Granjas Porcinas: Producción de Gas Metano Con Biorreactores

Las granjas porcinas cuando no manejan bien sus excrementos tienen un impacto negativo, produciendo malos olores al ambiente: amoniaco (NH₃), ácido sulfhídrico (H₂S) y monóxido de carbono (CO).

De hecho, su acumulación de materia orgánica se agrava produciendo compuestos orgánicos volátiles como fenólicos y ácidos grasos volátiles. También gases con efecto de invernadero GEI como bióxido de carbono (CO₂), gas metano (CH₄), óxido nitroso N₂O, nitritos NO₂, nitratos NO₃, NO₄ y otros olores.

Por una parte, el amoniaco NH₃ es un gas sin color y se libera con la descomposición de la materia orgánica y su contenido de proteína cruda. Si bien es parte del ciclo del nitrógeno, su reciclaje protege el aire, agua y suelo; así las granjas y campos agrícolas que producen alimentos para la humanidad contribuyen reduciendo las emisiones de nitrógeno a la atmósfera.

Es importante señalar que el factor de emisión porcino es de 6 kg de CH₄ por cabeza por año, al consumir mucho alimento y generan desperdicio de excretas. Por ello se deben ejecutar proyectos tecnológicos produciendo electricidad y prácticas de manejo que aporten remedios a la contaminación a corto y mediano plazo.

De ahí la importancia de avanzar en la certificación de instalaciones y personal de manejo de los reactores anaerobios para producir biogás bajo control, lo cual disminuye el impacto de los GEI, generando ingresos económicos.

La evolución del manejo de los contaminantes generados en las granjas porcinas

Durante los 70 en los EUA, a lo largo de la costa del Pacífico se construyeron pilas herméticas de concreto armado con varilla y hormigón; a fin de reducir los contaminantes que generaban las granjas porcinas. Hay que resaltar una pobre contribución al impacto de reducir la contaminación, aunado a su alto costo de construcción y mantenimiento.

Luego, al entrar en el mercado las geomembranas, en 1985, cambió el diseño modular de una sola laguna de gran capacidad de retención de excretas. Primero solo cubriendo el fondo y talud para reducir infiltración contaminante al subsuelo que afectara los pozos.

Segundo, a las lagunas se les incorporó el aireador, se redujo el mal olor, pero los gases GEI salían libres a la atmósfera.

Tercero se incorpora la cubierta flotante para capturar el gas bajo control; y ahora su almacenamiento anaeróbico produce un agua de salida con ventajas al disminuir contaminación de la carga orgánica constante. En tal sentido, simultáneamente se obtiene biogás con potencial energético, las aguas de desecho son susceptibles de reutilización para la agricultura.

Asimismo, se reduce la carga patogénica del estiércol al morir los huevos de helmintos y disminuye la carga de bacterias Coliformes para ser empleado como abono agrícola.

Producción controlada de gas metano por medio de reactores de biodigestión anaeróbicas

Normalmente, el excremento en suspensión líquida pasa por gravedad a una laguna de decantación a cielo abierto para precipitar pelos, basura sólida y otros productos de descarte.

Luego, continúan pasando los efluentes a una laguna profunda de almacenamiento y retención para su descomposición. Con el tiempo emiten al aire diversos gases que causan un efecto de invernadero, GEI, olores y contaminación; si se desborda la capacidad de retención de líquidos.

Para su aprovechamiento controlado como recurso energético, la laguna se cubre con plástico bajo un sistema anóxico de fermentación sin oxígeno. El objetivo es que las múltiples especies de microorganismos estabilicen, en su etapa inicial de 120 días, sus poblaciones para producir biogás, incluyendo biometano; el cual queda retenido junto con otros gases con la cubierta de geomembrana.

Después los ciclos del período de fermentación son rápidos, de 5 días. Los carbohidratos más simples de cadena corta se han transformado en metabolitos de cadena corta al concluir el ciclo biológico exponencial de reproducción y crecimiento poblacional de los microorganismos como: hongos, Bacilos y Archaea metanogénicas, proceso en el que metabolizaron biometano.

Biodigestor en batería de flujo diario en una granja porcina

Para establecer en una granja porcina un biodigestor en batería de flujo diario, como alternativa similar al proceso de fabricación de cerveza. Es necesario una bolsa de geomembrana individual con capacidad para retener los efluentes colectados de cada día; además que perdure colectando biogás por 30 días alargando el período del biorreactor.

De manera que se usaría un sistema con 30 reactores separados más las bolsas del sistema en el proceso de limpieza, recarga de inicio y aprovechamiento del gas retenido. Al igual que la fermentación de la cebada maltera en recipientes secuenciales en batería, todos los días embotellan y todos los días llenan un tanque limpio de nuevo.

