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Recibido: enero, 2019 Aprobado: febrero, 2019 Publicado: abril, 2019
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EFECTO AMBIENTAL DE LA VALORIZACIÓN ENERGÉTICA POR BIOGÁS DE
LA PAJA DE ARROZ
ENVIRONMENTAL EFFECT OF ENERGY VALORIZATION BY
BIOGAS OF THE RICE STRAW
Luz María Contreras Velázquez1
E-mail: lcontreras@umet.edu.ec
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4101-712X
Ileana Pereda Reyes2
E-mail: iperedareyes@gmail.com
Lisbet Guillen Pereira1
E-mail: lguillen@umet.edu.ec
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1132-541X
Osvaldo Romero Romero3
E-mail: osvaldo@uniss.edu.cu
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1447-3151
1 Universidad Metropolitana. Ecuador.
2 Universidad Tecnológica de la Habana “José Antonio Echeverría”. La Habana. Cuba.
3 Universidad de Sancti Spíritus “José Martí Pérez”. Cuba.
Cita sugerida (APA, sexta edición)
Contreras Velázquez, L. M., Pereda Reyes, I., Guillen Pereira, L., & Romero Romero, O. (2019). Efecto ambiental de la
valorización energética por biogás de la paja de arroz. Revista Científica Agroecosistemas, 7(1), 90-96. Recuperado
de https://aes.ucf.edu.cu/index.php/aes
RESUMEN
El presente trabajo se centró en un análisis del efec-
to ambiental de la valorización energética por bio-
gás de la paja de arroz que proviene de este cultivo.
Se empleó la metodología de análisis de ciclo de
vida (ACV) para comparar el perfil ambiental en dos
escenarios con ayuda del software SimaPro versión
7.2 a través del método del Eco-indicador 99, que
considera once categorías de impacto y tres de da-
ños. El primer escenario se trata de la producción de
arroz en las condiciones actuales (Variante I) y el se-
gundo cuando se incluye como alternativa la valori-
zación energética por biogás de la paja de arroz con
el fin de generar electricidad (Variante II). Se evaluó
a escala de laboratorio el potencial bioquímico de
metano con la paja de arroz como única fuente de
carbono a temperatura mesofílica(37ºC) y termofílica
(55ºC). Con ayuda de la prueba no paramétrica de
Mann-Whitney, se pudo demostrar que existía dife-
rencia significativa para una probabilidad (P<0,05)
del rendimiento de biogás a ambas temperaturas de
trabajo.
Palabras clave:
Valorización energética, biogás, medio ambiente,
paja de arroz, residuos arroceros.
ABSTRACT
The present work focused on an environmental
analysis about the effect of the energy recovery by
biogas of the rice straw. The methodology of life cy-
cle analysis (LCA) was used to compare the envi-
ronmental profile in two scenarios with the help of
SimaPro software version 7.2 through the method
Eco-indicator 99, which considers eleven impact
categories and three damage categories. The first
scenario concerns the production of rice under the
current conditions (Variant I) and the second, when
it is included as an alternative energy recovery by
biogas from rice straw in order to generate electrici-
ty (Variant II). The biochemical potential of methane
was evaluated on a laboratory scale with rice straw
as the only carbon source, at mesophilic (37ºC) and
thermophilic (55ºC) temperatures. With the help of
the non-parametric U de Mann-Whitney test, it could
be demonstrated that there was a significant diffe-
rence for a probability (P <0.05) of the biogas yield
at both working temperatures.
Keywords:
Energy valuation, biogas, environment, rice straw,
rice residues.
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INTRODUCCIÓN
El manejo integrado de los residuos de cualquier fuente y
especialmente de los agrícolas, es una necesidad a nivel
mundial y específicamente en la región del Caribe (Kevin
de Cuba, Burgos & Contreras-Lisperguer, 2008), teniendo
en cuenta los volúmenes de generación actuales, su
potencial energético y las demandas de energía en los
procesos en los que se originan. Por ello, el desarrollo
de tecnologías que permitan mejor aprovechamiento de
las fuentes renovables de energía, de bajos costos y que
propicien la obtención de subproductos aprovechables,
constituye un reto que la comunidad científica debe
enfrentar con urgencia.
