Desarrollo de la tecnología de Biogás en México, retos y beneficios

Juan Antonio Arzate Salgado
Universidad Técnica de Berlín
Director de tesis: Prof. Dr. Peter Neubauer
Doctorado en Biotecnología,
Desarrollo de la tecnología de Biogás en México, retos y beneficios
Antecedentes
Temas tan comunes como demanda energética, cambio climático global y todo lo que esto provoca
se escuchan continuamente en la mayoría de los países. Sin embargo, muchos gobiernos continúan
apostando por el uso de combustibles fósiles para generar energía, los cuales son finitos y están
creando un grave problema medioambiental debido a sus emisiones, es necesario integrar de manera
inmediata energía renovable, el Biogás el cual es poco contaminante por la poca emisión de gases de
CO2, además de ser ecológico y económicamente viable se genera a partir del estiércol de animales o
cultivos energéticos, los cuales se tienen disponibles en muchas regiones.
El gran deterioro ambiental nacional y mundial, incluyendo el daño en la capa de Ozono, ocasionando
cambios climáticos drásticos que están produciéndose en los últimos años, y el poco interés por parte
de los organismos competentes de tratar de remediar los efectos que produce la contaminación
ambiental a todo el planeta es necesario presentar alternativas de solución.
Conceptos
El biogás es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el bióxido de
carbono, el cual se produce como resultado de la fermentación de la materia orgánica, el cual es un
proceso natural de biodegradación producido por bacterias en condiciones anaeróbicas, es decir con
muy poco o, sin oxígeno (Molino et al., 2013). En la naturaleza se encuentra una gran variedad de
residuos orgánicos a partir de los cuales puede obtenerse biogás. Ahora, la producción de Biogás
principalmente resulta a partir de cultivos energéticos (59%), desechos de animales (24%), agua
residual (5%), residuos municipales (3%), residuos de cosecha (3%), residuos vegetales (2%),
residuos industriales (2%) y rellenos sanitarios (2%) (Weiland, 2010). La producción de biogás a
través de la digestión anaeróbica depende de las características y tipo de la materia orgánica, así como
de la cantidad de la misma. La composición en porcentaje del Biogás se encuentra que el Metano
(CH4) 55 – 70 %; Dióxido de Carbono (CO2) 35 – 40%; Hidrógeno (H2) 1 – 3%; Nitrógeno (N2)
0.5 – 3%; Sulfuro de hidrógeno 0.1% y Vapor de agua trazas en bajas concentraciones. Hay que
introducir los residuos orgánicos en los digestores, estos dependerán del tipo de residuo que se pueda
conseguir en la explotación ganadera, básicamente tipo de ganado. Para un correcto
dimensionamiento de los digestores, es necesario conocer tanto el tipo como el número de cabezas
de ganado.
En el interior de los digestores se dan las condiciones adecuadas, temperatura, humedad, bacterias,
para la producción de Biogás, después se realiza el tratamiento adecuado para que cumpla los
parámetros necesarios para su uso posterior ya sea en un motor para generar electricidad o para
conducirlo por medio de las canalizaciones adecuadas a los usuarios cercanos. En la figura 1 se
muestran las etapas del proceso de digestión anaeróbica.
Figura 1: Etapas de degradación del proceso de digestión anaeróbica
En México es necesario el fortalecimiento de esta alternativa de energía y la adaptación a las
condiciones del país, es así como el involucramiento de especialistas para el desarrollo y mejoras en
los procesos lograrán los resultados esperados, como antecedentes contamos con la experiencia de
otros países, tales como Alemania, donde ahora se cuenta con alrededor de 8,000 plantas a lo largo
de todo el país, con una capacidad instalada de 3,312 MW generando 51,863 empleos y puede proveer
6.4 millones de hogares. Es necesario el involucramiento de gobierno, científicos, instituciones,
empresarios y bancos.
Ventajas
1.-El biogás se puede producir sin importar factores adversos como las condiciones climáticas u hora
del día. El proceso biológico en una planta de biogás transcurre de manera ininterrumpida, las 24
horas al día, 7 días a la semana.
2.-Una planta de tamaño estándar entrega una cantidad constante de calor y electricidad. Debido a su
versatilidad, plantas de menor tamaño, sin equipo sofisticado, son suficientes para el suministro de
potencia para cocinar y en uso como calefacción.
3.-No solo gas, electricidad y calor son producidos en una planta de biogás, un beneficio adicional es
la producción de un fertilizante de alta calidad. Nitrato, fósforo y potasio permanecen inalterados
prácticamente durante el proceso biológico y más aún incrementan su concentración.
4.-Disposicion de substratos.- En México, existen cinco millones de granjas y más de 18 millones de
cerdos, que podrían ser integrados a mecanismos de desarrollo limpio y generación del compuesto.
