Bajas dosis de soda cáustica aumentan la producción de biogás a partir de residuos de bananas

Un estudio conducido en la Universidad Estatal Paulista muestra que el uso mínimo del reactivo en el pretratamiento de la biomasa eleva la generación de metano, abarata la operación industrial y disminuye los impactos ambientales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Bajas concentraciones de soda cáustica (hidróxido de sodio, NaOH) son más eficientes que dosis elevadas para preparar residuos orgánicos destinados a la producción de biogás. La descubierta aumenta la generación de metano, reduce el consumo de reactivos, disminuye los costos del proceso y, de este modo, minimiza el riesgo de inhibición de los microorganismos responsables del proceso.

La materia prima del estudio que llegó a esta conclusión fue la banana – cáscaras y partes no aptas para su comercialización, recolectadas en mercados minoristas. Aunque presentan un elevado contenido de materia orgánica, estos residuos mantienen su potencial energético “encerrado” en una especie de “armadura vegetal” formada por sustancias como celulosa y lignina. La barrera dificulta el acceso de los microorganismos a los azúcares fermentables y limita la eficiencia de la digestión anaerobia – la descomposición de la materia orgánica por comunidades de microorganismos que viven en ausencia de oxígeno.

A lo largo del proceso, las moléculas complejas se descomponen gradualmente en compuestos más simples hasta que se forma metano (CH₄), el principal componente energético del biogás.

“Para aumentar la eficiencia de la producción de biogás, es necesario aplicar un pretratamiento. Nosotros optamos por un pretratamiento termoalcalino [que combina calor y productos químicos]. La biomasa se calentó en presencia de diferentes concentraciones de hidróxido de sodio, que variaron entre el 0,2 % y el 3 %. El objetivo era romper parcialmente la barrera formada por la lignina, haciendo que los carbohidratos fueran más accesibles para los microorganismos”, relata Sandra Imaculada Maintinguer, integrante del Instituto de Investigación en Bioenergía (IPBEN) de la Universidad Estatal Paulista (Unesp), quien coordinó la investigación.

El resultado contradijo la expectativa intuitiva de que una mayor cantidad de reactivo produciría un mejor desempeño. La máxima eficiencia se alcanzó precisamente con las concentraciones más bajas evaluadas. La concentración de apenas el 0,2 % de NaOH promovió la mayor solubilización de carbohidratos, alcanzando 12.110 miligramos de metano por litro (mg/L), frente a los 4.785 mg/L observados en el material sin pretratamiento. Un pequeño aumento de la concentración, hasta el 0,4 %, proporcionó la mayor producción acumulada de metano, pero la concentración del 0,2 % fue la que presentó la mayor velocidad de producción del gas.

“Esto es importante porque, además de aumentar los costos de producción, el uso de grandes cantidades de hidróxido de sodio inhibe la acción de los microorganismos responsables de la generación de metano y puede causar un mayor impacto en el medio ambiente”, destaca Larissa Ayumi Yamamoto, graduanda en el IBPEN y primera autora del artículo que describe el hallazgo, publicado en mayo en la revista BioEnergy Research.

Menos es más

En pequeñas cantidades, la soda cáustica facilita la ruptura parcial de la estructura vegetal y libera azúcares que sirven de alimento a los microorganismos. Sin embargo, en exceso, comienza a atacar a los propios microorganismos, reduciendo o incluso impidiendo el proceso. “No sirve de nada utilizar un 20 % porque se vuelve inhibitorio”, resume Maintinguer. Además de aumentar la producción de metano, la reducción de la cantidad de reactivo mejora las perspectivas de aplicación industrial, pues facilita el tratamiento posterior de los efluentes. “Para la industria, cuanto menor sea la concentración de hidróxido de sodio, mejor”, comenta.

La investigadora señala que el estado de São Paulo reúne condiciones particularmente favorables para este tipo de tecnología. Como importante productor de frutas, el estado genera enormes cantidades de residuos a lo largo de toda la cadena productiva, desde frutas descartadas todavía en las propiedades rurales hasta residuos del procesamiento industrial y de la comercialización. “La idea es cerrar este ciclo. En lugar de enviar los restos y las frutas que no cumplen con los estándares comerciales a los rellenos sanitarios, estos residuos pueden alimentar biodigestores capaces de producir energía, transformando un pasivo ambiental en una fuente renovable de energía”, señala.

Los resultados mostraron que el desempeño del sistema depende no solo de la cantidad de materia orgánica disponible, sino también de qué bacterias actúan en el proceso y de qué caminos ellas usan para digerir la materia. En el reactor sometido al pretratamiento con un 0,4 % de hidróxido de sodio predominaron bacterias de los géneros Paraclostridium y Clostridium y arqueas metanogénicas (organismos unicelulares productores de metano) de los géneros Methanothrix y Methanoregula. “Evaluamos el consorcio microbiano presente en el reactor. Logramos hacer un seguimiento de cómo evoluciona este sistema y de las rutas metabólicas que siguen los microorganismos a lo largo del proceso”, subraya Ana Gabriela Janas, estudiante de doctorado en el IPBEN-Unesp. “Es información que la investigación puede ofrecer a la industria.”

Turnos de trabajo microbiano

Maintinguer explica que la digestión anaerobia funciona como una sucesión de etapas cumplidas por diferentes grupos de microorganismos. “Comenzamos con la materia orgánica bruta y los microorganismos van descomponiéndola en compuestos cada vez más simples. Estos intermediarios terminan siendo consumidos por otros microorganismos hasta que el proceso llega a la formación de metano. Una comprensión más detallada del funcionamiento biológico de los reactores podrá orientar estrategias para aumentar aún más la eficiencia de la producción de biogás.”

El trabajo forma parte de un programa más amplio desarrollado por el grupo de la Unesp para transformar residuos agroindustriales en fuentes de energía y otros productos de valor agregado. Además de la banana, los investigadores vienen estudiando residuos de naranja y guayaba, aguas residuales procedentes del procesamiento de frutas y diferentes estrategias de digestión y codigestión anaerobias. La codigestión anaerobia consiste en mezclar diferentes tipos de residuos en el mismo reactor para potenciar la generación de energía.

Dependiendo de las condiciones operativas y de la comunidad microbiana presente, estos sistemas pueden orientarse no solo a la producción de biogás, sino también a la obtención de otros compuestos de interés industrial. En otro trabajo, todavía en proceso de revisión por pares para su publicación, Janas y sus colaboradores investigaron la codigestión anaerobia de residuos para producir biohidrógeno.

El estudio fue financiado por la FAPESP a través de dos proyectos (22/15706-5 y 24/10977-6).

El artículo Agroindustrial banana wastes applied in biogas production: Evaluation of thermal pretreatment on alkaline hydrolysis puede leerse en: link.springer.com/article/10.1007/s12155-026-11024-0.