En el sector agrícola el cultivo de arroz constituye una de
las actividades que aporta a las emisiones de GEI a nivel
mundial (Gadde, Christoph & Reiner, 2009). El manejo o
la disposición de sus residuos de cosecha y de beneficio
industrial, es una problemática aún por resolver en
países grandes productores de arroz. En el caso de los
restos de la cosecha (paja de arroz) pese a que existen
métodos disponibles para su uso como alimento animal,
combustible para la cocina y fibras para pulpas de papel,
entre otros (He, Pang, Liu, Li & Wang, 2008), existen
cantidades significativas inutilizadas que contribuyen al
impacto negativo sobre el medio ambiente.
La práctica más frecuente por los agricultores es quemar
la paja en el campo, lo que genera gran concentración
de emisiones al aire de dióxido de carbono (CO2),
metano (CH4) y otros en trazas como: óxido nitroso (N2O),
monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxidos
de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx), así como
partículas que provocan la contaminación del lugar
y zonas aledañas (Abril, Navarro & Abril, 2009). Otra
práctica común es la incorporación de la paja de arroz
al suelo. Debido al proceso de degradación natural que
ocurre bajo estas condiciones, existen emisiones, entre
otros, de gas metano a la atmósfera (Watanabe, Satoh &
Kimura1995).
Ante esta problemática ambiental, emerge la tecnología
del biogás y se ha consolidado con impacto internacional.
A través de ella además de facilitarse la depuración o
el tratamiento de residuales orgánicos biodegradables
mediante un proceso biológico, se obtiene un gas
con valor combustible, que adquiere altos niveles de
utilización como recurso energético (Montalvo & Guerrero,
2003; Chandra, Takeuchi & Hasegawa, 2012). El biogás
se considera una fuente renovable de energía versátil
ya que puede reemplazar combustibles fósiles en la
producción de energía y calor, y más recientemente como
combustible alternativo para vehículos (Weiland, 2010).
Si bien existen avances en los estudios con algunos
residuos agroindustriales del arroz, aún quedan aspectos
por dilucidar sobre el comportamiento del proceso de
degradación anaerobia cuando estas biomasas se
emplean como única fuente de carbono, que justifiquen la
posibilidad de implementación de esta tecnología como
alternativa de tratamiento para estos desechos, a escala
industrial. En muchos casos, las empresas arroceras
están localizadas lejanas de otras fuentes de residuos y la
posibilidad del mezclado es impracticable. Es necesario
entonces un análisis de parámetros importantes que
describan el comportamiento del proceso, cuando los
residuos de la cosecha y la producción del arroz son
utilizados como única fuente de carbono.
La actividad agrícola puede ser responsable de una
serie de impactos sobre el medio natural, derivados
fundamentalmente del uso de fertilizantes orgánicos y
sintéticos, la actividad ganadera y otras actividades como
el cultivo del arroz y la quema de residuos agrícolas. El
arroz se cultiva en 113 países y se estima para el año
2025 una producción de 760 millones de toneladas, que
generarán 1 140 millones de toneladas de paja (Gadde,
et al., 2009).
Dentro de esta actividad, los campos de arroz constituyen
una fuente significativa de emisiones de metano (CH4), uno
de los principales gases de efecto invernadero GEI. Estos
GEI provocan un aumento de la temperatura terrestre
como resultado de la alteración en el balance energético
de las capas de la atmósfera. Parte de la energía solar
que llega a la Tierra, en forma de radiación de onda corta,
es absorbida por la superficie terrestre y parte se refleja
de nuevo a la atmósfera. Ese calor absorbido por la Tierra
es devuelto en parte al espacio en forma de radiación
de onda larga (radiación infrarroja), pero los GEI que se
encuentran en las capas bajas de la atmósfera, retienen
parte de esta radiación y la devuelven de nuevo a la Tierra
(Correa, 2017), hecho que se produce de forma natural y
trae consigo el aumento de la temperatura de la Tierra.
