- Introducción
La dependencia global de combustibles sólidos para la cocina representa un desafío significativo para la salud y el medio ambiente. El Banco Mundial (2020) reporta que alrededor de 2,400 millones de habitantes (40% de la población), utilizan leña, carbón y estiércol como fuentes de energía para cocinar; también el 9,5% de la población mundial no tiene acceso a servicios eléc-tricos (Hollands & Daly, 2023; Kapsalyamova et al., 2021; Li et al., 2022). La combustión de estos combus-tibles libera contaminantes peligrosos, como material particulado fino (PM2.5 y PM10), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de azufre (SO2), además de contribuir a las emisiones de gases de efecto invernadero, con graves consecuencias para la salud humana (Ali & Khanb, 2022; Li et al., 2022; Rubinstein et al., 2022; Kapsalyamova et al., 2021).
A nivel mundial, en 2019, aproximadamente 2,3 millo-nes de muertes fueron causadas por exposición a la contaminación de aire doméstico, provocada por la combustión incompleta de combustibles sólidos y kerosene en estufas (Instituto de Métricas y Evaluación de la Salud, 2021; Islam et al., 2023; Valarezo et al., 2023). En Perú, existen 6682 comunidades campe-sinas, de las cuales el 25,5% no dispone de servicio eléctrico y el 70% de los pobladores rurales emplean leña en la cocina, en comparación con el 7% en zonas urbanas. Además, solo el 7,2% de la población rural tiene acceso a gas licuado de petróleo (GLP) (INEI, 2017; Nuño et al., 2023).
Estas comunidades de bajos recursos, presentan limitados accesos a servicios esenciales como gas y electricidad, cruciales para actividades diarias como la preparación y conservación de alimentos. Debido a esto, los pobladores recurren a alternativas menos eficientes y más contaminantes, como leña, paja, carbón y kerosene (Oyeniran & Atanda, 2023). La adopción de energías renovables emerge como una alternativa sostenible, promoviendo la eficiencia energética y reduciendo la huella ambiental. En este sentido, la producción de energía a partir de biomasa resulta ser más económica, renovable y sostenible (Kapsalyamova et al., 2021; Li et al., 2022; Rubinstein et al., 2022).
La biodigestión anaeróbica permite transformar los residuos orgánicos a través de microorganismos para generar gas y procesar eficientemente grandes cantidades de residuos orgánicos (Chernicharo, 2019; Alam et al., 2022; Lins et al., 2022; Singh & Kalamdhab, 2022). Los residuos orgánicos domésticos, son ricos en nutrientes y minerales esenciales para los microor-ganismos, representan una fuente valiosa para la generación de gas.
En Perú, los residuos orgánicos constituyen el 56% de los residuos sólidos generados anualmente (Alam et al., 2022; Ministerio del Ambiente, 2023; Sanchez et al., 2022); así también, la producción de arroz en el 2023 ascendió a 330,825 t, con un incremento de un 32,5% con respecto al 2022, dentro de esta producción la cáscara de arroz equivale al 25% del peso seco (INEI, 2022; Rashid et al., 2023). La cáscara de arroz posee un alto valor calórico (3736 cal/g), por lo que es una alternativa viable para la producción de biogás (Ramon et al., 2018). Las regiones de mayor producción de arroz son La Libertad, Ancash, Arequipa y San Martín (80,2% de la producción nacional), en la costa norte del Perú, la quema de residuos de arroz libera 380 t/año de cenizas, contribuyendo a la contaminación am-biental en la región (Garzón, 2023; Rodríguez, 2013).
Como alternativa para enfrentar los problemas ener-géticos de las comunidades de bajos recursos, es posible producir biogás a partir de la cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos, que no se cuenta con información de las proporciones para obtener un rendimiento eficiente en la producción de biogás. Por lo que el presente trabajo tuvo como objetivo determinar la proporción óptima de cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos que permita maximizar el rendimiento para la producción de biogás.
- Metodología
2.1. Recolección y muestreo
Para la producción de biogás, se recolectó cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos. En el Molino San Jorge S.A.C (Lambayeque, Perú) se generan anualmente 151,20 t de cáscara de arroz. De esta cantidad, se tomó una muestra de 180 kg. Para los residuos orgánicos domésticos se consideró 137,871 kg para el distrito de Chiclayo. Se obtuvo una muestra aleatoria de 60 kg, recolectada de cinco viviendas de la urbanización Cerropón, Chiclayo, Lambayeque, Perú. La composición de los residuos orgánicos domésticos recolectados entre el 18 y el 22 de mayo del 2024 se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Composición de residuos orgánicos domésticos.