Beneficios
El biogás puede ser producido donde sea sin importar si la planta industrial se localiza en una zona
urbana o rural. Es por esto que la energía eléctrica y el calor pueden ser producidos donde los necesite.
Dependiendo de la demanda de potencia no se requieren por esto grandes plantas convencionales o
nucleares. El uso de bacterias para producir combustible de alta calidad es una gran ventaja económica
que no solo es atractiva para naciones industrializadas, sino también para países emergentes. El resto
o bioabono es una fuente importante de nitrógeno, que además es fácilmente asimilable para las
plantas, el proceso de fermentación anaeróbica enriquece el contenido de nitrógeno en el bioabono
de 0,5% que tiene al comienzo del proceso, a 2,5%, después de 16 días de fermentación anaeróbica. El
bioabono producido anaeróbicamente está libre de patógenos (bacterias y hongos) que pueden
representar un riesgo para la salud, debido a que durante el proceso de fermentación anaeróbica de
los insumos se alcanzan temperaturas de hasta de 70°C, con este calor se logra prácticamente
una pasteurización natural, que elimina a los patógenos.
Proceso
El proceso de Biogás se puede describir en cuatro etapas, las cuales se llevan a cabo dentro de un
biodigestor anaerobio, siendo las diferentes bacterias quienes consumen el substrato disponible a
cierta temperatura, las etapas del proceso son hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.
Durante el proceso se deben controlar ciertas condiciones, tales como; el pH, la presión y temperatura
a fin de que se pueda obtener un óptimo rendimiento. Por lo tanto, para una producción instalada de
biogás se requiere la optimización del proceso, a fin de incrementar la eficiencia y la flexibilidad al
momento de utilizar los diferentes substratos (Bachmaier et al., 2010).
Hidrólisis.- En esta etapa la materia orgánica virgen con sus largas cadenas de estructuras carbonadas
se van rompiendo y transformando en cadenas más cortas y simples, la ruptura del substrato, podrá
ser consumido por las bacterias en las siguientes etapas, tales como carbohidratos en azucares, lípidos
en ácidos grasos y proteínas en aminoácidos. Este trabajo es llevado a cabo por un complejo de
microorganismos de distinto tipo que son en su gran mayoría anaerobios facultativos, la hidrólisis es
un paso crítico ya que únicamente la glucosa y no la celulosa, puede ser consumida por las bacterias.
Algunas de las reacciones importantes en esta etapa se muestran a continuación que involucran
carbohidratos y su degradación en azucares (Rajendran, et al., 2014) :
1.-Celulosa (Mezclado) + Agua (Mezclado) --> Dextrosa (Mezclado)
2.-Hemicelulosa (Mezclado) + Agua (Mezclado) --> 2.5 Ácido acético (Mezclado)
Los lípidos que se encuentran en los substratos, los cuales son compuestos de ácidos grasos con
glicerol y otros compuestos, como ejemplo se muestra la siguiente reacción (Rajendran, et al., 2014).
3.-Tripalmitato (Mezclado) + 3 Agua (Mezclado) --> Glicerol (Mezclado) + 3 Alcohol
cetílico(Mezclado)
El alcohol cetílico, o 1-hexadecanol o alcohol palmítico, es un alcohol graso.
Durante la hidrólisis se generan diferentes aminoácidos por ejemplo a partir de la keratina
(Rajendran, et al., 2014).
4.-Keratina(Mezcla)
+ 0.3337 Agua(Mezcla)
-->
0.045 Arginina(Mezcla) + 0.048
Aspártico(Mezcla) + 0.047 Treonina(Mezcla) + 0.172 Serina(Mezcla) + 0.074 Glutamico(Mezcla) +
0.111 Prolina(Mezcla) + 0.25 Glicina(Mezcla) + 0.047 Alanina(Mezcla) + 0.067 Cisteina(Mezcla) +
0.074
Valina(Mezcla)
+
0.07
Leucina(Mezcla)
+
0.046
Isoleucina(Mezcla)
+
0.036
Fenilalanina(Mezcla)
Acidogénesis.- Ocurren las reacciones biológicas donde simples monómeros son convertidos en
ácidos grasos volátiles. En el caso de los azúcares y glicerol, las reacciones son las siguientes
(Rajendran, et al., 2014):
5.-Dextrosa (Mezclado) + 0.1115 (NH3) (Mezclado) --> 0.1115 C5H7NO2(Mezclado) + 0.744
Acido acético (Mezclado) + 0.5 Acido propionico(Mezclado) +0.4409 (Ácido isobutírico) + 0.6909
CO2 + 1.0254 H2O
6.-Glicerol(Mezclado)
+ 0.04071 NH3(Mezclado)
+ 0.0291 CO2(Mezclado)
+ 5e-005
Hidrógeno(Mezclado) --> 0.04071 C5H7NO2(Mezclado) + 0.94185 Ácido propionico(Mezclado)
+ 1.09308 Agua(Mezclado)
Los aminoácidos reaccionan para obtener ácidos grasos, algunas de las reacciones son las siguientes
(Rajendran, et al., 2014).
