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). 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