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PRODUCCIÓN DE BIOMETANO A PARTIR DE ARUNDO
DONAX L., UN CULTIVO PERENNE DE ALTO POTENCIAL
ENERGÉTICO EN ARGENTINA
PRODUCTION OF BIOMETHANE FROM ARUNDO DONAX L., A PERENNIAL CROP
WITH HIGH ENERGY POTENTIAL IN ARGENTINA
Verónica Córdoba
1
, Romina Cardoso
2
, Alejandra Manzur
3
, Estela Santalla
4
, Laura Lazaro
5
Recibido: 23/3/2023 y Aceptado: 24/5/2023
ENERLAC. Volumen VII. Número 1. Julio, 2023 (56 - 72)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
Foto de Conscious Design de Unsplash.
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ENERLAC • Volumen VII. Número 1. Julio, 2023. ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital).
OLADE – AUGM
RESUMEN
Arundo donax L. es un cultivo perenne, que ha
demostrado, un buen rendimiento de biomasa
por hectárea y su potencialidad como biocom-
bustible sólido. En este trabajo se evalúa la
producción de biometano a partir de la digestión
anaeróbica de la biomasa de Arundo donax L.,
ensilado y sin ensilar, en condiciones mesofílicas
en régimen batch y a escala laboratorio y
utilizando una relación sustrato/inoculo de
3/1 en términos de sólidos volátiles, con la
finalidad de cuantificar su potencial energético
para sustituir al silaje de maíz en las plantas
de biogás. Se realizó la caracterización físico-
química de muestras frescas y ensiladas. La
estructura de Arundo donax reveló 34.4 y 10.8%
relación C/N entre 15.2 y 18.2 (87% inferior a
silaje de maíz). La producción de biometano
resultó 276 NmL CH
4
/g SV, 11% inferior al silaje
de maíz, sin observar efectos significativos de los
tratamientos de ensilado. Considerando el ren-
dimiento por hectárea obtenido para Arundo en
1 LAByMA, INTELyMEC, Facultad de Ingeniería
CONICET. Argentina
https://orcid.org/0000-0001-6601-7452
2 LAByMA, INTELyMEC, Facultad de Ingeniería.
Argentina rominapaolacardoso@gmail.com
3 LAByMA, INTELyMEC, Facultad de Ingeniería
Argentina
https://orcid.org/0000-0002-9660-1470
4 LAByMA, INTELyMEC, Facultad de Ingeniería.
Argentina estela.santalla@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-6631-2267
5 CIISAS, Facultad de Agronomía. Argentina
llazaro@faa.unicen.edu.ar
https://orcid.org/0000-0002-6160-783X
Argentina, la productividad energética alcan-
zaría 5,850 Nm
3
CH
4
/ha, superior al de maíz
(4,423 Nm
3
CH
4
/ha). Estos valores resultan
promisorios para considerar a esta biomasa
como cultivo con capacidad potencial para
reemplazar al maíz en un escenario sostenible
de transición energética, debido al bajo reque-
rimiento de nutrientes y recursos, lo que permi-
tiría liberar tierras agrícolas para la generación
de productos de mayor valor agregado.
Palabras clave: Biomasas, Biogás, Digestión
anaerobia, Ensilado, Recursos energéticos
renovables.
ABSTRACT
Arundo donax L. is a perennial crop, which has
demonstrated good biomass yield per hectare
and its potential as a solid biofuel. In this work,
the production of biomethane under anaerobic
digestion of Arundo donax L., both ensiled and
fresh, was evaluated under mesophilic conditions
in a batch regime and on a laboratory scale, in
order to quantify its energy potential to replace
corn silage in biogas plants. The physical-chemical
characterization of fresh and ensiled samples
was carried out. The structure of Arundo donax
revealed 34.4 and 10.8% bs of α-cellulose and
lignin, respectively, and a C/N ratio between 15.2
and 18.2 (87% lower than corn silage). Biomethane
production was 276 NmL CH4/g SV, 11% lower
than corn silage, without observing significant
effects of silage treatments. Considering the yield
per hectare obtained for Arundo in Argentina,
energy productivity would reach 5,850 Nm
3
CH
4
/
ha, higher than that of corn (4,423 Nm
3
CH
4
/ha).
These values are promising to consider this biomass
as a crop with potential capacity to replace corn
in a sustainable scenario of energy transition, due
to the low requirement of nutrients and resources,
which allows freeing agricultural land for the
generation of products with higher added value.
Keywords: Biomass, Biogas, Anaerobic digestion,
Silage, Renewable energy resources.
58
INTRODUCCIÓN
La producción de bioenergía a partir de bio-
masas es una realidad creciente en Argentina,
que surge como resultado de la promulgación
de la Ley 27.191 en el año 2015, la cual fomenta
el uso de fuentes renovables de energía. El actual
modelo energético basado en el consumo de com-
bustibles fósiles, refleja un aumento creciente de
la demanda de energía, cuyas emisiones agudizan
los procesos de calentamiento global (Nogar et
al., 2021).
