El bagazo de caña (BC), proveniente del Central Azucarero Industrial “Héctor Molina Riaño”, fue secado a 35^oC en la estufa, molido y tamizado hasta obtener un tamaño de partícula inferior a 2 mm. Se almacenó en bolsas de nylon selladas 4^oC hasta su uso. El inóculo empleado en los ensayos anaerobios provino de una planta de biogás a escala piloto que trata residuales porcinos, ubicada en el Instituto de Investigaciones Porcinas en San José de las Lajas, Mayabeque. Posteriormente, se almacenó durante tres días en condiciones anaerobias para el agotamiento de posibles sustratos en su composición.

El pretratamiento incluyó el estudio de dos álcalis NaOH y KOH, con dos niveles de concentración (0,5 y 1,0% p/v) y dos tiempos de contactos (1 y 3 h), respondiendo a un diseño experimental multifactorial categórico 2². Ambos estudios fueron realizados bajo las mismas condiciones experimentales. Se utilizó una relación sólido-líquido de 1:20 (1 g de bagazo: 20 mL de solución alcalina), correspondiendo a una carga de sólidos de 5%. La mejor variante de pretratamiento se seleccionó utilizando como criterio el % deslignificación. A partir del diseño experimental se evaluó el efecto de las diferentes condiciones de pretratamiento, en términos de % deslignificación y rendimiento de metano (Y_CH4). Se analizaron las diferencias significativas entre las variantes, a través del análisis de varianza (ANOVA) y la prueba de múltiples rangos (método de Tukey), empleando el paquete estadístico Statgraphics Centurion XVI.II.

El ensayo anaerobio se desarrolló según el método eudiómetro DIN 38414-8 (VDI-4630, 2006). Como sustratos se emplearon el bagazo de caña sin pretratar (BC-S/P), y la mejor variante de pretratamiento de bagazo de caña con NaOH y KOH. Los experimentos fueron desarrollados en reactores de vidrio de 500 mL de capacidad, en condiciones mesofílicas (38 ± 1ºC), durante 23 días de digestión. Las variantes se estudiaron por triplicado y en cada frasco se adicionó 300 mL de inóculo e igual masa de sustrato (5,23 g), con una relación sustrato/inóculo (pi) de 0,5 (VDI-4630, 2006). Se utilizó un reactor control (frasco con inóculo sin sustrato), con el objetivo de restar en la determinación del rendimiento de metano del sustrato, el metano formado a partir de la materia orgánica aportada por el inóculo. Los reactores se agitaron manualmente una vez al día y el volumen de gas se midió diariamente como el equivalente del volumen desplazado de solución de hidróxido de sodio (NaOH 15% p/v). Los valores se reportaron en condiciones de temperatura y presión estándar (0°C y 1 atm), según la ley de gas ideal (VDI-4630, 2006). El proceso fue evaluado en términos de Y_CH4, y los parámetros cinéticos: constante cinética aparente (k₀) y rendimiento de metano específico (Ym) obtenidos según el modelo de 1^er orden (Y=Ym (1-e^{-k0 . t})).

La composición de celulosa, hemicelulosa y lignina del bagazo se determinó según las normas: ANSI/ASTM D1103-60, ANSI/ASTM D1106-56 y ANSI/ASTM D1105-56, respectivamente. La caracterización físico-química del bagazo de caña y el inóculo comprendió además el análisis de los sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV), según los métodos estandarizados (APHA, 2012). El pH se determinó empleando un pHmetro CRISSON PH 25.

En la tabla 1 se presenta la caracterización de los materiales empleados en la investigación. Se aprecia un elevado contenido de SV en el bagazo, lo que lo convierte en un material con potencialidades para ser biodegradado por vía anaerobia. Estudios anteriores han referido valores similares de SV para el bagazo de caña, en un intervalo de 96-98% (Cao et al., 2017).

