Ciencias T�cnicas y Aplicadas
Art�culo de investigaci�n
Evaluaci�n de Efluentes
Industriales de Harina y Aceite de pescado para la producci�n de Biog�s y
metano en pruebas batch
Evaluation of Industrial Effluents of Fishmeal and Fish Oil for the
production of Biogas and methane in batch tests
Avalia��o de Efluentes Industriais de Farinha e �leo de Peixe para Produ��o
de Biog�s e Metano em Ensaios de Batelada
Rose Adeline Callata-Chura
III rose.callata@upeu.edu.pe �https://orcid.org/0000-0002-0430-9502 �� Glen Bryan Madrigal-Perez IV glenmadrigal@upeu.edu.pe�� https://orcid.org/0000-0003-3581-5886 �
Correspondencia: yoelvargas@upeu.edu.pe, Paulqch7@gmail.com
*Recibido: 31 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 08 de septiembre de 2021
I.
Grupo de Investigaci�n Ingenier�a
Ambiental, Universidad Peruana Uni�n � UPeU,
Carretera Salida a Arequipa Km 6 Chullunquiani,
Juliaca, Per�.
II.
Grupo de Investigaci�n Ingenier�a
Ambiental, Universidad Peruana Uni�n � UPeU,
Carretera Salida a Arequipa Km 6 Chullunquiani,
Juliaca, Per�.
III.
Grupo de Investigaci�n Ingenier�a
Ambiental, Universidad Peruana Uni�n � UPeU,
Carretera Salida a Arequipa Km 6 Chullunquiani,
Juliaca, Per�.
IV.
Grupo de Investigaci�n Ingenier�a
Ambiental, Universidad Peruana Uni�n � UPeU, Carretera
Salida a Arequipa Km 6 Chullunquiani, Juliaca, Per�.
Resumen
La
industria de harina y aceite de pescado genera una gran cantidad de residuos
con elevado contenido de materia org�nica el cual puede ser tratado mediante la
digesti�n anaerobia (DA). En este estudio, se evalu� la producci�n de
biog�s/metano de dos residuos provenientes de la industria de harina y aceite
de pescado, v�a pruebas de Potencial Bioqu�mico de Metano. Los resultados
muestran que los residuos provenientes de Chimbote (EPI1) y Chancay (EPI2)
presentan una producci�n de biog�s de 1.009 m3/kg SV-adicionado y 0.738 m3/kg
SV-adicionado respectivamente. Adem�s, la producci�n de metano en EPI1 es de
0.62 m3-CH4/kg SV-adicionado y en EPI2 de 0.47 m3-CH4/kg SV-adicionado. El
proceso de DA en ambos residuos se realiz� de manera estable, ya que los
valores de pH y AGV/AT se mantuvieron dentro de los valores recomendados. Por
ello, la presente investigaci�n demuestra que los residuos de la industria de
harina y aceite de pescado pueden ser usados eficientemente para la producci�n
de biog�s con un elevado contenido de metano.
Palabras Claves:
Materia org�nica; biog�s; metano; industria; harina; aceite; pescado.
Abstract
The
fishmeal and fish oil industry generates a large amount of waste with a high
content of organic matter which can be treated by anaerobic digestion (AD). In
this study, the production of biogas / methane from two residues from the
fishmeal and fish oil industry was evaluated, via Biochemical Methane Potential
tests. The results show that the waste from Chimbote (EPI1) and Chancay (EPI2) present a biogas production of 1,009 m3 / kg
SV-added and 0.738 m3 / kg SV-added respectively. In addition, the methane
production in EPI1 is 0.62 m3-CH4 / kg SV-added and in EPI2 it is 0.47 m3-CH4 /
kg SV-added. The DA process in both residues was carried out in a stable
manner, since the values of Ph and AGV / AT were kept
within the recommended values. This research shows that waste from the fishmeal
and fish oil industry can be used efficiently for the production of biogas with
a high content of methane.
