Biogás: producción eficiente en un biorreactor porcino

El biogás, biometano o syngás CH₄ renovable es un producto microbiológico cultivado mediante reacciones respiratorias del metabolismo con la biodegradación anaeróbica de la materia orgánica de origen animal (heces y desperdicio de alimento balanceado), vegetal o aguas negras urbanas.

Si el tratamiento es termo-químico se denomina sintegás CH₄ (gas de síntesis) procesando materia orgánica a 700 °C. No es lo mismo que gas natural CH₄ o gas amargo de yacimientos petrolíferos; el cual se usa en reactores o plantas generadoras de electricidad de doble combinado.

De forma tal que unos sistemas enfriados con agua y otros tan solo por aire, producen electricidad verde a bajo costo de producción, obteniendo una ventaja competitiva sobre otras alternativas para generar electricidad. Una misma molécula con diferentes valores ambientales.

Actualmente los países del continente europeo y en particular España encabezan un giro direccional en la producción de proteína animal, implementando un programa de manufactura sostenible con las excretas. Integrando así, procesos agroindustriales de valor agregado hacia una bioeconomía circular verde, aprovechando con creatividad los desperdicios contaminantes atmosféricos y ambientales, transformándolos en múltiples alternativas ecoeficientes de uso cotidiano.

Así, ya no hay desechos de desperdicios, todo el biogás se recicla, el calor generado se integra y las compostas generan proteína de insectos o abonos agrícolas y los efluentes líquidos para el cultivo de algas.

Producción de Biogás en Brasil

En Brasil se favorece como fuente renovable la producción eléctrica con biogás sobre los sistemas solares fotovoltaicos limitados a producir energía por 12 horas al día, mientras que el biogás su proceso de fermentación es continuo aportando energía 24/7 y solo se detiene durante el mantenimiento del equipo.

De hecho, existen incentivos federales permanentes para mantenimiento de la infraestructura instalada; capacitación para mejorar la eficiencia de los biorreactores. Así como, reducir los riesgos del encargado, prevenir fallas del reactor y también la venta de bonos de carbono evitan el abandono de unidades de producción.

Asimismo, el país destaca mundialmente en la producción de pollo, cerdo, res y toda esta materia orgánica que se produce participa en el desarrollo de biodigestores. Además de producir gas (calor-electricidad) se mejora la calidad del abono y se recicla agua para limpieza o riego agrícola.

Aunque el biogás siendo más amigable con el ambiente, se produce en un medio anóxico, con menor huella de carbono, podría no ser financieramente competitivo como fuente alternativa de energía neutras contra el gas natural, eólica y fotovoltaica. En particular, porque la tecnología va cambiando en eficiencia y precio, mejorándose los procesos para hacer los proyectos a escala económicamente viables.

Biodigestor como sistema recolector de biogás

La construcción del biodigestor herméticamente anaeróbico como sistema de recolección de biogás con cubierta de geomembrana requiere inversión, ajustes de manejo y mantenimiento. Por ello tiene ventajas una laguna con cubierta para la degradación de la proteína y poca volatilidad del amonio y amonia.

En este sentido muchos establos y empresas porcinas con lagunas abiertas de almacenamiento son menos estables, optando por inyectar directamente al subsuelo agrícola las excretas dos veces al año que contienen amonio NH₄+, aportando 1,8 de nitrógeno (N) total, 8,4 % de fósforo, 0.7% de potasio, en su conjunto conforman un abono con una conductividad de 14,4 dS/m.

Para ello se usa el cincel profundo en tierra venida húmeda para impedir la volatilización del amonia NH₃, al menos 30 días anticipados durante la estación previa a la siembra como alimento a los microorganismos del suelo. Al tiempo de permitir la mineralización de los excrementos que contribuyen propiamente a la nutrición vegetal como fertilizante de origen orgánico.

