Métodos secuenciales de pretratamiento químico y enzimático de residuos agrícolas para la producción de metano.

Abstract

"Los residuos agrícolas poseen un porcentaje alto de materia orgánica difícilmente biodegradable (lignina, celulosa y hemicelulosa) por microorganismos anaerobios. El objetivo de este trabajo fue implementar procesos secuenciales de hidrólisis química y enzimática de paja de avena que permitan obtener una tasa alta de conversión de las fracciones de hemicelulosa y celulosa en azúcares fermentables (sacarificación) y maximizar la producción de metano. Los azúcares presentes en la hemicelulosa se solubilizaron mediante una hidrólisis ácida (HCl 2%, 2 h, 90°C). La lignina presente en el residuo sólido de la hidrólisis ácida se removió por medio de una hidrólisis alcalina con NaOH 1% (24 h) y H2O2 0.3% (24 h) ambas a temperatura ambiente. La celulosa presente en el residuo sólido de la hidrólisis alcalina se sometió a una hidrólisis enzimática, la cual fue optimizada mediante un modelo factorial complementado con un modelo de superficie de respuesta. Las condiciones óptimas encontradas fueron: concentración de enzima 0.9 mg/mL, 45°C, pH 4.5 y una concentración de sustrato de 40 g/L. Se obtuvieron hidrolizados ácidos y enzimáticos con altos valores de concentración de DQO (23.6 y 31.7 g DQO/L respectivamente) y de azúcares reductores (20.9 y 18.8 g/L respectivamente). Los hidrolizados líquidos, ácido y enzimático, fueron alimentados a dos reactores UASB metanogénicos (RAc y REnz, respectivamente). Se alcanzaron cargas de hasta 9 y 10 g DQO/L-d para el RAc y REnz respectivamente, a las cuales la producción de biogás y la remoción de DQO se mantuvieron estables. La tasa máxima de producción de metano fue de 3.2 y 3.6 L CH4/Lrx-d (STP), para el RAc y REnz respectivamente."

"Agricultural residues have a high percentage of hardly biodegradable organic matter (lignin, cellulose and hemicellulose) by anaerobic microorganisms. The goal of this work was to implement chemical and enzymatic sequential saccharification processes of oat straw, in order to obtain a high conversion ratio of the cellulose and hemicellulose fractions to fermentable sugars (saccharification) to maximize the methane production. Sugars present in hemicellulose fraction were solubilized by means of acid hydrolysis (HCl 2%, 2 h, 90°C). The lignin present in solid residue of the a cid hydrolysis was solubilized by alkaline hydrolysis with NaOH 1% (24 h) and H2O2 0.3% (24h) both at ambient temperature. The cellulose present in the solid residue of alkaline hydrolysis was subjected to enzymatic hydrolysis, wich was optimized through a factorial model complemented with a surface response model. Optimal conditions found were: enzyme concentration 0.9 mg/mL, temperature 45°C, p H 4.5 and concentration of substrate of 40 g/L. Acid and enzymatic hydrolyzates contained high COD (23.6 and 31.7 g COD/L respectively) and reducing sugars (20.9 and 18.8 g/L respectively). The liquid hydrolyzates, acid and enzymatic, were fed to UASB methanogenic reactors (RAc and REnz, respectively). A maximum organic load of 9 and 10 g COD/L-d was reached for the RAc and REnz respectively, at which the production of biogas and the removal of COD were stable. The maximum methane production rates obtained were 3.2 and 3.6 L CH4/Lrx-d (STP), for the RAc and REnz respectively. Methane yield values in both reactors, 0.3 L CH4/gCOD (STP), which was similar to the theorical yield calculated by stoichiometry. Comparing the yield obtained based on VSS (0.5 L CH4/gSSV), in both reactors, we found that it was greater that the reported in the literature for anaerobic digestion of other straws without pretreatments (0.2-0.4 L CH4/gVSS (STP))."