Producción de biogás

Diseño de biodigestores de la planta piloto

Introducción

Existe un sinnúmero de artículos de difusión de la biodigestión de residuos orgánicos para la producción de biogás, de manera que puede ser inoficioso iniciar una explicación desde cero. Esta sección descriptiva se basa en materiales educativos del equipo profesional del Proyecto, además de documentación disponible en internet (Con modificaciones, de [1]).

Características del residuo orgánico a tratar

La biodigestión para producción de biogás es una de las tecnologías exitosas de conversión de desechos en energía (Waste to Energy). Normalmente estos desechos se clasifican en tipos, porque la velocidad con que se obtiene el biogás cambia según sea el residuo. Las bacterias (y la biomasa en general) se construyen a sí mismas a partir de su alimentación (o sustrato) y su respiración (oxígeno disuelto, O₂). Una mirada a la estructura molecular global de las bacterias de la metanogénesis se encuentra en un estudio reportado por Rittman y McCarty [2], quienes obtuvieron las fórmulas empíricas de la Tabla 1.

Naturalmente, entonces, el residuo a utilizar deberá proveer los compuestos del caso (C, H, O, N y otros) en las proporciones adecuadas; especialmente, se utiliza la regla de relación de que la masa molar de carbono debe ser unas 5 veces la masa molar de nitrógeno. Si esta relación molar se lleva a masa de compuestos que aportan C y N se llega a la regla empírica de que el contenido de carbono orgánico total (TOC) debe ser una 30 veces el nitrógeno orgánico total (NKT).

En este proyecto, se consumirán los residuos de servicios de comida de clientes de restaurantes del Valle Las Trancas. Los residuos de comida contienen carbohidratos, lípidos y proteínas, (ver la Tabla 2 tomada de Varnero [3]) en lo principal. De estos, sólo las proteínas contienen nitrógeno y podrán aportar a las fuentes necesarias para el crecimiento de las bacterias; sin embargo, es importante destacar que existen otras fuentes de nitrógeno en los alimentos, pero, aun así, es posible que sea necesario suplementarlo en la operación.

Es a partir de las moléculas presentes en el desecho que es posible obtener el gas metano, además de las propias células presentes en el biodigestor. Las reacciones de síntesis de metano ocurren después de varias otras reacciones, previas, según se describe más adelante.

En cuanto a la composición de los residuos en este proyecto, una aproximación posible es asemejarlos a los orgánicos comunes de la basura domiciliaria, entendiendo que habrá menos papel y cartón que en la basura común. Un estudio de residuos urbanos arrojó la composición sintetizada en la Tabla 3 [4], donde se observa que la relación de carbón a nitrógeno es (ver línea 8) de 1 a 0,0346, es decir, 1 nitrógeno por cada 29 Carbonos; esta relación sería muy adecuada para producción de biogás, pero en los residuos a procesar desde Las Trancas podría haber menos carbono, por la disminución de contenido de papeles y cartones (en cuyo caso se deberá suplementar con una fuente de Carbono de bajo costo).

Biogás

El biogás es un combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos y otros factores, en ausencia de oxígeno (esto es, en un ambiente anaeróbico). El biogás se obtiene de desperdicios orgánicos, puesto que en ellos se produce una biodegradación, o putrefacción, de residuos vegetales.

La producción de biogás, por descomposición anaeróbica, es un modo útil de tratar residuos biodegradables, ya que produce un combustible valioso, además de generar un efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o fertilizante orgánico [5].

El resultado es una mezcla constituida por metano (CH₄) en una proporción que oscila entre un 50% y un 70% en volumen, y dióxido de carbono (CO₂), además de pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno (H₂), nitrógeno (N₂), eventuales trazas de oxígeno (O₂) y ácido sulfhídrico (H₂S, también llamado sulfuro de hidrógeno). El biogás tiene un poder calorífico promedio entre 18,8 y 23,4 megajulios por metro cúbico (MJ/m³), según sea la cantidad de Metano (40,74 MJ/m3) en el biogás del caso.

Este gas, adecuadamente depurado, se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o plantas generadoras a gas, y también para producir calor en hornos, estufas, secadores, calderas, calefacción u otros sistemas debidamente adaptados.

Composición y características del biogás

La composición química del biogás depende primordialmente de dos factores: los materiales sometidos a digestión y la tecnología utilizada. Teniendo eso en cuenta, el biogás puede contener, tal como se dijo anteriormente, entre 55 - 70% de metano, 30 - 45% de dióxido de carbono y < 5% trazas de otros gases (consideradas impurezas, como ácido sulfhídrico).

Entre sus características, el biogás posee un poder calorífico entre 6 - 6,5 kWh/Nm³, su equivalente en combustible es de 0,6 - 0,65 L de petróleo por metro cúbico de biogás. Temperatura de ignición de 650 a 750°C. Presión crítica de 74 a 88 atmósferas. Temperatura crítica de -82,5°C. Densidad 1,2 kg/m³. Masa molar de 16,043 g/mol.