Según estudios realizados, el arroz originariamente crecía
en suelos inundados de forma natural, por lo que la emisión
de CH4 asociada podría considerarse una fuente de
emisión natural. Sin embargo, el Ministerio de Agricultura,
Alimentación y Medio Ambiente de España reconoce que
el aumento acelerado de la producción a nivel mundial, la
intensificación del cultivo y el riego artificial han propiciado
que estas emisiones sean consideradas como fuente
antropogénica, y como tal, debe ser recogida en los
Inventarios Nacionales de Emisiones (España. Ministerio
de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, 2014).
La paja del arroz es la principal fuente de materia orgánica
en los campos de arroz. Es una de las principales fuentes
de nutrientes para el suelo ya que contiene un 40% de
carbono,5% de silicio, 1,5% de potasio, 0,6% de nitrógeno
y 0,1% tanto de fósforo como de azufre. Sin embargo,
a nivel mundial no existe un método de disposición final
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de este residuo agrícola de forma amigable con el medio
ambiente.
En este escenario, con una situación energética y
ambiental altamente preocupante, la tecnología de
biogás emerge como una fuente renovable de energía
versátil ya que puede reemplazar combustibles fósiles en
la producción de energía y calor, y más recientemente
como combustible alternativo para vehículos, a la vez
que utiliza como materia prima residuos agroindustriales,
residuos sólidos urbanos entre otros y como subproducto
del proceso se obtiene un lodo estabilizado con altas
propiedades como biofertilizante (Barati, Aghbashlo,
Ghanavati, Tabatabaei, Sharifi & Javadirad, 2017).
Al respecto se considera promover investigaciones que
fundamenten las ventajas de la aplicación de la tecnología
de digestión anaerobia como alternativa de energía
renovable, capaz de reducir las emisiones de gases de
efecto invernadero derivadas del cultivo de este cereal,
a la vez que permite ahorrar en el consumo de agua y
disminuir el uso de fertilizantes químicos. Sobre la base
de lo anteriormente expuesto se plantea como objetivo
general de este trabajo evaluar mediante análisis de ciclo
de vida, el efecto ambiental de la valorización energética
por biogás de la paja arroz para un caso de estudio.
MATERIALES Y MÉTODOS
La experimentación se realizó en reactores de 2 L,
a temperatura de 37±1 ºC (mesofílico) y 55±1 °C
(termofílico). En la figura 1 se muestran el esquema y una
foto de la instalación. Se siguió el procedimiento descrito
en el manual para la fermentación de materiales orgánicos
(VDI-4630, 2006). Los experimentos se realizaron en
triplicado y se reportan los resultados como valores
promedio de cada experiencia.
Los residuos de arroz fueron pretratados físicamente y
tamizados antes del ensayo. Durante 36 días se midió la
producción de biogás y la composición en CH4 y CO2. El
potencial de biogás se determinó según la ecuación 1,
de forma similar se calculó el potencial de metano yCH4,
al multiplicar el volumen de biogás por la composición de
metano (% volumétrico).
Ecuación 1
Donde, VB representa el volumen de biogás acumulado
durante el tiempo de digestión t (Nm3) y ms la masa de
sustrato adicionada al reactor en término de sólidos
volátiles (kgSV).
Figura 1. Esquema y foto del montaje experimental en
discontinuo y analizador de gases.
La influencia de la temperatura en el rendimiento de
biogás se analizó estadísticamente, mediante la prueba
estadística no paramétrica U de Mann-Whitney, para
dos muestras independientes con ayuda del paquete
estadístico SPSS versión 5.0.
Evaluación de la digestión anaerobia de la paja de arroz
en el reactor UASS
Diariamente se midieron el volumen de biogás y su
composición (CH4, CO2 y O2) y además se analizaron
periódicamente algunos parámetros químicos al sólido
digerido y al líquido del proceso como: ST, SV, NH4-N,
NH3-N y los ácidos grasos volátiles (AGV), entre otros,
según los métodos estándar. Con la producción diaria de
biogás se determinó el rendimiento de biogás (yB) y la
velocidad de producción específica (r) de acuerdo a las
expresiones 2 y 3 (Mähnert, 2007).