Aun así, generan un desecho del bagazo pastoso de cerveza. Mientras que en el pasado en las granjas porcinas se han usado modelos de biodigestión continua, semicontinua y sistema discontinuo, por lote y batch. Por ende, mejorar la eficiencia requiere innovación.

Requerimientos de la fermentación para producir biogás

Los microorganismos de la fermentación para producir biogás requieren de un medio líquido, no tiene que ser agua potable, son tres partes de agua por una de materia orgánica. Por lo que las aguas de la bolsa que se va a vaciar para limpieza se reciclan, conducida por tubos de circulación interna, sin estar expuestas al aire. Con el  fin de mantener el sistema anaeróbico.

Así, se evita oxigenar el medio, pasa a la bolsa de llenado nuevo, incrementando el volumen controlado de retención de ese día; y aportando inóculos microbianos ya adaptados por selección natural del proceso establecido. El sustrato nuevo de las excretas aportará nuevos nutrientes.

Después de 5 días de fermentación inicial, las partes del grano no digeridas de celulosa quedan por digerirse y contribuir a su aporte energético. Es importante que cada biorreactor debe recibir en codigestión excrementos de corrales de engorde y establos lecheros.

Asimismo, desde el rastro de bovinos se puede utilizar los residuos estomacales con bacterias vivas del rumen e introducirlos dentro de cada cámara de fermentación. Por ejemplo, cada rumen fresco de la canal, puede contener 55 kg de alimento; y por cabeza se pueden colectar adicionalmente 11 kg diarios de cuachas, boñigas o deyecciones en corral de engorde o establo lechero.

De igual forma, obtener lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales ayudaría a incorporar como inóculos los agentes vivos de ese medio de cultivo.

Aunque a falta de este insumo natural se pueden incorporar un consorcio bacteriano adecuado, como inóculo de bacterias vivas cultivadas de Clostridium cellulovoma que sintetiza enzimas en condición anaerobia, Ruminococus, Fibribacter, Eacillus, Protozoos, Hongos. También aplicar directamente un conjunto de enzimas celulosomas, endoxilanasas y poligalacturonasas que hidrolizan la celulosa.

Cómo mejorar la eficiencia integral de producción de gas metano en granjas porcinas

Al separar excrementos fermentados de la materia líquida de la bolsa en proceso de limpieza, la materia orgánica rica en fibras de celulosa se revaloriza como un nuevo insumo, reutilizando nuevamente para la cría de insectos comestibles.

Por ejemplo, como larvas de mosca soldado-negra Hermetia illucens que procesa residuos orgánicos descomponiendo la materia orgánica. En particular, porque su crianza doméstica produce proteína con calidad alimenticia para la granja, en sustitución de otras fuentes de alto costo de adquisición.

Al concluir el ciclo biológico, durante la cosecha de los insectos, los desechos se utilizan como abono orgánico para la agricultura, generando economías en la mejora de la retención del agua de riego en el suelo agrícola. Así, se ahorra el costo de proteína de la dieta y se aplica un mejorador de suelos.

Un ejemplo son los comprimidos pelletizados secos para maniobrarlos como fertilizante de fácil aplicación agrícola. También tienen potencial como carbón para calderas y posiblemente parrilladas también, es decir para la carne asada.

Con respecto a los líquidos excedentes de la fermentación, contienen nutrientes adecuados y concentrados de NPK como fertilizantes; y con tratamiento adecuado para el cultivo de espirulina, algas o aplicar los líquidos al riego agrícola.

La reducción de la huella ambiental de carbono en granjas porcinas

Hay granjas porcinas que integran horizontalmente las praderas irrigadas de forrajes con aguas residuales, ayudando a clarificar los residuos. Además, crean un humedal artificial como regulador de emisiones de amoniaco y valorando los excrementos como abono agrícola en cultivos asociados de zacates Bermuda, Brachiaria y leguminosas que consumen los rumiantes.

Otros tratamientos de aplicación factible son adsorción, filtración, electrolisis, precipitación, coagulación, floculación.

Cada sistema tiene su propio diseño de ingeniería biológica para su funcionamiento y la tecnología disponible para grandes capacidades de producción. Por ende, se debe analizar y diseñar el modelo de batería para lograr una mayor conversión de sólidos orgánicos a la producción de gas metano.

Asimismo, se requieren alternativas para mejorar la eficiencia integral de producción de gas CH₄ alargando el tiempo de retención o recarga orgánica, como evitando la entrada de oxígeno. Con el fin de valorar el aprovechamiento reciclable de sedimentos sólidos, economía circular de energía calórica y eléctrica, disminuyendo la contaminación e incrementando la rentabilidad de la empresa.

De forma tal que se pueda incidir en mayor cuantía a la reducción de contaminantes del vertedor de salida de aguas negras de la granja.

