Estudio y seguimiento del proceso de digestión anaeróbica en régimen batch de Arundo donax L., incluyendo la evaluación
del cambio de escala
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SEMIÁRIDA, Vol 35, Supl. Julio - Diciembre 2025. ISSN 2408-4077 (online), pp. 51-63
Estudio y seguimiento del proceso de digestión anaeróbica en regimen
batch de Arundo donax L., incluyendo la evaluación del cambio de escala
Mussi, Jorgelina
1,2
, Manzur, Alejandra
1
, Grosso, Javier
4
, Lázaro, Laura
4
y Córdoba,
Verónica
1,2
1 Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, grupo de Investigación Tecnológica en Electricidad y
Mecatrónica. Olavarría, CIFICEN (UNCPBA-CONICET-CICPBA), Buenos Aires, Argentina
2 Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de
Buenos Aires. Olavarría, Buenos Aires, Argentina.
3 Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Facultad de Agronomía. Azul, Buenos Aires, Argentina
4 Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Facultad de Agronomía. Centro de Investigaciones Integradas sobre Sistemas
Agronómicos Sustentables, Facultad de Agronomía. Azul, Buenos Aires, Argentina.
@ jmussi@fio.unicen.edu.ar
Recibido: 14/05/2025
Aceptado: 28/07/2025
Resumen. El aprovechamiento de cultivos energéticos perennes como Arundo donax L., de alta productividad y
bajo requerimiento de insumos, ha despertado interés como alternativa sostenible para la generación de bioenergía.
En este marco, el tratamiento de biomasas a través de la digestión anaeróbica ha experimentado un incremento,
impulsado por la evaluación de los principales beneficios asociados a esta tecnología como una estrategia eficaz
de conversión de materia orgánica en energía, en forma de biogás. Este trabajo evaluó la digestión anaeróbica de
Arundo donax L. en un reactor batch de 7 L de capacidad termocontrolado en condiciones mesofílicas utilizando
lodo de planta depuradora como inóculo. El proceso se evaluó mediante la determinación de parámetros
fisicoquímicos del reactor y la producción de biometano. Simultáneamente, se llevó a cabo un ensayo estandarizado
para determinar el Potencial de Biometano (PBM) de la biomasa. Los resultados indicaron un PBM de 220,07 ± 2,7
mL CH g SV
-1
(SV: sólidos volátiles), mientras que la producción específica de biometano en el reactor fue de
131,60 mL CHg SV
-1
, evidenciando una reducción del 40 % atribuible al cambio de escala. Esta diferencia podría
estar relacionada con factores como la eficiencia de mezcla, la transferencia de masa o la degradabilidad real de
la biomasa en condiciones operativas. Los parámetros fisicoquímicos monitoreados mostraron la estabilidad del
proceso, lo que indica que el sistema funcionó bajo condiciones controladas y sin signos de inestabilidad.
Palabras clave: potencial de Biometano; reactor escala banco; caña de Castilla.
Abstract. Study and monitoring of the anaerobic digestion process in batch regime of Arundo
donax L., including scale-up evaluation. The utilization of perennial energy crops such as Arundo donax
L., with high productivity and low input requirements, has attracted interest as a sustainable alternative for bioenergy
generation. In this context, the treatment of biomass through anaerobic digestion has increased, driven by the
assessment of the main benefits associated with this technology as an effective strategy for converting organic
matter into energy in the form of biogas. This study evaluated the anaerobic digestion of Arundo donax L. in a
temperature-controlled batch reactor with a working volume of 7 L, operated under mesophilic conditions and using
sludge from a wastewater treatment plant as inoculum. The process was assessed by monitoring physicochemical
parameters in the reactor and quantifying biomethane production. In parallel, a standardized assay was performed
to determine the Biomethane Potential (BMP) of the biomass. The results showed a BMP of 220.07 ± 2.7 mL CH
g VS
-1
, while the specific biomethane production in the batch reactor reached 131.60 mL CH g VS
-1
, representing
a 40% reduction attributable to process scaling. This discrepancy may be associated with factors such as mixing
efficiency, mass transfer limitations, or the actual biodegradability of the biomass under operational conditions. The
monitored physicochemical parameters confirmed the stability of the process, indicating that the system operated
under controlled conditions without signs of inhibition.
Key words: biomethane Potential; lab-scale Reactor; giant Reed.
INTRODUCCIÓN
La energía es un pilar fundamental para el desarrollo económico de cualquier país, siendo
esencial para la industrialización, el transporte y
las prácticas agrícolas. Sin embargo, el
crecimiento acelerado del consumo energético,
impulsado en gran medida por fuentes fósiles, ha
provocado un marcado deterioro ambiental a
nivel mundial (Ramírez Ramírez et al., 2025).
Esta situación contribuye no solo a un
Cómo citar este trabajo:
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba,
V. (2025). Estudio y seguimiento del proceso de digestión
anaeróbica en régimen batch de Arundo donax L.,
incluyendo la evaluación del cambio de escala. Semiárida,
35(Supl.), 51-63.
