Tecnologías para producir biogás con un biorreactor porcino, Parte II

La retención hidráulica es de 5-20 días. La eficiencia del proceso es variable constantemente. Los biorreactores son un ente con vida microbiológica que se altera con cambios de manejo. Se dan a conocer indicadores, para dar una idea, sus valores no son fijos. Su producción es de 0.55 m³ CH4/Kg de sólidos volátiles (VS) de la materia orgánica y la remoción de la demanda de oxígeno (COD) ha disminuido 73% a los 20 días con una temperatura entre 22-32°C y si la fermentación es por 5 días a los 22-24°C se produce gas 0.38 m³ CH4 por kilogramo VS.

Reactor con mezclador de sólidos en suspensión. La captura de desechos está en constante movimiento. El mezclador se puede colocar desde fuera con una extensión de abanico. Se puede aplicar calor. 3% de las excretas o sólidos totales (TS) con un período de 20 días HRT= 0.22 m³ CH4/Kg sólidos volátiles VS.

Se estima que una granja aporta 60 litros de excretas acarreadas por hembra por día con 1% de excretas TS.

Sistema bajo con mezclador. Sistema de bajo rango con 18 días de retención produce 0.22 m³ de metano por kilogramo de sólidos volátiles. Sistema bajo con tapón. Diagrama de sistema bajo con tapón. Sistema de entrada, almacenaje, captura de gas y salida.

Diagrama de flujo de derecha entrada a izquierda salida. Cubierta flexible y cubierta rígida.

SISTEMA PASIVO

El sistema pasivo con cubierta y retención de 10 días, hay una producción de CH4 de 0.16 m3 por Kg VS.

Una laguna con cubierta y digestor pasivo HRT= 60 días, SRT~10 años 0.16 m3 CH4/Kg VS

DIGESTOR ANAERÓBICO CON ALTA TASA DE REACCIÓN SRT> HRT

Sistema alto con mezclador. Sistema de flujo arriba y dilución de excremento en suspensión con retención de 1 día 0.50 m³ de CH4 por Kg de sólidos volátiles, cuando la retención hidráulica es por 5 días se generan 0.48 m³ CH4/Kg VS. Dibujo de un Sistema reactor cama inducida. Foto Sistema anaeróbico de secuencia en lotes y su mechero.

Sistema con cedazo separando excremento para diluirlo con una retención de 6 días produce 0.43 m3CH4/Kg VS. Sistema columna en capas. Sistema en 4 fases en secuencia de lotes con entrada y salida de excrementos con retención HRT de 5 días 0.46 m3 CH4/Kg VS. Sistema en batería IBR.

La construcción del biodigestor herméticamente anaeróbico como sistema de recolección de biogás con cubierta de geomembrana requiere inversión, ajustes de manejo y mantenimiento.

APROVECHAR ECONOMÍA CIRCULAR

Biometano o syngás CH4 renovable es un producto microbiológico cultivado mediante reacciones respiratorias del metabolismo de la biodegradación anaeróbico de materia orgánica de origen animal, vegetal o aguas negras urbanas. Si el tratamiento es termoquímico se denomina sintegás CH4 (gas de síntesis) procesando materia orgánica a 700°C. No es lo mismo que gas natural CH4 (metano, etano, propano, butano) con alto valor calorífico, denominado gas amargo de yacimientos petrolíferos; el cual, mediante plantas generadoras de electricidad de doble combinado; unos sistemas enfriados con agua y otros tan solo por aire, producen electricidad verde a bajo costo de producción, obteniendo una ventaja competitiva sobre otras alternativas para generar electricidad.

Una misma molécula con diferentes valores ambientales. El biogás siendo más amigable con el ambiente, se produce en un medio anóxico, con menor huella de carbono, podría no ser financieramente competitivo como fuente alternativa de energía neutras contra el gas natural, eólica y fotovoltaica. La tecnología va cambiando en eficiencia y precio, mejorándose los procesos para hacer los proyectos a escala económicamente viables.

Tiene ventajas una laguna con cubierta para la degradación de la proteína y poca volatilidad del amonio NH4+ y amonia NH3, por ello muchos establos y empresas porcinas con lagunas abiertas de almacenamiento son menos estables, optando por inyectar directamente al subsuelo agrícola las excretas dos veces al año que contienen amonio NH4+, aportando 1.8 de nitrógeno (N) total, 8.4% de fósforo, 0.7% de potasio, en su conjunto conforman un abono que mejora la estructura del suelo con una conductividad dS/m de 14.4.