Ecuación 2
Ecuación 3
Se analizó la implicación ambiental del tratamiento
anaerobio de la paja de arroz y de la cogeneración de
energía a partir del biogás, para el caso de estudio
mediante el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y se comparó el
perfil ambiental de la producción de arroz actual (Variante
I) con el perfil ambiental al incluirle esta propuesta de
tratamiento (Variante II). Como producto final se tomó
el arroz consumo y se asumió como unidad funcional la
producción anual de 40 000 t en el año. En la figura 2
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aparece un esquema que muestra los límites del sistema
y los datos de las entradas y las salidas, recopilados
durante la fase de inventario. El ACV se realizó con ayuda
del software SimaPro versión 7.2 a través del método
del Eco-indicador 99, que considera once categorías de
impacto y tres de daños.
Figura 2. Esquema general del proceso de producción
del arroz y límites del sistema para ACV.
En la tabla 1 se muestran los datos principales de las
entradas y salidas (materiales, energía, agua y emisiones)
para las dos etapas que conforman el proceso: la agrícola
y la de procesamiento industrial del arroz, recopilados
durante la fase de inventario.
Tabla 1. Datos para el análisis de inventario del ciclo de
vida de la producción de arroz.
Entradas y salidas
(materia prima, energía y
agua) Unidad
Cantidad
Variante I Variante II
Etapa Agrícola
Entrada
Sueloaha/a 15 282,7 15 282,7
Semillaat/a 2407 2407
AguaaL/a 436 038 436 038
Herbicidasbt/a 168,04 168,04
Plaguicidasbt/a 12,45 12,45
Fungicidasb42,41 42,41
Adherentesbt/a 1,18 1,18
Fertilizantesb
Urea t/a 338,7 116,10
Fósforo t/a 338,7 116,10
Potasio t/a 270,9 270,9
Zinc t/a 169,35 169,35
CombustiblecL/a 1 574 118,1 1 574 118,1
Lubricantect/a 450 450
Salida
Arroz cáscara húmedoat/a 112 592,0 112 592,0
Restos de cosechaat/a 146 360,7 0,0
Agua residualaL/a 174 415,2 174 415,2
Emisiones
Aire CH4(fangueo)dkgCH4/a 6 388 168,6 0,0
Aire PM2,5 (combustión )dkgPM2,5/a 1 895 371,07 0,0
Etapa Industrial
Entrada
Arroz cáscara húmedoat/a 112 592,0 112 592,0
CombustiblecL/a 796 364,3 0,0
Lubricantect/a 150 150
Productos Químicosbkg/a 13,58 13,58
Energía eléctricackWh/a 2 769 819,15 2 769 819,15
Salida
Arroz consumoat/a 40 000 40 000
Salvado (polvo de arroz)at/a 9 570,3 9 570,3
Cabecillaat/a 1 688,9 1 688,9
Impureza (residuo
secadero)at/a 4 503,68 4 503,68
Cáscara de arrozat/a 24 770,24 24 770,24
Energía eléctrica kWh/a 0,0 242 343,95
Energía térmica kWh/a 0,0 360 799,06
Lodo (biofertilizante) t/a 0,0 222,6
Adicionalmente y con el fin de estimar en cuanto podría
disminuirse las emisiones de gases de efecto invernadero
en el país, se calculó las emisiones evitadas en toneladas
de CO2 equivalente (tCO2e) al sustituir la quema a
cielo abierto de la paja de arroz (forma de disposición
actual) por la alternativa que se propone (variante II),
más las emisiones evitadas debido a la sustitución de
la generación eléctrica con combustible fósil EGE por
fuente renovable. Las emisiones por combustión a cielo
abierto ECCA se estimaron por la ecuación propuesta por
Gadde, et al. (2009), y para las emisiones por generación
con combustible fósil, se empleó el factor de emisión
específico de la generación en el país, para el caso de
Cuba de 0,8 tCO2eMWh-1 (Meneses, Roig, Paz, Alonso,
Alvarado, 2018). Se tuvo en cuenta que en Cuba durante
la transmisión existe una pérdida de 11,6%, las que
pudieran evitarse si la generación se realizara a partir de
biogás de forma descentralizada y cercana a la fuente
consumidora.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de la producción de biogás en los
ensayos en discontinuos se muestran en la figura
3, a través de las curvas de rendimiento de biogás
acumulado. Como se observa en la figura las curvas
describen un comportamiento exponencial monofásico
a ambas temperaturas y se puede deducir que para las
condiciones de estudio la etapa de metanogénesis es el
paso limitante de la velocidad global del proceso.