SEMIÁRIDA Vol 35(Supl.)2025 ISSN 2408-4077 (online)
Facultad de Agronomía-UNLPam. La Pampa (Argentina) 40 años de publicación continua
DOI: http://doi.org/10.19137/semiarida.2025(Supl.).51-63 IV Jornadas Internacionales y VI Nacionales de Ambiente
Universidad Nacional de Río Negro- Argentina
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba, V.
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incremento en la liberación de CO
2
(Belmonte et al., 2023), sino que también intensifica diversas
problemáticas ambientales, como el cambio climático y la degradación del medio ambiente,
derivada de sistemas productivos no sostenibles (Enrique y Monroy, 2024).
Ante este panorama, las energías renovables emergen como una alternativa más sostenible y
limpia. En particular, los biocombustibles ofrecen una vía eficaz para mitigar los efectos adversos
del modelo energético actual, favoreciendo la transición hacia modelos de desarrollo más
sostenibles. La bioenergía adquiere un rol clave en la mitigación del calentamiento global y la
diversificación de la matriz energética (Craggs y Gilbert, 2017). La digestión anaeróbica (DA) se
ha consolidado como una tecnologia clave, capaz de transformar residuos organicos y biomasas
especificas en biogas.
Este gas, rico en metano, puede ser usado para generar energía térmica y/o eléctrica. La DA
contribuye al desarrollo sostenible al permitir la valorización de residuos mediante la obtención
simultanea de un biocombustible (biogás) y un biofertilizante (Velásquez-Piñas et al., 2023). Esto
reduce la dependencia de los combustibles fósiles, disminuye las emisiones de gases de efecto
invernadero y mejora la seguridad energética (Labatut et al., 2018).
En Argentina, la producción de electricidad a partir de bioenergía ha estado vinculada a
sistemas agropecuarios intensivos que gestionan parte de sus desechos mediante DA (feedlot,
tambos, criaderos de cerdos o pollos). Estas plantas suelen incorporar sustratos adicionales tales
como silajes de maíz o sorgo, para asegurar una producción continua de metano que permita
cumplir con la potencia electrica contratada (Jankowski et al., 2020). Dicha biomasa presenta una
elevada productividad por hectárea, facilidad de ensilado, y elevado potencial de producción de
biogás. Sin embargo, su utilizacion implica diversos desafíos, entre los que se encuentran los altos
costos asociados, el deterioro de la calidad del suelo por el uso de monocultivos, modificando su
estructura física y la competencia por el uso de la tierra destinada a la produccion de alimentos para
uso humano y/o animal (Uhaldegaray et al., 2024).
En los ultimos años se ha intensificado la búsqueda de nuevas fuentes de biomasa capaces de
reemplazar a las actualmente utilizadas. Los cultivos lignocelulósicos presentan un gran potencial
para la producción de bioenergía, por su elevada disponibilidad, su baja competitividad con los
alimentos y su diversidad (Mussatto & Dragone, 2016; Saini et al., 2015).
En este escenario, Arundo donax L. (A. donax) también como conocido como “caña de
Castilla”, surge como una alternativa atractiva frente a los cultivos convencionales. Su alta
productividad, rusticidad y adaptabilidad a diferentes condiciones edafoclimáticas, junto con su
bajo requerimiento de insumos, la posicionan como una opción sostenible para diversificar el
abastecimiento de biomasa destinada a la producción de biogás (Schievano et al., 2012; Testa et al.,
2016). Los estudios agronómicos iniciales desarrollados en el sudeste de la región Pampeana
(Argentina) demostraron un desempeño favorable en la producción de biomasa, alcanzando
rendimientos de 17,39 t de materia seca por hectárea en el segundo año de corte, sin irrigación o
fertilización (Rodriguez et.al., 2024) A nivel energético, además se ha demostrado que presenta un
balance positivo (Pereyra Müller et al., 2022; Santalla et al., 2024). Si bien estudios previos de DA
a escala laboratorio han aportado información valiosa sobre su composición y potencial
metanogénico (Córdoba et al., 2023; Špelić et al., 2024), existe aún escasa evidencia sobre su
desempeño en condiciones más cercanas a la operación real. En este contexto, el objetivo general
de este trabajo es analizar la evolución del proceso de DA de A. donax a escala banco en condiciones
mesofílicas, monitoreando su evolución y su productividad de de metano en un reactor de 7 l de
capacidad. Para ello se evaluará sus parametros fisicoquimicos a lo largo del tiempo y se
determinará el potencial de biometano en un ensayo estandarizado, a fin de comparar ambos
procesos y determinar posibles limitaciones relacionadas con el cambio de escala.
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METODOLOGÍA
Biomasa e inóculo
Se estudió el aprovechamiento de A. donax (Figura 1), una gramínea perenne cultivada en
ensayos agronómicos realizados en la Chacra Experimental de la Facultad de Agronomía de Azul
(UNICEN), ubicada en la provincia de Buenos Aires (36°49´41,4´´ S; 59°53´11,6´´ O; 147 msnm).
