Producción de biogás: Es posible operar con 100% de lodo salmonicultor marino
Tras la adaptación gradual de la microbiota del lodo, puede incluso duplicar el rendimiento energético, a pesar de las salinidades cercanas a las del agua de mar.
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Un estudio noruego demostró que los digestores anaerobios pueden funcionar utilizando exclusivamente lodo proveniente de salmonicultura marina, incluso bajo condiciones de salinidad comparables al agua de mar, condiciones que históricamente habían limitado la utilización de lodos marinos para producir biogás. Además los microorganismos lograron adaptarse gradualmente a las condiciones de alta salinidad, permitiendo mantener un proceso estable y, con ello, prácticamente duplicar la producción de biogás.
El estudio evaluó y comparó el rendimiento de dos reactores de biogás alimentados con una mezcla de proporciones crecientes de lodos de acuicultura marina (MAS) sobre estiércol de vaca (CM), incrementando progresivamente la producción de biogás hasta prácticamente duplicarla.
Lodo marino
Los lodos de acuicultura marina (MAS) son un subproducto significativo de la industria salmonicultora tanto de Noruega como de Chile, siendo ricos en energía dado su contenido en grasas y proteínas, pero que, al mismo tiempo, presenta desafíos operativos clave para su uso en digestión anaeróbica (AD), tales como: alto contenido de materia orgánica y de nutrientes, que puede provocar inestabilidad debido a la acumulación de amonio y ácidos grasos volátiles (AGV); altas concentraciones de sal (NaCl) de mar, que puede inhibir la actividad microbiana y reducir la conversión de metano; y alto contenido de sulfato, el que puede promover la competencia entre bacterias reductoras de sulfato (SRB) y metanógenos, lo que potencialmente reduce los rendimientos de CH4.
Para abordar estos desafíos y mejorar la estabilidad del proceso, se propone la codigestión de MAS con estiércol de vaca (CM), que es un sustrato ampliamente disponible conocido por su capacidad de amortiguación y equilibrio de nutrientes.
Materiales y métodos
Los MAS fueron recolectados de un centro de cultivo de salmón del Atlántico en Noruega y se deshidrataron a 12-14% de sólidos totales (TS), y el inóculo principal (carga inicial de bacterias metanogénicas necesarias para descomponer la materia orgánica sin oxígeno) fue obtenido de un reactor CSTR de laboratorio, siendo analizada semanalmente la composición química de IN, sustratos y digestatos.
Se utilizaron dos reactores CSTR Belach® Dolly twins con un tiempo de retención hidráulico (HRT) de 28 días (cuánto tiempo permaneció la mezcla dentro del reactor para su digestión). La alimentación consistió en una mezcla de CM y MAS, donde la proporción de MAS se incrementó gradualmente del 20% al 100% del volumen durante un período de 340 días, y la única diferencia fue que uno de ellos (R1) recibía un 10% de digestato recirculado, mientras que el otro no (R2), para evaluar si esa práctica mejoraba la estabilidad del proceso.
El volumen de biogás y su contenido de CH4 y CO2 se midieron continuamente y se analizaron mediante cromatografía de gases (GC). Además, se tomaron muestras del IN original, CM, MAS, y de ambos reactores (R1 y R2) con 20%, 60% y 100% de carga de MAS para el análisis de indicadores clásicos de digestión anaerobia (pH, amonio, ácidos grasos volátiles, relación FOS/TAC y reducción de materia orgánica). De manera paralela, se realizó la secuenciación del gen 16S rRNA para identificar qué bacterias y arqueas estaban presentes para comprender su adaptación y respuesta a los cambios en el sustrato y la salinidad.
Resultados
Más lodo, mayor producción de biogás
Contrario a lo que podría esperarse debido a la elevada salinidad del lodo marino, la producción de biogás aumentó de forma sostenida a medida que se incrementó la proporción de MAS en la alimentación de ambos reactores. El rendimiento pasó de aproximadamente 210-220 mL de biogás/g tCOD/d con un 20% de MAS hasta alrededor de 375 mL/g tCOD/d cuando el sustrato estuvo compuesto íntegramente por lodo salmonero, prácticamente duplicando la producción inicial.
