Producción de Biogás a partir de un biodigestor usando vegetales como sustrato

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Producción de Biogás a partir de un biodigestor

usando vegetales como sustrato

Viernes 12 de Junio de 2015

1. Introducción

El uso de los biodigestores se remonta a muchos años atrás, fue en el siglo XVIII cuando se detectó la presencia de gas metano en la descomposición del biogás, y  posteriormente en el siglo XIX, L. Pasteur mediante un experimento demostró la factibilidad de aprovechar la capacidad de combustión del metano con fines energéticos. Se sabe que a fines del siglo XIX  en varias ciudades de Europa, India y Estados Unidos se instalaron plantas para el tratamiento de aguas negras, en donde los sedimentos de alcantarillado eran sometidos a digestión anaeróbica. El gas producido se utilizó para el alumbrado público o como parte del combustible necesario para operar la planta (Matton, s.f.)

En los  años 50 se construyeron varias plantas agrícolas de biogás en Alemania. Sin embargo, durante las tres décadas siguientes no se extendió esta tecnología (PROSAP, s.f.). En la actualidad, el número de plantas de biogás se encuentra en constante crecimiento como parte de una solución alternativa tanto para disminuir el impacto de gases producidos por el desmesurado uso de combustibles fósiles como para cubrir la excesiva demanda de energía usada por todos los seres humanos (Barroso, P., 1992).

Para producir biogás es necesario utilizar un biodigestor, el cual está compuesto por fosas especiales en las cuales se produce gas metano al convertir la materia prima en subproductos aprovechables. El principio básico de funcionamiento es el mismo que tienen todos los animales, descomponer los alimentos en compuestos más simples para su absorción mediante bacterias alojadas en el intestino con condiciones controladas de humedad, temperatura y niveles de acidez (Energía, s.f.). El gas metano que se produce en los biodigestores se puede utilizar para cocinar  o para el alumbrado.

1. Descripción de la problemática

Hoy en día enfrentamos las consecuencias del mal uso que se le ha dado a lo largo de los años a las fuentes energéticas, este uso desmedido se ve reflejado en la volatilidad de los precios y el creciente interés en la búsqueda de energías alternativas que se ve impulsada por programas gubernamentales y de instituciones que apoyan a la comunidad científica, como estudiantes de agronomía y biotecnología vemos la clara necesidad de tomar partido en esta problemática poniendo en práctica los conocimientos adquiridos durante la vida estudiantil. Es por eso que hemos decidido realizar como proyecto un sistema de biodigestores utilizando como materia prima vegetales y frutas que forman parte del desperdicio de mercados partiendo con el diseño de un prototipo rentable que permita aminorar costos en la mayor medida posible, esto con la finalidad de optimizar y aprovechar al máximo los recursos con los que contamos.

Nuestro proyecto consiste en el aprovechamiento de residuos orgánicos de verduras de los mercados de abastos en Guanajuato, específicamente en la ciudad de Salamanca; por residuos orgánicos se refiere a verduras golpeadas o que apenas empiezan su proceso de descomposición, ya que al estar en medio o terminando su proceso de descomposición ya habrá liberado el biogás que se desea obtener, estos residuos son desechados debido al uso de fechas de vencimiento innecesariamente estrictas, la política de los supermercados de "compre uno, lleve dos" y la exigencia de los consumidores en los países europeos y Estados Unidos por alimentos cosméticamente perfectos.  

“El biogás puede introducirse en las redes de gas natural tras un tratamiento muy costoso y completo del gas para cumplir con las normas de calidad del gas independiente. Otra opción consiste en alimentar con biogás una red independiente utilizando como combustible suplementario una mezcla controlada de gas natural y aire. El biogás también puede comprimirse y utilizarse como combustible para el transporte público (autobuses)”  (Centro temático Europeo de residuos, 2005).

En México semanalmente se tira una gran cantidad de productos vegetales como se muestra en la gráfica 1, los kilos representados, son los que una familia estándar podría recibir en una semana si los mismos no fueran desperdiciados o desechados.

