OBTENCION DE BIOGAS A PARTIR DE ESTIERCOL Y RESIDUOS ORGANICOS. INTRODUCCION.
El hombre se ha visto en la necesidad de buscar nuevas fuentes de energías renovables que permitan la manutención del equilibrio de los ecosistemas. Un claro ejemplo de esto es la Bioenergía. La base de este tipo de energía es la llamada Biomasa, término que se refiere refie re a toda la materia orgánica que proviene provien e de árboles, plantas, desechos de animales y humanos. Además, el aprovechamiento de la Biomasa como fuente de energía ofrece varios beneficios ambientales tales como: contribuir a atenuar el cambio climático y el efecto invernadero, mantener el ciclo cerrado del carbono, reducir la lluvia ácida, prevenir la erosión de los suelos y la contaminación de las fuentes de agua. Así mismo, se debe considerar la creciente demanda por el petróleo y gas natural y el consumo excesivo de energía del mundo en desarrollo. En este sentido se buscan nuevas alternativas para el manejo de los residuos sólidos orgánicos, principalmente de aquellos que se generan por la ejecución de actividades ganaderas, con el fin de aprovecharlas como fuentes de energía renovable que ayuden a minimizar los impactos ambientales. Este es el caso de la producción de biogás y fertilizantes orgánicos, además de ser un tema de suma importancia para el avance biotecnológico, contribuye en gran parte al manejo de los residuos sólidos orgánicos, ya que los recursos necesarios para la obtención de materia prima son fácilmente obtenidos. El Biogás consiste principalmente de gas metano (55%-65%) producido por materia orgánica. Tiene la ventaja que a través de éste se puede generar energía eléctrica, iluminación, calor y potencia mecánica; citando un claro ejemplo, el tren metropolitano regiomontano (metro) es el primer transporte colectivo de su tipo en México que utiliza energía generada a través de residuos sólidos para desplazarse. La energía eléctrica utilizada es generada a partir de los gases producidos en la
descomposición de los residuos orgánicos de un relleno sanitario ubicado en el municipio de Salinas Victoria en el estado de Monterrey, México. 1 Por ello se hace referencia a la importancia de esta investigación debido a que al realizar un estudio de Biogás, demuestra que este recurso natural tiene grandes ventajas competitivas respecto a otros energéticos en cuanto a preservación de medio ambiente y es económicamente factible.
Cedillo, J. (27 de Junio de 2006). Usa metro de Monterrey, energía creada de la basura. El universal. Recuperado de http://archivo.eluniversal.com.mx/notas/358106.html
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1. HISTORIA DEL BIOGAS. Las primeras menciones del Biogás se ubican en el año de 1600, cuando fue identificado por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica. Posteriormente, en el año 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India, y en 1896, en Inglaterra las lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad. Tras las guerras mundiales comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas productoras de Biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la época. En todo el mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el tratamiento de aguas cloacales colectivas. El gas producido se utilizó para el funcionamiento de las propias plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades con lo que se llegó a inyectar en la red de gas comunal. Durante la Segunda Guerra Mundial comienza la difusión de los biodigestores a nivel rural tanto en Europa como en China e India, que se transforman en líderes en la materia. Dicha evento se vio interrumpido por el fácil acceso a los combustibles fósiles y la crisis energética de la década de los 70s, en la que se reinició con gran ímpetu la investigación y extensión en todo el mundo, incluyendo la mayoría de los países latinoamericanos. En los últimos 20 años se han tenido fructíferos resultados en cuanto a descubrimientos sobre el funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico, a través del material de laboratorio, que permitieron el estudio de los microorganismos intervinientes en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno) para el biogás.
1.1. BIOGAS EN MEXICO. México se encuentra situado entre los principales países generadores de metano derivado de rellenos sanitarios (USEPA, 2005; Jaharí et al., 2012) y está localizado dentro de los diez países más productores de residuos sólidos urbanos (RSU) a nivel mundial, tan solo en el Estado de Michoacán 60% de la disposición final de los RSU se realiza en sitios no controlados (www.inegi.org.mx).
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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. 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. Cabe señalar que el déficit de producción de gas natural en México podría compensarse con la producción de biogás; así, además de contribuir con el programa de Seguridad Nacional, se podría disminuir la importación de gas e
2 Vera-Romero, I., & Martínez-Reyes, J., & Estrada-Jaramillo, M., & Ortiz-Soriano, A. (2015). Potencial de generación de biogás y energía eléctrica. Parte II: residuos sólidos urbanos. Ingeniería. Investigación y Tecnología, XVI (3), 471-4478.
impactar en la dependencia y en la disminución en el consumo excesivo de los combustibles fósiles. Esto prolongaría la vida útil de las reservas de gas del país y se avanzaría en una mejor cultura en la optimización de los recursos naturales y lo concerniente al calentamiento global. El Biogás, puede ser considerado como parte de un proyecto integral de energía, dentro de un marco globalizado mundial de la economía que buscaría la conservación de los recursos naturales y la preservación del medio ambiente.
