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Evaluación de la producción de metano a partir del endocarpio y
cascara de mango Keitt sin pectina ni extraíbles.
Proyecto de grado
Por
DAVID SANTIAGO SAAVEDRA CORREDOR
Presentado a la facultad de ingeniería de la universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERO QUIMICO
Departamento de ingeniería química
Diciembre, 2018
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Evaluación de la producción de metano a partir del endocarpio y cascara de mango Keitt sin
pectina ni extraíbles.
Copyright 2018 David Santiago Saavedra Corredor
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Evaluación de la producción de metano a partir del endocarpio y
cascara de mango Keitt sin pectina ni extraíbles.
Proyecto de grado
Por
DAVID SANTIAGO SAAVEDRA CORREDOR
Presentado a la facultad de ingeniería de la universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERO QUIMICO
Aprobado por:
Asesora, Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
Co-asesor, Daniel David Duran Aranguren, M. Eng.
Jurado, Luis Humberto Reyes, Ph.D.
Director de departamento, Andrés Gonzáles Barrios, Ph.D.
Departamento de ingeniería química
Diciembre 2018
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ABSTRACT Evaluation of methane production from the Keitt mango endocarp and peeling without pectin
or extractables.
(December 2018)
David Santiago Saavedra Corredor, Universidad de los Andes, Colombia
Advisor: Rocío Sierra Ramirez, Ph.D.
Biogas is a biofuel that results from the degradation of organic material and it has become an
excellent alternative for agribusiness all over the world (Scarlat, Dallemand, & Fahl, 2018). In
this work, it was evaluated the biogas production using the residues of the consumption of
mangoes, such as the endocarp and the peel free from extractives and pectin. For the
determination of the potential of methane production, there were carried out BMP tests.
Following the operating conditions established in the modified VDI 4630 method, pig manure
was used as inoculum. The produced amount of methane was 527 ± 17.2 mL 𝐶𝐻4 / gSV for
the biodigester with endocarp, 196 ± 21.9 mL 𝐶𝐻4 / gSV for the biodigester with Inoculum
and 112 ± 6.56 mL 𝐶𝐻4 / gSV for the biodigester with peel free from extractives and pectin.
With the above, it was determined the use of the endocarp as a substrate produced more
methane compared to the other biodigesters evaluated in this study. It was found that the lack
of extractives and pectin in the substrate make causes an inhibitory activity in the anaerobic
digestion process. In addition, a compositional analysis for the mango endocarp was carried
out using different standardized experimental methods. It was observed that it has a large
amount of cellulose and hemicellulose (57.5% and 18.4% respectively). This large amount of
cellulose represents a large amount of material that can be consumed within an anaerobic
fermentation.
Keywords: Biogas, methane, mango endocarp, biofuel, mango peel, pectine, anaerobic
digestion.
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RESUMEN Evaluación de la producción de metano a partir del endocarpio y cascara de mango Keitt sin
pectina ni extraíbles.
(Diciembre 2018)
David Santiago Saavedra Corredor, Universidad de los Andes, Colombia
Asesora: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
El biogás es un biocombustible, que al obtenerse de la degradación de material orgánico se ha
convertido en una excelente alternativa energética para la agroindustria en todo el mundo
(Scarlat, Dallemand, & Fahl, 2018). En esta oportunidad se evaluó la producción de biogás
usando como sustrato los residuos del consumo de mango Keitt, como lo son el endocarpio y
la cascara libre de extraíbles y pectina; Para determinar el potencial de producción de metano
se realizaron pruebas BMP, en las que se establecieron condiciones de operación acordes al
método VDI 4630 modificado, en los que se usa como inóculo estiércol de cerdo. Con este
procedimiento se encontró que la cantidad producida de metano era de 526.8 ± 17.20 mL 𝐶𝐻4/g
SV para el biodigestor con endocarpio, 196.5 ± 21.98 mL 𝐶𝐻4/gSV para el biodigestor con
inóculo y 111.83 ± 6.56 mL 𝐶𝐻4/gSV para el biodigestor con cascara libre de extraíbles y
pectina. Con lo anterior, se determinó que el usar endocarpio como sustrato si produce mayor
cantidad de metano en comparación con los otros biodigestores evaluados. Se encontró que la
carencia de extraíbles y pectina en el sustrato hacen que el mismo sea un inhibidor en el proceso
de digestión anaerobia. Adicionalmente, se realizó un análisis composicional de endocarpio,
por medio de distintos protocolos experimentales estandarizados, con lo que se encuentra que
este residuo posee gran cantidad celulosa y hemicelulosa (57.5% y 18.4% respectivamente).
Esta gran cantidad de celulosa representa una gran cuantía de material que puede ser consumido
dentro de una fermentación anaerobia.
6
Palabras clave: Biogás, metano, endocarpio de mango, cascara de mango, biocombustib le,
pectina, digestión anaerobia.
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DEDICACIÓN Este trabajo está dedicado a mis familiares y a toda persona interesada en la temática que el
proyecto abordo y en los resultados que obtuvo.
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AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer inicialmente a mi familia, ya que su apoyo, sus consejos y sus enseñanzas
fueron fundamentales para alcanzar este nuevo logro. También agradezco a amigos como
Andrés Sastoque y Yasser Hayek por su invaluable apoyo. Un especial agradecimiento a Daniel
Duran y a la profesora Rocío Sierra por su constante apoyo y entendimiento a lo largo del
desarrollo de este proyecto. Pero ante todo doy gracias a mi abuela Estella Aguirre sin la cual
hoy en día no sería quien soy.
9
NOMENCLATURA EDTA ácido etilendiaminotetraacético.
mL mililitros.
HPLC Cromatografía liquida de alta presión.
g/kg Gramos de la especie química por kilogramo de sustrato.
BMP Potencial de producción de metano.
NREL National Renevable Energy Laboratory.
𝜆 Constante de fase de retardo.
K Constante de velocidad específica.
𝜇 Velocidad especifica de crecimiento de microorganismos.
P Producción teórica de metano.
𝛾 Volumen máximo acumulado en tiempo infinito.
VS Sólidos Volátiles.
𝐵𝐷𝑒𝑥𝑝% Tasa de biodegradabilidad.
mL 𝐶𝐻4/g SV Mililitro de metano producido por gramo de solido volátil.
