Organic loading optimization is the key to unlocking the VFAs potential of poultry manure during alkaline fermentation

Imagina un mundo donde los desechos que producimos no se quedan simplemente en un vertedero o contaminando el aire del vecindario, sino que realmente se transforman en algo útil, como los bloques de construcción para nuevos plásticos o combustibles. Este es el emocionante rincón de la ciencia conocido como valorización de residuos. En su corazón se encuentra un proceso llamado fermentación anaeróbica, que es esencialmente una versión de alta tecnología del compostaje. En lugar de dejar que las bacterias descompongan los restos de comida en presencia de oxígeno (lo que crea una pila de tierra), los sellamos en un tanque sin oxígeno. En esta fiesta oscura y sin aire, diferentes tipos de bacterias comen los desechos y liberan sustancias químicas. Normalmente, los científicos intentan dirigir esta fiesta para producir metano (biogás), que puede quemarse para obtener energía. Sin embargo, hay un inconveniente: si los desechos son demasiado ricos en nitrógeno (como el estiércol de pollo), liberan amoníaco, que actúa como una niebla tóxica que asfixia a las bacterias productoras de metano.

Pero, ¿qué pasaría si no quisiéramos metano en absoluto? ¿Qué pasaría si quisiéramos Ácidos Grasos Volátiles (AGV) en su lugar? Piensa en los AGV como los "aperitivos intermedios" que las bacterias fabrican antes de convertirlos en metano. Estos ácidos son productos químicos valiosos utilizados para fabricar desde bioplásticos hasta agentes de limpieza. Son más fáciles de almacenar y transportar que el gas, y las bacterias que los fabrican son mucho más resistentes a la "niebla" de amoníaco que las que producen metano. La gran pregunta para los científicos ha sido: ¿Cómo gestionamos la "multitud" de desechos que introducimos en el tanque para que las bacterias dejen de producir metano y comiencen a fabricar la mayor cantidad posible de AGV? Aquí es donde entra en juego el concepto de Tasa de Carga Orgánica (TCO). Puedes pensar en la TCO como el "límite de velocidad" para la cantidad de comida que vertemos en el reactor cada día. Si es demasiado lento, las bacterias se aburren; si es demasiado rápido, se ven abrumadas. Encontrar la velocidad perfecta es la clave para desbloquear el potencial de este residuo.

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El desafío del estiércol de pollo: Transformando desechos en oro

En este estudio, un equipo de investigadores decidió abordar un problema muy maloliente: el estiércol de aves (estiércol de pollo). Si bien el estiércol de pollo es excelente para fertilizar campos, hay tanto que se convierte en una pesadilla de gestión de residuos. Los investigadores querían ver si podían convertir este residuo rico en nitrógeno en AGV utilizando un método llamado fermentación alcalina (que simplemente significa mantener el tanque ligeramente jabonoso o básico, en lugar de ácido).

Comenzaron con una serie de experimentos de "lote" (batch), que son como pequeñas fiestas de una sola vez en tubos de ensayo. Querían averiguar dos cosas: ¿Cuánta cantidad de estiércol de pollo deben mezclar con las bacterias iniciales (la relación Alimento-Inóculo, o F:I), y ayuda mantener el pH alto (alcalino)?

Los Resultados:
Descubrieron que la "fiesta" funcionaba mejor cuando había muchas bacterias en comparación con la cantidad de estiércol. Específicamente, una relación F:I baja de 0.3 (lo que significa 0.3 partes de estiércol por 1 parte de bacteria) produjo la mayor cantidad de AGV. Mejor aún, cuando ajustaron el pH a 9.5 (haciéndolo bastante alcalino), el rendimiento de los AGV saltó aún más alto, alcanzando aproximadamente 520 mg de AGV por gramo de sólidos volátiles. Las condiciones alcalinas actuaron como un supercargador, ayudando a descomponer el resistente estiércol de pollo y evitando que los productores de metano se comieran los AGV antes de que pudieran ser recolectados. Curiosamente, descubrieron que añadir más estiércol (una relación F:I más alta) en realidad hacía que el sistema fuera menos eficiente, produciendo menos AGV.