Sin embargo, en régimen termofílico además de lograrse
un mayor rendimiento la parte lineal de la curva tiene
una mayor pendiente, lo que manifiesta la presencia de
compuestos hidrolizables para los microorganismos a
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esa temperatura que facilitan el desarrollo del proceso.
Similares curvas de rendimiento para la paja arroz,
obtuvieron Yang, Zheng & Zhang (2009), que incrementó
a 0,6 Nm3kgSV
-1cuando se trató la biomasa con NaOH y
KOH.
Por su parte He, et al. (2008), reportan un rendimiento
de 0,52 Nm3kgSV
-1 cuando aplicaron combinaciones
de pretratamientos. Sin embargo, el empleo de
pretratamientos conllevaría un costo adicional al proceso
por agentes químicos, gastos energéticos y otros insumos,
con la consiguiente repercusión en el balance económico
total del proceso.
Figura 3. Rendimiento de biogás acumulado en régimen
mesofílico y termofílico. Valores experimentales, valores
generados de los modelos de primer orden.
Estos resultados demuestran el potencial bioquímico
de metano de la paja de arroz como única fuente de
carbono con un rendimiento a 55°C de 0,518 Nm3kgSV
-1.
Adicionalmente, el análisis estadístico corroboró que
existe diferencia significativa con una probabilidad
(P<0,05), entre el rendimiento de biogás en régimen de
temperatura mesofílico y en termofílico. Los resultados
obtenidos a través del software SPSS se muestran en la
tabla siguiente.
Tabla 2. Resultados de la prueba no paramétrica de
Mann-Whitney al comparar dos muestras independientes
medidas al menos en escala ordinal.
Estadísticos de contrasteaypajaaroz
U de Mann-Whitney 2327.000
W de Wilcoxon 6698.000
Z -5.186
Sig. Asintótica (bilateral) 0.000
Variable de agrupación: tipo
Operación y evaluación del reactor UASS
En esta etapa experimental se evaluó de forma simultánea
el desempeño del proceso de degradación de la paja
de arroz en dos configuraciones: un reactor de tanque
completamente mezclado CSTR (por sus siglas en inglés)
y un reactor en estado sólido de flujo ascendente UASS
(por sus siglas en inglés).
Ambos reactores de vidrio y enchaquetados con una
capacidad de 3,5 L. El CSTR fue acoplado a un termostato
para el control de la temperatura a 55±2 °C y a su vez
conectado a la chaqueta del UASS. El biogás producido
se midió en litros, se almacenó en una bolsa recolectora y
su composición fue analizada periódicamente.
El desempeño del proceso se evaluó mediante los
parámetros de producción: rendimiento (yB, yCH4) y
velocidad de producción específica (rB, rCH4). Además
del monitoreo de los parámetros físico-químicos a los
efluentes: pH, ST, SV, NH4-N, nitrógeno total Kjeldal NTK
y la relación ácidos grasos volátiles/alcalinidad.
En las figuras 4, se muestra el comportamiento del
rendimiento de biogás y de metano con la carga de
trabajo, como valor promedio de la semana, durante
el tiempo de operación en ambas configuraciones de
reactores USAS y CSTR.
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Figura 4. Rendimiento de biogás, metano y carga orgánica
en el reactor CSTR y UASS.