Tabla 1

Parámetros	Bagazo de caña	Inóculo
Físico-químicos
pH	-	7,3
ST (gST/g biomasa)	0,7073	0,6932
SV (gSV/g biomasa)	0,0532	0,0245
SV (%ST)	98,0	46,0
Fibras
Lignina (%)	26,7	-
Celulosa (%)	37,4	-
Hemicelulosa (%)	35,0	-

Se destaca el elevado contenido de lignina presente en el bagazo, aspecto característico de las biomasas agroindustriales. Los valores de lignina, celulosa y hemicelulosa, se encuentran en los intervalos: 15-35%; 25-47% y 20-35%, respectivamente, referidos en la literatura para este tipo de biomasa (Costa et al., 2014). La celulosa y hemicelulosa forman una red de polímeros con la lignina, que dificulta su degradación anaerobia, resultando en bajos valores de producción de metano. El pretratamiento alcalino puede eliminar parcialmente la fracción de lignina, y solubilizar la fracción de hemicelulosa, favoreciendo la hidrólisis de la celulosa y la conversión a metano (Talha et al., 2016). El inóculo muestra un contenido de SV adecuado para garantizar una concentración apropiada de biomasa microbiana en la arrancada del proceso anaerobio.

El contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa después del pretratamiento alcalino de bagazo de caña se muestra en la tabla 2. Los resultados preliminares indican que es posible solubilizar la lignina contenida en la estructura del bagazo entre 5-36%, correspondiendo los mayores valores de solubilización de lignina (36,5% y 16,5%), al pretratamiento con NaOH (0,5% - 3h) y KOH (0,5% - 3h), respectivamente. En estas variantes, las fracciones de celulosa y hemicelulosa incrementaron en un 18% y 3%, alcanzándose el mayor valor con el empleo de NaOH (0,5% - 3h). Estos resultados son consistentes con los reportados por Maryana et al., (2014) y Talha et al., (2016), quienes evaluaron el efecto del pretratamiento termo-alcalino en el bagazo de caña, bajo diferentes condiciones de concentración de NaOH (1-4%), temperatura (100-121°C) y tiempos de contacto (15, 30 y 45 min). La máxima reducción de lignina (92%) fue alcanzada con la combinación de NaOH 1%, 100°C y 45 min.

Tabla 2

Bagazo de caña (BC)		Condiciones pretratamiento	L (%)	Cel. (%)	Hem. (%)	Solubilización lignina (%)
BC S/P		-	26,7	37,4	35,0	-
BC P/T	NaOH	0,5% -1h	24,2	39,3	36,2	9,9
		0,5% -3h	17,0	44,2	38,4	36,5
		1,0% -1h	24,8	38,5	36,2	7,2
		1,0% -3h	23,1	38,1	38,2	13,6
	KOH	0,5% -1h	23,5	38,7	37,4	12,5
		0,5% -3h	22,3	38,5	38,3	16,5
		1,0% -1h	24,8	39,5	35,3	7,4
		1,0% -3h	25,3	38,4	35,6	5,4

El empleo del pretratamiento alcalino a elevadas temperaturas, permite alcanzar valores elevados de solubilización de lignina, sin embargo, esta técnica influye negativamente sobre la factibilidad económica del proceso a escala industrial. En el presente estudio, se alcanzan valores de solubilización de lignina con ambos álcalis (NaOH y KOH), inferiores a este intervalo (36,5 y 16,5%, respectivamente). Aunque, es de destacar que las condiciones de pretratamiento difieren: álcali 0,5%, 25°C y 3h, requiriéndose de una menor concentración de álcalis y un mayor tiempo para lograr el % de deslignificación obtenido, sin incurrir en un consumo adicional de energía. Los resultados previos indican que las mejores condiciones de pretratamiento con NaOH y KOH son: concentración de 0,5% y 3 h de tiempo de contacto.