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2. COOMPONENETES ESENCIALES ESENCIALES EN EL PROCESO DE OBTENCION OBTENCION DE BIOGAS. 2.1 DEFINICION DE BIOGAS. El biogás es un producto del metabolismo de las bacterias metanogénicas que participan en la descomposición de tejidos orgánicos en ambiente húmedo y carente de oxígeno. Durante el proceso de descomposición anaeróbica, se puede obtener entre otros, etanol, metanol y gas metano en cantidades apreciables, además de algunos compuestos orgánicos que son transformados a minerales, que pueden ser utilizados fácilmente fácilme nte como fertilizantes para los cultivos. La producción de biogás va a depender, principalmente, de los materiales utilizados, de la temperatura y del tiempo de descomposición.
2.1.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGAS. Los principales componentes del BIOGAS son el metano (CH4) y el dióxido de carbono, aunque la composición varía de acuerdo con la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación:
Compuesto
Formula
% en volumen
Metano
Ch4
40-70%
Dióxido de carbono
CO2
30-60%
Sulfuroso de hidrogeno
H2S
0-3%
Hidrogeno
H2
0-1%
2.2 BIOMASA. Entendemos por biomasa toda la materia orgánica que tiene su origen en un proceso biológico. A partir de la luz solar, la formación de biomasa vegetal, conocida como fitomasa, se lleva a cabo mediante el proceso de fotosíntesis gracias al que se producen moléculas de alto contenido energético bajo la forma de energía química. La biomasa también se refiere a los procesos de reciente transformación de la materia orgánica, tanto si se producen de forma natural como artificial. El hecho de que se trate de una transformación reciente, excluye de este grupo a los combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo petr óleo o el gas natural, cuya formación form ación tuvo lugar hace millones de años. Esta se puede clasificar, según su origen en:
Biomasa natural: la que se produce en ecosistemas naturales. La explotación intensiva de este recurso no es compatible con la protección del entorno. Biomasa residual: incluye los residuos forestales y agrícolas, los residuos producidos por industrias forestales y agrícolas, los residuos sólidos urbanos y los residuos biodegradables como efluentes ganaderos, Iodos de depuradoras, aguas residuales urbanas, etc. Cultivos energéticos: realizados con el único objeto de su aprovechamiento energético, caracterizados caracter izados por una gran producción de materia viva por unidad de tiempo. Excedentes agrícolas: constituidos por los productos agrícolas que no emplea el hombre.3
La presente investigación abordará la obtención de biogás utilizando biomasa residual, en específico estiércol de ganado vacuno y residuos orgánicos. Es una mezcla de materia fecal y alimento rechazado, procedente del tracto digestivo de los animales, contienen residuos no digeridos de alimentos, y factores digestivos como enzimas, jugos gástricos, pancreáticos y células muertas de la mucosa intestinal, bacterias vivas y muertas del colon y productos del desecho del metabolismo.
3 www.ambientum.com
2.3 BIODIGESTORES. Es un tanque cerrado de cualquier forma, tamaño y material; en el cual se almacena materia orgánica mezclada con agua que al descomponerse en ausencia de aire generan biogás. Definido por el diseño de la planta en función de las variables del proceso, ambientales y de utilización del sistema. Al especificar especificar que se puede tomar cualquier cualquier forma se está indiciando indiciando que se utilizan tanques cilíndricos, rectangulares, esféricos o semiesféricos, dependiendo de las preferencias del usuario y de las facilidades que se tengan para su construcción. Sin embargo, desde el punto de vista físico y del proceso no se recomienda emplear tanques rectangulares: Requieren mayor cantidad de materiales de construcción y crean dentro de la masa en digestión zonas de diferente composición y temperatura que impiden obtener mayor provecho del sistema. En esta investigación proponemos la realización del proceso de obtención de biogás, por medio de un biodigestor de globo. Este tipo de biodigestor tiene en la parte superior una bolsa en la cual se almacena el gas, la entrada y la salida se encuentran en la misma superficie de la bolsa. Sus ventajas son bajo costo, fácil transportación, poca sofisticación de construcción, altas temperaturas de digestión, fácil limpieza, mantenimiento y vaciado. Sus desventajas son su corto tiempo de vida, alta susceptibilidad a ser dañado, baja generación de empleo y por lo tanto limitado potencial de autoayuda Dicho biodigestor esta formado por un tanque hermético donde ocurre la fermentación y un depósito que sirve para el almacenaje de gas. Las dos partes pueden estar juntas o separadas y el tanque de gas puede ser de campana fija o flotante. En el caso del biodigestor de polietileno, el tanque de digestión y de recolección de gas, conforman uno sólo. El proceso de digestión ocurre en la parte
inferior del recipiente, y en la parte superior se colecta el gas. idea básica de su concepto.