El cultivo fue implantado en octubre de 2019, en cuatro bloques experimentales, según se describe
en Rodríguez et al. (2024). Las muestras utilizadas corresponden al primer corte del tercer ciclo
anual del cultivo, realizado el 15 de diciembre de 2021, 80 días después de la brotación y una vez
alcanzada la madurez fisiológica del mismo. El corte de las cañas fue realizado al ras del suelo y se
acondicionaron mediante el picado y ensilado. El ensilado se realizó utilizando material fresco de
A. donax, empacado en microsilos de aproximadamente 2 kg (Figura 1). Cada microsilo fue
compactado hasta alcanzar una densidad de 617 kg m
-3
dentro de bolsas plásticas de 240 μm de
espesor y cerrados herméticamente para evitar el ingreso de oxígeno y reproducir condiciones de
silaje a campo. No se utilizó ningún tipo de inóculo para el proceso de ensilado. Los silos se
caracterizaron y analizaron transcurridos 83 días desde el inicio del proceso, las muestras fueron
secadas a 60 °C y se picaron y homogeneizaron, obteniéndose un tamaño de partícula entre los
tamices normalizados ASTM N° 14 (1410 micrones) y N° 20 (840 micrones).
Como inóculo se utilizaron lodos provenientes de la planta depuradora de líquidos cloacales
ubicada en la ciudad de Olavarría - Provincia de Buenos Aires. Los lodos fueron desgasificados y
adaptados al sustrato, aplicando la metodología propuesta por Steinmetz et al. (2016).
Caracterización fisicoquímica de las muestras
Las muestras de A. donax y del inóculo acondicionado, se caracterizaron fisicoquímicamente.
Se determinaron el contenido de humedad y sólidos totales (ST) mediante el método ASTM D-
4442-16 (ASTM, 1999); los sólidos volátiles (SV) y contenido de cenizas según el método ASTM
D 1102-84; y alcalinidad según el método sugerido por Jenkins et al. (1983). En este último método,
la muestra líquida se centrifugó (3500 rpm) y se tituló en dos etapas, primero hasta alcanzar un pH
de 5,75 y luego hasta 4,3. A partir de estos puntos de titulación, se definieron tres parámetros:
alcalinidad total (AT) correspondiente al punto de pH 4,3; alcalinidad parcial (AP), asociada a la
alcalinidad al bicarbonato y medida al punto de pH 5,75; y alcalinidad intermedia (AI), asociada a
la concentración de ácidos grasos volátiles (AGV) y determinada como diferencia entre AT y AP.
El contenido de nitrógeno amoniacal (NA) se determinó mediante los métodos 4500 NH
4
+
B y C
(APHA, 1999). La composición estructural de las muestras de A. donax se determinó en términos
de α-celulosa y hemicelulosa conforme a la norma TAPPI T 203 (TAPPI, 1999), y en contenido de
lignina según la norma ASTM 1106 (ASTM, 1999), tras la extracción previa de compuestos
solubles orgánicos y en agua caliente.
Determinación del Potencial de producción de biometano
Para evaluar el PBM de las muestras de A. donax, se aplicó la metodología propuesta por
Holliger et al., (2016), utilizando kitazatos de 500 ml de capacidad como biorreactores batch, por
triplicado. La relación Inóculo/Sustrato (I/S) en términos de SV fue 1/1 y la concentración de
inóculo en el reactor fue de 20 g SV l
-1
, dejando un espacio libre en el reactor del 20 %. Para
alcanzar un volumen total de muestra de 400 ml en el reactor, se adicionó solución de nutrientes
a
b
Figura 1. (a) Plantas de A. donax previo a
su picado y confección de silos (b) Microsilo
de
A. donax.
Figure 1.
(a) A. donax
plants prior to
chopping and silo preparation.
(b)
A. donax microsilo.
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba, V.
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según Aquino et al. (2007). Los reactores se colocaron en un baño termostático para mantener
condiciones de operación mesofílicas (35 °C ± 1).
Para medir la producción de CH
4
en los reactores batch se utilizó un sistema de desplazamiento
de agua, acoplado a un sistema de absorción de CO
2
por burbujeo de biogás en una solución de
NaOH 6 N (Córdoba et al., 2022). El volumen de agua desplazada correspondiente al metano
producido se registró diariamente mediante lectura directa utilizando probetas graduadas. El
volumen de CH
4
producido por cada reactor se corrigió a condiciones normales de presión y
temperatura de acuerdo con Holliger et al. (2016). Para validar la actividad y calidad del inóculo,
se condujo en paralelo un ensayo blanco de inóculo y un control positivo (CP), que utilizó celulosa
microcristalina (CAS 9004-34-6) como sustrato. El ensayo concluyó cuando la producción diaria
de CH
4
resultó inferior al 1 % de la producción acumulada durante tres días consecutivos.
La técnica establece los siguientes criterios de aceptación del ensayo, una desviación estándar
relativa inferior al 5 % para el blanco y el CP, e inferior al 10 % para cada sustrato. Asimismo, el
PBM del CP debe situarse entre 352 y 414 Nml CH
4
g SV
-1
celulosa.
El inóculo presentó un contenido en SV (b.s.) de 0,4285±0,049 g/g, pH 8,28, AT de 5422,21 ±
266,53 mg CaCO
3
l
-1
y NA de 410±4.9 mg l
-1
, cumpliendo con los rangos establecido por Holliger
et al. (2016) para asegurar una calidad adecuada del inóculo.