10
Contenido ABSTRACT .................................................................................................................................... 4
RESUMEN..................................................................................................................................... 5
DEDICACIÓN................................................................................................................................. 7
AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................................... 8
NOMENCLATURA.......................................................................................................................... 9
LISTA DE TABLAS......................................................................................................................... 12
LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................... 13
OBJETIVOS ................................................................................................................................. 14
Objetivo general ..................................................................................................................... 14
Objetivos específicos............................................................................................................... 14
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 15
Biogás. ................................................................................................................................... 15
Etapas de la fermentación anaerobia.................................................................................... 16
El mango Keitt. ....................................................................................................................... 18
Métodos de evaluación del biogás. .......................................................................................... 19
Especies químicas relevantes en los sustratos........................................................................... 20
METODOLOGÍA........................................................................................................................... 22
Preparación de las muestras. ................................................................................................... 22
Sólidos totales. ....................................................................................................................... 22
Sólidos volátiles. ..................................................................................................................... 22
Extraíbles. .............................................................................................................................. 23
Remoción de pectina en la cascara de mango. .......................................................................... 23
Determinación de lignina y carbohidratos en la muestra. .......................................................... 24
Montaje de medición de BMP.................................................................................................. 25
Medio de cultivo ................................................................................................................. 25
Preparación de las botellas. ................................................................................................. 25
Evaluación del potencial de producción de metano................................................................... 26
Modelos de ajuste para la fermentación anaerobia................................................................... 27
Evaluación del porcentaje de biodegradabilidad ....................................................................... 28
RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................................................. 29
Resultados y análisis de prueba composicional del endocarpio .................................................. 29
Prueba de sólidos totales. .................................................................................................... 29
Prueba de sólidos volátiles ................................................................................................... 29
Prueba de extraíbles ............................................................................................................ 30
Determinación de lignina y carbohidratos. ............................................................................ 31
11
Resumen de composición del endocarpio de mango Keitt...................................................... 33
Prueba BMP ........................................................................................................................... 36
Sólidos totales y volátiles de los sustratos e inóculo .............................................................. 36
Resultados pruebas experimentales ..................................................................................... 38
Nivel de biodegradabilidad................................................................................................... 43
CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 46
TRABAJO FUTURO....................................................................................................................... 47
REFERENCIAS.............................................................................................................................. 48
ANEXOS ..................................................................................................................................... 51
Imágenes de montajes experimentales .................................................................................... 51
Mufla.................................................................................................................................. 51
Montaje de extracción Soxhlet con agua, para las 2 muestras. ............................................... 51
Montaje de lavado con etanol completado con filtrado a vacío en proceso de eliminación de
pectina ............................................................................................................................... 51
Mezclado de solución con pH de 11 en proceso de eliminación de pectina ............................. 51
Ejemplo de colector de CO2 ................................................................................................. 52
Proceso de sellado de biodigestores. .................................................................................... 52
Montaje de biodigestores en incubadora a 37,5°C ................................................................. 52
12
LISTA DE TABLAS Tabla 1 Comparación entre los métodos de producción de biogás……………………….20
Tabla 2 Composición del medio de cultivo……………………………………………….25
Tabla 3 Composición del endocarpio……………………………………………………..33
Tabla 4 Sólidos totales de sustratos……………………………………………………….36
Tabla 5 Sólidos volátiles de sustratos e inóculo…………………………………………..37
13
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Composición porcentual del biogás ………………………..……………….…15
Figura 2. Residuos de consumo de mango Keitt …………………………………….…..19
Figura 3. Montaje experimental de la prueba de potencial biológico de metano ……..…26
Figura 4. Comparación entre cantidad de cenizas de distintos residuos .……………..….30
Figura 5. Comparación entre cantidad de extraíbles de distintos residuos ……..…….….30
Figura 6. Comparación entre cantidad de lignina de distintos residuos…………....…….31
Figura 7. Comparación entre cantidad de celulosa de distintos residuos ……….……….32
Figura 8. Comparación entre cantidad de hemicelulosa de distintos residuos ..………....32
Figura 9. Comparación entre cantidad de pectina de distintos residuos …………….…...34
Figura 10. Comparación entre cantidad de proteínas de distintos residuos …………...…35
Figura 11. Comparación entre solidos totales de sustratos e inóculo …………………....36
Figura 12. Comparación entre solidos volátiles de sustratos e inóculo …………….....…37
Figura 13. Comparación entre los comportamientos del modelo de Gompertz y resultados
experimentales ………………………………………….…………………………….….38
Figura 14. Comparación entre los comportamientos del modelo de primer orden y resultados
experimentales …………………………………….………………………………….….40
Figura 15. Comparación entre la tasa de biodegradabilidad de los biodigestores …….…44
14
OBJETIVOS
Objetivo general Evaluar el potencial de producción de metano del endocarpio del mango Keitt y la cáscara libre
de extraíbles y pectina como sustratos
Objetivos específicos • Determinar la composición del endocarpio de mango Keitt.
• Evaluar el potencial del endocarpio del mango Keitt como materia prima en la
producción de metano.
• Evaluar el potencial de la cascara del mango Keitt libre de extraíbles y pectina, como
materia prima en la producción de metano.
15
INTRODUCCIÓN
Biogás. El biogás se define como un gas combustible que se compone de 𝐶𝐻4, 𝐶𝑂2 y gases como
sulfato de hidrogeno, nitrógeno, hidrogeno y oxígeno. El gas metano es el que hace que esta
mezcla sea clasificada como biocombustible, ya que tiene una participación de entre un 50% y
un 70% en la composición del gas, mientras que para el CO2 este valor es máximo de 45%; el
máximo de porcentaje composicional que alcanzan el resto de especies químicas ha sido del
5% (Chile, Varnero Moreno, Global environment facility, & Programa de las naciones unid as
para el desarrollo, 2011).
Figura 1. COMPOSICIÓN PORCENTUAL DEL BIOGÁS
A nivel global, la materia prima en la producción de biogás ha sido los desechos como los lodos
de las plantas de tratamiento de agua, residuos sólidos urbanos, purines, estiércoles, etc. Son
usados como sustratos orgánicos en el proceso (Red Agricola, 2017). Este combustible es usado
en vehículos, motores, turbinas, calderas y estufas. Cuando el sustrato y el inóculo ya han
cumplido su ciclo de producción de biogás, estos pueden ser empleados como abono agrícola
genérico, gracias a su gran cantidad de nitrógeno, fosforo, potasio, calcio, etc. (Chile, Varnero
Moreno, Global environment facility, & Programa de las naciones unidas para el desarrollo,
2011).
Gracias a los importantes usos que se le han dado al biogás como combustible, desde hace
algunos años un número considerable de países han impulsado el desarrollo de sistemas de
Metano 65%
Otras especies5%
CO230%
16
fermentación anaerobia capaces de suplir las demandas energéticas (Scarlat, Dallemand, &
Fahl, 2018). La república popular de China es un importante ejemplo de la importancia actual
del biogás, ya que este país para el 2014 tenía 100000 plantas modernas y 43 millones de
biodigestores residenciales. Con la implementación de esta tecnología se busca reducir el uso
de leña como combustible para cocinas, lo que también ayuda a reducir la deforestación del
sector rural y permite a los pequeños productores agrícolas acceder a un abono de gran
rendimiento y muy bajo costo. Gracias a este y otro beneficios, el biogás es una alternat iva
energética sustentable, que países africanos, suramericanos y asiáticos quieren aprovechar
como una herramienta en el desarrollo agrícola (Scarlat, Dallemand, & Fahl, 2018). De igual
forma, el biogás es una alternativa energética capaz de brindar energía eléctrica a sectores
rurales, que actualmente no tienen este privilegio, por un muy bajo costo, con lo que se
consigue que sus habitantes tengan una mejor calidad de vida y más oportunidades de
crecimiento económico y social (Hlaing, Taboada, & Bendik, 2015). En resumen, el biogás es
una nueva tecnología que permite aliviar un poco la gran demanda energética que se tiene en
el sector rural, aprovechando los residuos de la agroindustria para reducir el impacto ambienta l
que esta misma genera.
Etapas de la fermentación anaerobia El proceso de producción de biogás consiste en una serie de degradaciones del material
orgánico, llevadas a cabo por bacterias anaerobias. Esta descomposición se realiza a partir de
las siguientes 4 etapas:
• Hidrólisis: esta es la primera degradación de material orgánico dentro del proceso de
la fermentación anaerobia Las bacterias hidrolíticas producen enzimas extracelulares que
desencadenan una hidrólisis de las moléculas complejas presentes en el material orgánico. Este
proceso puede llegar a ser un limitante en la velocidad del proceso, en especial cuando se tiene
gran cantidad de residuos sólidos. Este proceso también se puede ver afectado por factores
17
como la temperatura del medio, el pH, la composición del sustrato y el tamaño de las partículas
(Gonzáles, 2016).
• Acidogénesis: En esta etapa se tiene una fermentación de compuestos orgánicos con
gran cantidad de carbono e hidrogeno. En esta etapa las bacterias acetogénas producen acetato
que es degradado en la siguiente etapa. Para descomponer compuestos reducidos como ácidos,
compuestos aromáticos y etanol se requiere del actuar de las bacterias acetogénicas en la
siguiente etapa (Galarza Hernández & Gutierrez Valdez, 2013).
• Acetogénesis: En esta etapa especies químicas como ácidos grasos volátiles, etanol y
compuestos aromáticos son degradados a moléculas más sencillas, que puedan ser digeridas
por las bacterias metanogénicas como por ejemplo acetato (𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂-𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂−) e hidrogeno
(𝐻2). Dentro de las bacterias metanogenicas hay un grupo que únicamente produce acetato,
estas bacterias son nombradas homoacetogénicas. De igual forma, hay bacterias que generan
los dos productos, siendo las más representativas las bacterias Acetobacterium woodii o
Clostridium aceticum (Quintero Vega & Rondon Castro, 2012).