2.2. Pretratamiento
Los residuos recolectados fueron triturados con la finalidad de incrementar su superficie de contacto y facilitar su descomposición, para luego ser incorporados en el biodigestor anaeróbico e iniciar su proceso de descomposición y obtención de biogás. Los ensayos con los biodigestores se llevaron a cabo en Cerropón, Chiclayo, Lambayeque, Perú. La ubicación se caracterizó por temperaturas diurnas entre 27 °C – 30 °C, y nocturnas entre 17 °C – 20 °C. La presión atmosférica fue alrededor de 1010 hPa, y la precipitación fue inferior a 10 mm.
2.3. Diseño
Se empleó un bidón de polietileno de alta densidad hermético y resistente, con una capacidad de 80 litros. Los residuos pretratados fueron introducidos en el bidón, el cual fue sellado herméticamente. Para la medición del biogás generado, se instaló un sistema de salida en la parte superior del bidón, compuesto por una válvula de esfera con manguera, conectado a través de una "T" de paso a un dispositivo de recolección de gas. Este dispositivo aseguró la captura eficiente del biogás producido, canalizando hacia su destino final, que en este caso fue la cocina Surge® semiindustrial, donde se utilizó como fuente de energía para las mediciones posteriores (Figura 2).
2.4. Preparación del biodigestor
La instalación del biodigestor se estableció de acuerdo con Rojas (2018), que se basó en las densidades de cáscara de arroz (0,15 g/cm³), agua (1 g/cm³) y residuos orgánicos (0,15 g/cm³) para determinar las cantidades de los compuestos en los tratamientos (Tabla 1). Cada tratamiento tuvo 3 repeticiones, y las cantidades fueron calculadas utilizando la ecuación de Herrero (2011):
K=Vb * C
Donde K: Cantidad de contenido para el biodigestor (kg); Vb: Volumen del biodigestor (80 kg); C: Constante de 50%.
𝑅: 𝐴 = 𝑃𝑟: 𝑃𝑎
𝑅 + 𝐴 = 𝐾
Donde R: Cantidad de residuo; A: Cantidad de agua; Pr: Proporción de residuo; Pa: Proporción agua; K: Cantidad de contenido.
Tabla 1
Composición de los tratamientos para la producción de biogás
Tratamiento | 4,5 | 2,2 | 3 | 1,5 | 2,4 | 1,2 |
Cáscara de arroz (kg) | 4,5 | 2,2 | 3 | 1,5 | 2,4 | 1,2 |
Residuos orgánicos domésticos (kg) | 0 | 2,2 | 0 | 1,5 | 0 | 1,2 |
Agua (kg) | 35,6 | 35,6 | 36,9 | 36,9 | 37,7 | 37,7 |
2.5. Diseño experimental y análisis estadístico
Los tratamientos evaluados consistieron en distintas proporciones de cáscara de arroz y residuos orgánicos, los cuales se determinaron en base a estudios reali-zados por Rojas (2018) y Herrero (2011). Se utilizó un Diseño Completamente al Azar (DCA) para evaluar el rendimiento de biogás de cada tratamiento de cáscara de arroz y combinación (cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos). Se comparó la producción de biogás entre los tratamientos 2.4 vs 1.2, 3.0 vs 1.5, y 4.5 vs 2.2, utilizando un análisis de ANOVA con un nivel de significancia del 95%.
2.6. Producción de biogás de tratamientos
Se dispuso de cocinas semiindustriales marca Surge® para cuantificar la cantidad de biogás obtenido durante 30 días (30 de abril - 30 de mayo del 2023) utilizando cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos. La medición se llevó a cabo en horas para seis tratamientos diferentes, mediante la conexión de las cámaras de biogás a las cocinas y se evaluó a partir del tiempo de generación de flama derivada del sistema. Posteriormente, se utilizó la ecuación de Rojas (2018) para la proyección en el consumo de biogás en un periodo de 12 meses:
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑑 = 𝑋𝑅𝑡 ∗ 𝐷𝑀𝑎𝑥
Donde X̅Rt: Media de rendimiento de biogás total (horas); DMax: Demanda de energía de una cocina semiindustrial (0,5 m³/h); Flujo de producción: Producción total en m³/mes.