A: Tubería Tubería de entrada entrada del biodigestor. biodigestor. B: Tubería de salida del biodigestor C: Tanque donde se va a digerir la mezcla de agua y estiércol. D: Cámara de colección de gas. E: Tubería de salida del gas. F: Recipiente de entrada para la carga G: Recipiente de recolección. Este biodigestor, posee una tubería de entrada a través del cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y una tubería de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. respectivam ente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás. La duración de la reducción del material biológico depende de los microorganismos especiales y de sus temperaturas óptimas del crecimiento.
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CEDECAP, abril de 2007.
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3. PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE ESTIERCOL Y RESIDUOS ORGANICOS. El motivo por el cual, en esta investigación se propone utilizar estiércol vacuno y residuos orgánicos como como base de nuestra biomasa orgánica, es por que este sustrato ha sido ya investigado y se han obtenido resultados óptimos, pues se requieren 20 kilos de estiércol fresco diariamente para obtener 5 horas de consumo de gas. El fertilizante líquido obtenido es muy preciado, y un Biodigestor diseñado para tal fin a permitir que la materia prima esté mayor tiempo en el interior dela cámara hermética, así como reducir la mezcla con agua a 1:3. (Agua – estiércol).La temperatura ambiente en que va a trabajar el Biodigestor indica el tiempo de retención para que las bacterias puedan puedan digerir la materia. En ambientes de 30 °C se requieren unos 20 días de tiempo de retención. 5
3.1. AGITACIÓN – MEZCLADO. Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanógenas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación fo rmación de costra que se forma dentro del digestor, digesto r, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios muertos sin actividad biológica. En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones, el proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente grupo implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas. Como conclusión en la elección de un determinado sistema se tendrá siempre presente tanto los objetivos buscados como el perjuicio que puede causar una agitación excesiva debiéndose buscar un punto medio óptimo.
Padilla, M. Proyecto: obtención de biogás a partir de estiércol de vaca y brócoli a nivel laboratorio. Cecyteg Irapuato, 2005.
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Existen varios mecanismos de agitación utilizados, desde los más simples que consisten en un batido manual o el provocado por la entrada y salida de los lo s líquidos, hasta sofisticados equipos que involucran agitadores a hélice, recirculadores de sustrato e inyectores de gas. La presencia de metales pesados, antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones pueden inhibir e incluso interrumpir el proceso fermentativo.
3.1.1. PROCESO DE FERMENTACION ANAEROBIA. El proceso anaerobio involucra una compleja serie de reacciones bioquímicas y se puede dividir en cuatro etapas que se desarrollan de manera simultánea y secuencial: hidrólisis, Acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. La digestión anaerobia es una interacción compleja y especializada de una comunidad microbiana constituida por los dominios Bacteria y Archaea, unidos en una red alimenticia sintrófica y simbiótica en dos procesos muy importantes: la acidogénesis 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. Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4º a 5º C y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 70 ºC. 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.
Hidrolisis: La primera etapa, los compuestos complejos del material inicial (como carbohidratos, proteínas y grasas) se dividen en compuestos orgánicos más simples (por ejemplo aminoácidos, azúcares y ácidos grasos). Las bacterias hidrolíticas que participan en esta etapa liberan enzimas que descomponen el material por medios bioquímicos.
Bacterias que participan en la hidrolisis: Los microorganismos de muchos géneros son los responsables de la hidrólisis. Entre
estos
destacan:
Bacteroides,
Lactobacillus,
Propioni-bacterium,
Sphingomonas, Sporobacterium, Megasphaera, Bifidobacterium.
Acidogénesis: Los productos intermedios formados por la hidrolisis se dividen luego durante la (la fase de acidificación) por medio de bacterias fermentadoras (que forman ácidos) para formar ácidos grasos más bajos (acético, prebiótico y butírico) junto con dióxido de carbono e hidrógeno. Además, también se forma pequeñas cantidades de ácido láctico y de alcoholes. La naturale za de los productos formados en esta etapa es influida por la concentración del hidrógeno intermedio.
Bacterias que participan en la etapa: El grupo Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides representa el segundo grupo más grande de microorganismos durante las dos primeras fases de la descomposición.