La producción de biogás por digestión anaeró-
bica (DA) es una alternativa de generación de
energía renovable que posibilita el aprovecha-
miento de residuos agroindustriales, residen-
ciales y sustratos diversos para generar energía
térmica y/o eléctrica (Liebetrau et al., 2020);
esta tecnología contribuye, además, a resolver
problemas críticos de la sociedad actual, como
es la gestión de los residuos, la mitigación de
los impactos negativos sobre los ecosistemas y
la reducción de las emisiones globales de gases
de efecto invernadero (GEIs), cuya acumulación
genera los efectos del cambio climático
(Scott y Blanchard, 2021). En el marco de la
promoción de electricidad a partir de energías
renovables, se ha incrementado en Argentina
la instalación de plantas de bioenergía a partir
de biogás (FAO, 2019) para la producción de
electricidad, principalmente asociadas a sistemas
agropecuarios intensivos (feedlot, tambos, cria-
deros de cerdos o pollos) que gestionan parte
de los desechos de la producción mediante
digestión anaeróbica. Estas plantas requieren,
para cum-plir con la potencia contratada,
alcanzar una producción eficiente de metano, lo
que se logra aportando suministros adicionales,
tales como silaje de maíz o sorgo (Veluchamy
et al., 2019). Esta situación ha provocado que el
precio de la energía generada a partir de biogás
tenga una fuerte dependencia del precio de este
commodity, lo cual resulta poco favorable, no
sólo desde el punto de vista económico, sino
que desde el punto de vista ambiental, también
compromete la sostenibilidad del sistema, ya
que la cadena del maíz ofrece mayor potencial
de desarrollo para la producción de alimentos
y productos de alto valor agregado a través de su
utilización en procesos biotecnológicos (Bisang
y Trigo, 2017).
Arundo donax L. (AD) comúnmente conocida
como Caña de Castilla, es una biomasa ligno-
celulósica perenne, de cosecha anual, que
puede crecer en una amplia variedad de suelos
y que además presenta un balance de energía
positivo y excelente productividad por hectárea
(Pompeiano et al., 2013). Características, tales
como alta producción de biomasa, rusticidad y
adaptación a ambientes de capacidad limitada
(Falasca et al., 2011), resultan altamente favora-
bles para evitar el uso de superficie agrícola
de elevada calidad para la producción de bio-
energía. Imporzano et al. (2018) plantearon el
desafío de utilizar AD para reemplazar 47,000 ha
de cultivo de maíz destinadas a la producción de
energía en la región lombarda (Italia) y liberarlas
para la producción de alimentos, demostrando,
a partir del análisis de ciclo de vida, que el
modelo basado en la utilización de AD reduce
entre 17 y 33% las categorías de impacto
vinculadas a la gestión de nutrientes como
eutrofización, acidificación y generación de ma-
terial particulado. Esto ha permitido que varios
autores como Baldini et al., (2017) y Thomsen
et al., (2014), profundicen en el estudio del uso
de AD como cultivo energético en la región
mediterránea. En Argentina, Rodríguez et al.
(2021) han llevado a cabo los primeros estudios
agronómicos en el sudeste de la región pam-
peana, y a nivel tecnológico, se ha analizado
su potencial energético por vía seca para la
producción de energía térmica (Córdoba, Manzur,
et al., 2022a, 2022b). Sin embargo, la utiliza-
ción de AD como sustrato para la producción de
biogás requiere analizar el efecto que algunas
variables, vinculadas al cultivo y su manejo,
ejercen sobre la composición de la biomasa. En
este sentido, Pirozzi et al., (2015) observaron
que las condiciones de cultivo influyen sobre los
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Córdoba, Verónica; Cardoso, Romina; Manzur, Alejandra; Santalla, Estela; Lazaro, Laura
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componentes estructurales de la biomasa. En
condiciones de irrigación y altas temperaturas
la biomasa de AD presentó un incremento del
contenido de celulosa del 8.5% frente a condicio-
nes de secano y bajas temperaturas ambientales.
La celulosa es reconocida como un sustrato de
alto potencial, y bajo digestión anaeróbica
su potencial de producción de biometano se
encuentra entre el 80 y 100% de su máximo
teórico (Holliger et al., 2016; Kreuger et al.,
2011; Triolo et al., 2012). Sin embargo, su
biodisponibilidad puede ser reducida principal-
mente debido a la acumulación de lignina
durante su ciclo de desarrollo, siendo éste el
factor limitante más importante en la conver-
sión anaeróbica de materiales lignocelulósicos
(Monlau et al., 2013; Triolo et al., 2011). En este
sentido, Ragaglini et al., (2014) encontraron
que el rendimiento de metano por hectárea de
AD de primer corte excede en hasta un 35% el
metano producido a partir de una sola cosecha
en la madurez del cultivo, indicando que las
modificaciones de la cristalinidad de la celulosa,
las propiedades fisicoquímicas de la hemi-
celulosa, la polimerización de la lignina y la
variación de la composición a lo largo del ciclo
del cultivo son factores clave que influyen en la
disponibilidad de carbohidratos estructurales
y no estructurales para el proceso de digestión
anaeróbica.
Otro de los puntos a resolver es la necesidad de
las plantas generadoras de biogás de disponer
de una alimentación constante de biomasa
a lo largo del año, por lo que, en general, se
recurre al proceso de ensilado para asegurar
su conservación. Actualmente, es la práctica
utilizada para cultivos como maíz, o sorgo, pero
en el caso de AD, sus características, tales como
alta proporción de carbohidratos estructurales
y, ausencia de granos que aporten carbohidratos
solubles y azúcares fermentables, dificultaría
la capacidad de esta biomasa para alcanzar una
óptima calidad del silaje (Barbanti, 2014). La
utilización de inoculantes a base de bacterias
ácido lácticas podría acelerar los procesos fer-
mentativos y un rápido descenso del pH en el
silo, lo que mejoraría su conservación, tal como
ocurre en silos de especies forrajeras (Gallardo,
2018). A fin de analizar este punto, Corno et al.