Si la inyección se realiza en tierra seca, hay una rápida volatilidad del amonio. Entonces, las heces no se pueden dispersar inapropiadamente en las superficies de siembra sin causar externalidades ambientales por la liberación de gases con efecto de invernadero; así como riesgos a la salud y quejas de la sociedad.

Con respecto a la parte líquida contiene NH_4⁺, K₂O y los sólidos concentran P_₂O₅ con materia orgánica biodegradable con un humus más efectivo para mejorar las propiedades del suelo con su aporte de carbón y fibra para retener agua de riego. Si se asperjan encina del suelo y no se barbecha inmediatamente, muchos nutrientes se volatizan perdiendo su valor de abono y contaminando de gases la atmósfera, además de liberar olores fétidos al aire.

Etapas de producción de biogás

La práctica en el tratamiento de un biodigestor desde la entrada o carga del afluente al biorreactor, el ciclo anaeróbico del sustrato de biomasa como materia orgánica o heces pasa por etapas de respiración-fermentación con diversos ciclos de macrofauna edáfica diversa al proceso: Hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis, metanogénesis.

Cada etapa es dominada por diferentes especies bacterianas para que sea funcional y en la descarga los digestatos de salida del efluente sean menos contaminantes con un contenido mínimo de coliformes fecales, virus, bacterias patógenas.

En el composteo de los sólidos, si la fase termofílica de crecimiento bacteriano con mayor biomasa celular alcanza más de 55-70 °C se presenta una pasteurización eliminando muchas bacterias patogénicas y huevos de parásitos. Pero se pierde mucho de los compuestos de carbono.

Filtración de biogás crudo

Con respecto al biogás crudo producido, puede ser filtrado del 2 % de impurezas como:

• Vapor H₂O.
• Hidrógeno H₂.
• Nitrógeno N.
• Sulfuro de hidrógeno H₂S.
• Monóxido de carbono CO.
• Gas de sílice. Metil siloxano (CH₄OSi)n.
• Halocarbonos.
• Gases fluorados (perfluorocarbono PFCs, hidrofluorocarbono HFCs, hexafluoruro de azufre SF₆).
• Clorofluorocarburos HCFC.
• Dióxido de carbono CO₂ que incluye 28 % del biogás.

Para constituir un biogás metano limpio denominado dulce se puede filtrar para lograr más del 95 % de CH₄ puro y mejorar la eficiencia de combustión del generador eléctrico y así poder contar con biogás de calidad industrial y fertilizantes sostenibles muy amigables con el ambiente.

Con respecto a los gases H_₂S se neutralizan con una malla de jerga metálica y el metil siloxano (CH₄OSi)n a fin de removerlos previamente del biogás hay que oxidarlos con la reducción de nitrato y nitrito. Mientras que con un filtro adicional se eliminan el bióxido de azufre SO₂ y óxidos de nitrógeno NOx.

Por ejemplo, hay gases contaminantes del aire que respiramos que son medibles compuestos orgánicos totales COT, monóxido de carbono CO, partículas menores a 10 micras PM10 y menores PM2.5.

Producción de de gas metano en granjas porcinas

La producción de gas metano en granjas porcinas es favorecido por la inclusión mezclada de varios sustratos de productos en codigestión; principalmente si mejoran la estabilidad de la relación C/N de la que carecen las excretas porcinas.

En tal sentido, la relación óptima de la fermentación es de 15-40: 1, pero las excretas de animales domésticos tienen rango de 2-10:1, de ahí la baja la eficiencia del sistema. Por señalar un valor comparativo la paja de trigo es de 80 C:1N.