Key Words: Organic matter; biogas;
methane; industry; flour; oil; fish
Resumo
A ind�stria de farinha e
�leo de peixe gera uma grande quantidade de res�duos com alto teor de mat�ria
org�nica que podem ser tratados por meio da digest�o anaer�bia (DA). Neste
estudo, foi avaliada a produ��o de biog�s / metano a partir de dois res�duos da
ind�stria de farinha e �leo de peixe, por meio dos testes de Potencial
Bioqu�mico de Metano. Os resultados mostram que os res�duos de Chimbote (EPI1)
e Chancay (EPI2) apresentam uma produ��o de biog�s de 1.009 m3 / kg SV
adicionado e 0,738 m3 / kg SV adicionado, respectivamente. Al�m disso, a
produ��o de metano em EPI1 � de 0,62 m3-CH4 / kg de SV adicionado e em EPI2 �
de 0,47 m3-CH4 / kg de SV adicionado. O processo DA em ambos os res�duos foi
realizado de forma est�vel, visto que os valores de pH e AGV / AT se mantiveram
dentro dos valores recomendados. Portanto, a presente pesquisa mostra que os
res�duos da ind�stria de farinha e �leo de peixe podem ser utilizados de forma
eficiente para a produ��o de biog�s com alto teor de metano.
Palavras-chave: Mat�ria
org�nica; biog�s; metano; ind�stria; farinha; �leo; peixe.
Introducci�n
Los residuos de la industria de harina y aceite de
pescado se han vuelto un grave problema ambiental a nivel mundial, ya que
debido al tipo de procesamiento y la especie del pescado pueden generar entre
20 a 80% de desechos Ivanovs et al. (2018). Los residuos de pescado son
mezclados con las aguas residuales que genera la industria, lo que con lleva a
que estos efluentes se caracterizan por el alto contenido de materia org�nica,
que por sus caracter�sticas para su tratamiento ser�a necesario implementar procesos
biol�gicos Alexandre et al. (2011). La producci�n de biog�s a trav�s de la
Digesti�n Anaerobia (DA) podr�a ser una buena alternativa para este tipo de
residuos. Adem�s, B�cker et al. (2019) indican que
existen investigaciones que demostraron que los desechos de pescado tienen un
alto potencial para la producci�n de biog�s mediante la t�cnica de la DA.
La DA es una tecnolog�a de microorganismos que
degradan la materia org�nica en ausencia de ox�geno, produciendo digestato y
biog�s, compuesto principalmente por metano (CH4) y di�xido de carbono (CO2)
Ivanovs et al. (2018). El valor energ�tico del biog�s se encuentra en el
contenido de CH4 [16] Zappi et al. (2019), por ello es necesario evaluar la
producci�n de metano, el cual se logra mediante pruebas conocidas como
Potencial Bioqu�mico de Metano (PBM). El PBM generalmente se define como el
volumen de producci�n de metano (CH4) por gramo de sustrato (SV), de la misma
forma muestra la biodegradabilidad del sustrato (SV) y su potencial de
producci�n de metano (CH4) a trav�s de la DA, lo que permite realizar una
evaluaci�n de la producci�n de biog�s logrado por el proceso de DA Muzondiwa Jingura & Kamusoko (2017).
Investigaciones enfocadas en evaluar la producci�n
de biog�s y metano de residuos de pescado, especialmente residuos de la
industria de harina y aceite de pescado son escasos. B�cker
et al. (2020) utilizo residuos de la industria de procesado de pescado para
evaluar la producci�n de biog�s y metano. Sus experimentos mostraron producci�n
de biog�s de 0.54 m3CH4/kg SV para residuo de pescado y 0.43 m3 CH4/kg SV para
residuo crudo de aceite de pescado la investigaci�n realizada por Krishna Kafle, Hun Kim, & Ill Sung (2013) evaluaron la
producci�n de biog�s a partir del ensilaje de residuos industriales de pescado.