(2016) avanzaron en el estudio de los procesos
de ensilados y encontraron que la producción
de metano por hectárea del ensilado de AD en
silo bolsa por 100 días fue de 22,183 Nm3/ha,
resultando más eficiente que el ensilado en
trinchera (21,468 Nm
3
CH
4
/ha). Estos valores,
además, fueron superiores a los de otros cultivos
energéticos como maíz (6,931 Nm
3
CH
4
/ha),
sorgo (5,975 Nm
3
CH
4
/ha) o centeno (2,738
Nm
3
CH
4
/ha). Estos antecedentes constituyen
herramientas que permiten avanzar sobre la uti-
lización de AD con fines energéticos en Argentina.
En el presente trabajo se evaluó el potencial de
producción de biometano de AD cultivado en la
región centro de la provincia de Buenos Aires, a
partir de muestras frescas y ensiladas con y sin
inoculantes en base a bacterias lácticas. Estos
resultados fueron comparados con los de un silaje
de maíz, utilizado actualmente en una planta de
biogás en funcionamiento en la región. Además,
se estudió y modeló la cinética del proceso para
determinar los parámetros que permitirán
mejorar el proceso de producción de biometano
de AD.
El actual modelo energético
basado en el consumo de
combustibles fósiles, refleja un
aumento creciente de la demanda
de energía, cuyas emisiones
agudizan los procesos de
calentamiento global
60
METODOLOGÍA
Muestras
Las muestras de AD provienen de un cultivo
ubicado en la Chacra Experimental de la
Facultad de Agronomía de la UNCPBA en Azul,
provincia de Buenos Aires (36° 49´ 41,4´´ S; 59°
53´ 11,6´´ O; 147 s.n.m.). Este cultivo fue im-
plantado en octubre de 2019 según se describe
en Rodríguez et al., (2021), y las muestras
utilizadas se corresponden con el primer corte
del tercer ciclo anual del cultivo, corte realizado
el 15 de diciembre de 2021, a los 80 días del
inicio de brotación. Se tomaron alícuotas de
5 cañas cortadas al ras del suelo, provenientes
de cuatro bloques experimentales. Sobre estas
muestras se determinó el peso fresco y luego
se procedió a su picado. Con las muestras de
AD fresco (AD) se confeccionaron microsilos
con (ADCI) y sin (ADSI) la aplicación de un ino-
culante comercial (Silotrap Plus), que contiene
bacterias lácticas (Lactobacillus plantarum y L.
buchneri) y Pedicoccus acidilactici, en dosis de
2 g/t de forraje verde. Los microsilos de alrede-
dor de 2 kg cada uno fueron compactados a una
densidad 817 kg/m
3
dentro de bolsas plásticas
te para evitar el ingreso de oxígeno, simulando
el silaje a campo. Los silos se abrieron para su
caracterización y análisis al cabo de 83 días. En
forma comparativa se analizó una muestra de
silaje de maíz (SM) proveniente de una planta de
producción de biogás, ensilado durante un mes
en trinchera, sin aditivos ni agua, y compactado
con tractor.
La evaluación de la calidad del material previo
y post ensilado con y sin inoculantes se realizó
mediante la determinación de proteína bruta
(%PB) (macro Kjeldahl, factor 6,25 según AOAC,
1998), fibra detergente neutra (FDN), fibra
detergente ácido (FDA) (analizador de fibra
Ankom 200, Ankom Technology, Fairport,
NY, EEUU) y carbohidratos no estructurales
solubles en agua (CNES), adaptado del Método
de Antrona según Yemm y Willis, (1954).
Sobre el material fresco y ensilado además se
determinaron cualitativamente las caracterís-
ticas organolépticas olor, color y textura que
califican la calidad del material ensilado como
excelente, buena, regular y mala según Cárdenas
Medina et al., (2004).
Figura 1: Muestras estudiadas para la determinación del potencial de biometano. De izq a der. AD,
ADCI, ADSI y SM.
Fuente: Elaboración propia
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OLADE – AUGM
Caracterización físico-química de las muestras
La caracterización físico-química de las mues-
tras de AD, ADCI, ADSI y SM se realizó en
términos del contenido de humedad, sólidos
totales (ST) y materia volátil (SV), según norma
ASTM, (1999); pH y alcalinidad (AT) según el
método 6045D del compilado SW-846 (USEPA,
1995) y nitrógeno amoniacal (NA) según APHA
(1999). La composición polimérica fue esta-
blecida en términos de á-celulosa y hemicelulosa
según norma TAPPI T 203 (Technical Association
of Pulp and Paper Industry - TAPPI, 1999). El
contenido de lignina se determinó según la
norma ASTM 1106 (ASTM, 1999). La composi-
ción elemental de los sustratos en términos
de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre se
determinó utilizando un equipo CHN628, Sulphur
Add-On Module y TruSpec Micro Oxygen Add-On
Module Elemental Determinators (LECO).