7.- Glicina(Mezcla) + Hidrógeno(Mezclado) --> Ácido acético(Mezclado) + NH3(Mezclado)
8.- Treonina(Mezcla) + Hidrógeno(Mezclado) --> Ácido acético(Mezclado) + 0.5 Acido
isobutírico(Mezclado) + NH3(Mezclado)
Acetogénesis.- 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. Algunas de las reacciones se muestran a continuación (Rajendran,
et al., 2014).
9.-Ácido oleico(Mezclado) + 15.2359 Agua(Mezclado) + 0.482 CO2(Mezclado) + 0.1701
NH3(Mezclado) --> 0.1701 C5H7NO2(Mezclado) + 9.02 Ácido acético(Mezclado) + 10.0723
Hidrógeno(Mezclado)
10.-Acido propionico (Mezclado) + 0.06198 NH3(Amoniaco) + 0.314336 Agua(Mezclado) -->
0.06198 C5H7NO2(Mezclado) + 0.9345 Ácido acético(Mezclado) + 0.660412 Metano(Mezclado)
+ 0.160688 CO2(Mezclado) + 0.000552 Hidrógeno(Mezclado)
Metanogénesis.- Las bacterias que intervienen en esta etapa pertenecen al grupo de las achibacterias
y poseen características únicas que las diferencian de todo el resto de las bacterias. La transformación
final en esta etapa tiene como principales productos el metano y el dióxido de carbono. (Angelidaki,
1993)
11.-Ácido acético (Mezclado) + 0.022 NH3(Amoniaco)
--> 0.022 C5H7NO2(Mezclado) + 1.6
Metano(Mezclado)+ 0.066 Agua(Mezclado) + 0.67181 CO2(Mezclado)
Modelos del Proceso
Varios modelos han sido desarrollados para predecir y controlar el proceso de producción de
biogás, los cuales describen a través de modelos matemáticos involucrando ecuaciones algebraicas
y diferenciales de los procesos bioquímicos que se llevan a cabo entre el substrato y las bacterias,
algunos de ellos tales como Siegrist et al., (2002), Vavilin & Lokshina (2006) y Angelidaki & Ahring
(1999) muestran resultados importantes en la simulación del proceso. En el año 2002, fue presentado
el modelo ADM1 (Anaerobic digestion model-1) (Bastone et al., 2002), el cual involucra docenas de
series de reacciones bioquímicas asociadas con la transformación de substratos orgánicos en la
producción de CH4 y CO2 dentro de procesos bioquímicos y físico-químicos, este modelo es
comúnmente utilizado en la simulación del proceso de digestión anaeróbica. También el modelo de
dos pasos “AMOCO”(Bernard et al., 2001), el cual fue desarrollado para el diseño, monitoreo y
control del proceso de digestión anaeróbica para aguas residuales es encontrado en algunas
aplicaciones.
Parámetros
Tiempos de retención, TR.- Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas
discontinuos o “batch” donde el T.R. coincide con el tiempo de permanencia del sustrato dentro del
digestor.
En los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se define como el valor en días
del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria.
Valor de acidez (pH).- Una vez estabilizado el proceso fermentativo el pH se mantiene en valores
que oscilan entre 7 y 8,5. Debido a los efectos buffer que producen los compuestos bicarbonatodióxido de carbono (CO2 –HCO 3 ) y Amonio -Amoníaco (NH 4 -NH 3 ).
Indicadores de estabilidad del proceso
Comúnmente los parámetros para el monitoreo de la estabilidad del proceso son: 1) Valores de pH
, 2) Velocidades de producción y composición en la fase gas (metano y dióxido de carbón), 3)
Concentración de hidrógeno en la fase gas, 4) Relación de ácidos grasos volátiles (AGV) y
alcalinidad, y 5) Número de la capacidad de acetato (NCA). Los cuatro primeros mencionados son
normalmente observados para detectar cambios graduales durante el proceso (Conklin et al., 2008;
Switzenbaum et al., 1990). En general, valores de relaciones de AGV/alcalinidad expresados en
equivalentes de los componentes están comprendidos entre 0.1 y 0.4, lo cual indica condiciones
favorables sin el riesgo de acidificación. Si la relación excede 0.8, puede ocurrir inhibición de la
producción de metano y el proceso de operación puede fallar (Shoen et al., 2009).