De forma general, al incrementar la carga orgánica en el
CSTR, el rendimiento se incrementó y alcanza un valor
estable a partir de la semana nueve de operación. En los
casos donde disminuyó, estuvo asociado a los cambios
en los tamaños de partículas. Estos resultados, unidos al
comportamiento de la eficiencia relativa de metano que
resultó siempre superior en el reactor CSTR, fundamentan
la decisión sobre esta configuración para el caso de
estudio.
A partir esta producción de biogás esperada y los índices
de generación de energía eléctrica y térmica empleados,
se pudo estimar una producción de energía de 242 344
kWhd-1 eléctricos para una potencia de 10 MW y una
disponibilidad de energía térmica de 360 799 kWhd-1
para una potencia de 15 MW. Este potencial de energía
posibilitaría a la empresa agroindustrial de granos “Sur
del Jíbaro” el autoabastecimiento de energía eléctrica, la
venta de la energía sobrante al sistema electroenergético
nacional SEN y la sustitución de diesel en la etapa
industrial de secado. Por lo que se le añadiría un valor
adicional a este residuo.
Los resultados del análisis de ciclo de vida de la
producción de arroz en la empresa caso de estudio, bajo
las condiciones actuales (Variante I) y cuando en ésta se
incluye, como alternativa de tratamiento para los restos
de cosecha la digestión anaerobia con el fin de generar
electricidad (Variante II), se muestran a continuación de
forma comparativa, a partir de la cantidad de emisiones,
ocupación de suelo o agotamiento de recursos
consideradas en el proceso.
En la figura 5 se observa como esta alternativa implica una
disminución en las 11 categorías intermedias analizadas
representadas en por ciento, dado por las emisiones
que se evitan de CO2, CO, CH4, NOx, SOx y de material
particulado, asociadas con la quema de la paja de arroz,
y por la mitigación de daños al sustituir combustible fósil
en la generación eléctrica, por una fuente renovable.
Además de la sustitución del recurso diesel que se utiliza
como combustible en los secaderos, por la energía
térmica disponible de la etapa de cogeneración.
Figura 5. Resultados de las categorías de impactos
ambientales intermedios en por ciento de reducción.
Adicionalmente, se hizo un análisis cuantitativo de las
emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) evitadas
al emplear la paja de arroz, que actualmente se quema
a cielo abierto, para la producción de energía mediante
tratamiento anaerobio y de esa forma analizar su
contribución a la minimización de emisiones por el sector
energético nacional.
Sobre la base de los datos de producción de la empresa
caso de estudio, se obtuvo que se hubieran dejado de
emitir a la atmósfera 6.041.438 t de CO2 equivalente si la
paja de arroz hubiese sido tratada por vía anaerobia, valor
que significa el 0,2% de las emisiones totales del país y
el 3,2% de las emisiones del sector energético en ese
propio año. Este resultado corrobora el efecto ambiental
positivo de la propuesta desde la perspectiva nacional.
CONCLUSIONES
Se demostró que la paja de arroz tiene un significativo
potencial de biogás con un valor máximo de hasta 0,5
m3kgSV
-1, como única fuente de sustrato, régimen de
temperatura termofílico. Se comprobó que la digestión
anaerobia de la paja de arroz es más estable cuando se
trabaja en reactores de mezcla completa y se alcanzan
valores de carga orgánica volumétricas superiores a
las reportadas para este tipo de configuración al tratar
residuos lignocelulósicos. Este resultado fundamenta el
criterio tecnológico de decisión hacia la propuesta para
al caso de estudio, lo que significa que es posible contar
un potencial de cogeneración de 10 MW de potencia
eléctrica y 15 MW de potencia térmica, un aporte
ambiental positivo al proceso de producción de arroz y
una disminución en un 0,2% de las emisiones totales de
GEI del país y de 3,2% las emisiones equivalentes del
sector energético en el caso de Cuba.
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Se considera que la propuesta de valorización energética
de la paja de arroz mediante producción de biogás
es una alternativa amigable con el medio ambiente al
evitarse emitir a la atmósfera por este concepto6.041.438
t de CO2 equivalente para el caso de estudio.
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