Revista Amazónica y Ciencia y Tecnología, enero - abril 2018 Volumen 7 (1): 1-13|
Revista Amazónica Ciencia y Tecnología
ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN
Análisis cinético de la biodegradabilidad anaerobia de la cachaza con pretratamiento
termoalcalino en la producción de metano
Kinetic analysis of biodegradability anaerobia of the filter cane with pre-treatment
thermoalcalino in the production of methane
Jorge Manuel Ríos Obregón
1
, Regla María Bernal Gutiérrez
1
, Lisbet López González
2
, Janet Jiménez Hernández
2
,
Yelinnay García Pérez de Villamil
3
, Leobel Morell Perez. .
1
Universidad Estatal Amazónica, Ecuador,
2
Universidad de Sancti Spiritus “José Martí Pérez”, Cuba,
3
Gobierno
Autónomo Descentralizado Provincial de Pastaza, Ecuador
*Autor de correspondencia: jrios@uea.edu.ec (J.M. Ríos Obregón)
Resumen
La cachaza, es el principal residuo del proceso de fabricación de azúcar y su elevado volumen se ha
convertido en un importante contaminante del entorno. El pretratamiento termoalcalino constituye un
método eficaz dada la naturaleza de la cachaza y permite una mayor producción de metano en condicio-
nes anaeróbicas. En esta investigación se realiza un análisis cinético de la biodegradabilidad anaeróbica
de la cachaza previamente tratada, a diferentes tiempos, con hidróxido de sodio NaOH, como agente
químico y temperatura de 75
o
C. Para el estudio se tomó cachaza proveniente el ingenio azucarero
“Melanio Hernández”, provincia de Sancti Spíritus; Cuba y su caracterización físico-química se realizó
mediante el análisis de sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV) y Ph. Se determinaron los parámetros
cinéticos por digestión anaeróbica en condiciones mesófilicas (37± 1 ˚C) se obtiene que los modelos
cinéticos que describieron el mejor comportamiento de la digestión anaerobia fueron el de Hill y Chap-
man con un alto coeficiente de correlación. Los menores rendimientos alcanzados comparados con la
literatura para otros sustratos pueden estar afectados por compuestos no deseados que pudieran solubili-
zarse y afectar el proceso de digestión anaerobia. La oxidación de la lignina a compuestos fenólicos
solubles es un riesgo por su posible efecto inhibitorio sobre el proceso de digestión anaerobia. Entre
ellos, se encuentran ácidos, aldehídos y alcoholes aromáticos. También las reacciones de Maillard
pueden ocurrir bajo condiciones termo-alcalinas con sustratos que contienen proteínas y carbohidratos,
como es el caso de estudio, con la formación de compuestos recalcitrantes como son las melanoidinas.
Palabras claes: Hidrólisis, residuos, digestión anaerobia, metano, cachaza, pretratamiento
Abstract
Filter cane is the main residue of the sugar manufacturing process and its high volume has become an
important pollutant of the environment. The thermoalkaline pretreatment is an effective method given
the nature of filter cane and allows a greater production of methane in anaerobic conditions. In this
research, a kinetic analysis of the anaerobic biodegradability of the previously treated filter cake is
carried out, at different times, with sodium hydroxide NaOH, as chemical agent and temperature of 75
0C. For the study filter cane was taken from the sugar mill "Melanio Hernández", located in the provin-
ce of Sancti Spíritus; Cuba and its physical-chemical characterization was carried out through the analy-
sis of total solids (ST), volatile solids (SV) and Ph. Kinetic parameters were determined by anaerobic
digestion in mesophilic conditions (37 ± 1 ° C) is obtained that the kinetic models that describe the
improved performance of anaerobic digestion were Chapman Hill and with a high correlation coeffi-
cient. The lower yields achieved compared with the literature for other substrates may be affected by
undesirable compounds that could be solubilized and affect the anaerobic digestion process. Oxidation
Recibido: 14 - 12 - 2017 ● Aceptado: 18 - 04 - 2018● Publicado: 30 - 04 -2018
© 2018 Universidad Estatal Amazónica, Puyo, Ecuador.