• Metanogénesis: Esta es la última etapa y consiste en que un grupo específico de
bacterias consume los productos de las anteriores etapas. Las bacterias metanogénicas se
clasifican en el dominio Archaea. Se ha comprobado que el 70% del metano producido
proviene de la reacción de descarboxilación del ácido acético, cuando este solo puede ser
reducido por dos especies del conjunto de bacterias, estas son: Methanosarcina y Methanothr ix.
El otro 30% de metano proviene de sustratos como acido carbónico, ácido fórmico y metanol
(ERENOVABLE, 2015).
Los sustratos usados en la producción de biogás principalmente se componen de proteínas,
hidratos de carbono y lípidos. Las más importantes son las proteínas, que con un gran
contenido nutricional al ser hidrolizadas se obtienen péptidos y aminoácidos por acción de
18
enzimas proteasas. La degradación de lípidos se da gracias a enzima hidrolíticas llamadas
lipasas, estas a su vez se descomponen en glicerol y ácidos grasos (Cendales Ladino, 2011).
Uno de los grandes limitantes en el proceso de producción de biogás es la degradación del
material lignocelulósico, que se compone por lignina, celulosa y hemicelulosa. Esta primera es
altamente resistente a la degradación por parte de microorganismos anaeróbicos, aspecto que
también afecta la capacidad de degradación de la celulosa y hemicelulosa; La celulosa se
degrada en la etapa de hidrolisis, teniendo productos como lo son la glucosa y la celobiosa. Los
productos de la degradación de la hemicelulosa son pentosas, hexosas y ácidos uránicos, sin
embargo, este proceso no es realizado por las bacterias anaerobias (Hames, y otros, 2005). Por
último, la pectina es hidrolizado por pectinasas y se transforma en azucares más simples
(Cendales Ladino, 2011).
El mango Keitt. El mango Keitt es un fruto con forma ovoide con un peso de entre 500 y 600 g. El nombre
científico de su árbol es Mangifera indica y su familia es la Anacardiaceae Árbol
probablemente originario de India y Birmania, con lo que es una especie tropical y subtropical
(Galan Sauco, 2009). Su árbol puede llegar a tener una altura de 30 m, siendo su tallo robusto
y de color grisáceo, con grietas longitudinales (Romani, 2012).
El mango es un fruto altamente comerciado a nivel mundial, su demanda creció de 5000
toneladas en 1960 a 47 millones de toneladas en 2017 (Altendorf, 2017), siendo sus mayores
importadores Europa, norte América y Asia (Dominguez, 2001). Sin embargo, en su consumo
un 40% de su peso original corresponde a material de desecho como el endocarpio (que s el
recubrimiento maderoso que tiene la semilla), la semilla y la cascara de este, lo que para el año
2017 significaba 18.8 millones de toneladas de residuos anuales.
19
Figura 2. RESIDUOS DE CONSUMO DE MANGO KEITT
Métodos de evaluación del biogás. Uno de los problemas más importantes en la investigación y desarrollo del biogás como
tecnología ha sido la falta de estandarización. El ejemplo principal de este fenómeno es el
hecho de que los grupos de investigación enfocados en esta temática no usan el mismo
protocolo de evaluación, con lo que algunos grupos usan el protocolo del laboratorio de
energías renovables y otros el protocolo IWA (Cardenas Cleves , Parra Orobio, Torres Lozada,
& Vasquez Franco, 2016). Por lo anterior, la producción de biogás es evaluada a partir de la
prueba BMP (ensayo de potencial bioquímico de metano). Esta prueba fue desarrollada por
Owen en 1979 con el fin de evaluar la degradabilidad de material orgánico en un periodo de
30 días, desde el cual se controlan distintas propiedades del sistema como temperatura,
composición, etc. Este procedimiento tiene un método de medición manométrico y consiste en
colocar el material orgánico en presencia de un inóculo de bacterias que asegure la digestión
anaeróbica. Con esta prueba se busca determinar el potencial de producción de metano y de
energía de un sustrato en específico, teniendo en cuenta la afectación que éste genera en el
inóculo que se utiliza (catálisis o inhibición del proceso) (Cardenas Cleves , Parra Orobio,
Torres Lozada, & Vasquez Franco, 2016).
Para la evaluación de la prueba PBM se tienen 3 diferentes métodos, que varían en sus medios
de cultivo y condiciones de operación. La principal diferencia entre estos 3 métodos radica en
la clase de bacteria a la que promueven el crecimiento. Existen bacterias mesófilas y termófilas
en este proceso, siendo que las primeras alcanzan su mayor producción de metano a una
20
temperatura de 37.5 ºC y la segunda alcanza su mayor producción de metano a una temperatura
de 55.0 ºC. A continuación, se comparan estos métodos (Pham, Triolo, Cu, Pedersen, &
Sommer, 2013):
TABLA 1
COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
Método VDI 4630 Método de Moller Método de Hansen
• Se puede promover el
crecimiento de bacterias mesófilas
y termófilas.
• Tiene una relación entre
inóculo y sustrato de 2:1.
• Mayor eficiencia de
producción de metano con el
estiércol de cerdo como inóculo
• Promueve el crecimiento
de bacterias mesófilas.
• Es el método que menos
produce metano
• Promueve el crecimiento
de bacterias termófilas
• Requiere un pH de 8.
• Tiene mayor producción
de biogás usando como inóculo
estiércol de vaca
En conjunto, la diferencia principal entre los métodos de evaluación de las pruebas PBM es la
temperatura, el medio de cultivo y la relación inóculo-sustrato, aspectos que definen al
biodigestor. Estos factores influyen directamente en la forma en que el conjunto de bacterias
anaerobias produce la degradación del material orgánico (Pham, Triolo, Cu, Pedersen, &
Sommer, 2013).
Especies químicas relevantes en los sustratos. Los sustratos utilizados en las fermentaciones de este proyecto están compuestos
principalmente por especies químicas orgánicas que son visibles en una gran variedad de
residuos vegetales, estas se presentan a continuación:
• Lignina: Es una especie química que funciona como cementante de las células fibrosas
de los vegetales, con lo que aumentan la rigidez en las paredes celulares y une las células entre
sí (Gonzalez, 2011). Este es un polímero insoluble en ácido y soluble en alcalinos fuertes, que
21
es resistente a la degradación bacteriana, por lo que a mayor cantidad de lignina menor
digestibilidad de polisacáridos fibrosos en una planta (Chavez & Domine, 2013). La molécula
base de este polímero es el fenilpropano, al que se enlazan grupos metoxílicos, hidroxílicos y
carboxílicos, siendo estos primeros característicos de la lignina (Chavez & Domine, 2013). Por
último, la estructura de esta especie química depende del origen de la misma, ya que esta varía
dependiendo del material vegetal que se tenga.
• Pectina: La pectina se clasifica como un polisacárido del ácido poligalacturónico y está
presente en la pared celular de la gran mayoría de frutas y verduras. Esta es una molécula
soluble en agua a altas temperaturas. Existen 3 tipos de pectina: la homogalacturonano, la
ramnogalacturonano 1 y ramnogalacturonano 2; estas varían gracias su composición, estructura
y estereoselectividad. Las propiedades físicas y químicas de la pectina dependen de su origen,
por lo que no todas las plantas están compuestas por la misma molécula de pectina (Nincevic,
Barba, Lorenzo, Lucini, & Rimac, 2018).
• Celulosa: La celulosa es el componente principal de varias fibras naturales y de los
elementos más importantes en las estructuras de la planta, ya que garantiza la integridad de la
estructura celular. Por otro lado, este biopolímero es el más abundante en el medio ambiente y
la naturaleza (Kouadri & Satha, 2018).
