En 2024, el cambio global hacia las energías renovables se ha intensificado y el biogás ha emergido como un actor clave en las soluciones energéticas sostenibles.
Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), Se proyecta que la producción de biogás crecerá un 40% para 2030, impulsado por los avances en la tecnología de digestión anaeróbica y la creciente demanda de energía limpia.
India, uno de los mayores productores de residuos orgánicos, se ha centrado en el biogás como una solución energética descentralizada, con iniciativas gubernamentales como el programa Alternativa Sostenible hacia un Transporte Asequible (SATAT) que promueve la producción de biogás comprimido (CBG).
A medida que las preocupaciones sobre la gestión de residuos y la seguridad energética continúan aumentando, aprovechar la energía proveniente de la descomposición de materia orgánica presenta una solución poderosa.
La energía no se crea ni se destruye; se transforma de una forma de energía a otra.
Todo el mundo conoce bien esta ley de la termodinámica.
Esto da lugar a una serie de preguntas sobre qué sucede con la materia orgánica cuando se descompone.
¿Qué se puede hacer para aprovechar la energía que se crea debido a la descomposición de la materia orgánica?
En pocas palabras, la producción de energía a partir de la descomposición de materia orgánica es el resultado ideal que puede esperarse de cualquier estrategia de aprovechamiento óptimo de los residuos.
Cuando un material orgánico sufre descomposición, sigue vías de digestión aeróbica o anaeróbica, dependiendo de la disponibilidad de aire y de las condiciones ambientales.
Aeróbico significa en presencia de oxígeno y anaeróbico significa sin oxígeno.
Al ser dos tipos de procesos completamente diferentes, ambos procesos de digestión son llevados a cabo por diferentes conjuntos de bacterias y dan como resultado productos finales diferentes.
La energía liberada durante la biodegradación de los residuos orgánicos se puede aprovechar y transformar en un producto útil.
La digestión aeróbica controlada de materia orgánica puede proporcionarnos un fertilizante rico en nutrientes conocido como compost.
Del mismo modo, el El proceso de digestión anaeróbica puede conducir a la producción de biogás., que puede ser una fuente de energía extremadamente útil dirigida a una gran variedad de aplicaciones.
El proceso natural de digestión anaeróbica ocurre en los estómagos de los rumiantes o de los pantanos.
En un proceso anaeróbico, los microorganismos degradan la materia orgánica para producir biogás, que es una mezcla de metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), nitrógeno (N2) y vapor de agua.
De todos los productos finales obtenidos de la digestión anaeróbica, el metano es el gas más interesante debido a sus características.
El metano generado a partir del biogás es combustible y puede utilizarse como fuente de energía.
El proceso de producción de biogás es un proceso de varios pasos llevado a cabo por un conjunto diferente de bacterias en cada paso.
El material orgánico experimenta una cadena de pasos de degradación, a saber, hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.
Al final de esta cadena de procesos, el La materia orgánica se convierte en metano y otros productos finales, y este proceso se conoce como producción de biogás..
El material orgánico añadido a los digestores anaeróbicos es un polímero complejo por naturaleza.
El proceso de hidrólisis esencialmente descompone la macromolécula orgánica en compuestos más pequeños.
Las bacterias hidrolíticas secretan enzimas como amilasa, celulosa, proteasa y lipasa que descomponen los carbohidratos en azúcares simples como monosacáridos y disacáridos, y las proteínas se convierten en aminoácidos, mientras que los lípidos se convierten en diferentes cadenas de ácidos grasos.
El El pH óptimo para la hidrólisis es de 6 a 7 y el rango de temperatura es de 30 a 50 °C..
Este es el primer paso hacia la producción de biogás y es fundamental porque cuanto mayor sea la descomposición de materia compleja, más sustrato disponible habrá para la producción de biogás.
La etapa de hidrólisis proporciona compuestos moleculares pequeños como producto final que pueden pasar a través de la membrana celular de las bacterias acidogénicas.