Determinación del potencial de biometano
El potencial de biometano (PBM) de las tres
muestras de AD (Fig. 1) y SM, se estableció
según la metodología propuesta por Holliger
et al., (2016). Se utilizaron bioreactores batch
de 500 mL de capacidad por triplicado, con una
relación Inóculo/Sustrato en unidades de SV de
3/1, concentración de inóculo en el reactor de
25 g SV/L y 20% de espacio libre en el reactor,
en condiciones mesofílicas (35°C±1) y en medio
neutro. Se utilizó una solución de nutrientes
según Aquino et al., (2007) con la finalidad de
alcanzar un volumen final de mezcla de reacción
de 400 mL. El seguimiento del proceso se realizó
midiendo el volumen de CH
4
producido, utili-
zando un sistema de absorción de CO
2
mediante
el burbujeo de biogás en una solución de
NaOH 6 N y conexión a un sistema de despla-
zamiento según (Córdoba et al., 2022b). En
paralelo se condujeron ensayos de un blanco
de inóculo y de un control positivo (CP), que
utiliza celulosa microcristalina (CAS 9004-34-6)
como sustrato, control que permite verificar la
actividad y calidad del inóculo. El ensayo finalizó
cuando la producción diaria de metano resultó
inferior al 1% de la producción acumulada duran-
te tres días consecutivos. El protocolo establece
como parámetros de aceptación y rechazo de la
prueba las siguientes condiciones, una desviación
estándar relativa inferior al 5% para el blanco y
el CP, e inferior al 10% para cada sustrato, y un
PBM para el CP entre 352 y 414 NmL CH
4
/g SV
celulosa. Como inóculo se utilizaron lodos de
planta depuradora, los cuales fueron previamente
desgasificados y adaptados al sustrato, aplicando
la metodología propuesta por Steinmetz et al.,
(2016). El inóculo presentó un contenido en SV de
0.5766 ± 0.0072 g/g, pH 7.60, AT de 4026±137mg
CaCO
3
/L y NA 744±45 mg/L. Estos parámetros
se encuentran en el rango de lo establecido por
Holliger et al., (2016) para asegurar un inóculo
de calidad.
Cinética del proceso de digestión anaeróbica
El análisis de la cinética de un proceso biológico
permite establecer la biodegradabilidad del
sustrato en estudio, a la vez que brinda in-
formación que puede ser utilizada para el
escalado del proceso. En este trabajo se utilizó
el modelo de Primer Orden, el cual estima
una constante de velocidad de producción de
metano o tasa de desintegración de primer orden,
k (d-1) y el rendimiento máximo teórico de
metano (NmL CH4/g SV), según (1). Este modelo
se basa en considerar que la disponibilidad
de sustrato es el factor limitante y supone
que la hidrólisis gobierna el proceso general
(Li et al., 2015).
L(t) = L
0
(1 — e
-kt
) (1)
Donde L(t) es la producción acumulada de
metano (NmL CH
4
/g SV) al tiempo t (h).
Análisis estadístico
El análisis del efecto del proceso de ensilado
sobre el PBM en las muestras estudiadas se
realizó mediante la prueba de ANOVA al 95%
software Statgraphics Centurion XVI (v.18.1.12).
62
Los parámetros del modelo cinético para cada
sustrato se estimaron utilizando la herramienta
Curve Fitting Tool de MATLAB® software
(MathWork, versión R2017b), que provee los
estadísticos correspondientes al coeficiente de
determinación R
2
y a la raíz del error cuadrático
medio (RMSE).
RESULTADOS
Características de las biomasas
Las muestras utilizadas, que corresponden al
primer corte del tercer ciclo de producción,
presentaron un rendimiento medio en materia
seca de 11.98 ± 0.59 t/ha. Es importante des-
tacar que al final de la estación de crecimiento,
en junio, se realizó un segundo corte del expe-
rimento que aportó 8.6±1.10 t/ha adicionales,
siendo la producción anual de biomasa de
20.31 ±1.74 t/ha (datos no presentados).
La Tabla 1 detalla las características de calidad
de las biomasas estudiadas. El contenido
de humedad inicial de las muestras resultó
74.9% (b.h.) valor sensiblemente superior al
mínimo recomendado para obtener silajes de
óptimas condiciones de conservación (65%).
El elevado contenido de humedad pudo haber
sido responsable de la generación de lixiviados,
además de haber favorecido fermentaciones de
tipo butírica en lugar de láctica, lo que se verifica
en las características organolépticas, de regular
a mala, así como en el descenso en el contenido
de los carbohidratos solubles y en el aumento en
la proporción de FDA (Tabla 1), y en un pH no
suficientemente ácido en las muestras (Tabla 2).
Tabla 1. Evaluación de la calidad de las muestras
Biomasa % PB % FDN % FDA % CNEs
AD 8.23 ± 2.29
a
74.10 ± 0.57
a
43.43 ± 1.29
a
2.19 ± 0.44
b
AD
SI
7.61 ± 1.96
a
69.57 ± 1.07
a
46.26 ± 2.93
b
0.81 ± 0.21
a
AD
CI
7.91 ± 1.20
a
70.67 ± 1.09
a
44.31 ± 1.23
b
0.96 ± 0.09
a
p valor 0.670 0.090 0.028 0.006
*Letras diferentes dentro de columnas indican diferencias significativas en el test de comparación de medias
De la Tabla 1 se puede observar un leve incre-
mento del 2.0% y del 6.5% en el contenido de
FDA y un descenso del 55.9% y 62.8% en los
CNEs en el material ensilado con y sin inóculo
respecto del fresco. En ninguna de las variables
se observaron efectos atribuibles a la inocula-
ción biológica. La concentración de proteína
bruta de la biomasa resultó menor al valor
estimado por Kering et al., (2012) para estadios
iniciales del cultivo (10.3 %). Otros autores, como
Mantineo et al., (2009) sólo reportan el contenido
de proteínas al final de la estación de crecimiento,
que para el tercer año de cultivo resultó entre
1.5 y 1.6, dependiendo del nivel de fertilización
nitrogenada utilizado, valores significativamente
inferiores a los encontrados para AD de primer
corte al tercer año de cultivo en nuestra región.
