Aprovechamiento de residuos orgánicos mediante biogás

Biogás

El biogás se genera mediante un proceso natural cuando ciertas bacterias degradan el material biológico en la ausencia de oxígeno, en un proceso conocido como la digestión anaerobia (DA) [1].

La digestión anaerobia se trata de un proceso natural, que corresponde al ciclo anaeróbico del carbono por lo cual es posible que mediante una acción coordinada y combinada de diferentes grupos bacterianos en ausencia total de oxígeno estos puedan utilizar la materia orgánica para alimentarse y reproducirse [2]. El biogás se genera solamente a través de la actividad de bacterias, a diferencia del composteo en donde los hongos y otras especies de microorganismos convierten residuos orgánicos en materia orgánica estable [3].

Tiende a ocurrir donde quiera que existan altas concentraciones de materia orgánica húmeda, normalmente en la mayoría de los sedimentos del fondo de lagos y estanques, en los pantanos, la turba, en los intestinos de los animales y en los sitios anaerobios de los depósitos de basura [1].

El biogás es una mezcla de metano (también conocido como gas del pantano o el gas natural), anhídrido carbónico y numerosos elementos traza. La DA puede ocurrir en un amplio espectro de temperaturas que varía entre 4 y 100°C, así como de humedades (60% y más de 99%). Los digestores anaerobios convencionales operan en un amplio rango de temperaturas que van desde los 5°C hasta los 60°C [4], sin embargo normalmente se diseñan para operar entre 35°C y 40°C o en la magnitud de 52°C y 57°C. Las dos razones para estás altas temperaturas, primero las temperaturas más altas aumentan los rendimientos de salida de gas de un digestor de capacidad dada y segundo, aumenta la destrucción de patógenos presentes en el estiércol crudo [1].

Condicionantes del uso del biogás

La comercialización del biogás comenzó alrededor de 1955 en China y la India, los procesos básicos que se producen en el interior del reactor anaeróbico son [5]:

• La descomposición de moléculas complejas en otras más simples.

• Uso de las sustancias simples por las bacterias metanogénicas dando lugar fundamentalmente a metano.

Los factores limitantes de este proceso están relacionados estrechamente con el mantenimiento de unas condiciones de vida óptimas para los organismos metanogénicos, especialmente bacterias (Methanospirillumhungatei, Methanosarcinabarker,

Methanobacteriumthermoautotrophicum y Methanobacteriumformicicum) y son los siguientes [5]:

• La temperatura, siendo la adecuada de 30 a 35 °C.

• La ausencia de entradas de aire.

• La relación C/N de la materia prima que debe ser entre 20-25.

• La humedad, siendo adecuada el 90%, de lo contrario si es menor se acidifica el medio más fácilmente y se detiene el proceso.

• El pH, con un límite entre 7-8.5.

La presencia en niveles altos de sustancias que puedan determinar la detención o mal funcionamiento del proceso como las siguientes:

• Sales (4%) [5]

• Sulfatos (0.5%) [4].

• Metales pesados, alcalinos y alcalinotérreos [6].

• NH3 (0.25%) [4].

• Ácidos grasos que requieren un tratamiento de pasteurización a 70°C durante una hora para eliminar gérmenes patógenos [7].

Como ya se mencionó el biogás está compuesto básicamente por metano y dióxido de carbono, aunque por supuesto la composición relativa de cada uno de ellos es variable en función de la materia compostada y la regulación de los factores que limitan el proceso aunque siempre supera el 50% de su composición el metano. La tabla 1 refleja el porcentaje de cada una de las sustancias gaseosas que forman parte de este material combustible originado por la fermentación de residuos orgánicos [5].

COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS EN PORCENTAJE

Tabla 1. Fuente [2]

Un metro cúbico de biogás pesa entre 1 y 1.1 Kg y equivale aproximadamente a 1.25Kwh ó 0.7 litros de petróleo, por lo tanto se puede estimar la magnitud del biogás, considerando que una persona consume en promedio para cocinar 0.2-0.4 m3 y que para generar 1kwh de electricidad se gastaría aproximadamente 1 m3[8].