Ellos obtuvieron valores de producci�n de metano en el rango de 0.44 a 0.76
m3CH4/kg SV. Adem�s, se realizaron investigaciones con diferentes tipos de
residuos de pescado en donde se obtuvo valores de producci�n de metano, desde
0.012 m3CH4/kg SV hasta 0.92 m3CH4/kg SV, Ivanovs, Spalvins, & Blumberga (2018).
El objetivo principal de nuestra investigaci�n fue
evaluar la producci�n de biog�s y metano de los efluentes industriales de
harina y aceite de pescado a trav�s de la DA. Para ello se determin� el
potencial bioqu�mico de metano (PBM) en condiciones mesof�licas
mediante la metodolog�a de densidad de gases (GD-BMP) y finalmente se modelo el
proceso de digesti�n anaerobia utilizando la ecuaci�n de modificada de Gompertz. Tambi�n se determin� algunas caracter�sticas
fisicoqu�micas de los sustratos utilizados.��
Materiales y m�todos
Sustrato e inoculo
Los efluentes de pescado fueron obtenidos de dos industrias
que elaboran harina y aceite de pescado en Per�, de industrias ubicadas en
Chimbote (EPI1) y Chancay (EPI2). Las muestras fueron colectadas en
contenedores de 5L e inmediatamente congeladas a 4�C para ser transportadas al
laboratorio para realizar los ensayos. El inoculo fue recolectado de una Planta
de Tratamiento de aguas residuales Municipales en Cusco, Per�. Luego, fue
transportado al laboratorio y pre-digerido a 30�C por una semana antes de ser
usado como inoculo.
Ensayos PBM.
Los ensayos BMP se llevaron a cabo siguiendo la metodolog�a
propuesta por Angelidaki et al. (2009) y Holliger
et al. (2016).�
Todas las pruebas fueron desarrolladas por triplicado en botellas de 120 ml de capacidad, con volumen de trabajo de 60
ml. Un blanco libre de sustrato fue incluido para medir la producci�n de metano
end�gena del inoculo. La relaci�n inoculo � sustrato en base a los s�lidos
vol�tiles (SV) fue de
2.� Despu�s de agregar el inoculo y el
sustrato en las botellas, el espacio de cabeza era gaseado con N2,
luego cerrados con tapones de goma de butilo y
sellados con agafes de aluminio para mantener condiciones anaer�bicas.
Finalmente, todas las botellas se llevaron a incubar a 35�C. A intervalos de
tiempo regular (24 o 48 horas), el volumen de biog�s de cada botella fue medido
cada.
La producci�n de biog�s y metano fueron cuantificados por el
m�todo de densidad de gases (Gas Density Biochemical Potential Test,
GD-BMP) (Justesen
et al., 2019), con este m�todo se puede obtener
el volumen de biog�s y la concentraci�n de metano en el biog�s (%CH4).
Para el desarrollo de las pruebas utilizando el m�todo GD-BMP se utiliz� una
balanza anal�tica (SARTORIUS), con el prop�sito de medir la p�rdida de peso de
cada botella. Para la medici�n de la presi�n se utiliz� un man�metro de agua en
U. El volumen de biog�s y metano fueron ajustados a condiciones normales (1 atm
de presi�n y temperatura est�ndar de 0�C).
M�todos anal�ticos.
Solidos totales (ST), solidos vol�tiles (SV), y pH fueron
evaluados por triplicado de acuerdo con Standard Methods
(American
Public Health Association (APHA) et al., 2017). Por otro lado, �cidos Grasos
Vol�tiles (AGV), Alcalinidad total (AT) fueron cuantificados mediante el m�todo
ti trim�trico (Jensen
et al., 2011).�
Todos los tratamientos se analizaron al inicio y final de las pruebas.