Ensayo anaeróbico a escala banco
El ensayo anaeróbico a escala banco se realizó en un reactor anaeróbico de 7 l de capacidad,
construido en vidrio borosilicato y equipado con un sistema de agitación mecánica de paletas a 200
rpm y control de temperatura mediante camisa calefactora (35 ± 5 °C) (Figura 2). Este reactor fue
conectado a un sistema de medición de CH
4
por desplazamiento de agua de 1000ml de capacidad,
cuyas características se describen en la sección: Determinación del Potencial de producción de
biometano. El inóculo utilizado y las condiciones del ensayo son las mismas que las utilizadas en
la determinación del PBM, esto es, un volumen de espacio libre del 20 %, una concentración de
inóculo en el reactor de 20 g SV l
-1
y una relación I/S de 1/1, relación que permite observar la
evolución del proceso anaeróbico identificando posibles causas de inhibición en caso de existir.
La evolución del proceso anaeróbico fue monitoreada mediante la extracción de muestras de
digestato dos veces por semana. Estas muestras fueron analizadas para determinar su composición
fisicoquímica, considerando los siguientes parámetros pH, ST, SV, AT, AI, AP y NA. El reactor
utilizado en esta prueba contiene un volumen significativamente mayor que el utilizado en la prueba
del PBM, lo que permite llevar a cabo el muestreo para medir los indicadores del proceso a lo largo
del tiempo, con un impacto mínimo en el desempeño del proceso de DA.
Figura 2. Reactor utilizado en el ensayo a
escala banco.
Figure 2. Reactor used in the bench-scale
experiment.
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Cinética del Proceso de Digestión Anaeróbica
A partir del monitoreo diario de la producción de CH
4
del ensayo a escala banco y del ensayo
de PBM, se estudió la cinética del proceso anaeróbico de A. donax. Se utilizó el modelo cinético de
Primer Orden, el cual estima una constante de velocidad de producción de metano o tasa de
desintegración de primer orden, k (d
-1
) y el rendimiento máximo teórico de metano (L
0
, Nml CH
4
g SV
-1
), según (Ec 1).
L(t) = L
0
(1 - e
-kt
) Ec 1
Donde L(t) es la producción acumulada de metano (Nml CH
4
g SV
-1
) al tiempo t (h).
Este modelo se basó en considerar que la disponibilidad de sustrato es el factor limitante y
supone que la hidrólisis gobierna el proceso general (Li et al., 2015). El ajuste de datos cinéticos se
realizó utilizando el software Statgraphics Centurion XVI (v.18.1.12) del cual se obtuvieron los
valores de k y L
0
y el coeficiente de correlación (R
2
), además de la raíz del error cuadrático medio
(RMSE), según Ec 2 que mide la diferencia promedio entre los valores reales y los calculados con
el modelo estadístico, el cual se calcula de la siguiente manera:

󰇛

󰇜

Ec 2
Donde: y
i
es el valor real para la i-ésima observación; ŷ
i
es el valor previsto para la i-ésima
observación; N es el número de observaciones y P es el número de estimaciones de parámetros,
incluida la constante.
RESULTADOS
Características fisicoquímicas de A. donax
Las características fisicoquímicas de las muestras de A. donax ensilado utilizadas para los
ensayos de DA se describen en la Tabla 1. La biomasa ensilada mostró un contenido promedio de
SV del 93,7 % (± 0,40, b.s.) y una composición estructura con 9,7 % (±1,4) de lignina 36,7 % (±3,6)
de celulosa y 18,7 % (±0,7) de hemicelulosa. El pH de la muestra de A. donax ensilada fue de 5,31
± 0,02, mientras que la concentración de NA alcanzó 0,447 ± 0,547 mg g
-1
(Tabla 1).
Potencial de Biometano
La producción de CH
4
en el proceso de DA está estrechamente vinculada tanto a la cantidad de
materia orgánica alimentada al reactor como a la composición y estructura de la biomasa
(Sawatdeenarunat et al., 2015). El ensayo de fermentación anaeróbico utilizado para determinar el
PBM de A. donax, tuvo una duración de 55 días. A través de este ensayo se obtuvo un PBM
promedio de 220,07±6,00 Nml CH
4
/g SV. Paralelamente, se determinaron los valores de metano
producido por el ensayo blanco (27,37±3,77 Nml CH
4
g SV
-1
) y el CP (358,96±11,48 Nml CH
4
g
A. donax.
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba, V.
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SV
-1
). Los coeficientes de variación del blanco (0,14 %) y del control positivo (3,2 %) se
mantuvieron por debajo del 5 %, condiciones establecidas por Holliger et al., (2016), para validar
el ensayo, lo cual confirma la fiabilidad de los resultados.
Ensayo a escala banco
El ensayo a escala banco se llevó a cabo en un reactor batch con una capacidad total de 7 l y
un volumen útil de 5,6 l en condiciones mesofílicas utilizando una relación I/S de 1/1 en términos
de SV. La producción de biometano de este ensayo alcanzó un valor de 131,60 Nml CH
4
g SV
-1
al
cabo de 55 días, resultado 40 % inferior al PBM de A. donax (220,07 Nml CH
4
g SV
-1
) obtenido
experimentalmente bajo condiciones estandarizadas.