Por lo expuesto, si bien el corte en estados
tempranos presenta, según la bibliografía, ven-
tajas como resultado de una menor proporción
de lignina, se requeriría un secado previo del
material para llegar a concentraciones de materia
seca más adecuadas (alrededor del 40%), lo que
mejoraría la conservación del material ensilado.
PRODUCCIÓN DE BIOMETANO A PARTIR DE ARUNDO DONAX L., UN CULTIVO PERENNE DE ALTO POTENCIAL ENERGÉTICO EN ARGENTINA
Córdoba, Verónica; Cardoso, Romina; Manzur, Alejandra; Santalla, Estela; Lazaro, Laura
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OLADE – AUGM
En este sentido el aporte de bacterias lácticas
mediante el uso de un inoculante comercial no
mostró diferencias significativas respecto del
tratamiento sin inocular (Tabla 1). Kleinschmit
& Kung L, (2006) sugieren que cada cultivo en
particular requeriría inoculantes con bacterias
adaptadas al mismo. El inoculante comercial
utilizado contiene bacterias que contribuyen
a lograr silos con bajo pH y alta estabilidad en
cultivos de maíz y sorgo. Como no existen en
el mercado argentino inoculantes recomendados
para silos de AD y ésta es una de las primeras
evaluaciones de esta técnica en el país, fue utili-
zado un inoculante para gramíneas de verano, lo
más semejante a AD de las opciones disponibles
en el mercado. La baja especificidad podría
explicar en parte la falta de respuesta al mismo.
Las características físico-químicas de las muestras
utilizadas para determinar el PBM se describen
en la Tabla 2. Se observa una disminución
significativa entre 35 y 36% en el contenido de
ST de ADSI y ADCI, respecto a AD por efecto del
proceso de ensilado, resultados relacionados
con la generación de lixiviados como conse-
cuencia del exceso de humedad de la biomasa
original. Tendencia similar fue observada por
Corno et al., (2016) quienes reportaron reduc-
ciones del orden del 15-16% y por Baldini et
al., (2017) de entre 0.2 y 5.6%, dependiendo
de la fecha de corte de la biomasa.
Respecto al pH, si bien se detectó una leve
oscilación por efecto del ensilado, no se observó
la reducción reportada por Corno et al., (2016)
como consecuencia de la acumulación de áci-
dos grasos volátiles. Respecto al contenido de
nitrógeno amoniacal, se detectó en ambos
ensilados que la concentración aumentó de
0.06±0.00 mg/g a 0.56±0.02 y 0.83±0.01 mg/g
para ADCI y ADSI respectivamente, lo que
representa aumentos superiores al 800% res-
pecto a la muestra fresca. Estos incrementos
pueden ser efecto de la ruptura de las proteínas
durante el proceso de ensilado, resultado de
una fermentación restrictiva, tal como han repor-
tado Baldini et al., (2017) para AD y Miscanthus;
dando un indicio de que los silos obtenidos
fueron de baja calidad.
Según Chew et al., (2021), las condiciones ópti-
mas de pH, para una adecuada hidrólisis durante
un proceso anaeróbico de tipo mesofílico, se dan
en un rango de pH entre 5 y 7, con lo cual los
valores medidos para las muestras estudiadas
deberían favorecer una adecuada evolución del
proceso. Sin embargo, según Gerardi (2003) una
actividad enzimática aceptable que promueva
la formación de bacterias metanogénicas no
ocurre por debajo de pH 6.2, siendo el rango
óptimo entre 6.8 y 7.2. Estas condiciones indi-
carían que las muestras de ADCI y SM deberían
presentar una buena performance en la produc-
ción de biometano.
Se observó un aumento significativo de la AT de
las muestras frescas por acción del ensilado, con
incrementos de 57.3 y 65.8% para ADCI y ADSI
respectivamente. Todos los valores de AT de AD
fueron significativamente superiores a SM, lo
que resulta en muestras con una mayor capaci-
dad buffer, lo que asegurará un mayor control de
pH del reactor.
Este escenario posiblemente
permitiría liberar tierras agrícolas
para la generación de productos
de mayor valor agregado que
aporten desarrollo e innovación a
la bioeconomía nacional.
64
Tabla 2. Caracterización físico-química de las muestras de biomasas utilizadas en los ensayos de PBM.