• Hemicelulosa: Es importante saber que la hemicelulosa tiene muchas propiedades
excelentes, como la biodegradabilidad, la biocompatibilidad, la bioactividad, las cuales
permiten su aplicación en áreas como alimentos, medicina, energía, industria química y
materiales poliméricos. Por otro lado, este biopolímero es uno de los más abundantes que se
encuentra en las paredes celulares de las plantas, y constituye el 15-30% de la materia orgánica
lignocelulósica en peso, además consiste en un polímero corto y altamente ramificado de
unidades de polisacáridos de cinco y seis carbonos, como xilano, manano, β-glucanos y
xiloglucanos (Luo, Li, Li, Fan, & Clark, 2019).
22
METODOLOGÍA.
Preparación de las muestras. Las muestras de endocarpio y cascara de mango Keitt son recolectadas en bolsas de sellado
hermético, que luego son refrigeradas a una temperatura de 5 ºC. Para obtener solamente el
endocarpio es necesario retirar la semilla de mango de su pepa por medio de un corte en esta
última. Las muestras son secadas en un horno de convección forzada por un tiempo de 48 a 72
horas a una temperatura de no más de 45 ºC. Luego del secado, las muestras son molidas con
una malla de 1 mm, ya que un tamaño de partícula mayor podría generar un proceso de
hidrolisis incompleto y un tamaño de partícula menor repercutiría en una degradación excesiva
de carbohidratos (Hames, y otros, 2008).
Sólidos totales. Para esta prueba se toma un crisol y se coloca en un horno a una temperatura de 105º 3.00 º
C por un periodo de 4 horas. Posteriormente el crisol es retirado a un desecador, en donde se
mantiene por un tiempo de 30 minutos. Siguiente a esto, se pesa el crisol y luego se pesan 2.50
g de muestra en el mismo, para posteriormente colocarlo en un horno a 105 ºC 3.00 ºC por
un periodo de 26 horas. Luego de este tiempo, el crisol pasa de nuevo al desecador para que se
enfrié; este se pesa de nuevo y se calcula la diferencia entre los pesos inicial y final (Ruiz,
Scarlata, Sluiter, Sluiter, & Templeton, 2008), valor con el que es posible definir la proporción
de sólidos totales en la muestra.
Sólidos volátiles. La determinación de sólidos volátiles permite determinar gravimétricamente el contenido de
compuestos inorgánicos presentes en el material vegetal, representados por las cenizas. El
primer paso de este procedimiento es tomar un crisol y someterlo a una temperatura de 105 ºC
por 4 horas. Posteriormente en este crisol, ya enfriado, se pesan 2.50 g de muestra vegetal. Este
crisol es llevado a una mufla, en donde se programa una rampa de calentamiento que lleva a la
muestra a una temperatura de 575° 25.0 ºC, con lo cual se elimina todo el material orgánico
23
presente en la muestra vegetal. Luego, se determina el peso final de la muestra y se determina
cuál es su porcentaje de material inorgánico (Hames, y otros, 2005).
Extraíbles. En esta prueba se busca cuantificar las ceras, grasas y azucares libres presentes en las muestras.
Para este fin se hace una extracción Soxhlet con dos diferentes solventes: agua desionizada y
etanol. Inicialmente se colocan ~10.0 g de material preparado en un dedal de celulosa. A este
material se le hace una extracción Soxhlet en 190 mL 5.00 mL de agua, a una potencia que
genere de 4 a 5 reflujos por hora en el sistema, por un tiempo de 24 horas. Posteriormente, se
cuantifica el solvente perdido por evaporación, este es un parámetro de corrección en el cálculo
del porcentaje de extraíbles presentes en cada muestra. Luego, se hace una segunda extracción
Soxhlet con 190 mL 5.00 mL de etanol en un balón previamente pesado y secado a 105 ºC
por 4 horas. Se aplica un calentamiento que genere de 6 a 10 recirculaciones por hora, por un
periodo de 24 horas. Posterior a este tiempo, se elimina el solvente del balón por medio de una
evaporación de solvente asistida con vacío, para luego ser secado en un horno a 40.0 ºC por 24
horas. Por último, el contenido de extraíbles es determinado por gravimetría (Hames, y otros,
2008). Los dedales utilizados en la extracción son secados en un horno a 30.0 °C por un tiempo
de 24 horas.
Remoción de pectina en la cascara de mango. La muestra que utilizada en este proceso ha sido previamente separada de sus extraíbles
utilizando el método de la sección 2.4 Se inicia lavando la muestra con 200 mL de etanol
(concentrado al 96%) en un filtro de vacío (ver anexo 1.3)51. El producto del filtrado es
agregado y mezclado en una solución de 1L de EDTA (Ácido etilenidaminotetracetico) con
concentración de 0,5 %. A esta solución se le adecua el pH a 11 adicionando NaOH
concentrado en solución. Pasados 30 minutos, se reduce el pH de la solución a 4,5 con la
adición de ácido acético, para posteriormente agregar 0.50 g de pectinasa Aspergillus niger y
mezclar por una hora (Ver anexo 1.4.). Pasada una hora, la mezcla es centrifugada y filtrada.
24
El filtrado es secado a 45.0 ºC, para finalmente ser molido en un molino de cuchillas, con malla
de 1 mm (Figeroa, 2017).
Determinación de lignina y carbohidratos en la muestra. La cantidad de lignina y carbohidratos presentes en el endocarpio de mango se evalúa siguiendo
el método analítico NREL: NREL / TP510-42618 (Sluiter, y otros, 2012). Inicialmente se
calientan los crisoles de filtrado a 575 ± 25 ºC, para luego registrar su peso. Conjunto a esto,
en tubos de ensayo, se realizó la hidrolisis acida en 300 mg 10g de muestra, usando en 3 mL
0,01mL de ácido sulfúrico con concentración de 72% en relación volumen-volumen, por una
hora y a una temperatura de 30 3 ºC. Posteriormente, el producto de la hidrolisis fue disuelto
en 84.0 mL 0,04 mL de agua y se trasladado a un envase Schott de 250 mL, asegurándose de
que el tubo de presión no retuviera ningún producto de la hidrolisis. Este proceso también se
realiza para 2 muestras blanco para los azucares D - (+) glucosa y D (+) xilosa, con los que se
busca determinar la cantidad de azucares perdidos a lo largo del hidrolisis. Estos recipientes
fueron sellados y auto clavados a una temperatura de 121 ºC por una hora. Luego de este
tiempo, a una temperatura ambiente, el material contenido en los envases Schott es filtrado en
los crisoles anteriormente pesados. El material sólido, que contiene la lignina insoluble en
acido, es secado a una temperatura de 105 ºC por un periodo 24 horas, con lo que luego de este
tiempo se registra el peso del crisol. Por último, el crisol es colocado en la mufla, donde se
realiza la misma rampa de temperaturas utilizada en el proceso de sólidos volátiles. El
sobrenadante sacado del filtrado se prepara como muestra destinada a un anális is
composicional en un cromatógrafo de columna liquida de alta presión (HPLC), proceso que
consiste en cambiar su pH a un valor entre 5 y 6 con la adición de carbonato de calcio.
Finalmente, la cuantificación del azúcar se midió utilizando una columna Biorad Aminex HPX-
87P, en la que se usa agua de grado HPLC como fase móvil, volumen de inyección de 20 μL,
caudal de 0.6 mL / min, un tiempo de ejecución de 35 minutos y rango de temperatura entre
25
80-85 °C. La lignina soluble en acido se considera despreciable en este estudio, ya que los
frutos se caracterizan por presentar lignina formada por polímeros altamente estables, con una
solubilidad baja o nula en medio acido (Sluiter, y otros, 2012).
Montaje de medición de BMP.
Medio de cultivo Dentro del biodigestor construido se generó un medio de cultivo que buscaba generar un
ambiente propenso al crecimiento en la población de bacterias anaerobias. A continuación, se
presentan las especies químicas y su proporción en 1 litro de medio de cultivo (Pham, Triolo,
Cu, Pedersen, & Sommer, 2013):
TABLA 2.