Las bacterias acidogénicas convierten los compuestos precursores en compuestos intermediarios conocidos como ácidos grasos volátiles (AGV), alcoholes como el metanol, el etanol y los aldehídos, y CO2.
Los VFA se componen de ácidos orgánicos como acetatos y ácidos orgánicos más grandes como propionato, butirato y pentanoato en proporciones variables.
El acetato se utiliza directamente como sustrato para la metanogénesis, pero esto no ocurre con los ácidos orgánicos superiores.
La acetogénesis es un proceso mediante el cual los ácidos orgánicos superiores, como el propionato y el butirato, son convertidos en acetato e hidrógeno por bacterias acetoclásticas.
A partir del proceso de acetogénesis, la La producción de acetatos es de alrededor del 25%, mientras que la de hidrógeno es de alrededor del 11%..
La metanogénesis es el paso final de la digestión anaeróbica.
Las bacterias metanogénicas convierten los intermedios de los pasos anteriores, como acetatos, hidrógeno, metanol y metilamina, en metano y H2O.
El acetato es consumido por los metanógenos acetoclásticos y convertido en metano.
Otro conjunto de metanógenos hidrogenotróficos reduce el CO2 utilizando hidrógeno para producir metano durante la etapa de acetogénesis y convertirlo en metano.
El proceso de metanogénesis ocurre a un pH más alto. 2/3 del metano producido se genera a través de metanogénesis acetoclástica, mientras que 1/3 se genera a través de metanogénesis hidrogenotrófica.
El proceso de hidrólisis lo realiza un grupo de bacterias anaeróbicas, como Streptococcus y Enterobacterium, también conocidas como bacterias fermentativas..
Secretan enzimas extracelulares, que quedan adsorbidas en los desechos sometidos a digestión.
Los desechos hidrolizados se convierten aún más en ácidos orgánicos por géneros de bacterias como Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, o Flavobacterium.
Dependiendo de la diversa población de microorganismos, la proceso de acidogénesis puede llevarse a cabo mediante un proceso hidrogenado, donde los productos finales directos son acetatos, hidrógeno y CO2, o mediante un proceso deshidrogenado, donde los desechos se convierten en ácidos orgánicos superiores.
Otra función de las bacterias acidogénicas facultativas es crear un ambiente de trabajo para los anaerobios obligados en los procesos siguientes.
Los anaerobios facultativos utilizan cualquier oxígeno presente en el digestor, creando una condición anaeróbica completa.
El proceso de acetogénesis lo realizan los géneros Syntrophomonas y Syntrophobacter, que convierten el butirato y el propionato en acetato e hidrógeno, y algunas bacterias como Methanobacterium suboxydans convierten el ácido pentanoico en ácido propiónico, mientras que Methanobacterium propionicum convierte el ácido propiónico en acetato.
El hidrógeno liberado como resultado de la acetogénesis inhibe a las bacterias acetogénicas; en tal caso, las bacterias hidrogenotróficas trabajan simbióticamente para convertir el hidrógeno liberado en metano, y este proceso también se denomina sintrofia.
El paso final de la metanogénesis también lo llevan a cabo dos grupos diferentes de bacterias, dependiendo del sustrato utilizado para la generación de metano.
Las bacterias acetotróficas, como Methanosarcina y Methanosaeta, son los géneros más comunes de bacterias acetotróficas que convierten el metano a partir del acetato, mientras que los géneros Methanobacteriaceae y Methanoculleus son bacterias hidrogenotróficas comunes que utilizan el hidrógeno como intermediario para la generación de metano.
En general, la digestión anaeróbica es un proceso sensible, por lo que se debe utilizar un tipo específico de material.
Los alimentos que se utilizan para el consumo humano y animal, o sus subproductos, pueden emplearse como materia prima para la producción de biogás.
Para decidir la materia prima para la producción de biogás, es necesario considerar el contenido de agua, los sólidos totales y los sólidos volátiles de esa materia prima.