Tanto en el ensayo de PBM como en el ensayo a escala banco, la producción de biometano
comenzó de forma inmediata desde el primer día de digestión. No obstante, las tasas de producción
de biometano (expresadas en Nml CH₄ g SV
-1
·día) muestraron comportamientos marcadamente
distintos (Fig. 3). En el ensayo de PBM la velocidad de producción alcanzó su máximo el primer
día (45 Nml CH₄ g SV
-1
·día), seguido de una disminución rápida y sostenida durante los días
sucesivos. En cambio, en el ensayo a escala banco, la velocidad aumentó de manera más gradual y
se mantuvo elevada durante los primeros 2 a 3 días, con varios picos, antes de iniciar un descenso
progresivo. Este comportamiento pudo estar relacionado con las diferencias en las condiciones
operativas de cada ensayo incluyendo agitación, homogeneidad en la temperatura, eficiencia de
transferencia, variables que influyen directamente en la cinética del proceso (van der Berg et al
2024).
Evolución de los parámetros fisicoquímicos del reactor escala banco
La evolución del pH y la AT, AI y AP del reactor se presentan en la Figura 4a y 4b,
respectivamente. Se observó una disminución del pH durante las primeras 72 horas de proceso,
posteriormente se recuperó gradualmente y se estabilizó en torno a 7,90 al final de la digestión. De
esta manera se mantuvo en un rango de oscilación óptimo (entre 7,467 - 8,283) para asegurar un
proceso estable en el digestor (Holliger et al., 2016).
En la Figura 4b se muestra la evolución de la AI, AP y AT. Durante las primeras 72 horas se
observó una primera etapa de disminución del 23,3 % de la AT, probablemente asociada a la rápida
formación de AGV a partir de compuestos fácilmente degradables presentes en el sustrato, lo cual
se reflejó en el aumento del 91,5 % en AI durante dicho período. Este comportamiento continuó
hasta las 384 h de proceso, momento a partir del cual, los valores de AT y AP comenzaron a
estabilizarse. Esta dinámica se evidenció también en la disminución de la concentración de la AI,
que se estabilizó posteriormente en torno a los 1000 mg l
-1
a partir de las 600 hs. Por su parte, la
AT se estabilizó alrededor de los 4000 mg l
-1
durante el resto del proceso, nivel suficiente para
asegurar una digestión estable y evitar problemas de inhibición. Las bajas concentraciones de los
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AGV durante todo el ciclo digestivo pudo ser el resultado de un comportamiento refractario de los
componentes lignocelulósicos.
La evolución del contenido de NA (449,01 mg NH
4
+
l
-1
- 479,94 mg NH
4
+
l
-1
) evidenció una
tendencia creciente, cuyo máximo de 619,64 mg NH
4
+
l
-1
, no superó los valores límites de 1500 mg
l
-1
que suelen ser considerados como tóxicos en el proceso digestivo (Figura 5).
En el reactor a escala banco, el valor inicial de SV fue 0,43 gSV g
-1
(b.s) y al finalizar el ensayo
fue de 0,41 gSV g
-1
(b.s), lo que representó una disminución de un 4,6 % en el contenido de materia
orgánica.
Figura 5. Variación de nitrógeno amoniacal
en el reactor escala banco.
Figure 5.
Variation of ammoniacal nitrogen
in the bench-scale reactor.
Figura 4. a. Cambios en el pH durante el
ensayo en el reactor. b. Variación de la
alcalinidad intermedia (AI), parcial (AP) y
total (AT) durante el ensayo en biorreactor a
escala banco (7l).
Figure 4. a. Changes in pH during the
reactor assay. b. Variation of intermediate
(IA), partial (PA), and total alkalinity (TA)
during the bench-scale bioreactor (7l) assay.
7,2
7,4
7,6
7,8
8,0
8,2
8,4
8,6
0 200 400 600 800 1000 1200
pH
Tiempo (h)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Alcalinidad (mg/L)
Tiempo (h)
AT
AP
AI
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba, V.
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Cinética de la Digestión Anaeróbica de A. donax
En la Tabla 2 se muestran los parámetros cinéticos obtenidos al modelar los datos
experimentales del ensayo escala banco y el ensayo del PBM según la Ec. (1). El modelo aplicado
se basó en considerar que la disponibilidad de sustrato es el factor limitante y supone que la
hidrólisis gobierna el proceso general. En la Figura 6 se muestra la producción de metano
acumulado para ambos ensayos.
El coeficiente de correlación (R
2
y R
2
adj) observado para todas las muestras resultó superior al
95 % lo que indica que el modelo propuesto resultó adecuado para representar el comportamiento
de la producción de metano de A. donax, y permitió obtener los parámetros cinéticos del proceso.