Para balancear la relación carbono:

• El nitrógeno se facilita agregando:
  • Sobrantes agroindustriales de empaques de frutas, tubérculos y hortalizas.
  • Bagazo de cervecería, vid, agaves y jugos.
  • Desechos de rastros, lácteos, boñigas, junto a desechos o quimio del aparato digestivo de otras especies animales.
  • Salvados de harina, arroz y maíz.
  • Residuos del ingenio azucarera, aceite de palma.
  • Proceso de yuca Cassava.
  • Sustratos lignocelulósicos como aserrín, cascarilla de arroz y pajas como sustratos absorbentes de cama profunda en la cría de animales. Otros que aportan más carbono que nitrógeno al medio desbalanceado de cultivo; sobre todo tomando en cuenta que la lignina y biopolímeros derivados de la hemicelulosa y celulosa son pobremente biodegradables:
  • Lodos municipales, etc. indicado que la diversidad del inóculo mejora el proceso fermentativo del biorreactor.  En este sentido, un estudio asume que la celulosa produce más metano que la hemicelulosa; sin embargo, la hemicelulosa es degradada rápidamente.

Como dato curioso se puede mencionar que un cerdo produce 0.30 m³ de biogás por día, esto representa 22 kg de metano al año. Por ejemplo, un cerdo que alcanza 115 kg de peso en pie ha producido 28 kg de CO₂, algo similar a la contaminación de 10 litros de gasolina quemada.

Producción de biogás y el papel de los microorganismos

Una buena cepa de microrganismos locales se forma después de 2 meses de fermentación del biodigestor con Cloasimonas acetógenas y 9 meses después se han formado colonias dominantes de Methanosaeta, Methanosarcina, especies microbianas más eficientes para la producción de gas metano. Otras poblaciones dominantes son Firmicutes, Bacteroidota, Proteobacteria, Spirobacterias. Muchas más especies participan en la formación de metabolitos previos al metano.

Con respecto a las poblaciones metanogénicas fluctúan durante el año por cambios de adaptación a la temperatura ambiental. Para ello se requiere más de 1-3 años para aclimatar microorganismos auto seleccionados para que produzcan gas metano por igual durante todo el año. Por ello durante la limpieza del biorreactor se debe dejar una parte como semilla del inóculo ya adaptado.

Unas especies microbianas sobresalen con temperaturas más altas de > 23 °C en el agua del reactor otras en ambientes de baja temperatura 10 °C, en el rango de ambas temperaturas sin inhibiciones de crecimiento. En tal sentido, el rango mesofílico es considerado entre 20-45 °C. Mientras que la región psicofílico menor a <20 °C todavía puede producir algo de CH_4, el rango termofílico va de > 35-60 °C.

De forma tal que se abre un nuevo camino a la biotecnología todavía no disponible comercialmente. Especialmente con la metagenómica e ingeniería genética para inocular con poblaciones estables que produzcan altos rendimientos de biogás.

Enzimas, inhibidores en la producción 

Existen nuevos organismos con alta tolerancia de adaptación a diversos cambios ambientales dentro del biodigestor, capitalizando la degradación de la lignocelulosa. Por ejemplo, el uso de enzimas para catalizar fibras (celulosa, hemicelulosa) sigue limitado. En cuanto a las endoglucanasas GH5-tCel5A1 y la GH5-p4818Cel5_2A son poderosas, pero se inactivan en ambientes no controlados.

En el mercado hay xilanasas derivadas de Thermotoga maritima más termoestables que soportan el comprimido del alimento balanceado. Por otro lado, la microflora de rumiantes, bacterias en el tracto digestivo de termitas Nasutitermes que tienen enzimas activas para degradar polisacáridos y lignocelulosa. Actualmente son materia de investigación básica.

Inhibidores más comunes del crecimiento microbiano

Los inhibidores más comunes del crecimiento microbiano dentro del biodigestor son gases producidos por el propio sistema amonio, sulfitos, iones metálicos, metales pesados y sustancias orgánicas. Por supuesto entradas nuevas de oxígeno disuelto en el agua de limpieza. Así se forma un equilibrio de poblaciones entre bacterias que acidifican (ácidos orgánicos) el agua como medio de cultivo y las que metabolizan metano.

Si el medio de cultivo es favorecido con la presencia de Clostridiales, Coprothermobacter y Gelria pueden hidrolizar proteínas ácidas reacción que genera 11 compuestos fétidos de ácidos grasos volátiles. En consecuencia, se reducen las emisiones de CO₂ buscando la neutralidad de las emisiones.

