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
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> [Consulta: 3 de septiembre 2012].

[2] PABLO Enrique, Atencio. Ahorro
energético desde el área residencial a
través de producción de biogás como
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[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,
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[4] Rivas S. Olga., FAITH V. Margie.,
GUILLEM W. Rossy. Biodigestores: factores químicos,
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[5] Residuos orgánicos y agricultura
por Navarro Pedreño "et al". 1ra ed. España,
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[6] FERNÁNDEZ V. Georgina., VAZQUEZ
B. Elizabeth., MARTÍNEZ P. Pedro. Inhibidores del proceso
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Ingeniería Revista Académica, 6(3): 67-71,
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[7] MARTINEZ C. "et al". Instalaciones de
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> [consulta: 20 Octubre 2012]

[8] BOOKPUMP. Phosphorus
precipitación in anaerobic process [En
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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