Entrevista

Marco Teórico del proyecto de investigación "Factibilidad del uso del biogás como fuente de energía renovable en una casa-departamento de una ciudad"

Marco Teórico

biogás

El biogás es un combustible en estado gaseoso que se genera a través de la degradación de la materia orgánica a través de la reproducción de bacterias anaeróbicas, es decir, sometiendo basura, estiércol, follaje, lodo, aguas residuales, etc., a un proceso de descomposición en ausencia de oxígeno. A este proceso se le llama biodigestión y se lleva a cabo en contenedores completamente herméticos llamados biodigestores, en el cual, se introduce el material orgánico junto con agua mezclándose en un ambiente con temperaturas adecuadas de entre 20 y 40 grados centígrados.

Su composición química dependiendo del material orgánico utilizado y del tratamiento que se le dé al proceso de biodigestión oscila consiste entre el 40% al 70% de metano (CH₄), 30% al 60% de dióxido de carbono (CO₂) y entre el 0% y 3% de otros gases residuales como el ácido sulfúrico (H₂S) e Hidrógeno (H) vistos en la tabla 1, siendo el metano el más esencial, pues entre más porcentaje de este compuesto es mejor la calidad del biogás.

Tabla 1. Composición química del Biogás.

Compuesto químico	Rango de porcentaje
Metano (CH4)	40 - 70
Dióxido de carbono (CO2)	30 - 60
Hidrógeno (H)	0 - 3
Nitrógeno (N)	0.5 - 3
Ácido Sulfúrico (H2S)	0.1-           0.2
Vapor de agua

           

Como se podrá observar estos gases son completamente dañinos para la atmosfera causando fuertes estragos en el efecto invernadero, causa del calentamiento global, por lo que es necesario disminuir su emisión.

Aprovechamiento de la biodigestión

Al proceso de biodigestión se le puede aprovechar de dos maneras: la creación de una fuente de energía renovable y la creación de un poderos fertilizante para optimizar el uso del subsuelo.

El biogás es una fuente de energía renovable y acompañada de las tecnologías actuales adecuadas, puede ser utilizada de las siguientes maneras:

·         Para producir energía eléctrica

·         Para generar energía térmica

·         Con una purificación adecuada puede utilizarse como combustible para vehículos

·         Como apoyo al gas natural.

En ocasiones, en función de su origen, el biogás contiene elevadas concentraciones de contaminantes que impiden su aprovechamiento si no son eliminados previamente. Estos contaminantes, principalmente, son:

§  Ácido sulfhídrico (H2S): se forma por reducción biológica de los sulfatos en condiciones anaerobias.

§  Siloxanos: familia de compuestos que contienen silicio y que proceden del uso de los cosméticos y de las siliconas.

En función del tipo de aprovechamiento del biogás que se desee realizar, se deberá eliminar algún contaminante, si no todos. En la tabla 2 se muestran las sustancias, tanto contaminantes como sustancias propias de la composición habitual de biogás, que deben ser eliminadas en función de la aplicación del biogás (citar).

Tabla 2. Eliminación de contaminantes

	H2S	CO2	Agua	Siloxanos	Compuesto Halogenados
Caldera de Vapor	ER	No	No	EN	No
Motores de Cogeneración	EN	No	EN	EN	EN
Microturbinas	ER	No	EN	EN	EN
Producción de H2/metanol	EN	No	EN	EN	EN
Combustible para vehículos	EN	EN	EN	EN	EN
Inyección en la red de gas natural	EN	EN	EN	EN	EN
No Eliminación no necesaria. ER Eliminación recomendable. EN Eliminación necesaria

Fases del proceso de biodigestión

La fermentación anaeróbica involucra a un complejo número de microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en tres grandes grupos principales. Como se mencionó anteriormente la producción de metano es fundamental y es la última parte del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos (ministro de energía de Chile, 2011).

Las bacterias productoras del biogás son estrictamente anaeróbicas y por lo tanto sólo podrán sobrevivir en ausencia total de oxígeno atmosférico, así mismo deben estar en condiciones ambientales que oscilen entre los 10 y 80 grados centígrados.

Fase de hidrólisis

La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la pared celular. La hidrólisis es el primer paso necesario para la degradación anaeróbica de sustratos orgánicos complejos. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaeróbica (ministro de energía de Chile, 2011).

La hidrólisis de estas moléculas complejas es llevada a cabo por la acción de enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolíticos. La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todo cuando se tratan residuos con alto contenido de sólidos. Además, la hidrólisis depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición bioquímica del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del nivel de pH, de la concentración de NH4 + y de la concentración de los productos de la hidrólisis (ministro de energía de Chile, 2011).