El mejoramiento de la estructura hipotéticamente crea un microambiente ideal para el desarrollo de la microbiota del suelo beneficiando las poblaciones de especies benéficas.

La solución de nitrato NO3- en agua forma ácido nítrico H NO3-, NO₂ nitrito en agua es ácido nitroso HNO₂. La urea (NH₂) CI de la orina y las aves mezclan en sus deyecciones heces con orina contienen ácido úrico C5H4N4O3.

Se usa el cincel profundo en tierra venida húmeda para impedir la volatilización del amonia NH3, al menos 30 días anticipados durante la estación previa a la siembra como alimento para incrementar la masa de los microrganismos del suelo y edafofauna. Permitir dar tiempo para que la materia orgánica de los excrementos forme parte del carbono del suelo, constituya al suelo, reduzca la erosión y pueda mineralizarse; procesos que contribuyen propiamente a la nutrición vegetal como fertilizante Zamora 2017. Los 17 elementos minerales esenciales para las plantas son C, H, N, P, K, S, Ca, Mg, Cl, B, Zn, Mn, Fe, Cu, Mo, Ni.

Otros que aportan beneficios para el crecimiento Na, Si, Se, Al, Co, I. Si la inyección se realiza en tierra seca, hay una rápida volatilidad del amonio junto a un nitrógeno reactivo Nr en el aire como el óxido de nitrógeno NOx y el óxido nitroso N₂O que son de mayor cuidado. Rojas 2017 las heces no se pueden dispersar inapropiadamente en las superficies de siembra sin causar externalidades ambientales por la liberación de gases con efecto de invernadero, riesgos a la salud y quejas de la sociedad por pestes. La parte líquida contiene NH4+, K₂O y los sólidos concentran P₂O5 con materia orgánica biodegradable con un humus más efectivo en su aporte de carbón y fibra para retener agua de riego. Si se asperjan encima del suelo y no se barbecha inmediatamente, muchos nutrientes se volatizan perdiendo su valor de abono y contaminando de gases la atmósfera liberando olores fétidos al aire.

La práctica en el tratamiento de un biodigestor desde la entrada o carga del afluente al biorreactor, el ciclo anaeróbico del sustrato de biomasa como materia orgánica o heces pasa por etapas de respiración-fermentación con diversos ciclos de macrofauna edáfica diversa al proceso: Hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis, metanogénesis.

Hidrólisis: La materia orgánica compuesta inicialmente de moléculas de polímeros de cadenas grandes con alto peso molecular de proteína, polisacáridos o carbohidratos complejos y todo tipo de grasas o aceites del grupo de lípidos, se hidrolizan (degradan) o convierten por la acción enzimática microbiana durante el proceso de fermentación en sustancias más solubles o metabolitos libres como aminoácidos (AA), azucares y ácidos grasos volátiles. Los carbohidratos se hidrolizan rápidamente en 1 día; las proteínas y lípidos en pocos días.

Acidogénesis: Las bacterias facultativas (Bacterioides, bifidobacteria, butyribrio, clostridium, lactobacillus, propionibacteria, ruminococos) ingieren las sustancias previamente hidrolizadas, siendo los nutrientes (azúcar, AA y ácidos grasos) convirtiéndolos en metabolitos de cadena corta fuera de su organismo como desechos de ácidos grasos orgánicos (AG) acético, propiónico, butírico, alcoholes, cetonas, acetato, CO₂, H. La degradación oxidativa altera el hidrógeno y deja el carbón remanente. Los carbohidratos como glucosa se desenlazan en piruvatos, para que los lactobacilos conviertan ácido láctico, las levaduras etanol. Los ácidos grasos con acetobacteria por β-oxidación liberando acetato. Los aminoácidos con Clostridium butolinum genera CH3, NH4+, CO₂, H₂S.

Otros monómeros como glucosa, xilosa, aminoácidos, ácidos grasos AG de cadena larga de más de 9 carbones se descomponen en ácidos acético CH3COOH. Un 20% se convierte en CO₂ y H₂ y el resto en ácidos grasos de cadena corta menores a 6 carbones. C6H10O5+H₂O→3 CH4+3CO₂ otras bacterias producen CO₂ por lo que no se presenta bien la relación 1 CH4:1CO₂

Acetogénesis: Otro grupo de bacterias acetogénicas (acetoanaerobia, acetobacteria, clostridium, eubacteria, syntrophobacteria) transforman los AG de cadenas cortas en ácido fórmico, acético y alcoholes en acetato, H₂ y CO₂. Actúan en sincronía con bacterias metanogénicas Archae y Homoacetogenicos.