- Resultados y discusión
- Producción de biogás
La producción de biogás fue variable en los tratamientos del presente experimento. La producción en los tratamientos con cáscara de arroz presentó un rendimiento promedio de 1,18 ± 0,19, 1,35± 0, 11 y 1,91 ± 0,23 m3 para los tratamientos de 4,5, 3,0 y 2,4 respectivamente, mientras que en la combinación de cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos la producción fue de 1,13± 0,29, 1,75± 0,13 y 0,78 ± 0,17 m3 para los tratamientos 2,2, 1,5 y 1,2 respectivamente, representado en la Figura 3.
Figura 3. Esquema del sistema de producción de biogás.
La prueba de normalidad de Shapiro-Wilk reveló que la producción en relación con el rendimiento del biogás sigue una distribución normal (p-value = 0,192), permitiendo el uso de métodos paramétricos en el análisis. La prueba de Levene no mostró diferencias significativas en la producción de biogás entre los tratamientos (p-value = 0,405), lo que sugiere que las varianzas son homogéneas. El ANOVA indicó diferencias significativas entre los diferentes tratamientos (p-value = 0,001).
La prueba Post Hoc - Tukey presentó diferencias signi-ficativas en la producción de biogás. El tratamiento 1.5 generó una producción significativamente mayor en comparación con los tratamientos 4.5 (p-value = 0,034), 3.0 (p-value = 0,010), 2.2 (p-value = 0,024) y 1.2 (p-value = 0,002). Así mismo, el tratamiento 2.4 también mostró una producción significativamente mayor que el tratamiento 1.2 (p-value = 0,005) y 3.0 (p-value = 0,024). Sin embargo, los tratamientos 4.5, 2.2 y 3.0 no presentaron diferencias significativas entre ellos. Así, se identificaron tres subconjuntos homogéneos, estos no presentan diferencias estadísticamente significativas entre sí. El primer subconjunto está conformado por el tratamiento 4.5, 3.0, 2.2 y 1.2 con p-value = 0,549. En el segundo subconjunto, tratamiento 4.5, 2.4 y 2.2 con p-value = 0.055. Finalmente, tercer subconjunto, tratamientos 2.4 y 1.5 con p-value = 0,995.
Se realizó una comparación entre los tratamientos 2.4 vs 1.2, 3.0 vs 1.5, y 4.5 vs 2.2. En la comparación de los tratamientos 2.4 vs 1.2, se observó un incremento en la producción de biogás utilizando exclusivamente cáscara de arroz, con un aumento del 145,8% (p-value = 0,007), lo que indicó que el tratamiento con la combinación 2.4 obtuvo una alta producción de biogás. Las comparaciones entre los tratamientos 4.5 vs 2.2, y 3.0 vs 1.5 no presentaron diferencias estadísticas significativas (p-value = 0,8849 y 0,1428 respectivamente), sin embargo, el tratamiento 1.5 de combinación de cáscara de arroz y residuos orgánicos domésticos, mostró un incremento en la producción de biogás del 30,52% con respecto a tratamiento 3.0 (Figura 4).
Figura 4. Comparación de tratamientos según la producción de biogás (ns: no presenta diferencia significativa; **: presenta diferencia significativa).
Owamah et al. (2021) mencionó que la adición de inóculo mejoró la producción de biogás a partir de diversos sustratos. Demostró que la optimización de la relación entre inóculo y sustrato influyó significa-tivamente en el rendimiento de biogás, debido a la alta carga microbiana presente en los inóculos, que son sustratos previamente sometidos a digestión anaeróbica. Por lo que, la relación inóculo-sustrato fue una estrategia efectiva para aumentar la producción de biogás. En nuestro estudio, se observó que la selección y proporción de los componentes del sustrato desempeñaron un papel crucial en la eficiencia de la producción de biogás, como lo respalda también la investigación de Nuntón (2018).