Esto se corroboró a través del RMSE (raíz del error cuadrático medio), que cuantifica la precisión
del modelo comparando los valores predichos con los valores obtenidos experimentalmente. Cuanto
más cercano a cero es el RMSE, mejor es el ajuste del modelo. Al analizar la diferencia entre los
valores experimentales y los obtenidos a través del modelo, la variación fue del 2,7 %, lo que
refuerza la utilización del modelo de primer orden para ajustar los datos experimentales.
Comparando las constantes de velocidad de producción de metano entre el ensayo PBM y el reactor
escala banco, se obtuvo una diferencia del 12,8 % entre las mismas, evidenciando una disminución
de la velocidad cuando se aumenta la escala del proceso.
DISCUSIÓN
Análisis parámetros fisicoquímicos
El valor de SV obtenido para las muestras de A. donax ensiladas fue significativamente superior
al reportado por Belmonte et al. (2023), quienes informaron un 79,47 % para muestras de A. donax
cosechadas y picadas a campo. No obstante, el valor obtenido experimentalmente se encuentra en
Tabla 2. Parámetros cinéticos del modelo de
primer orden aplicado para la producción de
metano en el ensayo de PBM y el de Escala
banco.
Table 2. Kinetic parameters of the first-order
model applied to methane production in the
BMP and bench-scale assays.
Ensayo
PBM
Ensayo
Escala banco
L
0
(Nml CH
4
/g SV
) 214,2±16,4 128,0±11,1
% dif exp-L
0
2,67 2,73
k (d
-1
)
0,073±0,017 0,064±0,015
R
2
96,7 97,3
R
2
adj
97,6 97,2
RMSE 10,8 6,4
Estudio y seguimiento del proceso de digestión anaeróbica en régimen batch de Arundo donax L., incluyendo la evaluación
del cambio de escala
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concordancia con los observado por Baldini et al. (2017) para muestras de A. donax ensiladas, cuyo
contenido de SV osciló entre 94,4 y 95,8 % (b.s.) según la fecha de corte de la biomasa.
La composición polimérica de A. donax obtenidos en este trabajo se encuentran dentro del
rango reportado por diversos autores para muestras similares a pesar de que su composición puede
variar significativamente en función de diversos factores como el ecotipo, la disponibilidad de
nutrientes en el suelo, la fecha de corte, entre otros. Vasmara et al. (2023) reportaron para esta
especie contenidos de lignina entre 9,6 a 25 %, celulosa entre 27,7 y 46,5 % y de hemicelulosa entre
13,9 y 30,1 %. En el caso de muestras frescas de A. donax, Belmonte et al. (2023) reportaron un
contenido de lignina del orden del 28 %. Por su parte, Baldini et al. (2017), al comparar biomasa
ensilada y sin ensilar, concluyeron que el proceso de ensilado no genera cambios significativos en
la composición estructural de A. donax, informando valores promedios de 7,5 % para lignina, 42 %
para celulosa y entre 27-28 % para hemicelulosa,
El pH registrado en las muestras de A. donax ensilado no fue lo suficientemente bajo como para
garantizar una conservación óptima, de acuerdo con los criterios establecidos por Weiland (2010).
No obstante, los valores obtenidos se encuentran dentro del rango reportado por Baldini et al.
(2017), quienes señalaron que los ensilados de A. donax y Miscanthus presentan pH relativamente
elevados (5,5 y 4,9, respectivamente) en comparación con el ensilado de maíz (3,8). Esta diferencia
se atribuye a la baja concentración de productos de fermentación presentes en la biomasa fresca.
El contenido de NA obtenido se encuentra en el orden de lo reportado por Córdoba et al. (2023)
para muestras de A. donax ensiladas, quienes informaron concentraciones de NA del orden del 0,56
± 0,02 a 0,83 ± 0,01 mg g
-1
para diferentes procesos de ensilado, observando incrementos de más
del 800 % en este parámetro con respecto a las muestras sin ensilar, resultado de una fermentación
restrictiva, como resultado de la ruptura de las proteínas de la biomasa.
En un digestor anaeróbico, la estabilidad del proceso depende en gran medida del equilibrio
entre los AGV, el pH y la alcalinidad. Los AGV son considerados productos intermedios del
proceso, que se generan principalmente durante la fase acidogénica, y son consumidos por los
microorganismos metanogénicos, dando como resultado la producción de CH
4
y CO
2
. Por su parte,
la alcalinidad es el sistema buffer de un digestor anaeróbico, permitiendo prevenir cambio rápido
de pH. Una alcalinidad adecuada permite mantener el pH dentro del rango óptimo (usualmente
entre 6,8 y 7,2) para el crecimiento de los microorganismos metanogénicos. Un decrecimiento en
la alcalinidad puede ser el resultado de la producción de grandes cantidades de AGV, generando
una disminución del pH y desestabilizando el sistema. En este sentido un factor determinante es el
inóculo, tanto en calidad como en cantidad, ya que para evitar desestabilización es necesario
disponer de una cantidad adecuada de microorganismos (Gerardi, 2003; Holliger et al., 2016).