Acetogénesis: Es decir, la formación de ácido acético productos se convierten luego por medio de bacterias acetogénicas en precursores de biogás (ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono). Al respecto, es particularmente importante la presión parcial del hidrógeno. Un contenido conteni do de hidrógeno excesivamente alto impide
la conversión de los productos intermedios de la acidogénesis por razones relacionadas con la energía.
Bacterias que participan en la acetogenesis. Las bacterias acetogénicas reductoras de sulfato son capaces de degradar lactato y etanol, pero no son capaces de degradar ácidos grasos y compuestos aromáticos.
Metanogénesis: la etapa final de generación de biogás, sobre todo el ácido acético pero también el hidrógeno y el dióxido de carbono se convierten en metanos por medio de arqueas metanogénicas estrictamente anaeróbicas. Los metanógenos hidrogenotróficos producen metano a partir de hidrógeno y del dióxido de carbono, mientras que las bacterias acetoclásticas que forman metano lo producen por división del ácido acético.
Bacterias que participan en la metanogénesis: Las metanogénicas activas aparecen en la l a segunda fase de la fermentación, la fase de. Sin embargo, obviamente el número de Arqueas metanogénicas aumenta en la fase
metanogénica.
Las
principales
especies
están
representadas
por
Methanobacterium, Methanospirillum hungatii y Methanosarcina.
3.1.2. PARÁMETROS PARA TOMAR EN CUENTA EN EL PROCESO DE BIODIGESTIÓN ANAEROBICA. Temperatura: Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los procesos
biológicos
depende
de
la
velocidad
de
crecimiento
de
los
microorganismos involucrados que, a su vez, dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los
microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores producciones de biogás.
Rangos de PH: El óptimo es entre 5.5 y 6.5 para acidogénicos y entre 7.8 y 8.2 para metanogénicos. El pH óptimo para cultivos mixtos se encuentra en el rango entre 6.8 y 7.4, siendo el pH neutro el ideal.
Nutrientes: • Macronutrientes: Nitrógeno y fósforo. • Micronutrientes: Minerales traza.
Toxico e inhibidores de la metanogénesis: • Ácidos grasos volátiles. • Hidrógeno. • Nitrógeno amoniacal • Sulfatos y sulfuros. • Cationes y metales pesados.
4. USOS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BIOGAS COMO PRODUCTO PRODUCTO FINAL. 4.1. VENTAJAS DEL BIOGÁS.
La fermentación anaeróbica de la materia orgánica produce un residuo de excelentes propiedades fertilizantes y esto le trae beneficios al suelo,
similares a los que se alcanzan con cualquier otra materia ma teria orgánica. Es decir, actúa como mejorador de las características físicas, facilitando la aireación, aumentando la capacidad de retención de humedad, la capacidad de infiltración del agua y la capacidad de intercambio catiónico.
Actúa como fuente de energía energía y nutrientes para el desarrollo desarrollo de núcleos microbianos que mejoran la solubilidad de los compuestos minerales del suelo. En este sentido presenta ventajas sobre el uso directo de la materia orgánica.
Depuración ambiental y ecológica (contaminación, calentamiento global).
Fertilizantes de gran calidad.
Por medio de esta técnica se contribuye a la prolongación de la vida útil de las
reservas con que se cuente.
La materia prima es existente en cualquier lugar.
4.1.1. DESVENTAJAS DEL BIOGÁS. La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en lasdistintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios no es posible dar valores cuantitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa. Entre los factores más importantes, pueden considerarse los siguientes:
Tipo de sustrato (nutrientes disponibles).
Temperatura del sustrato; la carga volumétrica.
Tiempo de retención hidráulico.
Nivel de acidez (PH).
Relación Carbono/Nitrógeno.
Concentración del sustrato; el agregado de inoculantes.
Grado de mezclado.
Presencia de compuestos inhibidores del proceso.
4.2. USOS DEL BIOGAS.
El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica (calor). En aquellos lugares donde los combustibles son escasos, los sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la energía calórica para actividades básicas como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña escala también se pueden utilizar para iluminación.
Los quemadores de gas convencionales se pueden adaptar fácilmente para operar con biogás, simplemente cambiando la relación aire-gas. El requerimiento de calidad del biogás para quemadores es bajo. Se necesita alcanzar una presión de gas de 8 a 25 mbar y mantener niveles de H2S inferiores a 100 ppm para conseguir un punto de rocío.
como gas para la alimentación de de calderas o
equipos.
Como combustible (GNC) para en motores de
grupos generadores.
Alimentación para redes de gas natural.
Existen otros métodos que están (aún) poco explotados o bien son son
tecnologías del futuro por ejemplo “Celda de combustible”.
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