En paralelo, la concentración de metano en el biogás también aumentó gradualmente, desde cerca de 63% hasta 66%, mientras que la reducción de materia orgánica (tCOD) mejoró desde aproximadamente 37% hasta más de 63%. Según los autores, este incremento se explica principalmente por el mayor contenido de grasas y proteínas presentes en el lodo salmonero respecto del estiércol bovino, lo que proporciona un sustrato más fácilmente degradable para los microorganismos metanogénicos.
La sal ya no es un problema
Una de las tesis a evaluar era si el aumento progresivo de la salinidad — a medida que aumentó la proporción de MAS — terminaría afectando el funcionamiento del proceso. De hecho, la concentración de NaCl en el sustrato alcanzó valores próximos a 30 g/L, equivalentes a condiciones similares a las del agua de mar.
Pese a cierta inestabilidad percibida en los reactores al aumentar la proporción de MAS, ambos reactores lograron recuperar rápidamente su estabilidad, lo que fue atribuido a una adaptación gradual de la comunidad microbiana frente al aumento de sal y sulfatos, permitiendo mantener una producción estable de metano incluso bajo condiciones donde tradicionalmente se esperaba inhibición del proceso.
El pH se mantuvo estable por encima de 7, lo que indica una buena capacidad de amortiguación del sistema, y las concentraciones de NH4+ se mantuvieron por debajo de los umbrales inhibitorios.
Mejor degradación de AGV
El MAS presentó concentraciones cercanas a 25 g/L de AGV, siendo el acetato, propionato, butirato e isovalerato los componentes dominantes, en cantidades considerablemente superiores a las de muchos sustratos utilizados para producir biogás, lo que hacía prever un mayor desafío para mantener la estabilidad del proceso. Sin embargo, los digestores lograron removerlos de manera muy eficiente.
Durante las primeras etapas del incremento de MAS se observó una acumulación temporal de algunos AGV, reflejando un periodo de adaptación de la microbiota. Sin embargo, hacia las fases finales del experimento la eficiencia de remoción superó el 98%, indicando que se logró el equilibrio metabólico y se sostuvo una digestión anaerobia estable.
La microbiota adaptada y digestato
El análisis mediante secuenciación genética mostró que el aumento del MAS no provocó la colonización del reactor por microorganismos provenientes del propio lodo, sino que fueron las comunidades microbianas ya presentes las que se adaptaron progresivamente al nuevo ambiente: predominaron microorganismos capaces de tolerar condiciones de alta salinidad y sulfatos.
Entre las arqueas metanogénicas destacaron especialmente Methanothrix y Methanosarcina, consideradas responsables de mantener la producción de metano bajo estas condiciones. Para los investigadores, estos resultados demuestran que una comunidad microbiana menos diversa, pero altamente especializada, puede sostener una digestión anaerobia eficiente incluso utilizando exclusivamente lodo salmonero marino.
A diferencia de lo esperado, la incorporación de un 10% de digestato recirculado no produjo mejoras relevantes, ni en la estabilidad del proceso ni en la producción de biogás durante la realización del experimento.
De esta manera, es posible mantener una digestión anaerobia eficiente incluso utilizando exclusivamente lodos marinos de salmonicultura con salinidad similar al agua de mar. Estos hallazgos resaltan la plasticidad y resiliencia de las comunidades microbianas de DA para modular su tolerancia a condiciones potencialmente inhibidoras, como la salinidad o la presencia de sulfatos. Ese conocimiento puede facilitar el diseño de futuros biodigestores específicos para la industria acuícola.
Los resultados respaldan el potencial de la monodigestión del lodo salmonero marino, ofreciendo al sector acuícola la posibilidad de implementar producción de biogás in situ, disminuir la dependencia del transporte de cosustratos y avanzar hacia una valorización energética de un residuo que hoy representa un desafío para su gestión. En conjunto, esta estrategia podría reducir costos asociados a su disposición y fortalecer iniciativas de economía circular dentro de la salmonicultura.
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