Reseña histórica

El uso del biogás se remonta mucho antes del nacimiento de Cristo, ya que los sumerios practicaban la limpieza anaerobia de los residuos, posteriormente el estudioso romano Plinio observó unas luces debajo de la superficie de los pantanos; en el siglo XVI en Persia existe información del uso del biogás. En tiempos modernos existe la disputa sobre la primera ciudad que conto con un biodigestor para generación de energía eléctrica ya que no se sabe exactamente si fue en la India en 1859 en un asilo-hospital de leprosos o fue en Nueva Zelanda en el año de 1840 [9].

La primera anotación científica sobre biogás se atribuye a Jan Baptista Van Helmont en la primera mitad del siglo XVII quien determinó que la descomposición de la materia orgánica se obtenía unos gases que eran inflamables. En el nuevo continente en 1764, Benjamín Franklin describió que el biogás pudo ser el causante del fuego en un lago de New Jersey. El 14 de noviembre de 1776 el científico italiano Alejandro Volta publica en una carta "Aria inflemmabile native delle Paludi", que en el lago Como, se forma un gas que es explosivo cuando se agitan los sedimentos. En 1804, John Dalton describe la estructura química del metano y lo asocia con el biogás y en 1821 Avogadro enuncia por primera vez la estructura química final del metano CH4 [9].

En la segunda mitad del siglo XIX, se comenzó en Francia una investigación para suprimir el mal olor de las aguas residuales y se descubrieron algunos de los microrganismos que participan en el proceso de fermentación [9]. A comienzos de 1866, Antoine Béchamp, biólogo francés, concluyó que la formación del metano era un proceso biológico y dos años más tarde identifico que una población mixta de microorganismos convertía el etanol en metano [11], y que algunos de los productos finales formados durante el proceso de fermentación dependían del sustrato. En 1875, Propoff agrego, por primera vez, materiales celulósicos a lodos fluviales, con fines de fermentación y pudo producir hidrógeno y metano, pero sólo bajo condiciones anaerobias, descubrió que la formación de biogás sólo se producía en anaerobiosis [9].

En 1894, Pasteur consideró que la fermentación debía ser investigada más a fondo, apuntando que este gas podía ser utilizado para iluminación y calefacción pero fue tomada a broma y no se ejecutaron los trabajos [11]. Entre 1895 y 1896, en la población de Exeter (RU) las lámparas del alumbrado público comenzaron a ser alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos de su alcantarillado constituyendo esto, el primer uso dado al gas metano obtenido por fermentación [9].

En Europa, los primeros digestores para obtener biogás a partir de residuos orgánicos se instalan en Gran Bretaña en 1911, durante las décadas de los años 20 y 30 del siglo XX, se realizan numerosas experiencias tanto a nivel de laboratorio como de plantas piloto. En muchos casos ya se utilizaban los lodos de aguas residuales como alimento de los digestores, con motivo de la II guerra mundial se desarrollaron en Alemania un gran número de instalaciones de digestión anaerobia con el fin de potenciar nuevas fuentes de energía pero cuando término dicha guerra se construyeron cerca de cuarenta digestores en Europa, pero su desarrollo se frenó por los bajos precios de los combustibles fósiles [9].

En china, en los años setenta se impulso la creación de digestores mediante programas de ámbito nacional, en 1984, se construyó la primera planta centralizada de biogás en Dinamarca posteriormente en los años noventa con la nueva legislación eléctrica, en Alemania se produjo una nueva oleada de construcción de digestores que todavía se mantiene debido al costo de kwh producido. Al final de los años noventa del pasado siglo, se construyeron y se implementaron numerosas plantas para el tratamiento mecánico-biológico de las basuras. La tecnología estaba basada en procesos anaerobios con algún compostaje aerobio [9].

Digestión anaerobia

Es el proceso biológico degradante en el cual se parte de materiales orgánicos que a partir de varias etapas se convierten en biogás con una composición de metano, dióxido de carbono, hidrógeno sulfurado y otros gases de menor importancia [10]. Este trabajo lo realizan un conjunto de bacterias sensible a la presencia de oxígeno en el interior de los recipientes, la digestión es intervenida por un grupo de macroorganismos, las productoras de ácidos y las productoras de metano. Para que el proceso de fermentación se realice en forma normal es preciso contar con la acción conjunta y combinada de los dos tipos de bacterias, el exceso o falta de cualquier tipo de bacteria así como la actividad menor o mayor de cualquiera de estas darán como resultado el desequilibrio cinético lo que lleva a la anormalidad o fracaso del proceso de fermentación [10].

