I Residuos de uva como productores de biogás en explotaciones porcinas

Residuos de uva como productores de biogás en explotaciones porcinas

Un equipo del CICYTEX, Centro de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de Extremadura, ha desarrollado un prototipo para generar biogás a partir del purín del cerdo.

Los residuos de uva, bien conocidos como raspón de uva u orujo de uva se generan en cantidades importantes en gran parte de la Unión Europea, adquiriendo España un papel destacado dentro de ella. De una superficie de viñedos de 3.678 millones de hectáreas en la Unión Europea, 975.270 hectáreas corresponden a España según datos recogidos por la Organización Internacional de la Viña y el Vino en 2016 [1].

En lo referente a comunidades autónomas Castilla-La Mancha es la que mayor superficie presenta, 473.268 hectáreas, y en segundo lugar se encuentra Extremadura, con 80.391 hectáreas, información facilitada por el Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación [2]. De aquí que los residuos que se van a obtener tras la cosecha de la uva deban gestionarse de manera eficiente. Una de las tecnologías más eficientes para aprovechar energéticamente este residuo es la digestión anaerobia. Para entender mejor esta tecnología, se define la digestión anaerobia como ‘aquel proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno, por parte de microorganismos específicos, obteniendo como resultado un biogás rico en metano, y un digestato o biofertilizante’.

En la actualidad, este proceso se lleva a cabo con mezclas de residuos que poseen unas características determinadas para incrementar las producciones en biogás o metano. Es muy común emplear el purín o estiércol de diversos animales procedentes de explotaciones que trabajan en régimen intensivo, como uno de los residuos en los procesos de digestión anaerobia.

Entre los objetivos que establece el Plan de Energía y Clima, a nivel Nacional y Regional, para reducir las emisiones de efecto invernadero de 2021 a 2030, se señala el sector de la agricultura y la ganadería [3], entre otros, por ser aquellos que generan más gases de este tipo. Puesto que la digestión anaerobia funciona muy bien con muchos residuos procedentes de los sectores mencionados, ¿por qué no considerarla como una de las alternativas adecuadas para conseguir las reducciones impuestas por diferentes países para 2030? El proyecto Europeo denominado Investigación, Desarrollo y Energías Renovables para la mejora del tejido empresarial en Centro, Extremadura y Alentejo

(“IDERCEXA”), englobado dentro de la convocatoria POCTEP ha perseguido fomentar el impulso de la I+D+i en sectores empresariales de la zona EUROACE, y establecer acciones de demostración mediante diseño, fabricación y montaje de prototipos dentro del ámbito de las energías renovables. Entre las tecnologías implementadas en El purín empleado se toma directamente este proyecto se ha desarrollado un prototipo con el fin de realizar la digestión anaerobia en una explotación porcina exde las típicas balsas tremeña empleando sus residuos junto al abiertas que existen en las explotaciones porcinas en régimen intensivo residuo de uva. La investigación llevada a cabo para lograr este objetivo ha estado compuesta por una serie de acciones tales como la analítica de los residuos a estudiar, los ensayos en laboratorio y planta piloto iniciales, para finalmente diseñar, fabricar y poner en marcha el prototipo en la explotación porcina.

1. Estudio de residuos de uva y purines El residuo de la uva evaluado se aprovecha para destilación, y se ha estimado que solo el 3% de la producción nacional se destina a alimentación animal debido principalmente a su bajo valor nutritivo. Esto se debe a que el residuo presenta una fibra muy lignificada y un elevado contenido en compuestos secundarios como los taninos. El residuo de uva está compuesto por diferentes fracciones: escobajos, semillas, piel y pulpa. De la parte sin alcohol del residuo se pueden separar las semillas para obtener aceite, la biomasa restante se puede emplear como biocombustible sólido en calderas. Sin embargo, el aprovecha-

miento del residuo de uva no es completo, se destina una ínfima parte a producción animal, y a todas las fracciones del residuo destilado no se les encuentra una aplicación directa clara. Por todo ello, se ha llevado a cabo en este estudio una caracterización del residuo enfocada a la digestión anaerobia. Puede suponer un importante ahorro en cualquier industria del Puesto que se trata de un residuo estacional, para su adecuado almacenamiento se ha ensilado el mismo en pacas, ello sector agro-industrial evita su degradación. El residuo ha sido o explotación porcina triturado antes de su ensilado para facilitar la posterior digestión anaerobia. El purín empleado en este trabajo ha sido el purín procedente de cerdo, tomado directamente de las típicas balsas abiertas que existen en las explotaciones porcinas en régimen intensivo.