Parámetro AD AD
CI
AD
SI
SM p-value
ST (% bh) 25.01 ± 0.49
b
15.99 ± 0.38
a
16.23 ± 0.51
a
42.98 ± 0.18
c
0.0000
SV (% bs) 88.42 ± 2.20
a
88.62 ± 0.14
a
87.73 ± 0.49
a
95.16 ± 0.36
b
0.0039
pH 5.74 ± 0.03
b
6.89 ± 0.02
c
5.31 ± 0.02
a
7.84 ± 0.04
d
0.0000
AT (mgCaCO
3
/L) 654.22 ± 39.99
b
1028.77 ± 18.30
c
1084.71 ± 4.18
c
450.61 ± 10.46
a
0.0001
NA (mgNH
3
+
/g) 0.06 ± 0.00
a
0.56 ± 0.02
b
0.83 ± 0.01
b
0.63 ± 0.03
c
0.0000
34.4 ± 2.3
b
33 ± 1.5
b
39.5 ± 3.5
b
20.5 ± 0.6
a
0.0154
Hemicelulosa
(% bs)
19.0 ± 1.2
b
16.9 ± 0.1
ab
18.0 ± 0.5
b
14.1 ± 0.7
a
0.0374
Lignina (% bs) 10.8 ± 0.3
d
8.4 ± 0.8
b
8.8 ± 0.3
bc
5.7 ± 0.4
a
0.0101
% C 40.07 ± 0.80
b
36.2 ± 0.24
a
36.0 ± 1.29
a
43.47 ± 0.02
c
0.0063
% N 2.2 ± 0.03
c
2.38 ± 0.03
d
2.10 ± 0.02
b
1.38 ± 0.01
a
0.0000
% H 5.09 ± 0.01
b
4.77 ± 0.02
a
4.89 ± 0.12
ab
6.12 ± 0.09
c
0.0009
% S 0.13 ± 0.03
a
0.16 ± 0.02
a
0.11 ± 0.0
a
ND 0.3024
C/N 18.19 ± 0.06
b
15.23 ± 0.10
a
17.11 ± 0.42
b
31.53 ± 0.30
d
0.0000
*Valores seguidos por la misma letra en la misma línea no presentan diferencias significativas a p-value <0.05. bs:
Base seca. ND: no detectado
Respecto a la composición estructural, AD
presenta mayor porcentaje de cada uno de los
lores superaron entre 40.4 y 48.1% al contenido
en SM; en hemicelulosa entre 16.5 y 25.8%
y en lignina entre 31.9 y 47.1%. Estas caracterís-
ticas podrían indicar una mayor resistencia de
AD a la degradación de las estructuras para la
producción de metano ya que la lignina actúa
como barrera al resto de los constituyentes,
impidiendo su degradación (Thomsen et al.,
2014). Confirmando la influencia que las condi-
ciones del cultivo ejercen sobre la composición
de AD, se han encontrado en la literatura (Pirozzi
et al., 2015; Thomsen et al., 2014) porcentajes de
celulosa entre 20,7% y 46,2%, de hemicelulosa
entre 17.7 y 23.5% y de lignina entre 16.2 y 25.4%
para muestras de AD bajo diferentes condiciones
de cultivo, fertilización, riego y secano. Las mues-
tras estudiadas en este trabajo presentaron
contenidos de celulosa y hemicelulosa dentro de
los rangos encontrados en la literatura, aunque el
porcentaje de lignina resultó significativamente
inferior, lo que ofrece una ventaja adicional para
la producción de biometano.
Respecto al efecto del ensilado sobre la com-
posición estructural, se observó que el contenido
de celulosa permaneció prácticamente inalterado
por la fermentación (diferencias no significativas
tenido de hemicelulosa (11% y 5%) aunque
no significativa. Este resultado está de acuerdo
con Webster, (1992) quien confirma que la hemi-
celulosa se degrada más fácilmente que la
celulosa durante el ensilado y con los resultados
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reportados por Baldini et al., (2017), quienes
reportan que la hemicelulosa en el maíz se
redujo en aproximadamente un 10.1% después
del ensilaje. Respecto al porcentaje de lignina, el
proceso de ensilado disminuyó 22.3% y 18.6%
el contenido en ADCI y ADSI respectivamente,
ambos estadísticamente diferentes a la muestra
fresca, aunque resultando superiores a SM.
Por su parte, la relación C/N también presenta
diferencias significativas entre los valores obte-
nidos para AD y SM, lo que a priori indica
menor cantidad de carbono disponible para la
producción de biogás. La relación C/N mostró
leves disminuciones por efecto del ensilado en
AD, tal como observaron Baldini et al. (2017)
quienes reportaron reducciones de 0.8 y 15.9%
para primer y segundo corte respectivamente.
Los valores de C/N obtenidos para AD en el
presente trabajo resultaron significativamente
inferiores a los reportados por Di Girolamo
et al. (2013) de 56 y por Baldini et al., (2017)
de 50 y 122 para AD de primer y segundo
corte respectivamente.
Potencial de biometano
Luego de aproximadamente 40 días de fermen-
tación anaeróbica, el PBM de AD resultó
275.8 NmL CH
4
/g SV, valor mayor al reportado
por Di Girolamo et al., (2013) que obtuvo
250 NmL CH
4
/g SV cuando trabajó con mues-
tras de AD de primer corte o los obtenidos
por Thomsen et al., (2014) quien reportó
178 NmL CH
4
/g SV para muestras de AD
frescas. Por su parte, Ragaglini et al., (2014) re-
portaron PBM para AD fresco de 319.5 NL/kg
SV correspondiente al primer corte mientras
que Corno et al., (2016) obtuvieron rendimien-
tos de 374 a 380 Nm3CH4/t SV para cañas de
AD frescas.
Respecto al efecto del ensilado, las diferencias
entre los valores promedio (triplicados) del PBM
para AD no resultaron significativamente dife-
rentes (p<0.05) observando la menor produc-
ción (234.7 NmL CH
4
/g SV) en ADCI. El PBM
resultó 14.9 y 3.2% inferior en ADCI y ADSI
respectivamente en relación al valor obtenido
para AD fresco, siendo a su vez este valor 14%
menor a SM. Corno et al., (2016) también
reportaron disminuciones en el PBM de 20.1 y
7.6% cuando evaluaron el efecto de ensilados
de AD en trinchera y en silo bolsa respectiva-
mente. Baldini et al., (2017) reportaron valores
de PBM para muestras de AD ensiladas de
148.1 y 169.7 NmL CH
4
/g SV, aproximadamente
42% inferior al PBM de AD fresco analizado en
este trabajo.
Debido a la necesidad de las plantas de biogás
de disponer de alimentación continua, y a que
las plantaciones de AD solo pueden presentar
dos cortes anuales, el proceso de ensilado resulta
necesario para garantizar la disponibilidad de
biomasa. Los resultados preliminares muestran
que la estructura de AD ha sido resistente a la
acción de las bacterias lácticas y, por lo tanto,
no estaría afectando su PBM, por lo que AD
podría ser utilizado directamente en el digestor,
previo picado del material.