Los microorganismos que no producen metano se encargan de convertir productos orgánicos como carbohidratos, proteínas y lípidos en compuestos de moléculas más sencillos y más pequeños, que sean asimilables para las bacterias productoras de metano [10].

Se reconocen cuatro grupos de bacterias que poseen diferentes funciones metabólicas sobre el carbono [10]:

• Bacterias Hidrolíticas, catabolizan sacáridos, proteínas, lípidos otros constituyentes menores de biomasa.

• Bacterias acetogénicas, productoras de hidrógeno, catabolizan ciertos ácidos grasos y productos finales neutros.

• Bacterias homoacetogénicas, catabolizan compuestos monocarbonados, y/o hidrolizan compuestos muticarbonos hacia la producción de ácidos acéticos.

• Bacteria metanogénicas, catabolizan acetatos compuestos monocarbonados para producir metano, contemplándose sólo cuatro géneros:

• Mathanobacterium

• Methanococcus

• Methanospirillum

• Mathanosarcina

Proceso de biodigestión anaerobia

Se lleva a cabo en cuatro etapas:

• HIDRÓLISIS

Esta etapa la llevan a cabo por grupos enzimáticos extracelulares excretadas por las bacterias fermentativas. Esta etapa puede ser una limitante de la velocidad del proceso global, sobre todo tratando residuos con alto contenido en sólidos [10].

La hidrólisis depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición del sustrato, del tamaño de partículas, del pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los productos de la hidrólisis [8].

Cualquier sustrato se compone de tres tipos básicos de macromoléculas: hidratos de carbono, proteínas y lípidos [8].

Las proteínas constituyen un sustrato fuente de carbono y energía, los aminoácidos derivados de su hidrólisis tienen un elevado valor nutricional. Las proteínas son hidrolizadas por péptidos y aminoácidos por la acción de enzimas proteolíticas llamadas proteasas. Parte de estos aminoácidos son utilizados directamente en la síntesis de nuevo material celular y el resto son degradados a ácidos volátiles, dióxido de carbono, hidrógeno, amonio y sulfuro en posteriores etapas del proceso [8].

La degradación de los lípidos en ambientes anaerobios comienza con la ruptura de las grasas por la acción de enzimas hidrolíticas lipasas produciendo ácidos grasos de cadena larga y glicerol [8].

La velocidad de degradación de los materiales lignocelulósicos, compuestos principalmente por lignia, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta que suele ser la etapa limitante del proceso de hidrólisis y por tanto, de la degradación anaerobia de determinados sustratos. Esto es debido a que la lignia es muy resistente a la degradación por parte de los microorganismos anaerobios, afectando también a la biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros hidratos de carbono. Los principales productos de la hidrólisis de la celulosa son celobiasa y glucosa, mientras que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas y ácidos urónicos [10].

• FERMENTACIÓN Y PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS

Los compuestos disueltos en la etapa anterior son absorbidos por las células de las bacterias fermentativas y después por las ácido génicas, excretados como sustancias orgánicas simples como ácidos grasos volátiles, ácidos lácticos y compuestos minerales como CO2, H2, NH3, H2S, etc [10].

• FERMENTACIÓN DE CARBOHIDRATOS SOLUBLES

La principal ruta metabólica de degradación de glucosa para formar ácidos orgánicos es la de Embden-Meyerhof que tiene como principal intermediario el piruvato.

Ilustración . Simplificación de la ruta metabólica de Embden-Meyerhof de degradación de la glucosa por las bacterias acidogénicas. Fuente [8]

La fermentación de azúcares se realiza por diversos tipos de microorganismos, en función de cada organismo, la ruta metabólica y los productos finales son diferentes. Los principales microorganismos asociados a la degradación de la glucosa son del género Clostridium y convierten la glucosa en butírico, acético, CO2, y H2. La glucosa se convierte en piruvato mediante la ruta Embden-Meyerhof, y el piruvato se desdobla a Acetil-CoA y CO2. El Acetil-CoA se reduce en los productos de fermentación empleando como transportador de electrones el NADH derivado de las reacciones gloculíticas de la ruta Embden-Meyerhof [8].