Se han evaluado dos tratamientos diferentes al residuo de uva para un proceso de digestión anaerobia: residuo de uva con semillas sin molturar y con semillas molturadas. El objetivo principal de este estudio ha sido analizar si el contenido en aceite de las semillas o granos del residuo han ayudado a aumentar la producción en biogás.

La caracterización realizada del residuo de uva indica que su carga orgánica es elevada (Demanda Química de Oxígeno mayor a 400 g/L), posee una relación entre los elementos C y N adecuada para este tipo de procesos (en torno a 26), y un contenido en Sólidos Volátiles (SV) alto (alrededor del 35 %). No obstante, el residuo de uva posee un carácter ácido, algo que no favorece el desarrollo del proceso de digestión anaerobia ya que debe tener lugar en medio neutro. Afortunadamente, el purín de cerdo es capaz de resolver ese problema, puesto que además de poseer valores de acidez cercanos a la neutralidad, dispone de alcalinidad, parámetro que regula la acidez del medio actuando a modo de tampón.

2. Ensayos en laboratorio y planta piloto En este trabajo de investigación se han evaluado ensayos a pequeña escala en digestores de laboratorio de una capacidad de 5 L de volumen total, y ensayos en planta piloto en un digestor de 2 m3 de volumen total. La digestión anaerobia se puede llevar a cabo en tres regímenes de temperatura: psicrofílico (alrededor de 25 ºC), mesofílico (en torno a 35 ºC) y termofílico (alrededor de 55 ºC). En los ensayos realizados se ha empleado el régimen mesofílico, más estable para los microorganismos específicos, y además no requiere grandes aportes de calor.

Con respecto a los ensayos realizados, en primer lugar se han desarrollado aquellos en régimen discontinuo o batch (de una sola carga), de forma que se pueda determinar el potencial de producción de biogás o metano del residuo de uva. Este tipo de ensayos se ha llevado a cabo bajo dos tratamientos distintos del resi-

 RESULTADOS DE RENDIMIENTO DE METANO EN ENSAYOS DE LABORATORIO Y PLANTA

PILOTO [4].

Régimen ensayo Identificación ensayo Rendimiento metano, LN kg SV ad -1 Rendimiento metano, LN kg -1

Discontinuo o batch T1A T1B T2A T2B 295 285 390 380

Semi-continuo T1AS T1BS T2AS T2BS PPS 81 91 173 173 173 13.4 12.9 19.0 18.5

1.6 1.8 3.1 3.1 8.3

T1A y T1B: referidos a ensayos en régimen discontinuo con residuo de uva sin molturar su semilla. T2A y T2B: referido a ensayos en régimen discontinuo con residuo de uva molturando su semilla. T1AS y T1BS: referido a ensayos en régimen semi-continuo con residuo de uva sin molturar su semilla. T2AS y T2BS: referido a ensayos en régimen semi-continuo con residuo de uva molturando su semilla. PPS: referido a ensayo en régimen semi-continuo en planta piloto con residuo de uva molturando su semilla. A y B representan dos réplicas del mismo ensayo.

duo, uno de ellos molturando la semilla del mismo, y otro de ellos sin molturar.

En segundo lugar, se han evaluado ensayos en régimen semi-continuo (cargando una vez al día el digestor) para residuos de uva sometidos a los dos tratamientos anteriormente descritos. La mezcla alimentada diariamente estaba compuesta por residuo de uva, purín de cerdo, triticale y sorgo, estos dos últimos son cultivos energéticos que se adaptan y desarrollan estupendamente en la zona de regadío del sur de Extremadura.

En tercer lugar, un ensayo en régimen semi-continuo ha sido realizado en planta piloto empleando como alimento una mezcla de residuos de uva y purín de cerdo. En este caso se replican los ensayos realizados en laboratorio eliminando del alimento los cultivos energéticos.

A continuación, en la siguiente Tabla se muestran los resultados obtenidos en todos los ensayos realizados en este trabajo de investigación. Si se cotejan los resultados obtenidos en rendimiento de metano mostrados en la Tabla se puede observar como la molturación de la semilla ofrece incrementos cercanos al 50 % en régimen semi-continuo.

En el ensayo realizado en planta piloto se evaluó una mayor cantidad de Sólidos Volátiles en el alimento, de ahí que al expresar el rendimiento por cantidad de alimento en kg se obtengan rendimientos más elevados que los ensayos realizados en laboratorio. Esta mejora puede suponer un importante ahorro en una instalación de biogás situada en cualquier industria del sector agro-industrial o explotación porcina.