COMPOSICIÓN DEL MEDIO DE CULTIVO
Especie química Cantidad
𝑲𝑯𝟐𝑷𝑶𝟒 0,27 g
𝑵𝑨𝟐 𝑯𝑷𝑶𝟒:𝟏𝟐𝑯𝟐𝑶 1,12 g
𝑵𝑯𝟒𝑪𝒍 0,53 g
𝑪𝒂𝑪𝒍𝟐 :𝟐𝑯𝟐 𝑶 0,075g
𝑴𝒈𝑪𝒍𝟐:𝑯𝟐𝑶 0,10g
𝑭𝒆𝑪𝒍𝟐: 𝟒𝑯𝟐𝑶 0,02g
𝑵𝒂𝟐𝑺:𝟗𝑯𝟐𝑶 0,1 g
Preparación de las botellas. Cada recipiente destinado a ser un biodigestor tiene un volumen de 0.5 L, en el que se adiciona
el medio de cultivo (75 mL), el inóculo (estiércol de cerdo) y el sustrato; con lo que luego, es
sellado herméticamente con una tapa y silicona. Este biodigestor está conectado, por medio de
una manguera, a un recipiente de igual volumen, llenado con solución de NaOH destinada a
absorber el 𝐶𝑂2 . Posteriormente, el sistema es purgado con un flujo de 3 L/min de nitrógeno
26
industrial, por un periodo de 10 minutos, esto con el fin de asegurar condiciones anaerobias
(Duran, Figeroa, Gualdron, & Sierra, 2018).
Evaluación del potencial de producción de metano. Para llevar a cabo la fermentación anaerobia de los sustratos se utilizó el método VDI 4630
modificado. Con este fin se aseguró que la proporción entre los sólidos volátiles del inóculo y
del sustrato fuera de 2 a 1 respectivamente. Los biodigestores son ubicados en una incubadora
a una temperatura de 37, 5 0,1 ºC, esto con el fin de asegurar un medio mesófilo para la
metanogénesis. Como el biogás está compuesto en su mayoría de gas metano y 𝐶𝑂2 , se requiere
para determinar la cantidad de metano producida retirar los otros gases producidos. Con este
fin se implementa una solución de NaOH con una concentración del 5% en porcentaje de masa,
la cual genera una absorción reactiva del 𝐶𝑂2 presente en el biogás (Pham, Triolo, Cu,
Pedersen, & Sommer, 2013). Durante la primera semana se mide la cantidad de metano
producido diariamente, para la segunda y tercera semana del proceso la medición se hace cada
2 o 3 días; el proceso se corta cuando se tiene una producción de metano diaria igual o menor
al 1%. Este procedimiento se realizó por triplicado para cada muestra.
FIGURA 3. MONTAJE EXPERIMENTAL DE LA PRUEBA DE POTENCIAL BIOLÓGICO DE METANO
27
Modelos de ajuste para la fermentación anaerobia Existen modelos matemáticos capaces de ajustarse al comportamiento de sistemas biológicos
como la fermentación anaerobia. De acuerdo a literatura (Nielfa, Cano, & Polanco, 2014), los
dos modelos que se usaron para ajustarse a las fermentaciones anaerobias fueron el modelo
Gompertz y el modelo de primer orden. El modelo Gompertz fue sugerido en 1932 por Winsor
como herramienta en la descripción de fenómenos biológicos y económicos, en donde el
crecimiento fuera un factor determinante. Este modelo es indicado para simular una
fermentación anaerobia, ya que asume que la tasa de crecimiento postnatal de bacterias
anaerobias es monotónica para después presentar un decrecimiento asintótico (Casa,
Rodríguez & Afanador, 2010). Este supuesto hace que el
modelo Gompertz pueda reflejar el crecimiento acelerado en la producción de biogás luego del
acondicionamiento del biodigestor y la posterior caída que esta variable tiene cuando inicia la
fase final del fermentador. La ecuación que utiliza este modelo para describir el fenómeno
biológico es la siguiente:
𝑃 = 𝛾 ∗ 𝐸𝑥𝑝 (−𝐸𝑥𝑝 (𝑘(𝜆 − 𝑡)𝑒1
𝛾+ 1))
Ecuación 1. Potencial de producción de metano a partir del modelo Gompertz
En donde, P es la predicción de metano producido, 𝜆 es la constante de fase de retardo, k es la
constante de velocidad específica y 𝛾 es el volumen máximo acumulado en tiempo infinito.
El modelo de primer orden es un modelo teórico que asume que las reacciones presentes en la
fermentación anaerobia son de primer orden, con lo que simula el comportamiento del gas
acumulado con un aumento exponencial hacia un máximo de producción de metano. La
ecuación que utiliza este modelo es:
𝑃 = 𝛾 ∗ (1 − exp(−𝜇𝑡))
Ecuación 2. Potencial de producción de metano a partir del modelo de primer orden
28
En donde, P es la producción teórica de metano, 𝛾 es el volumen máximo acumulado en tiempo infinito
y 𝜇 es la velocidad especifica de crecimiento de microorganismos.
Los parámetros que permiten obtener el valor del volumen de metano para cada tiempo se determinan
mediante una regresión por mínimos cuadrados entre los valores encontrados por los modelos de ajuste
y los valores obtenidos experimentalmente.
Evaluación del porcentaje de biodegradabilidad Dentro del proceso de digestión anaerobia el material orgánico presente en el inóculo y en el
sustrato es degradado por las bacterias anaerobias presentes en las distintas etapas de la
fermentación. Con lo anterior, la cantidad de material orgánico se reduce conforme la
fermentación avanza. Esta variación corresponde al porcentaje de biodegradabilidad en la
fermentación anaerobia. Para conocer este valor es necesario tener en cuenta la cantidad de
sólidos volátiles presentes en el biodigestor al inicio y al final de la fermentación anaerobia
(Nielfa, Cano, & Polanco, 2014). La cantidad de sólidos volátiles al inicio de la fermentac ión
(𝑉𝑆0) se calcula a partir de los resultados de las pruebas de sólidos volátiles realizadas a todos
los residuos, mientras que el número de sólidos volátiles al final del proceso de fermentac ió n
se obtiene realizando una prueba de sólidos volátiles a la mezcla de sustrato e inóculo presente
en el biodigestor al final de la producción de metano (𝑉𝑆𝑓). Con estos valores se aplica la
siguiente ecuación (Nielfa, Cano, & Polanco, 2014), con la que se calculó el porcentaje de
biodegradabilidad de cada fermentación:
𝐵𝐷𝑒𝑥𝑝% =𝑉𝑆0 − 𝑉𝑆𝑓
𝑉𝑆0
Ecuación 3. Tasa de biodegradabilidad.
29
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Resultados y análisis de prueba composicional del endocarpio
Prueba de sólidos totales. Se determinó que la cantidad de sólidos totales en la muestra preparada de endocarpio es de
957 4.40 g/kg, mientras que para la muestra de endocarpio recibida la cantidad de sólidos
totales es de 387 ± 3.00g/kg. Al comparar estos resultados con la cantidad de sólidos totales de
otros residuos, se encontró que la muestra con menor cantidad de sólidos totales es la cascara
de mango con pectina y extraíbles. Al observar la cantidad de sólidos totales de la muestra
preparada, se determinó que el tratamiento de secado de la muestra influye considerablemente
en este resultado. Por lo que, al comparar este valor con el obtenido con la muestra de
endocarpio recibida, se establece que el endocarpio tiene una gran cantidad de agua. Sin
embargo, la cantidad de agua en el endocarpio es menor que en el residuo de cascara, que
registra una cantidad de sólidos totales de 205.59 g/kg cuando la muestra no ha sido preparada
(Duran, 2018).