• FERMENTACIÓN DE AMINOÁCIDOS

Los principales productos de la fermentación de aminoácidos y de otras moléculas hidrogenadas son ácidos grasos de cadena corta, succínicos, aminovalérico y H2. La fermentación de aminoácidos se considera un proceso rápido y que, en genéralo limita la velocidad de degradación de compuestos proteicos. Los productos finales de la oxidación son NH3, CO2 y un ácido carboxílico con un átomo de carbono menos que el aminoácido oxidado (n-butírico y ácido isobutírico, isovalérico, caproico, sulfuro de hidrógeno, metilcaptano, cadaverina, putrescina, etc, según el aminoácido del que proceda) [8].

• OXIDACIÓN ANAEROBIA DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA LARGA

Los ácidos grasos de cadena larga son oxidados a ácidos grasos de cadena corta por el mecanismo de ß-oxidación. Los ácidos grasos libres son introducidos en la célula a través de la pared celular y una vez en su interior, son transformados en el correspondiente tio-ester-CoA. La ß-oxidación es un ciclo en espiral que va liberando un acetil-CoA en cada bucle, produciendo principalmente ácido acético [8].

• ETAPA ACETOGÉNICA

Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente por los organismos metanogénicos (H y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles como valeriato, butirato, propionato, etc y algunos compuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, acetato y H2 a través de las bacterias acetogénicas. Desde el punto de vista termodinámico, estás reacciones no son posibles porque en condiciones estándar (pH=7, T=25°C, P=1atm), presentan energías libres de reacción positivas, tal y como se muestra en la ilustración II.

Ilustración Reacciones acetogénicas que ocurren en los sistemas anaerobios. Fuente [8].

Sin embargo a presiones parciales de H2 bajas (del orden de 10-4 – 10-5 atm), estas reacciones pasan a ser termodinámicamente favorables y la variación de energía libre es suficiente para permitir la síntesis de ATP y el crecimiento bacteriano. Por tanto el principal inhibidor de la acetogénesis, cuya acumulación provoca la rápida acumulación de sustratos, es la acumulación de hidrógeno molecular. Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos. Este tipo de bacterias son capaces de crecer herotróficamente en presencia de azúcares o compuestos monocarbonados (como la mezcla H2/CO2) produciendo como único producto acetato. Al contrario que las bacterias acetogénicas, estás no producen hidrógeno como resultado de su metabolismo, sino que lo consumen como sustrato [8].

4 ETAPA METANOGÉNICA

Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaerobia mediante la formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas. Los organismos metanogémicos se clasifican dentro del dominio Archacea y tienen características comunes que los diferencian del resto de procariotas, un ejemplo es que todos ellos poseen varias coenzimas especiales, siendo la coenzima M, la que participa en el paso final de la formación de metano.

Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaerobios se forma a partir del acetato a pesar de que, mientras todos los organismos metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sólo dos géneros pueden utilizar acetato. Los dos géneros que tienen especies acetotróficas son Methanosarcina y Methanothrix [8].

Aplicaciones del biogás

Generación de energía eléctrica a través de rellenos sanitarios

El biogás generado en los rellenos sanitarios es una mezcla de gases que contiene 50% de metano, 45% de bióxido de carbono y en menores cantidades oxígeno, nitrógeno, vapor de agua y ácido suflhídrico, así como una gran variedad de gases en cantidades traza. Este biogás puede ser conducido hacia una central eléctrica, compuesta por unidades generalmente de 1MW de capacidad, a través de tuberías que son conectadas a sopladores que extraen el biogás de los pozos construidos en el relleno sanitario [12].

Producción de compost con los distintos residuos sólidos orgánicos

En algunas ocasiones los abonos orgánicos hechos de estiércol o basura son de mala calidad y dañan la tierra y cultivos debido a [2]:

• Falta de madurez: cuando el compost no ha terminado de fermentar los microorganismos pueden captar el nitrógeno de la tierra necesario para la fermentación privando de él las plantas.