Cualquier material tendrá agua y materia seca.
La materia seca se clasifica además como contenido sólido total, que es la masa total de sólidos, y sólidos volátiles, que es la cantidad total de material orgánico degradable.
Se recomienda utilizar material con alto contenido de sólidos volátiles.
Los subproductos alimentarios se pueden utilizar como materia prima para la producción de biogás., que se pueden conseguir fácilmente a bajo coste a partir de desechos de mercados, de procesamiento de alimentos y de restaurantes.
Los subproductos alimentarios pueden degradarse fácilmente.
Es aconsejable utilizar una fuente constante de suministro de alimentos para la producción de biogás, a fin de tener un material consistente como materia prima.
El estiércol es alimento no digerido para animales, con agua y lecho adicionales. Además, es una buena fuente de microorganismos.
El estiércol de ganado es el más preferido, mientras que el estiércol de cerdos y aves de corral contiene un alto contenido de nitrógeno; por lo tanto, puede provocar un bajo Relación C: N del sistema de reacción.
El estiércol fresco funciona mejor para la digestión anaeróbica.
La adición de cultivos energéticos como materia prima secundaria puede incrementar la producción de biogás.
Los cultivos energéticos incluyen pastos, ensilaje de maíz y heno.
Los cultivos energéticos normalmente deben comprarse en el mercado, por lo que la producción de energía debería cubrir el costo de las materias primas.
Un digestor anaeróbico es una unidad de procesamiento donde el material orgánico se digiere anaeróbicamente en condiciones controladas para ayudar a la formación de digestato y la producción de biogás.
Un digestor anaeróbico es una estructura cerrada y hermética.
Cuenta con una tubería de entrada para asegurar la adición de materia prima al digestor.
El tubo de entrada llega al digestor. El digestor es donde se lleva a cabo toda la digestión anaeróbica.
El volumen del digestor se divide para mantener la cantidad necesaria de pulpa y espacio libre para la acumulación de gas durante la producción de biogás.
En la parte superior del digestor, hay una tubería de gas con una válvula para controlar la salida de gas una vez que comienza la producción de biogás.
Hay un área de salida y un área de desbordamiento que acomoda el exceso de lodo y permite que se desborde cuando sea necesario.
El parámetro operativo más comúnmente utilizado para la digestión anaeróbica y la producción de biogás es un sistema continuo de una etapa que funciona en condiciones mesófilas, donde los desechos húmedos se prefieren idealmente como materia prima.
Considerando estos parámetros y dependiendo de la escalabilidad, las tecnologías ideales para la producción de biogás son el reactor de cúpula fija, el reactor de tambor flotante y el reactor tipo globo.
Un digestor de cúpula fija es un sistema cerrado construido con ladrillos y cemento.
El área del digestor está construida bajo tierra, y la entrada, la válvula controladora de gas y la salida están situadas por encima del suelo.
Este tipo de digestor tiene una vida útil comparativamente larga entre los reactores utilizados para la producción de biogás.
La construcción subterránea ahorra espacio y anula las fluctuaciones de temperatura que ocurren en el exterior.
Un tambor flotante funciona con un principio similar al de un domo fijo, pero la principal diferencia es que el tanque digestor se construye bajo tierra, mientras que el tambor acumulador de gas flota sobre el suelo.
El tambor se mueve hacia arriba a medida que aumenta la presión del gas durante la producción de biogás, y cuando el gas se consume, baja debido a su propio peso flotando en una camisa de agua o en una suspensión.
Los tambores que contienen gas pueden construirse utilizando metal, plástico o fibra de vidrio.
Se trata de un digestor de biogás de bajo coste utilizado para la producción de biogás que parece un globo tubular hecho de plástico o caucho.
La parte inferior del digestor se coloca debajo del suelo en un área similar a un pozo.
La entrada y la salida están hechas del mismo material y están unidas al globo.