Fase de acidificación

Esta etapa la llevan a cabo las bacterias acetogénicas y realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH₃-COOH y liberando como productos Hidrógeno y Dióxido de carbono.

Esta reacción es endoexergética pues demanda energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas. Esta baja concentración de productos finales es la que activa la reacción y actividad de estas bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo el equilibrio energético.

Fase metanogénica

En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los productos resultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización (ministro de energía de Chile, 2011).

Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica 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 (ministro de energía de Chile, 2011)..

Naturaleza y composición bioquímica de materias primas.

Las diversas materias primas que se pueden utilizar en la fermentación metanogénica, pueden ser residuos orgánicos de origen vegetal, animal, agroindustrial, forestal, doméstico u otros

Tabla 3. Materias primas utilizadas en la fermentación anaeróbica.

Residuos de origen animal	estiércol, orina, guano, camas, residuos de mataderos (sangre y otros), residuos de pescados.
Residuos de origen vegetal	malezas, rastrojos de cosechas, pajas, forraje en mal estado.
Residuos de origen humano	heces, basura, orina.
Residuos agroindustriales	salvado de arroz, orujos, cosetas, melazas, residuos de semillas.
Residuos forestales	hojas, vástagos, ramas y cortezas.
Residuos de cultivos acuáticos	algas marinas, jacintos y malezas acuáticas.

Las características bioquímicas que presenten estos residuos deben permitir el desarrollo y la actividad microbiana del sistema anaeróbico. El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno, sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores).

Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas. Sin embargo, en la digestión de ciertos desechos industriales puede presentarse el caso de ser necesaria la adición de los compuestos enumerados o bien un post tratamiento aeróbico.

El contenido de agua de estas diversas materias primas varía entre 10 a 90% del peso fresco del residuo, dependiendo de la edad y órgano del residuo, formas de obtención. Los componentes orgánicos de estos residuos son variados y corresponden aproximadamente a un 50% del peso fresco, en función del contenido de agua y de las cenizas. Los principales grupos que se distinguen son (Tabla 3.2): carbohidratos (50% del total de la materia orgánica seca), compuestos nitrogenados (20%), lignina (10 a 40%) y el resto fracciones como cera, resinas, grasas. La composición promedio de la materia orgánica seca es: 48%C; 44%O; 7%H; 2%N. Los minerales presentes como (Tabla 3.3) calcio, potasio, magnesio, fósforo, azufre y elementos trazas son del orden de 1 a 10% del peso seco.

Tipo y Gestión de Biodigestores

Componentes de un digestor anaeróbico.

            Los principales componentes de un digestor anaeróbico lo constituyen un reactor o contenedor de las materias primas a digerir; un contenedor de gas, con los accesorios para salida de biogás, entrada o carga de materias orgánicas primas y salida o descarga de materias orgánicas estabilizadas.

Reactor. El reactor corresponde al dispositivo principal donde ocurre el proceso bioquímico de degradación de la materia orgánica. Los reactores de digestión pueden tener forma cilíndrica, cúbica, ovoide o rectangular, aunque la mayor parte de los tanques que se construyen en la actualidad son cilíndricos. El suelo del reactor está inclinado, para que la arena, el material inorgánico sedimentable y la fracción pesada del afluente puedan ser extraídos del tanque. Los digestores modernos tienen cubiertas, fijas o flotantes, cuya misión es impedir que escapen olores, conservar la temperatura, evitar la entrada de oxígeno y recoger el gas producido. Pueden estar construidos de distintos materiales desde una piscina cubierta de HDPE, concreto hasta acero inoxidable.

Entrada del afluente o materia prima. Normalmente, el afluente se introduce por la parte superior del digestor y el sobrenadante se extrae por el lado contrario.

Salida del efluente o fertilizante. En un digestor de cubierta fija puede haber de 3 a 5 tubos de sobrenadante colocados a distintos niveles, o un único tubo con válvulas a distintos niveles, para la extracción del mismo. Por regla general, se elige aquel nivel que extraiga un efluente de mejor calidad (con la menor cantidad posible de sólidos).

Extracción de lodos. Las tuberías de extracción de lodos suelen estar colocadas sobre bloques a lo largo del suelo inclinado del digestor. El lodo se extrae por el centro del reactor. Estas tuberías tienen, por lo general, 15 cm de diámetro o van equipadas con válvulas tapón para evitar obstrucciones, y se utilizan para llevar periódicamente el lodo del digestor a un sistema de evacuación de lodos.