Antibióticos en efluentes

Los antibióticos presentes en los efluentes como clorotetraciclinas, sulfametazol, oxitetraciclina, ciprofloxacina, enrofloxacin, azetromicina promueven poblaciones procariotas que generan etanol y otras bacterias Archaea metanogénicas los transforman en metano. No así las cefalinas, cetalina tienen efecto negativo en otras poblaciones que son precursoras de moléculas o producen CH₄.

Por ejemplo, agregar bicarbonato de sodio (Na₂CO₃) compuestos químicos como agentes alcalinizantes con propiedades bufferizantes mejoran el medio de cultivo para la producción de gas metano. De igual forma, agregando oxido de magnesio en proporción de 30 kg por metro cúbico de laguna mejora 40 % la producción de gas metano.

Cabe desatacar que la laguna de oxidación con ventiladores sin cubierta superficial, el bunker y la laguna anaeróbica profunda de una sola cámara de fermentación es cosa del pasado. Por ello, las malas experiencias habían dejado una mala impresión.

En cuanto al biorreactor moderno debe ser eficiente con poco tiempo de retención de líquidos para completar rápidamente el tratamiento de la digestión y respiración anaeróbica de la materia orgánica:

• Con la máxima producción y captura de biogás compuesto de:
  • 50-65 % de CH_4.
  • 30-35 % de CO₂.
  • Otros gases incluyendo el vapor.
• Un valor calorífico de 5300 kcal/m3 (600 BTU/ft³).

Por ende, la producción de biogás puede generar beneficios ambientales muy valiosos, más allá el conjunto de la energía producida y de los mejoradores agrícolas.

Biogás verde en el mundo y tendencias en el mundo

A partir del biogás verde el mundo está legislando el futuro del planeta:

• Su desarrollo productivo.
• Comportamiento en los hábitos de consumo de la siguiente generación.
• Uso eficiente de la energía limpia en casa, oficina, taller e industria.
• Nuevas políticas económicas.
• Cuidados del medio ambiente y naturaleza.
• Investigación científica, tecnológica y práctica.
• Concientización de la sociedad civil desde la infancia y política normativa. Toda actividad productiva debe participar.

Biodigestores y la bioenergía

Por ejemplo, el Instituto de procesos sostenibles de la Universidad de Valladolid en España presenta un sin número de tesis y artículos para consulta IPS 2024.

Mientras que las granjas en Alemania han avanzado 2022 instalando 11,000 biodigestores en casi todas las unidades de producción aportando al 25 % de otras fuentes de bioenergía del país.

Por otra parte, en Europa 2015 se registran 17,400 plantas de biogás. EUA tiene un potencial de instalar 5,400 biorreactor modernos y tan solo lleva 45 unidades en funcionamiento. Asimismo, EUA, Japón y Alemania han desarrollado y crecido en la energía fotovoltaica más adecuada a las zonas urbanas, pero no descartan programas potenciales para los granjeros; ya que la carne de cerdo es la preferida mundialmente.

Es recomendable que los estanques o pilas de almacenamiento de excretas deberán ser manejadas adecuadamente al pasar de los galpones hasta la laguna de decantación exterior.

También hay productos químicos de lenta liberación que, aplicados en forma preventiva, regulan el pH para que la materia orgánica no se descomponga por los microorganismos en gases amonia (NH₃) que causa lluvia ácida. De igual forma como nitrato (NO₃^–) y nitrito NO₂ es un gas con efecto de invernadero (GEI). Y así los sólidos no formen costra o espuma para que las heces acumuladas por 6 meses mantengan sus valores nutritivos para ser aplicado como fertilizante.

Autor: Fernando R. Feuchter A.

Universidad Autónoma Chapingo. Centro Regional Universitario del Noroeste. Sonora, México feuchter57@yahoo.com.

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