Los ST y SV fueron determinados por el m�todo gravim�trico utilizando una
estufa (BINDER, Alemania) y mufla (PROTHERM), en ambos casos se utiliz� una
balanza anal�tica (SARTORIUS). El AGV y AT eran determinados por el m�todo ti
trim�trico, para la titulaci�n se emple� las soluciones NaOH
0.1N y HCl 0.1N. El pH fue medido manualmente usando
un potenci�metro de mesa (HORIBA).
Estudio cin�tico
Para este estudio se utiliz� el modelo matem�tico de Gompertz modificado, mostrado en la Eq.
(1). Este modelo fue aplicado a las curvas de producci�n acumulado de CH4
para predecir el comportamiento de la DA.
Donde P es la producci�n acumulada
de CH4 especifica (mL CH4/g
SV), Po es el potencial m�ximo de CH4 al final de la DA (mL CH4/g SV), Ro es la tasa de
producci�n m�xima de CH4 (mL CH4/g
SV�d), λ es la fase de latencia (d), t es el
tiempo de digesti�n (d) y e es igual a
2.71828.
Resultados
Caracter�sticas fisicoqu�micas del
inoculo
El inoculo utilizado en las pruebas contiene 42.44 � 0.30 g ST/kg y 18.95 � 0.21 g SV/kg. Adem�s, el contenido
de pH, AGV, AT son 7.89, 760 � 34.64 mg CH₃COOH/L
y 4116 � 57.74 mg CaCO₃/L
respectivamente, estos valores est�n dentro del rango recomendado por Holliger et al. ( 2016),
lo cual indica que el inoculo es de buena calidad para ser utilizado en las
pruebas PBM. �
Caracter�sticas
fisicoqu�micas del sustrato
Las caracter�sticas fisicoqu�micas de las aguas residuales
de la industria de harina y aceite de pescado recolectado en los 2 lugares se
muestran en la tabla 1.
Se puede apreciar que el contenido de pH en EPI2 es menor,
ligeramente acido. El contenido de ST, SV y DQO en EPI2 eran ligeramente
inferiores que en EPI1, esto indica que EPI2 tiene menos cantidad de materia
org�nica disponible. El contenido de AGV en los dos residuos es similar, sin
embargo, el contenido de AT difiere notablemente, siendo la de EPI1 mayor, en
consecuencia, la capacidad buffer en dicho residuo es mejor.
Producci�n de biog�s y metano
La producci�n acumulada de biog�s de los dos residuos se
muestra en la fig. 1. El periodo de experimentaci�n duro hasta los 36 d�as,
mostrando mayor producci�n para EPI1 (1.009 m3/kg SV-adicionado) y
menor producci�n para EPI2 (0.738 m3/kg SV-adicionado).� En la figura 2, se muestran los porcentajes
(%) de CH4 (a) y la producci�n de CH4 acumulado (b) para
cada uno de los residuos. El %CH4 en EPI1 y EPI2 fueron similares,
con valores de 62.35 � 7.29 % y 63.23 � 6.74 %
respectivamente. Adem�s, pudo observar que ambos sustratos presentaban, en
varios puntos de la curva de producci�n, un elevado contenido de metano, entre
70 � 75 %.� Resultando en producciones de
CH4 acumulado de 0.62 m3/kg SV-adicionado y 0.47 m3-CH4/kg
SV-adicionado para EPI1 y EPI2 respectivamente. Esto puede ser debido, a que
los residuos de pescado, contienen elevado contenido de prote�nas y l�pidos, esto;
seg�n investigaciones realizadas por (Abdul Aziz et al., 2019)
debido a que estos residuos frecuentemente producen biog�s con un elevado
contenido de metano (B�cker et al., 2020).
