroz. Los estudios asiáticos muestran que el pretratamiento alcalino puede mejorar la fermentación, pero requiere adaptación al sustrato y a la infraestructura. Para los diseñadores de instalaciones, lo más importante es realizar pruebas BMP con su propio sustrato, con y sin pretratamiento.