Metanogénesis. Con un medio de cultivo (Mathanothrix, Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococos, Methanogenium, Methanosarcina, Methanopyri) cambiado en nuevos metabolitos las poblaciones del grupo de las Archeas forman biogás. El metano se puede producir biológicamente por bacterias eucarióticas, metanógenas acetotróficas e hidrogenotróficas. Hay que considerar que las bacterias Archea son de los primeros seres vivos unicelulares en el planeta tierra, 3500 millones de años y formadores de la atmósfera que nos rodea aceptando la vida del planeta. Están presentes en todo el mundo. En el humano y otros animales Caenorhabditis elegans.

Cada etapa es dominada por diferentes especies bacterianas para que sea funcional y en la descarga los digestatos de salida del efluente sean menos contaminantes con un contenido mínimo de coliformes fecales, virus, bacterias patógenas. Hay que considerar ampliamente que una laguna de retención aeróbica sin cubierta de lona, al bombear las excretas para desalojar la fosa y usar el contenido para la fertilización agrícola, se incrementa el riesgo de diseminar el virus PRRS en las granjas cercanas. Por ello un movimiento así debe hacerse cuando las granjas de cerdos están vacías.

En el composteo de los sólidos, si la fase termofílica de crecimiento bacteriano con mayor biomasa celular alcanza más de 55-70°C se presenta una pasteurización eliminando muchas bacterias patogénicas y huevos de parásitos como helmintos. Los huevos de nemátodos porcinos Ascaris suum con un día en el digestor anaeróbico sobreviven solo 8% de la población inicial, pero no quedan completamente eliminados, al pasar una semana queda un remanente del 50% de los huevos sobrevivientes y a las 3 semanas todavía eclosiona el 9% de los huevos vivos. Con coliformes fecales 2.4X10 a la 8 se reducen con la fermentación a 1.7X10 al cubo. Para Escherinchia coli inicia con 1X10 a la quinta (5) unidades de colonias formadas CFU, rápidamente pasan a 100 CFU por gramo, por lo que las excretas “limpias” alcanzan un valor de uso agrícola, sin riesgos para la salud humana.

El protocolo de Kioto referente a la emisión de gases con efecto de invernadero GEI: CO₂, CH4, óxido nitroso N₂O, HS, SO₂, NH3, ácidos grasos volátiles, Hidrofluorocarbonos HFXs, perfluorocarbones PFCs, hexafluoruro de azufre SF. El que menos preocupa para el calentamiento atmosférico es el CO₂ que tiene una equivalencia de 1CO₂ eq., comparado con el CH4 que son 28 kg CO₂ eq/kg de metano, con una vida de 12 años en el aire, pero aun estando en la zona troposférica se convierte en ozono O3 y el N₂O tiene un coeficiente de 265CO₂ eq por cada kilo de óxido nitroso. Saynes 2016. Si bien el conocimiento de la ciencia, investigación, estudios académicos van avanzando en precisar las reacciones bioquímicas, metabólicas, fisiológicas del cultivo y proceso para minimizar la contaminación, hacen que los programas computacionales para reportar los valores de bióxido de carbono equivalente tengan que ser modificados y actualizados. Su precisión se da en valores transformados a unidades GWP100 potencial a cien años, ahora las unidades métricas se usa el método en GWP con 20 años.

Hay dos formas de medir la cantidad de gases con efecto de invernadero emitidos a la atmósfera por su valor en unidades de bióxido de carbono CO₂ equivalentes y la durabilidad persistente a través de los años generando calor GWP-100. Cada molécula de gas en el aire tiene la capacidad de refractar la luz solar contribuyendo al calentamiento global CO₂ 56%, CFCs 13%, ozono O3 7%, N₂O 6% y CH4 18%. Cámaras de biorreactores anaeróbicos para generar combustible de CH4.

No se puede evitar la producción de metano, pero sí controlar los gases efecto invernadero GEI. El cálculo de la huella de carbono debe incluir los Kg de CO₂ eq por año, por cerdo y por Kg de cerdo vendido. El Programa Mexicano del Carbono PMC resalta que para las actividades agrícolas destacan en los GEI CH4 con 52%, óxido nitroso N₂O 44% y CO₂ 4% por lo que se deben controlar.

Las dimensiones de una laguna de biodigestión anaeróbica pueden medir de largo entre 20-150 metros y ancho 10 a 150 metros, con una profundidad de 1 a 5 metros.