Disponible gratuitamente en http://revistas.proeditio.com/revistamozonica ● www.uea.edu.ec
Impresa ISSN 1390-5600 ● e-ISSN 1390-8049
of lignin to soluble phenolics is a risk for possible inhibitory effect on the anaerobic digestion process.
Among them are acids, aldehydes and aromatic alcohols. Maillard reactions can also occur under
thermo-alkaline conditions with substrates containing proteins and carbohydrates, as is the case of the
study, with the formation of recalcitrant compounds such as melanoidins.
Keywords: Hydrolysis, waste, anaerobic digestion, methane, filter cane, pretreatment.
Análisis cinético de la biodegradabilidad anaerobia de la cachaza con pretratamiento termoalcalino
Ríos Obregón et al.
Revista Amazónica y Ciencia y Tecnología, 2018 Volumen 7 (1): 12-18
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Resumen
La cachaza, es el principal residuo del proceso de fabricación de azúcar y su elevado volumen se ha
convertido en un importante contaminante del entorno. El pretratamiento termoalcalino constituye un
método eficaz dada la naturaleza de la cachaza y permite una mayor producción de metano en condicio-
nes anaeróbicas. En esta investigación se realiza un análisis cinético de la biodegradabilidad anaeróbica
de la cachaza previamente tratada, a diferentes tiempos, con hidróxido de sodio NaOH, como agente
químico y temperatura de 75
o
C. Para el estudio se tomó cachaza proveniente el ingenio azucarero
“Melanio Hernández”, provincia de Sancti Spíritus; Cuba y su caracterización físico-química se realizó
mediante el análisis de sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV) y Ph. Se determinaron los parámetros
cinéticos por digestión anaeróbica en condiciones mesófilicas (37± 1 ˚C) se obtiene que los modelos
cinéticos que describieron el mejor comportamiento de la digestión anaerobia fueron el de Hill y Chap-
man con un alto coeficiente de correlación. Los menores rendimientos alcanzados comparados con la
literatura para otros sustratos pueden estar afectados por compuestos no deseados que pudieran solubili-
zarse y afectar el proceso de digestión anaerobia. La oxidación de la lignina a compuestos fenólicos
solubles es un riesgo por su posible efecto inhibitorio sobre el proceso de digestión anaerobia. Entre
ellos, se encuentran ácidos, aldehídos y alcoholes aromáticos. También las reacciones de Maillard
pueden ocurrir bajo condiciones termo-alcalinas con sustratos que contienen proteínas y carbohidratos,
como es el caso de estudio, con la formación de compuestos recalcitrantes como son las melanoidinas.
Palabras claes: Hidrólisis, residuos, digestión anaerobia, metano, cachaza, pretratamiento
Abstract
Filter cane is the main residue of the sugar manufacturing process and its high volume has become an
important pollutant of the environment. The thermoalkaline pretreatment is an effective method given
the nature of filter cane and allows a greater production of methane in anaerobic conditions. In this
research, a kinetic analysis of the anaerobic biodegradability of the previously treated filter cake is
carried out, at different times, with sodium hydroxide NaOH, as chemical agent and temperature of 75
0C. For the study filter cane was taken from the sugar mill "Melanio Hernández", located in the provin-
ce of Sancti Spíritus; Cuba and its physical-chemical characterization was carried out through the analy-
sis of total solids (ST), volatile solids (SV) and Ph. Kinetic parameters were determined by anaerobic
digestion in mesophilic conditions (37 ± 1 ° C) is obtained that the kinetic models that describe the
improved performance of anaerobic digestion were Chapman Hill and with a high correlation coeffi-
cient. The lower yields achieved compared with the literature for other substrates may be affected by
undesirable compounds that could be solubilized and affect the anaerobic digestion process. Oxidation
of lignin to soluble phenolics is a risk for possible inhibitory effect on the anaerobic digestion process.
Among them are acids, aldehydes and aromatic alcohols. Maillard reactions can also occur under
thermo-alkaline conditions with substrates containing proteins and carbohydrates, as is the case of the
study, with the formation of recalcitrant compounds such as melanoidins.