La acumulación de NH
4
+
puede atribuirse a la degradación anaeróbica de compuestos como
proteínas y aminoácidos presentes en el sustrato lignocelulósico de A. donax (Gerardi 2003;
Martínez 2014), cuyo catabolismo en condiciones anaerobias conduce a la liberación de amonio
como producto intermedio. Este proceso contribuye a la alcalinidad del medio mediante la
formación de carbonato de amonio, lo cual favorece la estabilidad del pH del sistema (Gerardi,
2003). En este sentido, se observó una tendencia similar en la evolución del NA y del pH, lo que
refleja la interacción entre ambos parámetros.
La degradación de los SV del reactor es un factor crucial que permite determinar la evolución
del proceso. La baja degradación observada puede ser el resultado de la cristalinidad y composición
de la biomasa (Chen et al., 2019), pero además, puede estar relacionado con un proceso que no
alcance valores de pH suficientemente ácido al inicio del proceso como para asegurar un trabajo
efectivo de las bacterias hidrolíticas y acidogénicas tal como reportaron Chen et al. (2019), cuando
analizaron la digestión anaeróbica de barros sintéticos y diferentes biomasas lignocelulósicas. En
este sentido, Obregón et al. (2018) quienes estudiaron la biodegradabilidad anaerobia de la cachaza
sometida a pretratamiento termo-alcalino (T=90 °C y NaOH (2-10)) reportando un incremento del
11,1 % en la producción de metano respecto al sustrato sin pretratar; resultados atribuibles a la
Mussi, J., Manzur, A., Grosso, J., Lázaro, L. y Córdoba, V.
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desestructuración de la matriz lignocelulósica bajo condiciones que favorecieron la solubilización
de compuestos orgánicos y una mayor velocidad de conversión hacia metano. De esta manera, al
momento de analizar la utilización de una nueva biomasa en el proceso anaeróbico, es necesario
evaluar la necesidad de aplicación de pretratamiento que mejore la degradabilidad de la misma y
permita incrementar la producción de biometano.
Análisis PBM y cambio escala
El PBM obtenido (220,07 Nml CH
4
g SV
-1
) es un 16 % menor al reportado por Córdoba et al.,
(2023) quienes informaron 265,8 Nml CH
4
gr SV
-1
para A. donax con una relación I/S de 3/1, y
también inferior al de Corno et. al (2016) de 302 Nm
3
kg SV
-1
. Sin embargo, fue un 48 % superior
al obtenido por Baldini et al. (2016) de 148-169 Nml CH
4
gr SV
-1
para A. donax ensilado con una
relación I/S de 2/1.
Las diferencias observadas pueden atribuirse a variaciones en la composición de la biomasa,
influenciada por la genética de la planta, el estado de madurez al momento del corte, la época de
cosecha y las condiciones climáticas. Además, las particularidades del proceso de ensilado y la
relación I/S empleada en los ensayos inciden significativamente en los resultados. Holliger et al.
(2016), señalan que este es un parámetro clave en la determinación del PBM y sugieren relaciones
I/S entre 2 y 4 para sustratos fácilmente degradables, a fin de evitar la acumulación de AGV;
mientras que, para biomasas lignocelulósicas, indican que una relación de 1/1 es suficiente. En
cambio, Meng et al. (2018), al analizar la co-digestión anaeróbica de purines de cerdo y paja de
arroz, observaron que una relación I/S de 2/1 produjo un 15 % más de biometano que una de 1/3,
lo cual atribuyeron a una mayor secreción de enzimas por parte del inóculo, que favoreció las etapas
hidrolítica y acidogénica. En conjunto, estos resultados evidencian que el PBM es un parámetro
altamente sensible, influenciado por múltiples factores interrelacionados, tanto del sustrato como
de las condiciones operativas. Esta variabilidad también se refleja al comparar el PBM de A. donax
con otras biomasas convencionalmente utilizadas en digestores anaeróbicos, como el ensilado de
maíz, donde los valores reportados resultan superiores. Córdoba et al., (2023), reportan un PBM de
silaje de maíz de 337,2 ± 10,1 Nml CH₄/g SV, mientras Baldini et. al (2017) reportan PBM de 284,2
Nml CH₄/g SV y Ragaglini et al. (2014) de 345 Nml CH₄/g SV para una relación 2/1 de I/S.
Al considerar los resultados del PBM de A. donax presentados en la Sección 3.2 y expresarlos
en términos de productividad de metano por hectárea, esta especie adquiere una mayor relevancia
como cultivo bioenergético. En Italia, Ragaglini et al. (2014) informaron 9.580 Nm³ CH₄ ha
-1
para
A. donax de primer corte anual, superando al observado para maíz (6.750 Nm³ CH₄ ha
-1
) con
rendimientos de 20 t MS ha
-1
; mientras que Schievano et al. (2012) encontraron valores entre 7.170
y 11.280 Nm³ CH₄ ha
-1
para A. donax de primer corte. De manera consistente, los resultados
obtenidos por Córdoba et al. (2023) en el centro de la provincia de Buenos Aires, Argentina, a partir
de los primeros estudios agronómicos en la región pampeana, mostraron una productividad de
metano de 5.850 Nm³ CH₄ ha
-1
una vez alcanzado el establecimiento del cultivo (a partir del tercer
año de implantación), valor superior al obtenido para maíz (4.423 Nm³ CH₄ ha
-1
), considerando una
producción de biomasa anual de 15,33 t MS ha
-1
en la misma región.