El biogás producido, habitualmente acarrea gas sulfhídrico, H₂S, producido por bacterias anaerobias reductoras de sulfato, que son parte habitual de los consorcios bacterianos anaerobios. Este gas será retirado mediante la producción de sulfuro de hierro, para evitar pestilencias, producción de anhidrido sulfuros en su combustión y corrosión grave de los metales del motor de los generadores. Similarmente, el biogás sale del digestor en condiciones de sobresaturación con agua (el digestor puede estar más caliente que el ambiente de la planta) y ésta debe ser retirada para evitar la reducción de poder calorífico del gas. Así, se encontrarán dos operaciones de limpieza del biogás: secado y desulfuración.

Etapas de la producción de biogás

El proceso de producción de biogás mediante digestión anaerobia de materia orgánica se divide en cuatro etapas. Así lo han demostrado estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta la actualidad. Ver la Figura 4.

Nota: Tomado de https://www.cyted.org/sites/default/files/produccion_de_biometano_cartif.pdf 3/11/2022

Etapa I: Hidrólisis

Para iniciar el proceso de descomposición anaeróbica es necesario que los compuestos orgánicos de gran tamaño (fibras vegetales, celulosas, aceites, grasas, proteínas, etc.) puedan atravesar la pared celular y así ser procesados al interior de cada célula. Los microorganismos hidrolíticos producen enzimas extracelulares capaces de convertir la materia orgánica polimérica en compuestos orgánicos pequeños, que pueden ser transportados al interior de las células que realizan las etapas posteriores de la digestión. Esta etapa es determinante en la velocidad global del proceso de producción de biogás y puede verse afectada por factores como: la temperatura, el pH, el tamaño de las partículas, la composición bioquímica del sustrato, entre otros.

Etapa II: Acidogénesis

Las moléculas orgánicas solubles reaccionan generando compuestos que pueden ser aprovechados por las bacterias metanogénicas: (i) acético, fórmico e hidrógeno, (ii) otros en estado más reducido como los ácidos valérico, propiónico, láctico y otros ácidos orgánicos; y (iii) ciertos productos de fermentación que no pueden ser aprovechados por las bacterias metanogénicas, como el etanol, los ácidos grasos, y diversos compuestos aromáticos. Durante la acidogénesis, se elimina cualquier traza de oxígeno presente en el biodigestor.

Etapa III Acetogénesis

Las bacterias acetogénicas consumen los compuestos (ya mencionados) que no pueden ser metabolizados por las bacterias metanogénicas (etanol, ácidos grasos, y compuestos aromáticos) y los transforman en compuestos más simples como acetato e hidrógeno. Una fracción de las bacterias acetogénicas, denominadas homoacetogénicas, solo son capaces de producir acetato y pueden ser empleados para mantener bajas presiones parciales de gas hidrógeno (porque no lo producen), si el proceso así lo requiriese.

Etapa IV: Metanogénesis

Las bacterias metanogénicas actúan sobre los productos de las etapas anteriores y completan el proceso de descomposición anaeróbica mediante la producción de metano. Se ha demostrado que el 70% del metano producido en biodigestor es resultado de la descarbolixación del ácido acético, debido a que pocos géneros de bacterias metanogénicas pueden usar el acetato.

Biodigestor

Un biodigestor es un sistema natural o artificial que aloja o contiene, los compuestos y las bacterias asociadas a la producción de biogás por digestión anaerobia (es decir, está sellado al ambiente, para evitar el acceso del oxígeno atmosférico). Los residuos orgánicos cargados o ingresados al digestor son transformados biológicamente, en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, y -en grandes instalaciones- se puede utilizar para generación eléctrica o, alternativamente, se puede producir energía térmica utilizando una caldera. El digestato (la fracción líquida y sólida que sale de los digestores, una vez agotada su capacidad de generación de biogás) se utiliza como un fertilizante natural que mejora mucho el rendimiento de las cosechas.

Las entradas, salidas y usos de las distintas líneas de una Planta de biogás se han resumido en la Figura 5.

Nota: Tomado de https://www.redagricola.com/cl/lo-basico-entender-biogas/ 3/11/2022

Se observa que, dada una entrada de materia orgánica, se obtiene biogás y digestato. El biogás se utiliza como fuente de energía y el digestato como fertilizante orgánico.

En la figura anterior se utiliza la configuración de 2 digestores en serie, que permite especializar la biomasa de cada uno, de modo que la etapa de metanogénesis se produce en el segundo rector.

Los usos presupuestados para la fracción sólida del digestato, son del tipo abono para vegetales, forestación, huertas familiares, autoproducción de alimentos u otras actividades agrícolas similares. El digestato es un buen abono que reemplaza con beneficios, los nutrientes sintéticos.

Referencias:

1. [1] https://es.wikipedia.org/wiki/Biog%C3%A1s
2. [2] B. Rittmann, P. McCarty, Environmental Biotechnology: Principles and Applications, McGraw-Hill, 2001
3. [3] Varnero, M.T. 1991. Manual de Reciclaje Orgánico y Biogás. Ministerio de Agricultura (FIA) – Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, Santiago, Chile, 48p.
4. [4] N. D. Montiel-Bohórquez y Juan F. Pérez, Generación de Energía a partir de Residuos Sólidos Urbanos. Estrategias Termodinámicas para Optimizar el Desempeño de Centrales Térmicas, 2019. Ver https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642019000100273
5. [5] https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-34292020000300087&lng=es&nrm=iso&tlng=es