Foto de Nirnjan Photographs de Unsplash.
66
Figura 2. PBM predicho y experimental de las muestras estudiadas.
Valores del PBMexp con la misma letra no presentan diferencias significativas a p-value <0,05.
AD
PBM (NmL CH
4
/ g SV)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
ADCI
PBMexp
275.8
± 30.0 ab
234.7 ± 13.3 ab
266.95 ± 18.2 a
320.6 ± 11.2 b
ADSI SM
Los valores de PBM obtenidos son altamente
promisorios, considerando que esta herbácea
perenne alcanza su máxima productividad de
materia seca aproximadamente luego de 4-5 años
desde su implantación y se mantiene durante
un ciclo de vida de aproximadamente 15 a 20
años (Webster et al., 2016). Además, basado en
la revisión literaria llevada a cabo por Jámbor
& Török, (2019), este cultivo presenta bajos
costos de mantenimientos una vez implantado.
En particular, los mayores costos se dan durante
el primer año y están relacionados con la im-
plantación, de ahí en adelante estos se reducen
a la fertilización, que debe realizarse cada 3 o 4
años. El costo de fertilización es significativa-
mente menor que en el cultivo de maíz, debido
a los bajos requerimientos de nitrógeno de la
especie, 3 kg N/t MS (Christou et al., 2018)
versus 11 kgN/t MS en maíz (Andrade, 2023).
Jámbor & Török, (2019) además, mencionan que
al aplicar la metodología de costo del ciclo de
vida se obtuvo para AD en Europa un costo de
la materia seca de 65 EUR/t mientras que
para otros cultivos biomásicos perennes como
Miscanthus o Panicum virgatum los costos
se ubican entre 65 y 80 EUR/t.
Los resultados de productividad de AD obtenidos
a partir de los primeros estudios agronómicos
realizados en el centro de la provincia de Buenos
Aires, mostraron un rendimiento de biomasa
promedio 23.8±3.5 t MS/ha, medido al tercer
año desde su implantación en condiciones de
secano, con una capacidad potencial (riego y
fertilización) de hasta 38.6±2.4 t MS/ha, lo que,
en base al rendimiento promedio, daría una
productividad de metano, una vez alcanzada
la madurez del cultivo de 5,850 Nm
3
/ha.
Productividad superior a la obtenida por maíz
de 4,423 Nm
3
CH
4
/ha, considerando una produc-
ción de biomasa anual de 15.33 t/ha, obtenida
para nuestra región a partir de un rendimiento
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en grano de maíz según las estadísticas de la
Dirección Nacional de Agricultura (Dirección
Nacional de Agricultura, 2023) de 6.9 t/ha,
y considerando un índice de cosecha (Rendi-
miento grano/Biomasa total) de 0.45 (Andrade,
2023) y un potencial experimental de
320 NmL CH
4
/g SV. Los valores aquí obtenidos
para AD se encuentran en el orden de los reportado
por otros autores para diferentes zonas de Italia:
Baldini et al., (2017) reportó rendimientos de
metano de 5,522 m
3
CH
4
/ha para maíz, y de
2,647 m
3
CH
4
/ha para AD ensilado, Ragaglini
et al., (2014) por su parte informó una produc-
tividad de 9,580 Nm
3
CH
4
/ha para AD de primer
corte, resultando superior a maíz (6,750 Nm
3
CH
4
/ha), obtenido a partir de un rendimiento
de materia seca de 20 t/ha, mientras que
Schievano et al., (2012) trabajando con AD de
primer corte encontró rendimientos de metano
entre 7,170 y 11,280 Nm
3
/ha.
Cinética de la digestión anaeróbica de AD
En la Tabla 3 se detallan los parámetros cinéticos
obtenidos al modelar los datos experimentales
según la Ec. (1), la cual que representa un
mecanismo de degradación de primer orden
controlado por la etapa de hidrólisis de la
biomasa. Los resultados del rendimiento máximo
teórico de metano, L0, se corresponden con los
valores experimentales obtenidos (Figura 2)
con diferencias máximas de 33% entre SM y
AD. No se observaron diferencias significativas
en la velocidad de producción de metano para
ninguna de las muestras estudiadas, lo que indica
que las biomasas tienen un comportamiento
similar durante el proceso mesofílico sin efecto
del proceso de ensilado. SM mostró un valor de
L0 significativamente superior a AD pero en
términos de velocidad de degradación (k) para
producir metano no se observaron diferencias
significativas entre las biomasas estudiadas.
Tabla 3: Parámetros cinéticos y estadísticos del ajuste del modelo cinético de primer orden aplicado
para la producción de metano de AD y SM.
Biomasa L
0
(NmL CH
4
/g SV) kk (d
-1
) R
2
RMSE
AD 253.00 ± 18.4
a
0.12192 ± 0.0269
a
0.9556 17.280
AD
CI
233.6 ± 4.1
a
0.0992 ± 0.0049
a
0.9983 3.248
AD
SI
269.4 ± 5.3
a
0.1338 ± 0.0086
a
0.9967 5.378
SM 337.2 ± 10.1
b
0.1262 ± 0.0101
a
0.9964 6.232
p-value 0.01 0.4966
Valores seguidos por la misma letra en la misma línea no presentan diferencias significativas a p-value <0.05.
El coeficiente de correlación observado para
todas las muestras resultó superior al 95% lo
que indica que el modelo propuesto resulta
adecuado para representar el comportamiento
de la producción de metano de AD, y permite
obtener los parámetros cinéticos del proceso.
