El cultivo de frijol ocupa un lugar importante en la derrama económica agrícola de la entidad zacatecana, ya que según el Inegi, en 2007 se registró una superficie sembrada de 697 mil 563 hectáreas. Por cada hectárea de cultivo de esta leguminosa se genera aproximadamente una tonelada de paja, cuyo contenido corresponde solo a seis por ciento de proteína, lo cual es considerablemente bajo con relación en el valor nutrimental. Por ello la paja no es provista como alimento para ganado, razón por la cual por lo general se desecha dejándola descomponer al aire libre.
El objetivo final de esta investigación es que con los resultados a escala laboratorio se puedan elaborar digestores para otorgar una solución sustentable a José de Jesús Montoya.los agricultores de frijol, para que puedan generar su propia fuente de energía con biogás a partir del esquilmo obtenido de su cultivo. Es decir, en un futuro lograr que dicha paja sea utilizada como sustituto del gas butano (C4H10) o del gas natural (CH4) por medio de digestores en comunidades productoras de frijol para poder satisfacerse en usos habituales como lo es el empleo de máquinas de cultivo, así como en la preparación de sus propios alimentos y uso personal, proporcionando además como consecuencia un ahorro económico.
El proyecto es iniciativa de la doctora Denys Kristalia Villa Gómez, miembro nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI). Fue ella quien lo inscribió al Sistema de Investigación y Posgrado (SIP) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) hace más de dos años. Posteriormente, más investigadores fueron incorporándose al estudio, como José de Jesús Montoya Rosales, Patricia Becerra Castañeda y Olivia Zapata Martínez, estudiantes de Ingeniería Ambiental, así como recientemente los maestros Luis Mario González y Miguel Mauricio Aguilera, todos de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería del Instituto Politécnico Nacional, Campus Zacatecas (UPIIZ IPN). En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, José de Jesús Montoya, detalló el curso del proyecto.
Antecedentes
José de Jesús Montoya manifestó que, de acuerdo con las averiguaciones del equipo, no han encontrado investigaciones previas sobre generación de biogás a partir de paja de frijol. La información que utilizaron como apoyo para comenzar fue la formación de biogás a partir de paja de arroz, de trigo y de avena, estudiada por científicos en China. “Estudiar el proceso en China solo funcionó como un sustento, ya que el resto del estudio parte de nuestras propias búsquedas, revisiones bibliográficas acerca de la paja de frijol y sus propiedades energéticas, así como la generación de bioetanol con dicho esquilmo, que es el único estudio que encontramos articulando paja de frijol con energías alternas, aunado a esto, los estudios previos de la doctora Villa sobre la producción de biogás a partir de otras sustancias ya reconocidas”, aclaró.
Pretratamiento biológico
Para el pretratamiento biológico se hace uso de la enzima Pleurotus ostreatus, que es un hongo macroscópico que se da de forma natural en las cortezas de los árboles perennes de corteza gruesa. El que utilizan para este proyecto fue donado por el Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Sede Durango (CIIDIR IPN). Las pajas están formadas por los compuestos lignocelulósicos de lignina, celulosa y hemicelulosa (glucosa). Durante el pretratamiento el hongo crece, se alimenta de la paja de frijol, rompe la lignina, la celulosa, la hemicelulosa y libera la glucosa necesaria para producir biogás. Este proceso dura 28 días. Después se lleva a cabo el hidrolizado, que consiste en agregar agua.
Proceso por digestión anaerobia
El proceso manejado para toda producción de biogás es de digestión anaerobia. Se llama así porque lo que se utiliza son los azúcares que se encuentran en el sustrato. Quien está estudiando este proceso es Olivia Zapata, quien en un principio utilizó frascos serológicos para asegurar el correcto funcionamiento del proceso con ausencia de oxígeno.
Primero se realizaron las pruebas en lote. Ese tipo de pruebas consiste en introducir en un frasco la paja que debe estar partida en fragmentos de 250 micrómetros a un milímetro de tamaño, junto con el agua e inóculo ya sea de conejo o de vaca.
Patricia Becerra comentó en entrevista con la Agencia Informativa Conacyt que ella realiza pruebas y verificaciones con respecto al uso de inóculo de vaca, mientras que su compañera Olivia Zapata indaga experimentaciones con inóculo de conejo. “Inclusive con una experimentación pude encontrar que también se puede producir biogás con el uso de la paja y el hongo sin el inóculo, esto ha sido bastante interesante. Ahora pretendemos seguir comprobando los resultados, con el propósito de encontrar la justa medida de los reactivos y con base en ello incrementar su rendimiento en la aportación final”, manifestó.
Después de hacer la mezcla, el frasco es colocado en una incubadora en donde se agita la mezcla a 100 o 120 revoluciones por minuto a una temperatura que va de 30 a 40 grados centígrados. Entonces los microorganismos metanogénicos producen biogás de forma natural.
La desventaja de los procedimientos en lote es que el pH tiene que mantenerse neutro para que el proceso funcione. Cuando el pH disminuye, se acumulan ácidos grasos volátiles, se desactivan los microorganismos y se suspende la digestión anaerobia. Entonces, para evitar esto, se debe ajustar el pH constantemente.
Después de las pruebas en lote, se aumentó la prueba a una escala cuatro veces mayor, esto con un reactor de tipo RAFA (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente), que también fue construido por los investigadores. El reactor de tipo RAFA es de los más prácticos, ya que ahí se maneja un proceso continuo: conforme se introduce la paja de frijol, el reactor va extrayendo el azúcar y produciendo biogás.
En la parte superior del reactor se mide la cantidad de biogás mediante dos maneras: la primera es con ayuda de una reacción con hidróxido de sodio (NaOH), en donde se logra visualizar el biogás; la segunda es a través de desplazamiento, en la cual se pone una probeta con agua, se abre y burbujea hasta apartarse. El inconveniente de esta táctica es que no se saben con exactitud las concentraciones, pero ese punto actualmente se encuentra en proceso de estudio.
El biogás que da como resultado es una combinación de gas metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H) y ácido sulfhídrico (H2S). En escala grande se separan estos gases para purificar el metano, el cual se ha comprobado que corresponde a 60 por ciento de la mezcla de los gases obtenidos. Por cada litro de hidrolizado de paja de frijol se obtienen 750 mililitros de biogás.
“Estamos enfocados en lograr la investigación para que nuestras ideas no se queden solamente en eso, sino que nuestro proyecto logre trascender y con este trabajo podamos brindar una importante contribución a la sociedad”, concluyó José de Jesús Montoya.