Estos resultados refuerzan que, a pesar de presentar un PBM específico algo inferior al del
maíz, A. donax demuestra una destacada eficiencia en términos de rendimiento de metano por
hectárea, gracias a su elevada productividad de biomasa, que se ve incrementada de manera anual
hasta alcanzar la madurez del cultivo (Baldini et al., 2017; Kreuger et al., 2011; Ragaglini et al.,
2014; Rodríguez, et al. 2024).
La determinación del PBM antes analizado, se realiza en condiciones controladas a fin de
maximizar la degradabilidad del sustrato y su posterior conversión en biometano. Sin embargo,
diversos autores han señalado que el volumen del reactor puede influir significativamente en la
determinación del PBM. Holliger et al., (2016) indica que este parámetro debe ser establecido en
reactores con volúmenes no superiores a los 2000 ml, lo que fue posteriormente reafirmado por
Ohemeng-Ntiamoah y Datta, (2019) y Meng et al. (2018), al comparar digestores de 500 ml y 20 l.
Estudio y seguimiento del proceso de digestión anaeróbica en régimen batch de Arundo donax L., incluyendo la evaluación
del cambio de escala
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El aumento de escala introduce complejidades fluidodinámicas que modifican la eficiencia del
proceso (Muñoz Rebolledo y Maldonado Aguirre, 2023; Ohemeng-Ntiamoah y Datta, 2019).
Holliger et al. (2017) reportaron que el rendimiento de metano en plantas a escala real alcanza entre
el 87 % al 94 % respecto al PBM determinado con la misma materia prima. Por lo tanto, el cambio
de escala, incluso hacia volúmenes intermedios como el ensayo a escala banco, puede impactar
significativamente en el rendimiento del proceso, lo que se observa en el presente trabajo con
reducciones del 40 % de la producción de biometano respecto al potencial determinado
experimentalmente. Esto se puede deber tanto a condiciones menos controladas del proceso, como
a fenómenos tales como, acumulación de AGV o problemas de mezclado, que pueden alterar el
equilibrio entre las etapas de hidrólisis, acidogénesis y metanogénesis (Krause et al., 2016).
El análisis de la cinética de primer orden permite comparar la velocidad de conversión del
sustrato en metano entre diferentes biomasas. En este sentido, la constante de producción de metano
(k) obtenida en el ensayo de PBM para A. donax (0,073 d
-1
) fue similar con la reportada para bagazo
de caña de azúcar (0,079 d⁻¹), un residuo agroindustrial estudiado por González et al. (2019),
observando una diferencia mínima del 7,6 %, lo que indica un comportamiento similar en términos
de biodegradabilidad. En contraste, los residuos alimentarios presentan una constante mucho mayor
(k: 0,57 d⁻¹, Muñoz Rebolledo et al., 2023), lo que refleja una biomasa de alta degradabilidad. La
diferencia entre ambos tipos de biomasa supera el 680 %, evidenciando que los sustratos
lignocelulósicos tienden a presentar cinéticas de digestión más lentas respecto a materiales
fácilmente degradables como los alimenticios.
CONCLUSIONES
Arundo donax L. demostró ser un sustrato adecuado para ser degradado mediante digestión
anaeróbica con fines de producción de biometano. La producción acumulada de este gas varió
ligeramente entre ambas escalas, reflejando la sensibilidad del proceso ante cambios en el diseño y
manejo del sistema. El ensayo a escala banco arrojó resultados ligeramente inferiores a los
obtenidos en la escala batch, lo que permitió identificar posibles variables operativas que afectan el
rendimiento del sistema, como problemas asociados al cambio de escala, tales como la distribución
heterogénea del sustrato o la eficiencia en la mezcla.
Un cambio de escala de este sistema utilizando A. donax como biomasa de podría aplicarse
para la producción a escala industrial de biometano, promoviendo la reducción de la dependencia
de combustibles fósiles y mitigando el impacto ambiental generado por los residuos
agroindustriales, generando así un modelo energético más sostenible y eficiente. A futuro, será
necesario profundizar en la aplicación de pretratamientos, la optimización de las condiciones
operativas (agitación, carga orgánica, relación I/S) y la validación en digestores de mayor
capacidad, de modo de avanzar hacia su implementación a escala piloto e industrial. Estas acciones
contribuirían a consolidar a A. donax como un recurso estratégico dentro de esquemas de bioenergía
sostenible.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado gracias al apoyo del Programa de Fortalecimiento de la Ciencia y la
Tecnología en las Universidades Nacionales (VII) de la SECAT (UNCPBA) —Proyecto 03-
PEIDYT-25E— y el Proyecto IDi2023 de la Facultad de Ingeniería (UNCPBA). Los autores desean
expresar su agradecimiento a estas instituciones. Asimismo, extienden su agradecimiento a los
integrantes del PEIDyT —Torres A., Caldentey F., Portela G., Ressia J. y Bongiorno C.— por sus
aportes en el trabajo de campo y la construcción de los microsilos.
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