Cultivo de algas

Del cultivo de alga Scenedesmus almeriensis liofilizada se puede obtener proteína precipitada de alta calidad nutritiva. Mientras que el Jacinto de agua o patito Eichhorna crassipes Mart., considerada como maleza se cultiva para producir etanol con su biomasa.

Biorrefinería de subproductos

Otra opción es establecer una biorrefinería de subproductos para valorizar por sistema de conducción controlada en cada fase. Siempre con un esquema de bioeconomía circular como recurso energético a los subproductos líquidos para obtener biofertilizantes de las aguas de desecho.

Así como reutilizando el agua de limpieza reciclada y empleando los sólidos húmedos para la producción de proteína de insectos comestibles. Para posteriormente incorporar las compostas deshidratadas y abonos húmedos a las tierras agrícolas; a fin de incrementar la materia orgánica del suelo y capacidad de retención del agua de riego, al mejorar las propiedades porosas del suelo.

Una alternativa es secar en invernaderos ventilados las excretas para ser ensacadas como abono de plantas y mejorador de suelos en la agricultura comercial; con el calor generado en la misma granja.

En su conjunto estratégico debe ser incorporado integralmente para reducir la huella ambiental de carbono de las granjas porcinas. Así como reducir malos olores y generar ahorros e ingresos para amortizar las inversiones, con la posibilidad de gestionar créditos de carbono en el mercado internacional.

Biogás

El biogás se genera por medio de materiales de plantas y animales en un medio de biodigestión. De hecho, puede ser quemado para reducir las emisiones de contaminantes del aire o ser combustible para un generador eléctrico adaptado a este gas. Con respecto a su tamaño varía para hacer funcionar una hornilla de cocina hasta motores de barco.

Relación biomasa y contenido de nitrógeno

En tal sentido, la relación de la biomasa y su contenido de nitrógeno no favorece a las excretas porcinas por tener una relación inferior carbono : nitrógeno de 8C:1N. En realidad, se prefieren rangos de 40C/1N porque niveles altos de amoniaco inhiben la producción de CH₄ y si no es factible, se debe incrementar el volumen del medio líquido de cultivo.

Alternativas para reducir costos de producción en granjas porcinas

Es importante aprovechar los líquidos de la limpieza de corrales de las granjas porcinas, generación de energía calórica o eléctrica que permita la reducción o ahorro de los costos de producción. Por ejemplo, los cadáveres porcinos por compostaje, por hidrólisis alcalina, con paja de trigo, con aserrín o con contenedores para hidrólisis no son desecho, sino un ingreso por ventas de abonos.

Para ello, los animales muertos pueden ser homogenizados con trituración de sus partes para incorporarlos a los biodigestores anaeróbicos en la producción lenta de gas.

En este sentido, el procesamiento y aprovechamiento eficiente de la materia orgánica que se elimina de las unidades productivas reduce significativamente las aportaciones de contaminantes que se desechan al ambiente. En cuanto a los minerales de la dieta contribuyen también a los solutos que darán el pH del medio acuoso de la laguna de digestión.

Por el contrario, a lo que se había pensado sobre si los antibióticos del alimento reducen la carga metanogénica afectando la capacidad de generar biogás. No es así, los resultados resaltan que las poblaciones de methanonrevibacter, las cuales son eficientes para producir metanol, son más abundantes. Ciertamente, hay antibióticos que sí alteran la composición presente de especies bacterianas.

Tendencias tecnológicas en biorreactores

Hoy en día la tecnología zoosanitaria, manejo de instalaciones y equipo de automatización permiten la alta concentración de animales en un solo lugar como en las granjas porcinas. Por ejemplo, en Texas EUA, en un área de 800 hectáreas y a poca distancia entre ellas, se establecieron en forma separada, 6 granjas de 3,000 vientres cada una; con unidades de destete y naves de finalización, junto con la planta de alimentos balanceados.

Cabe resaltar que la mayoría de los 250 biorreactores anaeróbicos instalados en EUA son de establos lecheros y poco se ha incursionado con los porcicultores, debido a explosiones en Wisconsin. Mientras que en Europa se ha avanzado mucho en disminuir la huella de carbono instalando 13,000 biorreactores y tan solo en Alemania existen funcionado 10,000 unidades.

Actualmente, se están desarrollando proyectos con sofisticaciones tecnológicas a detalle de los procesos biológicos de fermentación. De hecho, mejorando la eficiencia de la captura y combustión del gas metano producido.

Entre estos avances se puede señalar que una cámara puede contener en rango de gas metano CH₄ 50-70 % según clima, tipo de excretas, manejo y de CO₂ entre 30-50 %. Mientras que un compresor de gases puede separar el CO₂ y otros gases para alcanzar una combustión más pura y sin gases corrosivos en el motor.

Autor: Fernando R. Feuchter A.

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

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