Adem�s, esto puede ser principalmente
atribuido al elevado contenido org�nico, que esta expresado como SV/ST (Wu & Song, 2020)
en la Tabla 1.�
La producci�n de biog�s y CH4 obtenido en EPI2 es
similar a los resultados obtenidos por otros estudios. Kafle et al. (2013) utilizo ensilajes de residuo de
pescado para la producci�n de biog�s, estos ensilajes fueron preparados
mezclando residuos de pescado con desperdicios de pan y residuos de granos de
cervecer�a. Despu�s de 96 d�as, la producci�n de biog�s y CH4
estaban en el rango de 0.671 - 0.763 m3/kg SV y 0.441 - 0.482 m3/kg
SV respectivamente. En los experimentos realizados por B�cker et al. (2020), la producci�n de CH4 de
residuos de pescado y residuo crudo de aceite de pescado fueron de 0.54 m3/kg
SV y 0.426 m3/kg SV, respectivamente.
Del mismo modo, la producci�n de metano en EPI1 es
comparable a los valores reportados en estudios previos. Vivekanand et al. (2018) evalu� la producci�n de CH4
de tres tipos de residuos (ensilaje se pescado, esti�rcol y suero) los autores
verificaron que el ensilaje de pescado tuvo mayor producci�n de CH4 en
comparaci�n con los otros dos residuos, llegando a producir 0.691 m3/kg
SV. Por otro lado, Wu & Song (2021) utilizo co-digestion
de residuos de lodos activados y residuos de pescado, obteniendo la mayor producci�n
de metano (0.683 m3/kg SV) con una mezcla del 3% de residuos de
pescado.
El volumen de biog�s y metano producidos en los experimentos
indican que este tipo de residuos son una alternativa viable para ser
utilizados mediante digesti�n anaerobia, adem�s no requieren ning�n tratamiento
adicional para generar biog�s con elevado contenido de CH4. Esto se
corrobora con los resultados obtenidos por otros autores quienes usan residuos
similares a los residuos de pescado como sustrato en la DA (B�cker
et al., 2020; Kafle et al., 2013; Vel�squez Pi�as et al., 2018; Vivekanand et
al., 2018).
Estabilidad de degradaci�n del
proceso de DA.
El an�lisis de estabilidad de las pruebas PBM son llevados
por medio de la capacidad buffer (relaci�n AGV/AT) y el pH� (Mendieta
et al., 2020). La relaci�n AGV/AT mostro poca
variaci�n en ambos residuos, como se muestra en la Fig. 3(a). Disminuyo de 0.32
a 0.26 para EPI1 y de 0.33 a 0.29 para EPI2, todos estos valores est�n dentro
del rango aceptable (< 4) para que el proceso se desarroll� de manera
estable (Li
et al., 2018; Raposo et al., 2006). Mientras m�s bajo sea el valor de
la relaci�n AGV/AT la capacidad buffer es mayor, por consiguiente, el proceso
de DA se desarrolla adecuadamente.
Al igual que la relaci�n AGV/AT, el pH tambi�n mostro poca
variaci�n, (ver Fig 3(b)). En ambos residuos, el pH
inicial estaba dentro del rango aceptable para la operaci�n correcta de las
poblaciones metanog�nicas, 6 � 8.5 (Chandra
et al., 2012). Al final de las pruebas PBM, el
valor de pH aumento ligeramente en los 2 residuos, de 8.02 a 8.2 y de 7.98 a
8.19 para EPI1 y EPI2 respectivamente. Este aumento en el pH puede ser debido a
la disminuci�n en el contenido de AGV (Mao
et al., 2017; Nazurally, 2018; Wu & Song, 2020).
El proceso de DA en los residuos estudiados es estable, no
es necesario agregar ning�n aditivo, realizar co-digesti�n
o hacer alg�n tratamiento adicional, ya que los valores de la relaci�n AGV/AT y
el pH est�n dentro del rango recomendado para que el proceso se desarrolle
adecuadamente sin efectos inhibitorios.
Modelaci�n cin�tica
Modelos matem�ticos pueden ser aplicados para caracterizar
el desarrollo de la DA (El
Achkar et al., 2017). Los datos experimentales de las
pruebas PBM de los residuos utilizados en esta investigaci�n fueron ajustados a
la ecuaci�n de Gompertz modificada. Los par�metros
simulados se muestran en la fig. 4. El modelo probado revela que, el
rendimiento de metano m�ximo simulado fue muy similar a los datos
experimentales, lo que indica que el PBM experimental tanto de EPI1 y EPI2
encaja muy bien con el modelo de Gompertz modificada.