Capacidad en México
En México contamos con gran variedad de bioenergéticos los cuales podrían ser utilizados para la
producción de biogás, tales como:
a) Rellenos sanitarios, con una disposición de 28.2 millones de toneladas anuales y una composición
aproximada del 53% de residuos orgánicos, que son enviados a 186 rellenos sanitarios. Esto podría
producir entre 652 y 912 MW de energía eléctrica. (SENER, 2012)
b) Sistemas de biodigestión.-México cuenta con un amplio potencial de unidades productivas, ya que
hay 3,000 establos lecheros, 1,500 granjas porcinas, y 905 rastros municipales, sin considerar los
corrales de engorda y granjas avícolas interesadas en la tecnología. Excretas de ganado porcino
podrían generar entre 0.49 y 0.738 millones de toneladas anuales y un potencial de generación
eléctrica de 246 a 492 MW. (SENER, 2012)
c) Aguas residuales.- Hasta diciembre del 2008 La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) tiene
registradas 1,833 plantas de aguas residuales urbanas en operación formal, con una capacidad total
instalada de 113 m3/s. Dichas plantas procesan un caudal de 83.6 m3/s, equivalente al 40.2% del total
de las aguas residuales generadas y colectadas en los sistemas formales de alcantarillado municipales,
el cual está estimado en 208 m3/s.
De acuerdo con el estudio elaborado por la consultora PWC para el Fondo para la Transición
Energética y el Aprovechamiento Sustentable, se identificó un potencial máximo teórico de 3,642
MW a nivel nacional a partir de rellenos sanitarios municipales, residuos agrícolas y ganaderos y
biomasa forestal y un objetivo competitivo de 1,500 MW a partir de biomasa. (SENER, 2012).
Muchos terrenos dentro de la República Mexicana han quedado abandonados debido a la falta de
adecuados programas para la agricultura, aunado a esto, la falta de competitividad a nivel
agropecuario a partir del tratado de libre comercio, TLC; el campo mexicano enfrenta una de sus
peores crisis del último siglo, ocasionando falta de trabajo para los campesinos, migración de la
población a las grandes ciudades o hacia los Estados Unidos de Norteamérica, es prioritario de nuevo
activar las actividades del campo a fin de obtener los substratos tales como el maíz ensilado, el cual
se ha demostrado su gran valor nutricional y que es una combinación perfecta con otros substratos
para el procesos de biogás. En muchas regiones de Alemania el maíz ensilado es uno de los substratos
que se ha utilizado en mayor proporción en operaciones de Biogás con resultados favorables tanto en
eficiencia como económicos.
Referencias
Angelidaki I, E. L., Ahring BK. (1999). "A comprehensive model of anaerobic bioconversion of
complex substrates to Biogas." Biotechnology and Bioengineering 63: 363-372.
Bachmaier, J., M. Effenberger, et al. (2010). "Greenhouse gas balance and resource demand of biogas
plants in agriculture." Engineering in life sciences 10(6): 560-569.
Bastone D.J, K. J., Angelidaki I, Kalyyuzhnyi SV, Pavlostathis SG, et al (2002). "The IWA Anaerobic
Digestion Model No 1 (ADM1). Water Sci Technol." Water Sci Technol. 45: 65-73.
Bernard O., H.-S. Z., Dochain D., Genovesi A, Steyer J-P. (2001). "Dynamical model development
and parameter identification for an anaerobic wastewater treatment process." Biotechnology and
Bioengineering 75(4): 424-438.
Conklin, A., T. Chapman, et al. (2008). "Monitoring the role of aceticlasts in anaerobic digestion:
activity and capacity." Water research 42(20): 4895-4904.
Molino, A., F. Nanna, et al. (2013). "Biomethane production by anaerobic digestion of organic
waste." Fuel 103: 1003-1009.
Rajendran, K., Kankanala H. R., Lundin, M., Taherzadeh M. J. (2014). "A novel process simulation
model (PSM) for anaerobic digestion using Aspen Plus." Bioresource Technology(0).
SENER. “Prospectiva de energías renovables 2012-2026”. Gobierno Federal. www.energía.gob.mx .
México 2012
Schoen, M. A., D. Sperl, et al. (2009). "Population dynamics at digester overload conditions."
Bioresource technology 100(23): 5648-5655.
Siegrist H., V. D., Garcia-Heras J.L., Gujer W. (2002). "Mathematical Model for Meso- and
Thermophilic Anaerobic Sewage Sludge Digestion." Environ. Sci. Technol. 2002 36: 1113-1123.
Switzenbaum, M. S., E. Giraldo-Gomez, et al. (1990). "Monitoring of the anaerobic methane
fermentation process." Enzyme and Microbial Technology 12(10): 722-730.
Vavilin V. A., R. S. V., Lokshina L. Y. (2006). "A description of hydrolysis kinetics in anaerobic
degradation of particulate organic matter." Bioresource Technology 56: 229-237.
Weiland, P. (2010). "Biogas production: current state and perspectives." Applied microbiology and
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