Keywords: Hydrolysis, waste, anaerobic digestion, methane, filter cane, pretreatment.
Introducción
Millones de toneladas de residuos sólidos
son producidos en la actualidad y solo una
pequeña parte se utiliza para la producción
de energía; el resto contamina el medio
ambiente. Es por ello que se impone la nece-
sidad de estudiar estos residuos y aplicar
métodos alternativos que contribuyan a
mejorar la eficiencia del proceso de estabili-
zación de los mismos.
La generación de energía a partir de
biomasa es una de las fuentes renovables con
mayor potencialidad en Cuba, proveniente
de residuales de vacunos y de porcinos, de la
producción de azúcar, alcohol, despulpado-
ras de café y de vertederos sanitarios, que
constituyen hoy día, en su conjunto, una vía
de contaminación ambiental. (Contreras,
López, & Romero, 2006)
La cachaza o torta de filtro es el principal
residuo de la industria del azúcar de caña,
produciéndose de 30 a 50 Kg. por tonelada
de materia prima procesada, lo cual repre-
senta entre 3 y 5 % de la caña molida. Este
porcentaje y su composición varían con las
características agroecológicas de la zona,
con el cultivar cosechado, eficiencia de
fábrica, método de clarificación empleado,
entre otros factores. Esta por su alto conteni-
do de materia orgánica insoluble 85 % (Sán-
chez et al., 1996) , precio relativamente bajo
y por los grandes volúmenes generados
hacen de esta biomasa una fuente atractiva
para los procesos de bioconversión.
A pesar de los múltiples usos que tiene la
cachaza, permanecen grandes cantidades de
este residuo sin ser utilizadas lo cual trae
como consecuencia serios problemas de
contaminación en las zonas destinadas a su
deposición y solo una pequeña parte recibe
algún tipo de tratamiento. Un método efecti-
vo y práctico que se aplica es someter este
residual a deshidratación por calor, obtenien-
do como resultado un material más estable y
de fácil manejo llamado melote (Sarria,
1990).
En Cuba se ha recurrido a la descomposi-
ción anaerobia de la cachaza como alternati-
va de tratamiento (Cruz, 1991) (González,
1995). Para ello se emplean grandes volúme-
nes de agua (relación en volumen 1:4, cacha-
za: agua) con el objetivo de diluir el elevado
contenido de sólidos en suspensión. Si bien
hay avances en el estudio del tratamiento de
residuos sólidos a nivel internacional, aún
quedan aspectos sobre la posibilidad de una
etapa previa de tratamiento, que permita la
estabilización final del material orgánico
complejo sin necesidad de grandes dilucio-
nes. Más aún, cuando se conoce de la aplica-
bilidad de la hidrólisis para diversos fines en
materiales con elevado contenido de carbo-
hidratos, lo que constituye el paso limitante
en el proceso de digestión anaerobia.
En la actualidad, existen diferentes méto-
dos de pretratamiento incluyendo mecánica,
física, térmica y química (es decir, álcali,
ácido, por oxidación), así como los métodos
biológicos (A. Hendriks & G. Zeeman,
2009) . En el pretratamiento termoalcalino
varios trabajos confirman lo mencionado
anteriormente. (J. M. B. R. L. Gossett, 1982)
concluyó que la lignina pretratada por trata-
miento termoalcalino en concentraciones por
encima de un g L-1tuvoun mayor efecto
inhibitorio para los metanógenos.
En general, para todos los métodos de
pretratamiento abordados la selección de los
parámetros durante del pretratamiento resul-
ta un aspecto importante para la productivi-
dad y/o el rendimiento de metano. En el caso
del pretratamiento termoalcalino con NaOH,
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pudiera pensarse en utilizar las aguas de
limpieza de los equipos que contiene sosa
para pretratar la cachaza y abaratar el pretra-
tamiento en cuanto al agua y la compra de
este producto químico para su posterior
conversión a bioetanol o biogás, lo que
ofrecen alternativas de solución para el apro-
vechamiento del potencial económico y
ambiental de dicha biomasa.