• Metales pesados: si el compost contiene proporciones elevadas de metales pesados se acumularán en la tierra y resultarán peligrosos ya que pasan por las cadenas alimentarias.

• Materiales inertes: cuando no se clasifica de manera correcta la materia orgánica se pueden hallar plásticos y vidrios en el residuo de forma que ensucie los campos donde se aplique.

Aplicaciones en artefactos domésticos

Los artefactos de uso doméstico más corrientes pueden ser convertidos para consumir biogás por medio de un quemador. De la aplicación que se desee utilizar ya sea para calefactor o refrigeración hay que tomar en cuenta los factores climáticos exteriores (radiación solar, temperatura ambiente, humedad relativa y dirección y velocidad del viento) y como sumideros: la tierra (tubos encerrados), la atmósfera y el cielo (temperatura aparente) [2].

Referencias bibliográficas

[1]. ONUDI. Gestión de desechos y reciclaje. [En línea]<<a href="http://www.unido.org/fileadmin/user_media/Services/Environmental_Management/CP_ToolKit_spanish/PR-Volume_08/8-Textbook.pdf%20%20">http://www.unido.org/fileadmin/user_media/Services/Environmental_Management/CP_ToolKit_spanish/PR-Volume_08/8-Textbook.pdf > [Consulta: 3 de septiembre 2012].

[2] PABLO Enrique, Atencio. Ahorro energético desde el área residencial a través de producción de biogás como aplicación de técnicas solares activas y pasivas. Centro azúcar, 38 (4): 60-66, diciembre 2012.

[3] Evaluación del proceso de obtención de composta por fermentación aerobia y adición de aceleradores biológicos: por David Reynier Valdes "et al". Revista de investigaciones marinas, 30(1):79-83, 2009.

[4] Rivas S. Olga., FAITH V. Margie., GUILLEM W. Rossy. Biodigestores: factores químicos, físicos y biólogicos relacionados con su productividad. Tecnología en marcha, 23(1): 39-46, marzo 2010.

[5] Residuos orgánicos y agricultura por Navarro Pedreño "et al". 1ra ed. España, Espagrafic, 1995. 155p.

[6] FERNÁNDEZ V. Georgina., VAZQUEZ B. Elizabeth., MARTÍNEZ P. Pedro. Inhibidores del proceso anaerobio: compuestos utilizados en porcicultura. Ingeniería Revista Académica, 6(3): 67-71, Diciembre 2002.

[7] MARTINEZ C. "et al". Instalaciones de biogás a mediana y gran escala en Alemania. [en línea] <<a href="http://www.engormix.com/MA-porcicultura/manejo/articulos/instalaciones-biogas-mediana-gran-t1886/124-p0.htm">http://www.engormix.com/MA-porcicultura/manejo/articulos/instalaciones-biogas-mediana-gran-t1886/124-p0.htm > [consulta: 20 Octubre 2012]

[8] BOOKPUMP. Phosphorus precipitación in anaerobic process [En línea]<<a href="http://www.bookpump.com/dps/pdf-b/1123329b.pdf">http://www.bookpump.com/dps/pdf-b/1123329b.pdf>[consulta: 22 octubre 2012]

[9] LOBERA J. Historia del biogás. [en línea] < http://www.metabioresor.eu/upmedios/image/Historia%20del%20Biog%C3%A1s(1).pdf> [consulta 20 Octubre 2012]

[10]. Villa Arreola, Sixtos Antonio. Diseño de un biodigestor anaeróbico con recirculación y suministro de calor. Tesis (Ingeniero Mecánico). Morelia, Michoacán. Universidad Michoacana de San Nicólas de Hidalgo, 2010. 108h.

[11] CAMPOS Pozuelo, Antonia Elena. Optimización de la digestión anaerobia de purines de cerdo mediante codigestión con residuos orgánicos de la industria agroalimentaria. Tesis (Doctor Ingeniero Agrónomo). Lleida, España. Universidad de Lleida, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agraria, 2001. 394H.

[12] ARVIZU Fernández, Luis. La basura como recurso energético. Situación actual y prospectiva en México. Revista de ingeniería civil. (496):36-44, 2010.

Autor:

Mauricio Iván Huchin Miss

Pasante Ingeniería Mecánica Eléctrica