El largo recorrido: Encontrando el límite de velocidad perfecto

Satisfechos con las pequeñas pruebas, el equipo pasó a un reactor semicontinuo más grande (un tanque de 3 litros que funciona de forma continua). Aquí, querían encontrar la Tasa de Carga Orgánica (TCO) perfecta —el punto ideal de cuánta cantidad de estiércol de pollo alimentar al sistema cada día. Comenzaron despacio e incrementaron gradualmente la cantidad de alimento, paso a paso, durante 173 días.

El viaje:

• Los primeros días (TCO 2–6 g VS L⁻¹ d⁻¹): A velocidades bajas, el sistema estaba contento. Produjo una cantidad decente de metano y los niveles de amoníaco (la niebla tóxica) se mantuvieron manejables.
• El punto de inflexión (TCO 7–8 g VS L⁻¹ d⁻¹): A medida que aumentaron la velocidad a 8 g VS L⁻¹ d⁻¹, algo increíble sucedió. La producción de metano cayó casi a cero porque los niveles de amoníaco se volvieron demasiado altos para los productores de metano. Pero en lugar de que el sistema fallara, la producción de AGV se disparó. ¡La concentración de AGV saltó de alrededor de 1,100 mg/L a unos masivos 9,726 mg/L en su punto máximo!
• El límite (TCO 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹): Cuando empujaron la velocidad solo un poco más allá, a 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹, el sistema empezó a tener dificultades y los niveles de AGV comenzaron a caer.

El veredicto:
Los investigadores concluyeron que 8 g VS L⁻¹ d⁻¹ es la velocidad "Ricitos de Oro" para convertir el estiércol de pollo en AGV en un sistema continuo. Es lo suficientemente rápida para maximizar la producción, pero no tanto como para que el sistema colapse.

Los intrusos de la fiesta microbiana

Para entender por qué sucedió esto, los científicos observaron a los diminutos organismos que vivían en el tanque. Descubrieron que la comunidad de bacterias cambió drástamente a medida que la velocidad aumentaba.

• Los ganadores: A las altas velocidades (TCO 8), un grupo de bacterias resistentes llamadas Desulfosporosinus (bacterias reductoras de sulfato) tomó el control, creciendo hasta alcanzar casi el 19% de la población. Estos tipos son como los tipos duros del mundo microbiano; prosperan en entornos de alto estrés y alto amoníaco donde los productores de metano no pueden sobrevivir. Otros tipos de bacterias como Bacteroides y Sphaerochaeta también dieron un paso adelante para ayudar a descomponer el resistente estiércol de pollo más rápido.
• Los perdedores: Las bacterias que suelen trabajar en equipo para producir metano, como Sedimentibacter y Syntrophomonas, desaparecieron. Simplemente no pudieron soportar el estrés de la alta tasa de carga.
• Los supervivientes del metano: Los pocos productores de metano que quedaron fueron principalmente Methanosarcina, un género conocido por ser increíblemente resistente. Al final del experimento, representaban más del 97% de la comunidad de arqueas, pero incluso ellos no pudieron detener el cambio hacia la producción de AGV.

Lo que esto significa

Este artículo sugiere que no necesitamos luchar contra el amoníaco en el estiércol de pollo; podemos usarlo a nuestro favor. Al ejecutar la fermentación a una velocidad alta específica (8 g VS L⁻¹ d⁻¹) y mantener el ambiente alcalino, podemos detener la producción de metano y convertir el residuo en un valioso recurso químico. El estudio demuestra que con la "velocidad límite" adecuada y un poco de ayuda de las condiciones alcalinas, el estiércol de aves no es solo un desperdicio, sino una potencial fábrica de productos químicos de base biológica. Sin embargo, los autores señalan que empujar la velocidad demasiado alto (como 8.5 g VS L⁻¹ d⁻¹) puede desestabilizar el sistema, por lo que encontrar ese equilibrio preciso es crucial para cualquier aplicación futura en el mundo real.