En la Figura 3 se observa la bondad del ajuste
de los datos experimentales al modelo cinético
de primer orden y también el efecto no signi-
ficativo del ensilado sobre la productividad de
metano de las muestras de AD.
68
Figura 3. Producción de metano experimental y ajustado según el modelo cinético de primer orden.
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Producción de metano (NmL CH
4
/ gSV)
Tiempo (días)
0510 15 20 25
SM
SM
AD
AD
ADCI
ADCI
ADSI
ADSI
30 35 40 45
Los resultados aquí observados, tanto en función
del potencial máximo como de la velocidad
de producción de biometano, demuestran la
capacidad de este cultivo perenne para generar
biometano. Si bien se observaron deficiencias
en la calidad del ensilado de AD como resultado
de un elevado contenido de humedad y baja
concentración de carbohidratos solubles, a fu-
turo se estudiará el comportamiento de ensi-
lados mixtos de AD-SM con la finalidad de
evaluar su efecto sobre el PBM y la factibilidad
de un futuro y paulatino reemplazo del SM en
los digestores anaeróbicos. Para alcanzar esto
será necesario, además, difundir la capacidad
de AD como cultivo energético, introducir a
productores de determinadas regiones en su
cultivo y acondicionamiento y sensibilizar a los
sectores de producción de biogás en la posibili-
dad de incorporar esta biomasa con potencial
de biometano comprobado. Este reemplazo
evitaría comprometer el uso de la tierra
para la producción de alimentos, ya que AD
puede implantarse tanto en suelos arcillosos
pesados como en arenas sueltas con regímenes
pluviométricos anuales inferiores a 550 mm
(Rodríguez et al., 2021), lo que permitiría
su cultivo en diferentes áreas marginales de
Argentina (Falasca et al., 2011), lo cual contrasta
con la alta demanda de agua, fertilizantes
químicos y pesticidas que requiere el cultivo
maíz para alcanzar una elevada productividad
de materia seca (Baldini et al., 2017).
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En términos más generales, si bien son
reconocidas las ventajas que los biocombusti-
bles representan en la sustitución de com-
bustibles fósiles por la disminución de GEIs, las
políticas de promoción de su producción han
dejado algunas cuestiones sin resolver, como
por ejemplo su incidencia en el desarrollo rural
y la necesidad de mayor investigación sobre el
impacto en la sostenibilidad del modelo (Sili &
Dürr, 2022). Además, numerosos estudios han
evidenciado la influencia que el desarrollo de
una política de promoción de biocombustibles en
base a maíz, ha ejercido sobre el alza de precios
del mercado de granos ya sea por la mayor
demanda de semillas, como por la competencia
de tierras arables entre diferentes cultivos
(OECD-FAO, 2007). En Argentina, como en
muchos otros países latinoamericanos, la pro-
ducción de biocombustibles se concentra a base
de soja, maíz y caña de azúcar, no explotando
bajas inversiones y pueden tener efectos
positivos e impactos N/ten el desarrollo local
(Trigo et al., 2013). AD por su parte, como cultivo
lignocelulósico perenne, es considerado una de
las especies más promisorias para la producción
de biomasa en Europa, lo que constituye un
antecedente para evaluar el desarrollo de su
cadena de valor en Argentina. Los resultados
preliminares obtenidos en el presente trabajo
se consideran potencialmente atractivos para
avanzar en su implementación como cultivo
energético.
CONCLUSIONES
El estudio de AD como una biomasa de segunda
generación demostró su aptitud como cultivo
energético para la producción de biometano con
adecuado comportamiento durante el proceso de
digestión anaeróbica a escala laboratorio, tanto
de la biomasa fresca, como de la ensilada, a
pesar de su alto contenido en componentes
estructurales. Su productividad energética
superior a 5,800 Nm
3
CH
4
/ha refleja un futuro
promisorio para su utilización como sustrato en
la producción de biogás, basado en el elevado
rendimiento en materia seca obtenido en la
zona centro de la provincia de Buenos Aires
(23.8±3.5 t/ha MS en secano y 38.6±2.4 t/ha MS
en condiciones potenciales para el tercer ciclo de
crecimiento), a pesar, de haber observado para
esta biomasa un potencial experimental de metano
menor al obtenido por el maíz. Los resultados
preliminares del presente estudio proveen una
alternativa para pensar una transición energética
sostenible que incorpore nuevas fuentes de bio-
masas a la cadena de producción de biogás, que no
compitan con la producción de alimentos. Dada la
disponibilidad de capacidades e infraestructura
vinculada al sector agrícola que tiene Argentina,
el paso siguiente será realizar una valoración
integral del desarrollo de la cadena de valor de AD
bajo una perspectiva multicriterio que incluya
además de los costos económicos, la identifi-
cación de los impactos sociales y ambientales
que se puedan generar en diversos sectores.
Este escenario posiblemente permitiría liberar
tierras agrícolas para la generación de productos
de mayor valor agregado que aporten desarrollo
e innovación a la bioeconomía nacional.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la SECAT (UNCPBA)
Programa de Fortalecimiento a la Ciencia y la
Tecnología en las Universidades Nacionales (IV)
y a la Facultad de Ingeniería (UNCPBA) por la
Beca BICT de la alumna Romina Cardoso. A los
integrantes del PEIDYT Torres A., Caldentey F.,
Portela G., Ressia J., Grosso J. y Bongiorno C. por
las tareas de campo y la confección de los micro-
silos y a Bioeléctrica General Alvear por el aporte
de silajes de maíz.
70
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