Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

Convertir los desechos en energía es un concepto familiar en el mundo moderno, pero el proceso suele ser un delicado acto de equilibrio. En el corazón de este esfuerzo se encuentra la digestión anaeróbica, un método natural donde los microbios descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno para producir biogás, un combustible rico en metano. Este combustible puede alimentar hogares y vehículos, ofreciendo una alternativa más limpia a los combustibles fósiles. Sin embargo, el proceso es frágil. Cuando los agricultores y los procesadores de alimentos mezclan diferentes tipos de desechos para alimentar a estas comunidades microbianas, el sistema puede volverse inestable. Los microbios pueden producir demasiado ácido, o el entorno puede volverse demasiado tóxico con amoníaco, causando que toda la operación se ralentice o se detenga. Para mantener el sistema funcionando sin problemas, los científicos han buscado durante mucho tiempo aditivos que puedan actuar como un amortiguador, estabilizando el entorno y ayudando a los microbios a trabajar de manera más eficiente. Una vía prometedora implica el uso de materiales ricos en carbono, que pueden absorber subproductos dañinos y proporcionar una superficie para que crezcan bacterias beneficiosas.

En un estudio reciente, los investigadores exploraron una solución específica a este problema: convertir el residuo sólido sobrante del propio proceso de digestión en una herramienta para mejorar el proceso. Después de la descomposición inicial de los desechos, queda un material llamado digestato. Aunque a menudo se utiliza como fertilizante, la parte sólida de este digestato puede calentarse en un entorno con poco oxígeno para crear una sustancia porosa, similar al carbón, conocida como biochar. Los investigadores se plantearon una pregunta simple pero significativa: si tomaban este residuo sólido, lo convertían en biochar y lo añadían de nuevo al tanque de digestión, ¿ayudaría a producir más combustible y mantendría el sistema estable? Probaron esto creando el biochar a partir de la fracción sólida del digestato y calentándolo a una temperatura específica, para luego mezclarlo en lotes de desechos agrícolas e industriales en entornos controlados de laboratorio.

El equipo probó cinco cantidades diferentes de este aditivo de biochar para encontrar el punto ideal. Observaron que añadir el material de hecho cambiaba el resultado, pero solo hasta cierto punto. Cuando añadieron una pequeña cantidad, el sistema mejoró, pero añadir demasiado no lo hacía mejor y simplemente añadía volumen innecesario. La dosis más efectiva resultó ser el uno por ciento del peso total de la mezcla. En este nivel específico, los resultados fueron claros y medibles. El volumen total de gas producido aumentó significamente, pasando de 619 mililitros a 992 mililitros bajo condiciones estándar. Más importante aún, la cantidad de metano, el componente de combustible valioso, aumentó de 322 mililitros a 565 mililitros. El gas también se volvió más rico en metano, pasando del 52 por ciento al 57 por ciento, lo que significa que el combustible era de mayor calidad.

Más allá de solo producir más gas, el biochar ayudó al sistema a funcionar de manera más fluida. Los investigadores midieron los niveles de ácidos grasos volátiles, que son subproductos ácidos que pueden envenenar a los microbios si se acumulan, y encontraron que estos niveles disminuyeron. Del mismo modo, la concentración de nitrógeno amoniacal total, otra sustancia que puede inhibir el proceso, también disminuyó. La cantidad de sulfuro de hidrógeno, un gas tóxico y de mal olor que suele asociarse con el biogás, también bajó. Al analizar la rapidez con la que se producía el gas a lo largo del tiempo, los investigadores determinaron que los microbios comenzaron a trabajar antes y alcanzaron su velocidad máxima más rápido cuando el biochar estaba presente. Esto sugiere que el material ayudó a la comunidad microbiana a establecerse más rápidamente y a operar con mayor eficiencia.

El estudio también analizó si esta idea podría funcionar en una planta de biogás real a gran escala. Los investigadores calcularon los flujos de energía y materiales necesarios para tomar el residuo sólido, secarlo, calentarlo para convertirlo en biochar y alimentarlo de nuevo en el sistema. Encontraron que una planta no necesitaría convertir todos sus desechos sólidos en biochar para ver beneficios; solo una parte sería necesaria. Sin embargo, identificaron un obstáculo significativo: la energía requerida para secar el residuo sólido húmedo antes de calentarlo es sustancial. Si bien el concepto de reciclar el residuo en un aditivo útil es sólido, la implementación práctica depende de la capacidad de una planta para recuperar suficiente calor para que el proceso de secado sea eficiente. El estudio concluye que, si bien este enfoque circular muestra una gran promesa para mejorar la producción de metano y la estabilidad, el uso exitoso a gran escala requerirá pruebas cuidadosas de las capacidades de secado locales y un monitoreo a largo plazo para asegurar que el sistema permanezca estable en el tiempo.