Prueba de sólidos volátiles El valor de sólidos volátiles que se encuentra para el endocarpio es de 976 ± 0.09 g/kg. Con
este resultado se sabe que el residuo de mango con mayor cantidad de material orgánico
disponible en la cascara de mango, puesto que tiene la mayor cantidad de sólidos volátiles (993
± 0,02 g/kg). También, se observa que la muestra con menor disposición de material orgánico
es la cascara de mango Keitt sin pectina (918 0.32 g/kg), aspecto que se debe a que a esta
muestra se le extrajeron y descompusieron azucares, aceites, grasas, terpenos y pectina antes
de someterla a esta prueba.
30
Figura 4. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE CENIZAS DE DISTINTOS
RESIDUOS.
Prueba de extraíbles Se encontró que la cantidad de extraíbles presente en el endocarpio es de 21.0 ± 0.01 g/kg. Con
esto se observa que la cantidad de extraíbles en la muestra de endocarpio es mínima, cercana a
1/10 de la cantidad de extraíbles presentes en la muestra de cascara, que son 141.4 ± 0.07 g/kg.
Figura 5. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE EXTRAÍBLES DE DISTINTOS
RESIDUOS
31
Este resultado indica que, como residuo el endocarpio de mango, al tener una menor cantidad
de extraíbles que la cascara, este tiene una mayor cantidad de celulosa, hemicelulosa o lignina
que esta última.
Determinación de lignina y carbohidratos. Al realizar la prueba de determinación de lignina y carbohidratos al endocarpio del mango
Keitt, se encontró que la cantidad de lignina en esta muestra es del 165.00 ± 4.6 g/kg. De igual
forma, se comparó este resultado con los reportados en trabajos previos concernientes a
residuos diferentes:
Figura 6. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE LIGNINA DE DISTINTOS
RESIDUOS
También se presentan la comparación de la cantidad de celulosa y de hemicelulosa presentes
en los distintos residuos, con lo que posteriormente se discutirá las evidentes diferenc ias
composicionales entre residuos.
32
Figura 7. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE CELULOSA DE DISTINTOS
RESIDUOS
Figura 8. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE HEMICELULOSA DE
DISTINTOS RESIDUOS
33
Resumen de composición del endocarpio de mango Keitt. La siguiente tabla muestra la composición detallada del endocarpio de mango Keitt:
TABLA 3
COMPOSICIÓN DEL ENDOCARPIO
Especie química Endocarpio de mango Keitt
% Sólidos totales 38.77 ± 0.3
% Lignina 16,5 ± 0,46
% Extraíbles 2,1 ± 0,04
% Celulosa 57,5 ± 1,8
% Hemicelulosa 18,4 ± 1,5
% Proteína 1,56 ± 0,05
% Cenizas 2,4 ± 0,016
% Pectina N.d.
Total 98,4 ± 3,8
Se observa que el análisis composicional arrojó un resultado aceptable y cercano al 100% en
la sumatoria de porcentajes. Sin embargo, al comparar la composición del endocarpio con la
de la cascara de mango Keitt reportada en literatura (Duran, Figeroa, Gualdron, & Sierra,
2018), se encuentra que existen bastantes diferencias la proporción de las especies químicas
que componen estos residuos. Por ejemplo, el porcentaje de extraíbles en la cascara es mayor
en casi un 13% a los extraíbles del endocarpio. En la composición de proteína, el endocarpio
también presenta un valor menor al de la cascara. Como es de esperarse por su aspecto y dureza,
el endocarpio presenta una mayor composición de lignina que la cascara, presentando una
diferencia cercana al 8%. La única especie en la que se tiene valores cercanos de composición
en las dos especies son las cenizas.
34
Figura 9. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE PECTINA DE DISTINTOS
RESIDUOS
Una contundente diferencia entre los dos residuos es que en la cascara se encuentra pectina,
mientras que en el endocarpio la presencia de esta especie química es no detectable. También
se encuentra que el endocarpio posee una gran cantidad de hemicelulosa, mientras que la
cascara no posee esta especie química.
Otro residuo del mango bastante asociado al endocarpio es la semilla. Al comparar la
composición de este residuo con la del endocarpio se encuentran diferencias considerables
entres estas. Con respecto a la celulosa, se observa que está en mayor cantidad en la semilla
(62.6 %), mientras este mismo residuo no posee una cantidad significante de hemicelulosa. De
igual forma, al comparar la información de la tabla 3 con literatura (Duran, 2018), se determina
que el residuo de semilla tiene una mayor cantidad de extraíbles que el endocarpio, aspecto que
también ocurre con la proteína. Con respecto a la lignina, se encuentra que el residuo con mayor
cantidad de esta especie sigue siendo el endocarpio, que supera por casi un 10% la participac ión
de la pectina en la composición de la semilla. Sin embargo, el residuo con mayor cantidad de
material lignocelulósico entre los dos residuos comparados es el endocarpio, en el que esta
35
clase de material representa un 80% de su composición, en contraste con el 70% que este
material ocupa en la composición de la semilla
Al comparar la composición del endocarpio con la de otros residuos de frutos tropicales
reportados en la bibliografía, se encuentra que el endocarpio presenta un alto porcentaje de
celulosa y hemicelulosa en comparación con frutas como la pitahaya, la uchuva y el banano,
que presentan una cantidad de celulosa de 154 g/kg, 250 g/kg y 364 g/kg respectivamente
(Duran, Figeroa, Gualdron, & Sierra, 2018).
Figura 10. COMPARACIÓN ENTRE CANTIDAD DE PROTEINAS DE DISTINTOS
RESIDUOS
De igual manera se encuentra que el endocarpio presenta muy bajos niveles de proteínas,
pectina y extraíbles en comparación con estas frutas. La gran cantidad de celulosa que el
residuo de endocarpio posee hace que este residuo sea útil para la industria papelera y textil,
que son las industrias que más requieren y consumen celulosa (Sanz Tejedo). Otro posible uso
de este residuo es el de ser sustrato en la producción de biogás, ya que los sustratos con gran
cantidad de material celulósico generan una mayor producción de gas metano, convirtiendo
este residuo en una fuente de energía sustentable (ERENOVABLE, 2015).
36
Prueba BMP
Sólidos totales y volátiles de los sustratos e inóculo Para llevar a cabo los montajes de las pruebas BMP fue necesario determinar la cantidad de
sólidos totales y volátiles presentes en los distintos sustratos a utilizar y el inóculo empleado.
Por tanto, a continuación, se presentan los sólidos totales de sustratos e inóculo:
Tabla 4.
Sólidos totales de sustratos e inóculo
Residuo Sólidos totales
Endocarpio 958 4.40 g/kg
Cascara 893 5.60 g/kg
Cascara libre de extraíbles y pectina 918 0.32 g/kg
Inóculo
(estiércol de cerdo)
261 ± 0.89 g/kg
De igual forma, se presenta una gráfica que facilita la interpretación de las diferencias en las cantidades
de solidos totales entre los distintos sustratos y el inoculo
Figura 11. COMPARACION ENTRE SOLIDOS TOTALES DE SUSTRATOS E
INÓCULO
37
De igual manera, para asegurar una de las condiciones del método VDI4630, se buscó
determinar la proporción de sólidos volátiles de 1:2 entre sustrato e inóculo respectivamente.
Para este fin, fue necesario determinar la cantidad de sólidos volátiles de cada sustrato y del
inóculo utilizado. Los resultados de estas pruebas se presentan a continuación:
Tabla 5.
Sólidos volátiles de sustratos e inóculo
Residuo Sólidos volátiles
Endocarpio 976 ± 0.09 g/kg
Cascara 993 ± 0,02 g/kg
Cascara libre de extraíbles y pectina 918 0.32 g/kg
Inóculo (estiércol de cerdo) 209 ± 8.10 g/kg
De igual forma, se presenta una gráfica que facilita la interpretación de las diferencias en las cantidades
de solidos volátiles entre los distintos sustratos y el inoculo.
Figura 12. COMPARACIÓN ENTRE SÓLIDOS VOLATILES DE SUSTRATOS E INOCULO
38
Teniendo en cuenta la baja cantidad de sólidos volátiles presentes en el inóculo, la cantidad
adicionada de este material a cada uno de los biodigestores evaluados fue mucho mayor en
comparación con la cantidad de sustrato adicionada.
