Producción de biogás en un reactor anaerobio a partir de los residuos de la cactácea Opuntia ficus indica y de la nixtamalización

Abstract

In the context of agricultural waste utilization, biogas production through anaerobic digestion (AD) emerges as a sustainable alternative. However, the residue of the cactus Opuntia ficus-indica (OFI) presents particular challenges due to its acidic pH, high content of insoluble fiber, which could cause delays in the hydrolytic stage due to its difficult degradation, as well as excessive generation of volatile fatty acids, which may lead to inhibition of microorganisms in the acetogenic and methanogenic stages, resulting in a decrease in methane content in the biogas. Therefore, the main objective of this research is to enhance methane production through techniques such as the application of pretreatments and co-digestion. Furthermore, the experimental part was divided into three stages, which are: Stage one is methane (CH4) production from the combination of pretreatments on the OFI residue in a pilot-scale anaerobic reactor. Stage two, Biochemical Methane Potential (BMP) tests based on a Taguchi L9 experimental design to carry out combined pretreatments and co-digestion of the nixtamalization residue, to find the optimal combination of pretreatments and co-digestion from the BMP assay. Stage three was a process in a semi-continuous reactor with the best trial from stage two, where the removal of the residue, biogas production and its concentration, and monitoring variables were evaluated. The results obtained included the adaptation of the inoculum to the pretreated OFI residue and biogas production with a methane concentration of 65%-75%. Co-digestion of the OFI residue and nixtamalization residue resulted in a methane concentration of 65.20%.

En el contexto de aprovechamiento de residuos agrícolas, la producción de biogás a partir de la digestión anaerobia (DA) se presenta como una alternativa sostenible; Sin embargo, el residuo de la cactácea Opuntia ficus indica (OFI), se tiene desafíos particulares debido a que el pH ácido, elevado contenido de fibra insoluble, que podría ocasionar retardos en la etapa hidrolítica debido a su difícil degradación, así como la generación excesiva de ácidos grasos volátiles, lo que puede provocar una inhibición de los microorganimos en las etapas acetogénicas y metanogénicas, lo cual puede provocar una disminución de metano en el biogás. Es por eso que el objetivo central de esta investigación es potenciar la producción de metano, mediante técnicas como la aplicación de pretratamientos, y la codigestión. Por otra parte, la parte experimental se dividió en tres etapas, las cuales son: producción de metano (CH4) a partir de la combinación de pretratamientos en el residuo OFI en un reactor anaerobio a escala piloto (Etapa uno); pruebas de Biochemical Methane Potential (BMP) a partir de un diseño de experimentos Taguchi L9 para realizar los pretratamientos combinados y la co-digestión del residuo de nixtamalización, al fin de encontrar la combinación de pretratamientos y co-digestión del ensayo BMP (Etapa dos) y la operación en un reactor semicontinuo con la mejor prueba BMP de la etapa dos, donde se evaluaron la remoción del residuo, producción de biogás y su concentración y las variables de monitoreo (Etapa tres). Los resultados obtenidos fueron la adaptación del inóculo al sustrato pretratado residuo OFI y la producción de biogás con una concentración de CH4 de 65% - 75%. La co-digestión del residuo OFI y el residuo de nixtamalización la concentración de CH4 fue de 65.20%.