Nuntón realizó un experimento utilizando 4,51 kg de sustrato en una proporción de 0.1:1:5 de bagazo, estiércol y agua, obteniendo una producción de 0,38 m³ de biogás. Aunque este rendimiento fue inferior al obtenido en nuestro estudio, respaldó la idea de que la composición del sustrato y sus proporciones fueron factores cruciales para la eficiencia de la producción de biogás. Por otro lado, Haider et al. (2015) señaló que el rendimiento del biogás aumentó con una mayor proporción de residuos orgánicos. En su experimento, obtuvo un rendimiento de 0.584 m³ utilizando una combinación de residuos orgánicos domésticos y cáscara de arroz en una proporción de 10.5:1. Este rendimiento fue comparable a los resultados obtenidos en nuestro estudio en el tratamiento 1.5, sugiriendo que una combinación de residuos orgánicos domésticos y cáscara de arroz pudo haber mejorado la eficiencia de la producción de biogás. Además, Rojas (2018) demostró que una proporción de cáscara de arroz y agua de 1:5 produjo 53,971 m³ de biogás a partir de 1000 toneladas de cáscara de arroz, lo que evidenció la importancia de la relación entre los componentes del sustrato. Se destacó que la proporción de cáscara de arroz en el tratamiento pudo haber tenido un impacto significativo en la producción de biogás, como se demostró en nuestro estudio con el tratamiento 2.4, el cual fue el que mostró la mayor producción de biogás, compuesto exclusivamente por cáscara de arroz.
3.2. Rendimiento de los tratamientos
Las medias de rendimiento de producción de biogás mostraron diferencias significativas entre los tratamientos. El mayor rendimiento se observó en los tratamientos 2.4 (cáscara de arroz) y 1.5 (combi-nación); con tiempos de producción de 3,81 y 3,51 horas y/o 1,91 y 1,75 m³ de biogás respectivamente (Figura 5).
García et al. (2023) mostró que la combinación de residuos orgánicos con cáscara de arroz incrementó la producción de biogás en comparación con el uso exclusivo de residuos orgánicos domésticos. Asimismo, Chen et al. (2024) destacó que la cáscara de arroz, rica en lignocelulosa, proporcionó una fuente prolongada de carbono durante la digestión anaeróbica, lo que permitió una liberación constante de biogás. Esta liberación extendida contribuyó a una mayor producción total de biogás cuando se combinó con residuos orgánicos. Además, Singh et al. (2024) indicaron que la estructura fibrosa y porosa de la cáscara de arroz mejoró la estabilidad física del medio de digestión, facilitando el contacto entre micro-organismos y el sustrato, optimizando las condiciones anaeróbicas.
Figura 5. Comparación de rendimiento de biogás.
Patel et al. (2024) mencionaron que la cáscara de arroz equilibró la relación C/N (carbono/nitrógeno) en la combinación, debido a su alto contenido de carbono, previniendo la inhibición de la actividad microbiana causada por el exceso de nitrógeno y la acumulación de amoníaco.
Finalmente, Lee et al. (2024) encontraron que la sílice en la cáscara de arroz actuó como un amortiguador físico, favoreciendo la adherencia de microorga-nismos y mejorando la eficiencia del proceso de digestión. De acuerdo con los resultados obtenidos en el presente estudio, los tratamientos con la inclusión de cáscara de arroz mostraron un aumento significativo en la producción de biogás, debido a las propiedades inherentes de la cáscara de arroz, que contribuyeron a estabilizar el proceso de digestión anaeróbica. La estructura fibrosa y la composición química de la cáscara de arroz favoreció un ambiente más adecuado para la actividad microbiana, lo que a su vez optimizó la producción de biogás. Estos resultados mostraron que la cáscara de arroz puede desempeñar un papel clave como co-sustrato en procesos de digestión anaeróbica, mejorando la eficiencia del sistema.
3.3. Proyección en el consumo de biogás
Al realizar la proyección de los resultados, se demostró que la producción de biogás en un período de 12 meses fue eficiente en los tratamientos 2.4 y 1.5, con valores de 22,92 y 21 m³/mes, respectivamente (Figura 6). Estos resultados confirmaron la viabilidad del sistema a diferente proyección, sino que también destacaron la consistencia y efectividad de los tratamientos implementados, evidenciando su potencial para aplicaciones a mayor proyección en el ámbito de la generación de energía renovable.
Figura 6. Comparación de rendimiento de biogás.
La producción de biogás a partir de residuos orgánicos, como cáscara de arroz y residuos domésticos, representa una alternativa económica y sostenible para satisfacer las necesidades energéticas de las familias de bajos recursos en Perú (Posmanik et al., 2022).
En este estudio se realizó una proyección del consumo de biogás para el tratamiento 2.4, el cual mostró la mayor producción, con un valor de 22.92 m³/mes durante un periodo de 12 meses. Esta cantidad de biogás podría satisfacer una parte significativa de las necesidades energéticas de las familias.