Esto es apoyado por los elevados valores de R2, que se acercan a la
unidad, cuyos valores son 0.998 para EPI1 y 0.991 para EPI2. Esto significa que
el modelo podr�a explicar m�s del 99% la variaci�n total en los datos (Donoso-Bravo
et al., 2010).
Las fases de latencia (λ) son 0.205 y 0.249 d�as para
EPI1 y EPI2 respectivamente. La baja duraci�n de la fase de latencia en ambos
residuos indica que la materia org�nica es r�pidamente consumida por la biomasa
anaerobia (Donoso-Bravo
et al., 2010) produciendo mayor cantidad de
biog�s y metano. Lo mencionado implica que la actividad metanog�nica
y la eficiencia de conversi�n de la materia org�nica a biog�s se desarrolla
adecuadamente (Mao
et al., 2017). Por otra parte, la baja duraci�n
de las fases de latencia revela que el balance en el sistema entre prote�nas,
l�pidos y carbohidratos es adecuado, debido a que la degradaci�n de los
carbohidratos es r�pida, pero la degradaci�n de l�pidos y prote�nas podr�an
requerir varios d�as o semanas (Kafle
et al., 2013).
Conclusiones
Los efluentes de la industria de elaboraci�n de aceite y
harina de pescado son una alternativa interesante para la producci�n de biog�s
mediante DA, ya que el contenido de metano en el biog�s es elevado. Obteniendo
en EPI1 0.62 m3-CH4/kg
SV-adicionado y en EPI2 0.47 m3-CH4/kg SV-adicionado con
porcentajes de metano en el biog�s de 62.35 � 7.29 y 63.23 � 6.74 % para EPI1 y
EPI2 respectivamente. Adem�s, el periodo de adaptaci�n es corto, pues el
proceso de DA se desarroll� de manera estable esto debido a que los valores de
pH y relaci�n AGV/AT se mantuvieron dentro de los valores recomendados por la
literatura.
En base a los resultados
obtenidos en este estudio, ambos residuos pueden ser recomendados como
sustratos en el proceso de DA para la producci�n de biog�s con elevado
contenido de metano.
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Tablas Y Figuras
Tabla 1: caracterizaci�n
fisicoqu�mica de los sustratos
|
PAR�METRO |
EPI1 |
EPI2 |
UNIDADES |
|
S�lidos totales (ST) |
245.85 � 1.78 |
200.49 � 3.19 |
g ST/kg |
|
S�lidos vol�tiles (SV) |
192.36 � 0.9 |
174.90 � 2.88 |
g SV/kg |
|
78.25 � 0.74 |
87.23 � 0.05 |
% ST |
|
|
SV/ST |
0.78 |
0.87 |
|
|
�cidos grasos vol�tiles (AGV) |
5790 � 212.13 |
5500 � 34.64 |
mg CH₃COOH/L |
|
Alcalinidad total (AT) |
5875 � 247 |
5100 � 86.6 |
mg CaCO₃/L |
|
pH |
6.37 |
5.92 |
|
|
Capacidad buffer (AGV/AT) |
0.99 � 0.01 |
1.08 � 0.02 |
mg CH₃COOH/ mg CaCO₃ |
|
Demanda Quimica de
ox�geno (DQO) |
61.84 � 0.62 |
57.32 � 1.13 |
g/L |
|
Contenido de humedad |
75.42 � 0.18 |
80.46 � 0.91 |
% |
Figura 1:
producci�n acumulada de biogas
Figura 2: Producci�n
de metano y porcentaje de metano
Figura 3 a, b: AGV/AT
(a), pH (b), con l�mites de inhibici�n.
Figura 4: ajuste
del modelo cin�tico y pbm
�2021
por los autores.� Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y
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