El objetivo de la investigación fue deter-
minar el efecto del pretratamiento termoalca-
lino con NaOH en la biodegradabilidad de la
cachaza para incrementar el rendimiento de
metano.
Materiales y métodos
La cachaza usada en los experimentos se
recolectó durante la zafra 2015 procedente
de la Unidad Empresarial de Base Central
Azucarero “Melanio Hernández” de la
provincia de Sancti Spíritus. La cachaza se
secó al aire por 72 horas, y posteriormente se
almacenó a 4 oC en bolsas de nylon.
Métodos Analíticos
La caracterización físico-química de la
cachaza consistió en el análisis de sólidos
totales (ST), sólidos volátiles (SV) y pH,
según los métodos estándares
El pH se midió con un electrodo Crison
52-11, conectado a un medidor de pH/mV
Crison GLP 22. La resolución de la lectura es
de 0,01 unidades de pH y la precisión de
±0,01. Se realizó la calibración con disolu-
ciones tampón estándar CRISON de pH 7,02
y 4,00 a 20 ºC. Las muestras se mezclaron
con agua a una proporción 1:10 y se agitaron
a 150 rpm por espacio de 20 minutos (VDI
4630 2005).
Pretratamiento termoalcalino con hidróxi-
do de sodio (NaOH)
En el pretratamiento termoalcalino con
NaOH, se realizó en dos tiempos, con dos
repeticiones en un tiempo de 1 hora y las
otras dos en un tiempo de 2 horas. Las
mezclas se prepararon añadiendo 3,8 g de
hidróxido de sodio, 40 g de cachaza y 380 g
de agua para mantener la dilución de 10
partes; las mismas fueron hermetizadas y
cubiertas con papel de aluminio para evitar la
pérdida de calor al medio y puestos en un
termoreactor, alcanzando la temperatura
requerida al cabo de los 29 minutos de haber-
los puestos en el equipo.
Análisis cinético
La aproximación a la cinética del proceso
se realizó mediante los modelos de Roediger
(ecuación 4) (Borja, Martín, Durán, & R.,
1991) , de Chapman (Mähnert, 2007) ;
(Linke & Schelle, 2000) (ecuación 5), Hill
(ecuación 6) (Mähnert, 2007) y el modelo de
transferencia (ecuación 7). El ajuste a los
modelos se realizó mediante un análisis de
regresión no lineal, se utilizó el Software
Statgraphics Centurion XVI para Windows y
de esta forma fue posible obtener los pará-
metros cinéticos y rendimiento máximo de
metano.
( )
( )
t
t
e1yy
⋅−
−⋅=
k
max
(4)
( )
( )
c
tb
t
eyy
⋅−
−⋅= 1
max
(5)
(6)
( )
( )
max
/)(
max
1
ydtRm
t
eyy
−−
−⋅=
(7)
( )
max
t
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Donde:
y(t): Producción de metano acumulativa (mL
Ng
-1
SV
-1
)
ymax: Rendimiento máximo de metano (mLNg
-1
SV
-1
)
t: Tiempo de digestión (d)
k: Constante de velocidad aparente (d
-1
)
b, c: Constantes del modelo
Rm: Máxima producción de metano alcanzada en un día (mL
N g
-1
SV
-1
d
-1
)
Resultados y discusión
Los valores de los parámetros químicos
analizados en la cachaza que se utilizó en el
estudio experimental se recogen en la tabla 1,
la cual muestra un contenido de sólidos
totales de 94.95%, de los cuales el 76.32%
son volátiles y un pH de 5.4; similar al repor-
tado por (Radjaram & Saravanane, 2011).
Los datos están expresados como el valor
medio ± desviación estándar. Todos los
porcientos son sobre base seca, excepto para
los ST.
a
Rouf et al., (2010);
b
López-González,
2013;
c
Radjaram y Saravanane (2011);
d
Meunchang et al., (2005);
e
Baez-Smith
(2008);
f
Sánchez et al., (1996).