Figura 1

La figura 2 muestra el comportamiento de la degradación anaerobia del bagazo de caña sin pretratar y pretratado con NaOH y KOH (0,5% - 3h), durante los 23 días de experimentación. La desviación estándar se representa como barras de error.

Figura 2

El mayor rendimiento de metano acumulado fue de 192 mL/gSV, durante la degradación de bagazo de caña pretratado con NaOH (0,5%-3h), con un incremento significativo del 94,7%, respecto al bagazo sin pretratar (98,6 mL/gSV). Este comportamiento indica que el pretratamiento con NaOH permite acelerar la velocidad de producción de metano, debido a una mayor solubilización de lignina y degradación de azúcares fermentables en el bagazo pretratado (Costa et al., 2014; Talha et al., 2016). El efecto de deslignificación del NaOH conlleva a la formación de agujeros en la superficie de la biomasa, lo que incrementa el área superficial interna de la fracción lignocelulósica, debilitando la integridad estructural de la lignina (Talha et al., 2016).

Por el contrario, el pretratamiento con KOH (0,5%-3h) mostró el menor valor de rendimiento (73,5 mLCH₄/gSV) (Tabla 2, Figura 2). Este resultado no es coherente con los trabajos previos reportados en la literatura, donde se refieren incrementos de este parámetro entre 16-128%, a partir de la degradación de paja de trigo pretratada con KOH (2-50%) (Liu et al., 2015; Romero-Güiza et al., 2017). Aunque se espera que, a partir del pretratamiento, la biomasa solubilizada se encuentre más disponible para la microbiota anaerobia, los resultados preliminares obtenidos en este estudio muestran que en algunos casos el pretratamiento puede ocasionar una disminución en la biodegradabilidad. Esto puede explicarse por la presencia de compuestos recalcitrantes o inhibitorios posterior al pretratamiento (Ferreira et al., 2013).

Estudios previos sobre pretratamiento alcalino de materiales lignocelulósicos como el bagazo de caña y la paja de trigo, han demostrado que es posible mejorar la biodegradabilidad de estas biomasas con el consecuente incremento en el rendimiento de metano (Bolado et al., 2016; Mancini et al., 2018). Estos autores reportan valores de Y_CH4 en el intervalo de 195-420 mL/gSV, con incrementos entre 20 - 157%, respecto a la biomasa no tratada, evaluados bajo condiciones específicas de pretratamiento alcalino (NaOH 1 - 4% p/v; 100 - 184°C y 45 min - 24 h). La variación del Y_CH4 puede ser justificado por (i) diferentes condiciones de pretratamientos y operacionales en el proceso anaerobio (Zhao et al., 2012), (ii) efectos sinérgicos por la implementación de la co-digestión (Mata-Alvarez et al., 2014) o (iii) adaptación microbiana del sustrato (Palatsi et al., 2010).

Los valores de Y_CH4 referidos en la literatura están en correspondencia con los obtenidos en el presente trabajo, aunque en algunos casos superan a los indicados en este estudio. Esto se debe a la aplicación del pretratamiento termoalcalino, donde se combina una elevada temperatura de reacción con la acción alcalina, logrando una mayor eficiencia de conversión en el proceso anaerobio. La elevada temperatura permite una mayor solubilización de la fracción de hemicelulosa con la reducción del grado de polimerización, así como la producción de ácido acético, el cual actúa como catalizador de la reacción (Hu et al., 2011). Al mismo tiempo, el álcali promueve la solubilización de la lignina, incrementa la porosidad del material y consecuentemente una mayor accesibilidad para las exoenzimas durante la hidrólisis (Zhang et al., 2004).

Los resultados obtenidos a partir del bagazo de caña pretratado con 0,5% NaOH y 3 h, confirman que el pretratamiento alcalino puede ser una alternativa viable para mejorar el rendimiento de metano de biomasas lignocelulósicas.

El pretratamiento alcalino puede selectivamente eliminar la fracción de lignina e incrementar la biodegradabilidad del bagazo de caña.