Adicionalmente, a fin de preparar el sustrato de cascara libre de extraíbles y pectina, fue
necesario adelantar los procesos descritos en la secciones 0 y 0 de este documento en muestra
preparada de cascara de mango. Al adelantar la prueba de extraíbles, fue posible determinar la
cantidad presente de estas especies en el residuo de cascara. Se determinó, que la cantidad de
extraíbles en la cascara es de 141. ± 0.07 g/kg.
Resultados pruebas experimentales
FIGURA 13. COMPARACIÓN ENTRE LOS COMPORTAMIENTOS DEL MODELO DE GOMPERTZ Y
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Utilizando un diseño experimental ANOVA one way (p = 0.00 < 0.05) y finalmente una prueba
de Tukey, se determina que los volúmenes acumulados de biogás de los sustratos analizados
son significativamente diferentes. Se obtiene que el volumen total acumulado de gas metano
por gramo de sólido volátil fue de 527 17.2 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor con endocarpio,
39
196 21.9 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor sin sustrato y 112 6.56 mL 𝐶𝐻4/g SV para el
biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina. De igual forma, se observa que el proceso
de digestión anaerobia requiere de menos tiempo en el biodigestor con cascara, puesto en sus
últimos 10 días de evaluación su producción es casi nula.
La desviación estándar es considerablemente alta en el biodigestor sin sustrato. Sin embargo,
los procesos biológicos por lo general presentan una alta desviación por la gran cantidad de
factores que pueden afectar el resultado final. Considerando la magnitud de la medición se
observa que en el caso del biodigestor con endocarpio la desviación presenta un 3,2 % del valor
total y en caso del biodigestor sin sustrato representa un 11,2 % de la medición final. Aun así,
los dos valores son aceptables y normales, teniendo en cuenta que estos son resultados de
procesos biológicos.
Al utilizar el modelo de ajuste Gompertz para cada biodigestor y compararlo con los resultados
experimentales, se encontró que ambos presentaban gran similitud. Con este modelo se
encontró que la producción de biogás en un tiempo infinito fue de 187 mL 𝐶𝐻4/g SV para el
biodigestor sin sustrato, 503 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor con endocarpio como sustrato
y 109 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina como sustrato.
La gran similitud entre los resultados ajustados y experimentales es muestra de que la
experimentación realizada presento errores mínimos, ya que el modelo matemático
seleccionado tiene la capacidad de explicar un ~99% de los resultados que se obtienen en una
prueba BMP. Adicionalmente, se calculó el valor de 𝑅2 que tiene el modelo para cada
biodigestor; se encontró que este valor es de 96.8% para el biodigestor con endocarpio, 98.0%
para el biodigestor con inóculo y 90.5% para el biodigestor con cascara libre de extraíbles y
pectina.
Al utilizar el modelo de ajuste de primer orden para evaluar el comportamiento de las tres
fermentaciones evaluadas se observó una gran similitud entre los comportamientos ajustados
40
y experimentales, tal y como se muestra en la figura 14. Con este modelo se encontró que la
producción de biogás en un tiempo infinito fue de 198 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor sin
sustrato, 540 mL 𝐶𝐻4/g SV para el biodigestor con endocarpio como sustrato y 113 mL 𝐶𝐻4/g
SV para el biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina como sustrato. Por último, se
calculó el valor de 𝑅2 que tiene el modelo para cada biodigestor, con lo que este valor es de
99.0% para el biodigestor con endocarpio, 95.7% para el biodigestor con inóculo y 92.9% para
el biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina.
FIGURA 14. COMPARACIÓN ENTRE LOS COMPORTAMIENTOS DEL MODELO DE PRIMER
ORDEN Y RESULTADOS EXPERIMENTALES.
Estos valores de 𝑅2 indican que los ajustes del biodigestor con cascara libre de extraíbles y
pectina se desvían en cierta magnitud del modelo, sin embargo no hay falta de ajuste, siendo el
modelo de primer orden el que mejor se ajusta a los resultados experimentales. Este aspecto no
ocurre en el biodigestor con endocarpio, en donde para el modelo de primer orden se consigue
un valor muy cercano al 100%, por lo que se considera que este es un mejor modelo para
41
simular este comportamiento. Sin embargo, al evaluar cuando se ajustan los modelos al
comportamiento del biodigestor con inóculo a partir de los valores de 𝑅2, se encuentra que el
modelo que más se ajusta a este comportamiento es el de Gompertz. En resumen, aunque unos
modelos se ajusten más que otros a un determinado tipo de residuo, hay que tener en cuenta
que la desviación estándar de los resultados experimentales hace viable la aplicación de
cualquiera de los dos modelos de ajuste.
Se observa un aumento en la producción de metano luego del segundo día de experimentac ión,
Este evento puede deberse a que la etapa de hidrolisis que retrasa el proceso de fermentac ión
anaerobia, ya que el material lignocelulósico en los sustratos hace que la degradación de las
especies químicas de cadenas largas tome más tiempo. Con lo anterior, se detectó que la etapa
de metanogénesis se vio retrasada por la etapa de hidrolisis en la fermentación anaerobia de la
mayoría de fermentadores
En el biodigestor con inóculo se observa que la producción de biogás comienza desde el primer
día y sigue creciendo de manera contante, aspecto que indica que la producción de biogás diaria
ha sido similar entre días. Este comportamiento sugiere que la etapa metanogénica pudo inic iar
desde el primer día de operación, porque al tener menor cantidad de material lignocelulós ico
que retrasará la etapa de hidrolisis, el biodigestor pudo llegar a la última fase de la fermentac ión
anaerobia en menor tiempo que el que tardan los otros biodigestores evaluados. Al compararla
producción de metano registrada en la bibliografía (Duran, Figeroa, Gualdron, & Sierra, 2018),
se encuentra que los resultados bastante parecidos, hecho que genera confiabilidad con respecto
a los resultados obtenidos.
Si se compara el crecimiento en el volumen acumulado de metano producido en los 3
biodigestores, se encuentra que el proceso de producción de metano en los dos biodigestores
con sustrato tiene retraso en el inicio gracias a la demora en la etapa de hidrólisis. También se
encuentra que los tiempos en que el biodigestor termina de producir una cantidad significat iva
42
de gas metano son diferentes para cada especie. Viendo este factor se determina que la
fermentación con mayor tiempo fue la del endocarpio, mientras que la fermentación con menor
tiempo de funcionamiento fue la de la cascara libre de extraíbles y pectina.
Al comparar los tres tipos de biodigestores en evaluación, se encuentra que la producción de
biogás en el biorreactor con endocarpio es muy superior a la de los otros biodigestores, por lo
que realmente su uso como sustrato genera un aumento de gas metano producido por el inóculo.
De igual forma, la producción de metano es superior a la obtenida con cascara como sustrato,
que registra una producción de 447 mL 𝐶𝐻4/ (Duran, 2018). Esta diferencia puede deberse a
la cantidad de celulosa presente en el endocarpio. Otro comparativo brindado por el grupo de
investigación es el biodigestor de cascara de mango libre de pectina, que registro una
producción de 387 mL 𝐶𝐻4/g SV, resultado que comparado con el obtenido en la cascara
permite afirmar que la pectina es una especie química con gran influencia en el proceso de
fermentación anaerobia de la cascara de mango. En resumen, se encuentra que uno de los
desechos de mango Keitt con mayor potencial de producción de gas metano, por medio de una
fermentación anaerobia que favorece bacterias mesófilas, es el endocarpio.
El biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina fue el que menos gas metano produjo
de los tres evaluados, lo cual indica una posible inhibición a lo largo de la fermentación. Al
compararlo con la fermentación del inóculo, se encuentra que el blanco produce más metano,
por lo que el sustrato a lo largo del proceso impidió que se llevara a cabo la fermentac ión
anaerobia dentro del mismo inóculo. De igual forma, al comparar este resultado con los datos
de la bibliografía (Duran, 2018), se encuentra que el retirar los extraíbles de la cascara de
mango es lo que realmente genera inhibición en la fermentación. Si se comparan las
fermentaciones de la cascara y de cascara libre de pectina con este resultado se encuentra que
la disminución de gas metano producido es de 75% al retirar los extraíbles y la pectina de la
cascara. A partir de este comparativo, se determina que los extraíbles que componen la cascara
43
de mango influyen considerablemente en la fermentación anaerobia de este sustrato (aún más
que la pectina).
Otra posible explicación de la inhibición con la fermentación de la cascara libre de extraíbles
y pectina es que los procedimientos llevados a cabo para retirar la pectina y los extraíbles de la
muestra sean los culpables de este evento. Dentro del proceso de extracción de pectina se
realizaron cambios de pH que pudieron desnaturalizar especies químicas presentes en la
cascara, lo que pudo llevar a la considerable reducción en la producción de metano (Raposo, y
otros, 2011). Otra de las posibles consecuencias de haber cambiado el pH en el sustrato, es que
este cargado aun con ácidos o bases hubiera podido alterar las condiciones del medio de cultivo
donde se llevaba a cabo la fermentación, lo que al final repercutió en la baja producción de gas
metano (Nielfa, Cano, & Polanco, 2014). De igual forma, el constante calentamiento de la
muestra a lo largo de las extracciones Soxhlet realizadas también pudo generar una
desnaturalización de las especies químicas. Estos distintos procedimientos realizados en el
sustrato, pudieron ser la causa de que este no funcionara como una fuente de material
degradable para las bacterias anaerobias, sino como un inhibidor de la fermentación que estas
realizan.
Teniendo en cuenta que la cantidad de sólidos volátiles presentes en las muestras de cascara y
endocarpio es cercano al 99% se encuentra, a partir de lo obtenido en las fermentaciones, que
desechos del consumo de mango Keitt como el endocarpio y la cascara son una excelente
opción como sustrato en la producción de gas metano como combustible.
Nivel de biodegradabilidad. Para este fin se determinó la cantidad de sólidos totales presentes en el material que compone
los biodigestores cuando estos han finalizado la producción de biogás. Se determinó que el
porcentaje de sólidos totales era de 69.4 ± 22.8 g/kg para el biodigestor con endocarpio, 63.4
± 16.8% para en biodigestor sin sustrato y 68.5 ± 0.32 g/kg para el biodigestor con cascara libre
de extraíbles y pectina. Conjunto a esto se realizó la prueba de sólidos volátiles a los residuos
44
de biodigestor ya secados. Se encontró que la cantidad de sólidos volátiles fue de 985 ± 2.45
g/kg para el biodigestor con endocarpio, 994 ± 2.45 g/kg para el biodigestor sin sustrato y 986
± 0.76 g/kg para el biodigestor con cascara libre de extraíbles y pectina.
Al utilizar la ecuación puesta en la sección 0. Con los anteriores resultados, se encontró que el
nivel de biodegradabilidad fue de 73.9 ± 1.12% para el biodigestor con endocarpio, 75.9 ±
0.25% para el biodigestor sin sustrato y 74.3 ± 0.47% para el biodigestor de cascara libre de
extraíbles y pectina respectivamente. Estos valores son graficados en la siguiente figura:
Figura 15. COMPARACIÓN ENTRE LA TASA DE BIODEGRADABILIDAD DE
LOS BIODIOGESTORES.
Como se observa, estos valores son muy parecidos entre si teniendo en cuenta la desviación
estándar de cada uno, por lo que se infiere que, a las mismas condiciones físicas, la presencia
de un sustrato especifico no altera la biodegradabilidad en la fermentación anaerobia. Puede
pasar que dentro de la fermentación anaerobia se inhiba una ruta de producción de metano, con
lo que se activan otras rutas que producen otras sustancias como 𝐶𝑂2, que se obtiene de la
neutralización de ácidos carboxilicos (Rughoonundun & Holtzapple, 2017). Con tasas de
45
biodegradabilidad similares, se establece que la explicación más coherente para este fenómeno
es que dentro de la fermentación anaerobia se activaran rutas diferentes a la de producción de
metano.
46
CONCLUSIONES
• Se concluye que la carencia de extraíbles en el sustrato de cascara de mango produce
reacciones químicas diferentes a las presentes en el proceso de metanogénesis, por lo tanto, los
extraíbles son especies químicas que influyen considerablemente en cómo se lleva a cabo la
fermentación anaerobia de la cascara.
• Se determinó que el endocarpio es el residuo del mango con mayor cantidad de materia l
lignocelulosico en su composición, por lo que es un residuo útil para industrias que requieren
grandes cantidades de celulosa como la papelera y textil. Adicionalmente, esta propiedad lo
hace útil como sustrato en la producción de metano a partir de la fermentación anaerobia.
• Se establece que la producción de gas metano es superior al usar endocarpio como
sustrato que cuando se usa cascara como sustrato, gracias a que el primero tiene una mayor
cantidad de celulosa(degradable en la fermentación anaerobia) que el segundo.
• Se encontró que la inhibición de la fermentación anaerobia generada con el uso de
cascara libre extraíbles y pectina como sustrato, pudo deberse a los procedimientos que se
realizaron para extraer estas especies químicas del sustrato, ya que las mismas generaran
solubilización de especies químicas y el cambio de pH en la muestra.
• Se determinó que los desechos del consumo del mango Keitt como la cascara y el
endocarpio son sustratos viables en la producción de biogás, ya que contienen especies
químicas que pueden ser degradadas por las bacterias presentes en la fermentación anaerobia.
• Se concluye que la tasa de biodegradabilidad de las 3 fermentaciones anaerobias es muy
similar, aun cuando la cantidad de metano es bastante diferente entre los tres. Esto se debe a
que las fermentaciones activaron rutas de producción diferentes de las del metano.
47
TRABAJO FUTURO. A partir de lo obtenido en este y otros proyectos adelantados de la mano de Daniel Duran y
Rocío Sierra, considero que existe gran potencial para adelantar futuras investigaciones en
torno al aprovechamiento de residuos orgánicos provenientes del consumo masivo de distintos
alimentos. Con lo anterior, existe la posibilidad de establecer modelos de aprovechamiento de
residuos orgánicos a una escala industrial, con lo que se podría llegar a reducir el impacto
ambiental de distintas actividades industriales. En resumen, esta clase de estudios enfocados
en la producción de biogás a partir de residuos, tiene un amplio potencial en el desarrollo
científico e industrial a nivel internacional.
Con respecto al estudio composicional de residuos como el endocarpio de mango Keitt,
considero que la información proveniente de estos proyectos puede repercutir en la utilizac ión
de este residuo como materia prima en procesos industriales que consuman grandes cantidades
de celulosa y hemicelulosa. Con lo anterior, no solo se genera un valor en esta clase de recursos,
sino que se produce un interés en el sector industrial por generar nuevos proyectos e
investigaciones enfocados al aprovechamiento de residuos orgánicos. En resumen, el entender
la composición de residuos orgánicos como el endocarpio hace posible que en un futuro estos
puedan ser implementados tanto en el área científica como en el área industrial.
Por último, es necesario que se continúe buscando nuevas alternativas que permitan aprovechar
los desechos orgánicos como materia prima o como fuente de energía eco sostenible. Con lo
que caben millones de posibilidades de investigación, con las que se hace posible entender
realmente que provechos puede llegar a traer el desecho y como estos pueden ser optimizados.
48
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ANEXOS
Imágenes de montajes experimentales
Mufla
Montaje de extracción Soxhlet con agua, para las 2 muestras.
Montaje de lavado con etanol completado con filtrado a vacío en proceso de eliminación de pectina
Mezclado de solución con pH de 11 en proceso de eliminación de pectina
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Ejemplo de colector de CO2
Proceso de sellado de biodigestores.
Montaje de biodigestores en incubadora a 37,5°C