Sistema de gas El proceso de digestión anaerobia produce de 400 a 700 litros de gas por cada kilogramo de materia orgánica degradada, según las características del influente. El gas se compone fundamentalmente de metano y anhídrido carbónico. El contenido en metano del gas de un digestor que funcione adecuadamente variará del 65% al 70% en volumen, con una oscilación en el anhídrido carbónico del 30% al 35%. Uno o dos por ciento del gas del digestor se compone de otros gases. Debido a la presencia de metano (60%), el gas del digestor posee un poder calorífico aproximado de 500 a 600 kilocalorías por litro. El sistema de gas lo traslada desde el digestor hasta los puntos de consumo o al quemador de gases en exceso. El sistema de gas se compone de las siguientes partes:

·         Cúpula de gas.

·         Válvulas de seguridad y rompedora de vacío.

·         Apagallamas.

·         Válvulas térmicas.

·         Separadores de sedimentos.

·         Purgadores de condensado.

·         Medidores de gas.

·         Manómetros.

·         Reguladores de presión.

·         Almacenamiento del gas.

·         Quemador de los gases sobrantes.

Muestreador El muestreador consiste en una tubería de 8 ó 10 cm de diámetro con una tapa de cierre con bisagras que penetra en el tanque de digestión, a través de la zona de gas, y que está siempre sumergida unos 30 cm en el lodo del digestor. Esto permite la toma de muestras del lodo del digestor, sin pérdida de presión de gas, y sin crear condiciones peligrosas causadas por la mezcla de aire y gas del digestor.

Sistema de calentamiento del digestor. Un digestor puede funcionar a cualquier temperatura, sin embargo, el tiempo que tarda en completar la digestión es variable y está en relación con ella. A medida que aumenta la temperatura, disminuye el tiempo necesario para que se produzca la estabilización del lodo. En general, los digestores modernos funcionan en un rango de temperaturas medias, entre 35 y 37°C, que corresponde a rango mesofílico. Los digestores se pueden calentar de diversos modos, aunque las instalaciones actuales están dotadas, en general, de digestores que se calientan por medio de la recirculación de lodos del digestor a través de un intercambiador exterior de agua caliente. El gas del digestor se usa como combustible en la caldera, cuya temperatura óptima de operación es de 60 a 80°C. El agua caliente se bombea desde la caldera al intercambiador de calor, donde cede su calor al lodo recirculante. En algunos equipos la caldera y el intercambiador de calor están combinados y el lodo pasa también a través del equipo.

Clasificación de los biorreactores o biodigestores anaeróbicos

 Los digestores anaeróbicos pueden clasificarse como de baja velocidad o de alta velocidad, tal como se muestra en la Figura 1. Los reactores anaeróbicos de baja velocidad no se encuentran mezclados. Condiciones tales como la temperatura, el Tratamiento de Residuos Sólidos y otras no están controladas. La tasa de carga orgánica es baja en el rango de 1-2 kg DQO/m3 día. Esta configuración de bioreactor no es adecuada para la producción de bioenergía. Sin embargo, algunos tanques y lagunas anaeróbicas son cubiertos y se mezclan para favorecer la producción de biogás y su posterior recuperación. Los sistemas anaeróbicos de alta velocidad mantienen un alto nivel de biomasa en el bioreactor. Las condiciones ambientales se mantienen de manera de optimizar el funcionamiento del bioreactor. Las tasas de carga orgánica varían de 5 a 30 kg DQO/m3 día o incluso superiores. Los reactores anaeróbicos de alta velocidad son más apropiados para la producción de bioenergía.

Figura 1. Tipo de biodigestores

Referencias Bibliográficas

Ministro de Energía del Gobierno de Chile (2011). Manual de Biogás Recuperado de http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf.

Castellanos J., Guevara F., Medina S. y Venegas J. (2017). Biogás: situación actual, potencial de generación en granjas porcinas y beneficios ambientales en Puebla. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas. Recuperado de: http://www.redalyc.org/pdf/2631/263152088018.pdf

Guerrero M., Morales H., Rivas B., Saenz J., Segovia A. y Zuñiga G. (2012). Perspectivas de Obtención de Energía Renovable de la Biomasa del Estiércol del Ganado Lechero en la Región Centro-Sur de Chihuahua. Revista Mexicana de Agronegocios. Recuperado de http://www.redalyc.org/pdf/141/14123097009.pdf.