Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

Cada día, millones de toneladas de restos de comida se desechan, terminando a menudo en vertederos donde se pudren sin aire. Este proceso de descomposición libera malos olores y gases de efecto invernadero, mientras que los valiosos nutrientes dentro de la comida se pierden para siempre. Una mejor manera de gestionar este residuo es el compostaje, un método natural donde los microbios descomponen la materia orgánica en un fertilizante rico para el suelo. Para que esto funcione bien, la pila necesita oxígeno. Sin suficiente aire, el proceso se estanca, la pila se vuelve demasiado húmeda y compacta, y las bacterias beneficiosas no pueden hacer su trabajo. Tradicionalmente, la gente mezcla materiales voluminosos como serrín o astillas de madera para mantener la pila suelta y aireada. Sin embargo, estos materiales naturales se descomponen ellos mismos durante el proceso, perdiendo eventualmente su capacidad de retener aire y requiriendo un reemplazo constante.

Los investigadores han estado buscando una solución que mantenga la pila abierta sin desaparecer. También están interesados en utilizar datos para comprender exactamente cómo estas pilas de compostaje cambian con el tiempo, yendo más allá de simples suposiciones hacia predicciones precisas. El objetivo es convertir los residuos de alimentos con alto contenido de humedad en un producto estable, seguro y rico en nutrientes rápidamente, especialmente para lugares como escuelas, hoteles o vecindarios que generan residuos diariamente pero carecen de espacio para instalaciones industriales masivas.

En un entorno de laboratorio controlado, un investigador de la Universidad MIT Art Design and Technology en Pune, India, probó un nuevo enfoque para este problema. El estudio se centró en el uso de bolas de plástico reutilizables, específicamente perforadas, como un sustituto permanente para las tradicionales astillas de madera. Estas bolas de plástico actúan como un andamio, creando diminelos túneles para que el aire fluya a través de los residuos de alimentos húmedos sin descomponerse ellos mismos. El investigador mezcló residuos de alimentos recolectados de una cantina universitaria con algunos aditivos útiles: biochar para retener nutrientes, cal para equilibrar la acidez, polvo de neem para controlar microbios no deseados y jaggery para alimentar a las bacterias. Para ver cuánto se necesitaba de este andamio de plástico, se prepararon cuatro lotes diferentes. Un lote no contenía bolas de plástico en absoluto, sirviendo como control. Los otros tres lotes contenían un 2%, 4% y 8% de bolas de plástico por peso, mezcladas en los residuos de alimentos.

El experimento duró treinta días dentro de un reactor metálico especialmente diseñado que podía controlar la temperatura y el flujo de aire. La máquina mantenía la pila caliente y suministraba oxígeno en ciclos, imitando las condiciones de un sistema de compostaje a gran escala. Durante el mes, el investigador midió qué tan caliente se ponía la pila, cómo cambiaba la acidez y cómo evolucionaba la composición química de los residuos. La medida clave del éxito fue la relación de carbono a nitrógeno, un indicador estándar de si el compost está listo para su uso. Una relación alta significa que el material aún es crudo e inestable, mientras que una relación más baja indica que el compost ha madurado en un producto seguro y similar al suelo.

Los resultados mostraron una diferencia clara entre los lotes. La pila de control sin bolas de plástico tuvo dificultades para mantenerse caliente y solo alcanzó una temperatura máxima de 40 grados Celsius. Nunca permaneció en la zona de alto calor el tiempo suficiente para desinfectar completamente los residuos o descomponerlos eficientemente. Al final del mes, este lote aún no estaba completamente maduro, con una relación de carbono a nitrógeno que seguía siendo demasiado alta para un uso seguro. En contraste, los lotes con bolas de plástico funcionaron mucho mejor. El lote con un 8% de bolas de plástico alcanzó una temperatura máxima de 58 grados Celsius y se mantuvo lo suficientemente caliente para matar patógenos durante once días. Este calor ayudó a los microbios a trabajar más rápido, y la pila maduró significativamente antes. Para el día dieciocho, este lote ya había alcanzado el rango objetivo de madurez, y para el día veinticuatro, estaba completamente estable. Los otros lotes con 2% y 4% de plástico también mejoraron, pero el lote con 8% mostró el rendimiento más consistente.

Más allá de la velocidad, las bolas de plástico ayudaron al compost a conservar sus nutrientes. Cuando la materia orgánica se descompone, elementos valiosos como el fósforo y el potasio pueden lavarse o escaparse fácilmente. El estudio encontró que el lote con 8% de bolas de plástico retuvo la mayor cantidad de fósforo, manteniendo el 45.65% del mismo, comparado con solo el 24.44% en el lote de control. También mantuvo más potasio, reteniendo el 22.96% frente al 7.69% en el lote de control. Esto significa que el producto final no solo estuvo listo para usar antes, sino que también era más rico en los minerales que las plantas necesitan para crecer. El compost final del lote con 8% fue clasificado como de alta calidad, seguro para la agricultura y libre de riesgos de metales pesados, mientras que el lote de control permaneció de menor calidad.

Para entender exactamente qué factores estaban impulsando estos cambios, el investigador utilizó modelos computacionales para analizar los datos. Un modelo analizó todas las mediciones tomadas durante el mes para determinar qué era lo más importante. Encontró que la cantidad de nitrógeno en la pila, el nivel de acidez y el contenido de humedad eran los principales impulsores de la rapidez con la que el compost maduraba. Otro modelo, diseñado para rastrear cambios a lo largo del tiempo, predijo con éxito cómo caería la relación de carbono a nitrógeno a medida que pasaban los días. Estas herramientas confirmaron que las bolas de plástico no solo añadían volumen; crearon un entorno donde las reacciones químicas adecuadas podían ocurrir de manera más rápida y confiable.

El estudio sugiere que el uso de estas bolas de plástico reutilizables podría ser una solución práctica para sistemas de compostaje descentralizados. A diferencia del serrín o las astillas de madera, que se consumen y deben comprarse una y otra vez, estas bolas de plástico pueden extraerse del compost terminado y utilizarse en el siguiente lote. Esto podría hacer que el compostaje sea más eficiente y menos costoso para las instituciones que generan muchos residuos de alimentos cada día. Aunque el experimento se realizó a pequeña escala en un laboratorio, los hallazgos apuntan hacia un método que acelera la descomposición de los residuos, preserva los nutrientes y produce un fertilizante de alta calidad sin la necesidad de un reemplazo constante de los materiales de volumen. La investigación destaca que, con la estructura física adecuada y un poco de conocimiento basado en datos, convertir los restos de comida en suelo puede ser más rápido, limpio y efectivo de lo que se pensaba anteriormente.