Achinas 2020 menciona que el biogás crudo producido puede ser filtrado del 2% de impurezas como vapor, hidrógeno H₂, nitrógeno N₂, ácido sulfhídrico H₂S (sulfuro de hidrógeno), monóxido de carbono CO, gas de sílice, halocarbonos, gases fluorados (perfluorocarbono PFCs, hidrofluorocarbono HFCs, hexafluoruro de azufre SF6), clorofluorocarburos HCFC, más removiendo el bióxido de carbono CO₂ que incluye 28% del biogás; para constituir un biogás o biometano limpio renovable denominado dulce con más del 95% de CH4 y mejorar la eficiencia de combustión del generador eléctrico. Colocar una trampa con viruta fina de hierro para que las moléculas de H₂S reaccionen con el Fe, dejando pasar el resto del biogás. Un tamiz molecular de zeolita Silicoaluminiofosfato separa CO₂ del metano. Resultando un biogás de calidad y los fertilizantes sostenibles muy amigables con el ambiente. Por señalar un tipo de filtro, los gases ácido sulfhídrico H₂S y el metil siloxano (CH4OSi)n para removerlos previamente del biogás hay que oxidarlos con la reducción de nitrato NO3- y nitrito NO₂-. Con un filtro adicional el bióxido de azufre SO₂, óxido nítrico NOx (NO, NO₂, NO3-). Hay otros gases contaminantes del aire que respiramos que son medibles; compuestos orgánicos totales COT, monóxido de carbono CO, partículas menores a 10 micras PM10 y menores PM2.5µ.

Otra manera es colocar una trampa de N amoniaco que mediante proceso biológico forme sulfato de amonio o N de nitrato el cual se puede comercializar como fertilizante y así se elimina N de los efluentes. Una realidad en Sioux Falls, Dakota del Sur. Ganar, ganar; filtrar y vender un fertilizante.

La producción de gas metano en granjas porcinas es favorecido por la inclusión mezclada de varios sustratos de productos en codigestión, principalmente si mejoran la estabilidad de la relación carbono:nitrógeno C:N de la que carecen las excretas porcinas. La relación óptima de la fermentación es de 15-40C:1N, pero las excretas de animales domésticos tienen rango de 2 10C:1N, por ello en la baja eficiencia de un sistema simple que requiere diseño del biorreactor eficiente. Por señalar un valor comparativo la paja de trigo es de 80C:1N. Weber 2012 indica que el crecimiento poblacional de la microflora va utilizando el carbono, disminuyendo paulatinamente la cantidad disponible de C y concentrando el N propio como abono agrícola. La relación carbono, fósforo y azufre C:P:S adecuada es 500-1000C: 5P: 3S. Al igual que los cultivos, para su multiplicación los microorganismos utilizan elementos esenciales nutritivos Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, tungsteno W, Mo. Hay minerales inhibidores del crecimiento Cu, Ni, Zn, Cd, Cr, Pb. El níquel es un componente de la estructura celular, funciona en la coenzima de todas las bacterias metanógenas, interviene en la transferencia de electrones y actúa en varias enzimas.

Para balancear la relación carbono: nitrógeno se facilita agregando sobrantes agroindustriales de empaques de frutas, tubérculos y hortalizas; bagazo de cervecería, vid, agaves y jugos; desechos de rastros, lácteos, boñigas, junto a desechos o quimio del aparato digestivo de otras especies animales; salvados de harina, arroz y maíz; residuos del ingenio azucarera, aceite de palma; proceso de yuca Cassava; sustratos lignocelulósicos aserrín, cascarilla de arroz y pajas como sustratos absorbentes de cama profunda en la cría de animales; otros que aportan más carbono que nitrógeno al medio desbalanceado de cultivo, tomando en cuenta que la lignina y biopolímeros derivados de la hemicelulosa y celulosa son pobremente biodegradables; lodos municipales, etc. indicado que la diversidad del inóculo mejora el proceso fermentativo del biorreactor, pero también altera las poblaciones que producen CH4. Un estudio asume que la celulosa produce más metano que la hemicelulosa, sin embargo, la hemicelulosa es degradada rápidamente. Las moléculas de celulosa y hemicelulosa están rodeadas de lignina, lo cual no facilita la digestión bacteriana. Solo el 40% de estas moléculas se descompone en biogás.

Todo es parte de un modelo regenerativo incluyente que mediante estrategias gerenciales distribuye los beneficios de las empresas para aumentar la productividad mediate la motivación del personal, en un todo de vinculación con cimentaciones sociales dentro y fuera de la unidad de producción con enfoque sostenible. Económicamente se explica con la figura de las donas.