Si bien es una solución rentable, tiene una vida útil más corta y es susceptible a daños mecánicos.
Una gran infraestructura por sí sola no es suficiente para garantizar una producción satisfactoria de metano.
Al ser un sistema complejo, se deben mantener varios parámetros de principio a fin para obtener una buena producción de biogás.
Una fracción de residuos orgánicos de la materia prima debe tener un alto contenido de sólidos volátiles.
El tamaño de partícula de la materia prima debe ser muy pequeño, alrededor de 2 cm..
Se puede utilizar una trituradora para obtener una materia prima de tamaño uniforme, ya que una gran superficie mejora la degradación rápida.
Estos microorganismos llevan a cabo el proceso de producción de biogás.
La adición de estiércol de vaca en suspensión, junto con consorcios microbianos especializados, ayuda a producir biogás de manera eficiente.
A Un mínimo del 10 al 15 % del volumen del reactor de estiércol de vaca es esencial para iniciar el proceso de producción de biogás..
El microorganismo mesófilo tarda más tiempo en ponerse en funcionamiento en comparación con los microbios termófilos.
La cantidad y la pureza del metano producido en la producción de biogás dependen de la relación C: N del material de entrada.
La relación C: N óptima para la producción de biogás es 30:1.
Es decir, por cada 30 unidades consumidas por las bacterias, se requiere 1 unidad de nitrógeno como fuente de alimento.
Una proporción correcta de carbono y nitrógeno puede proporcionar una producción óptima de biogás mediante digestión anaeróbica.
La tasa de carga orgánica significa la masa de sustrato que se agregará por día., dependiendo del volumen del reactor, para garantizar una producción optimizada de biogás.
El OLR se mide como kilogramo de sólidos volátiles totales por metro cúbico por día.
Un OLR ideal para un reactor de tanque sin agitación es <2 kg VS/m3 por día, mientras que un reactor de tanque agitado requiere alrededor de 4 – 7 kg VS/m3 por día.
El rango de temperatura favorable para las bacterias mesófilas está entre 30 – 40 °C, y para las bacterias termófilas, entre 45 – 60 °C.
La temperatura inferior a 15 °C ralentiza el proceso. Se sabe que la producción de biogás se ve obstaculizada en climas más fríos.
El La temperatura óptima para la producción de biogás es neutra, es decir, de 6.5 a 7.6.
El proceso de acidogénesis reduce el pH a un nivel ácido.
A un valor de pH de 7 a 7.5, el CO2 en la fase gaseosa proporciona la alcalinidad necesaria para amortiguar el cambio de pH causado por los AGV.
En caso de carga de choque de pH por acidogénesis, se debe reducir el OLR o la adición de cal o hidróxido de sodio puede elevar el pH a la normalidad.
El pH del sistema es el parámetro más crítico para la producción óptima de biogás.
El tiempo que el material permanece en el reactor depende del tamaño del reactor y de la tasa de degradación.
Un proceso de reacción mesófila suele tardar entre 10 y 40 días, mientras que un proceso termófilo tarda alrededor de 10 a 25 días.
La producción de biogás puede parecer simplemente un proceso en el que los materiales orgánicos pueden convertirse en metano que puede usarse como fuente de combustible, pero el proceso de producción de biogás tiene un mayor impacto ambiental y financiero.
En conclusión, la producción de biogás puede convertir el costo de la gestión de residuos sólidos biológicos en una oportunidad de generación de ingresos para los países.
La producción de biogás puede dar lugar a alternativas para la calefacción, el combustible para el transporte y la generación de electricidad y, por tanto, puede reducir la generación de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles, además de crear puestos de trabajo en economías cada vez más volátiles de todo el mundo.
No sólo eso, el digestato creado como resultado de la producción de biogás se puede utilizar como alternativa a los insumos químicos utilizados para fertirrigar el suelo en la agricultura.
Considerando sus múltiples ventajas, la producción de biogás es la clave para un futuro más verde y mejor.