Como se ha comentado anteriormente, el digestato es otro de los productos que se obtienen tras el proceso de digestión anaerobia, y se puede valorizar como biofertilizante. El digestato procedente del ensayo desarrollado en planta piloto ha sido sometido a una analítica de aquellos elementos más importantes para aportar al suelo o a la planta. La analítica realizada ha arrojado unos datos de 0,31 % de N, 0,39 % de P2O5, y 0,50 % de

Se podría llegar a amortizar la planta de biogás en 9 años

K2O. Se trata de un contenido en elementos asumible para una planta, pudiéndose suplementar con parte de fertilizante comercial, si fuese necesario.

3. Desarrollo y resultados del prototipo Bajo el proyecto IDERCEXA se ha diseñado, fabricado y puesto en marcha un prototipo gracias a una empresa de ingeniería específica en energía renovable. El objetivo ha sido poder trasladar toda la investigación desarrollada en laboratorio y planta piloto con residuos de uva a un prototipo instalado en una explotación porcina en las mejores condiciones.

Una vez el prototipo ha sido diseñado con las especificaciones establecidas (alimentación conjunta de residuos sólidos y líquidos, disminución del tamaño de partícula hasta 1 mm rompiendo de esta forma la semilla del residuo de uva, sistema de vasos comunicantes para facilitar el sistema diario de vaciado de parte del digerido), se ha procedido a fabricar, instalar en la explotación porcina y ponerlo a punto para su funcionamiento.

En este prototipo se ha realizado un estudio comparativo entre la alimentación simple con el purín de cerdo generado en la propia explotación, y la alimentación del purín de cerdo mezclada con residuos de uva. Aquellos resultados obtenidos, presentados recientemente en la primera Conferencia Internacional Water Energy Food and Sustainability [5], han mostrado unos rendimientos de metano de 138 LN kg SV ad-1 usando purín de cerdo solamente frente a 207 LN kg SV ad-1 empleando la mezcla de purín de cerdo y residuo de uva.

Finalmente y para completar el estudio de prototipos demostradores en empresas, se ha realizado un estudio de viabilidad. Se ha partido de los resultados obtenidos en el prototipo con mezclas de residuo de uva y purín de cerdo, extrapolándolos a las producciones generadas de purín por una granja de cerdos de 2.500 madres. Los resultados obtenidos en este caso, han concluido que para un volumen

REFERENCIAS

[1] https://www.oiv.int/es/statistiques/ [2]http://www.mapama.gob.es/es/agricultura/temas/producciones-agricolas/vitivinicultura/ [3] Junta de Extremadura, Consejería para la Transición Ecológica y Sostenibilidad. Plan Extremeño Integrado de Energía y Clima (PEIEC). (2020). [4] Parralejo A. I., Royano L., Acevedo M., Cabanillas J. and González J. Study of the influence of pre-treatment in the grape waste biogas generation. Modern Environmental Science and Engineering, 5 pp.: 210-218. (2019). [5] Parralejo A.I., Royano L., Serrano M., Cabanillas J., and González J. Study of a mid-scale prototype biogas in a pig farm using grape-waste in anaerobic co-digestion. Water Energy Food and Sustainability (ICoWEFS 2021), pp. 280–290. (2021).

AUTORES

Ana Isabel Parralejo Alcobendas: Investigadora en Finca La Orden (CICYTEX). Doctora en ingeniería química. (ana.parralejoa@juntaex.es) Luis Royano Barroso: Investigador en Finca La Orden (CICYTEX). Ingeniero agrónomo. Juan Cabanillas Patilla: Técnico en Finca La Orden (CICYTEX). Ingeniero técnico agrónomo. Jerónimo González Cortés: Director científico de Finca La Orden (CICYTEX). Doctor en ingeniería agrónoma.

de digestor de 726 m3, se debe alimentar diariamente una cantidad de 330 kg de residuo de uva y 40 m3 de purín. Si se considera que se va a aprovechar el biogás generado tanto para producir calor como electricidad (con sus respectivos rendimientos), y se va a vender el digestato obtenido, se podría llegar a amortizar la planta de biogás en 9 años.

El desarrollo de la I+D+i relacionada con las energías renovables implica una aplicación directa en el sector empresarial, que fomentado con o sin ayudas públicas es posible implantar para mejorar la economía y el medio ambiente de una región, una nación e incluso los países subdesarrollados del mundo