Una familia promedio de 4 a 5 personas consume solo para cocinar entre 5,4 a 8,1 m³ de gas al mes, lo que equivale aproximadamente de 0.8 a 1.2 balones de gas licuado de petróleo (GLP) de 5 kg (World Biogas Association, 2024). Un balón de gas de 5 kg contiene 6,97 m³ de gas y cuesta alrededor de 8 dólares en el año 2024 (La República, 2024). En comparación, 1.91 m³ de biogás producido al mes a partir de cáscara de arroz equivalen a 0,21 balones de GLP de 5 kg, lo que indica que se necesitan 3 a 5 biodigestores para cubrir el consumo mensual completo de una familia. Por lo tanto, el biogás generado en este estudio puede ser una opción viable para cubrir las necesidades energéticas de las familias, reduciendo su dependencia del GLP y contribuyendo a una mayor sostenibilidad y ahorro económico.
Mientras que el GLP implica un gasto constante de 115 dólares aproximadamente y sujeto a fluctuaciones de precios, el biogás, tras una inversión inicial de aproximadamente 75 dólares para la instalación del sistema (3 biodigestores), se produce prácticamente de manera gratuita a partir de desechos orgánicos disponibles en el hogar. Este ahorro resulta significativo en economías vulnerables, ya que la inversión se recupera aproximadamente al año, haciéndola rentable. Además de ser más económico a largo plazo, gracias a sus bajos costos operativos, el biogás ofrece importantes ventajas ambientales (Kumar et al., 2022). Su producción reduce la dependencia de combustibles fósiles, minimiza las emisiones de gases de efecto invernadero y fomenta la economía circular mediante una gestión eficiente de los residuos orgánicos (Mu et al., 2022). El biogás, como fuente de energía local y renovable, también fortalece la seguridad energética de las comunidades.
Un sistema de biogás bien mantenido puede durar muchos años, asegurando un suministro constante de energía (Ramirez-Arpide et al., 2023). Por ello, implementar programas de subsidios o financiamiento para la instalación de sistemas de biogás sería una estrategia efectiva para aumentar la accesibilidad a esta tecnología y fomentar un entorno más sostenible (Gai et al., 2022).
Por otro lado, el residuo sólido resultante de la digestión anaeróbica, conocido como compost, representa un recurso valioso para mejorar la productividad y calidad de los suelos debido a su alto contenido en materia orgánica y nutrientes (Pascual, 2020). Este compost es particularmente beneficioso para las comunidades rurales que dependen de la agricultura como principal fuente de alimentación y comercio. Torres et al. (2022) coinciden en que la utilización de residuos orgánicos es crucial para la sostenibilidad y la protección ambiental, ya que estos residuos actúan como fertilizantes naturales, mejorando la calidad del suelo sin la necesidad de productos químicos.
- Conclusiones
El estudio evidencia la alta eficiencia en el empleo de sustratos, como la cáscara de arroz y los residuos orgánicos domésticos para la producción de biogás, por su disponibilidad, características físicas y químicas. Estos residuos, al ser optimizados adecuadamente, pueden desempeñar un papel crucial en la provisión de energía sostenible, particularmente en áreas rurales. Por lo tanto, la implementación de mejoras en los procesos de conversión y gestión del biogás como una fuente de energía renovable, fomentaría la soste-nibilidad energética y reduciría la dependencia de fuentes no renovables en comunidades con servicios eléctricos limitados. Además, una gestión eficiente del biogás contribuiría a mitigar la contaminación ambiental derivada de la disposición inadecuada de residuos orgánicos.
Las proporciones 2,4 de cáscara de arroz y 1,5 de la combinación de sustratos generaron las mayores tasas de biogás, con producciones mensuales de 1,91 m³ y 1,75 m³ respectivamente. Anualmente, esto equivale a 22,92 m³ y 21 m³ de biogás, lo que representa una alternativa sostenible para comunidades peruanas de bajos recursos. Con 1,91 m³ de biogás al mes, equivalentes a 0,21 balones de GLP de 5 kg, se requerirían entre 3 y 5 biodigestores para cubrir el consumo de una familia, reduciendo la dependencia del GLP y generando un ahorro económico de 115 dólares al año de la instalación del sistema.
Se recomienda estandarizar los procedimientos para su aplicación a gran escala. Asimismo, es crucial implementar inóculos que optimicen la degradación de la materia orgánica para mejorar y aumentar la producción de biogás. Esto contribuirá significati-vamente al desarrollo de una alternativa energética más sostenible.
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