El pH fue de 5.4, valor que se encuentra
en el rango reportado por (Meunchang,
Alfons, Panichsakpatana, & Weaver, 2005)
(Meunchang et al., 2005), (Radjaram &
Saravanane, 2011) . La variación de pH se
debe al proceso de generación de cachaza,
método de colección, preservación y deter-
minación. La composición química de la
cachaza depende de una diversidad de facto-
res como son: la variedad de la caña de
azúcar, edafología, nutrientes, proceso de
clarificación adoptado, operación de filtra-
ción, y otros factores ambientales (Velarde,
León, Cuéllar, & Villegas, 2004).
Parámetros cinéticos
El comportamiento de los modelos cinéti-
cos de la cachaza tratada y sin pretratar
(Figura 1 y Figura 2), reflejó un buen ajuste
para todos los modelos, aunque los de mayor
ajuste fueron Hill y Chapman con una R2 del
pretratamiento termoalcalino a 1 hora de
98,47% y 98,0% respectivamente. El R2 del
pretratamiento termoalcalino a 2 horas (Hill
a 98,51% y Chapman a 98,20%) y la R2 de la
cachaza de 98,27% y 98,88 % correspon-
diente a cada uno de los modelos.
Tabla 1. Caracterización de la cachaza
Parámetros
Unidad
Cachaza
Valores reportados
pH
5.4±0.06
7,5
a
, (4,5 - 5)
c
, 7,7
d
, 5,5
f
ST %MF 9.95 ±2.01
10
a
, 9,09
b
, 29
c
, 20
e
, 6,28
f
SV
% ST
80.38±5. 02
83,91
f
SV
% MF
76.32 ±5.22
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(a) (b)
(a) (b)
Figura 1. Modelos cinéticos del rendimiento de metano. Pretratamiento pretratamiento
termo-alcalino a 1 h de la cachaza (a) y la cachaza sin pretratar (b)
Figura 2. Modelos cinéticos del rendimiento de metano. Pretratamiento pretratamiento
termoalcalino a 2 h de la cachaza (a) y la cachaza sin pretratar (b)
En la tabla 2 se muestran los modelos y
parámetros cinéticos para el pretratamiento
biológico del proceso de digestión anaero-
bia. El mayor rendimiento se obtuvo en el
modelo de Hill modificado con un incremen-
to de 11.1% para el pretratamiento de 1h con
un R2 98.47%. La máxima producción de
metano (Rm) para el pretratamiento fue de
49.0 mLCH4/gSV/d, mostrando la alta
disponibilidad de materia orgánica degrada-
ble en la mezcla alimentada.
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Tabla 2. Parámetros cinéticos para el pretratamiento termoalcalino de la cachaza (a 1 hora y 2
horas) y la cachaza sin pretratar
Pretratamientotermo-alcalino de la Cachaza 1 h
Modelos cinéticos
yCH
4
máx
R
2
k
Rm
λ
b
c
Roediger
214,5
96,49
0,25
Hill modified
250,3
98,47
0,96
3,19
Chapman
224,4
98,00
0,13
0,55
Transferencia
215,9
96,64
49,0
0,29
Pretratamientotermo-alcalino de la Cachaza 2 h
Modelos cinéticos
yCH
4
máx
R
2
k
Rm
λ
b
c
Roediger
198,2
95,38
0,26
Hill modified
242,6
98,51
0,84
3,38
Chapman
218,0
98,20
0,12
0,50
Transferencia
199,9
95,69
45,7
0,35
Cachaza sin pretratar
Modelos cinéticos
yCH
4
máx
R
2
k
Rm
λ
b
c
Roediger
194,9
97,74
0,25
Hill modified
222,5
99,27
1,02
3,01
Chapman
201,5
98,88
0,15
0,60
Transferencia
195,9
97,91
45,8
0,24
Conclusiones
El pretratamiento termo-alcalino de la
cachaza aumentó la biodegradabilidad del
sustrato favoreciendo los rendimientos de
metano con incrementos de un 11.1% respec-
to a la cachaza sin tratar.
Los modelos cinéticos que describen el
mejor comportamiento de la digestión anae-
robia fueron los de Hill y Chapman con un
buen ajuste.
El rendimiento de metano estuvo por
debajo a otros estudios del pretratamiento
con otros sustratos.
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