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1. Descripción de la innovación tecnológica

La digestión anaerobia se reduce específicamente en tres etapas: hidrólisis y fermentación, acetogénesis y metanogénesis. Sin embargo, en este trabajo se explicará cada una de las operaciones necesarias para llevar a cabo tal proceso (operaciones unitarias) involucradas en la producción de biogás. Primeramente, se llevará a cabo la recolección de los vegetales a utilizar, la cual provendrá de los mercados locales; una vez recolectada, será separada de acuerdo a la combinación previamente mencionada y macerada, puesto que es necesario que ésta se encuentre en pequeños trocitos para el correcto funcionamiento de los biodigestores. Además, para acelerar la reacción que se llevará a cabo en los biodigestores, se le adicionará estiércol de res, la cual será mezclada con los vegetales ya mencionados, obteniendo de tal forma la materia prima. Seguidamente, ésta será colocada en los biodigestores para iniciar el proceso de producción de biogás (Alexander, M., 1999).

En la primera etapa de este proceso, la materia orgánica sólida tales como la celulosa, hemicelulosa, pectina y lignina, es hidrolizada mediante enzimas extracelulares de las bacterias fermentativas, obteniendo como resultado una amplia variedad de compuestos que incluyen hexosas, aminoácidos, ácidos grasos, entre otros (acidogénesis) (Vereda, C., Gómez, C. & cols., 2006).

Posteriormente, en la acetanogénesis, los componentes orgánicos solubles y las moléculas ya hidrolizadas anteriormente, son degradados gracias a la interacción de bacterias fermentativas y acetogénicas provocando que queden compuestos extremadamente simples como ácidos orgánicos, alcoholes, acetato, formiato, CO2 y pequeñísimas cantidades de H2, los cuales servirán como sustrato para la próxima etapa que será la metanogénesis. La producción de ácido acético se da a través de la oxidación de ácidos grasos de cadena corta o alcoholes, o a través de la reducción del CO2, usando hidrógeno como donador de electrones para la reacción (Almeida A, Nafarrete-Rivera & Cols, et al., 2011).

Así pues, finalmente en la última etapa, los metanógenos (microorganismos estrictamente anaerobios, pertenecientes al domino de las arqueas) realizan el proceso de metanogénesis. La metanogénesis, también llamada biometanización, es el proceso biológico por el cual se obtiene metano (CH4) debido a la reducción de carbonos orgánicos simples y dióxido de carbono (CO2), utilizando hidrógeno gaseoso (H2) como aceptor de electrones (Agencia Andaluza de la energía, 2011).

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La biometanización se produce en dos reacciones totalmente diferenciadas por las arqueobacterias metanogénicas: 1) metanogénicas acetoclásticas (70% del total) que transforman el acetato en metano y 2) las metanogénicas hidrogenófilas (30% del total) que convierten el hidrógeno molecular y el dióxido de carbono en metano. No obstante, en el proceso completo se produce un sintrofismo, es decir, se produce la dependencia de dos o más diferentes tipos de microorganismos que unen sus capacidades de tipo metabólico para catabolizar un sustrato que no puede ser catabolizado por alguno de estos microorganismos de forma independiente (Agencia Andaluza de la energía, 2011).

En la metanogénesis, el CO2 es activado por la enzima que contiene metanofurano (MF) y reducido a formilo, luego éste se transfiere a la enzima que tiene metanopterina (MP), aquí se produce una molécula de agua y lo reduce a metileno, posteriormente lo vuelve a reducir a metilo. El grupo metilo es transferido a la enzima CoM (coenzima M) para formar metil-CoM y reducirse finalmente a metano  por la acción del complejo enzimático metil-reductasa donde participan activamente F420 (coenzima F420) y CoB (coenzima B). La F420 quita el CH3 del CH3-CoM y forma el complejo Ni2+ -CH3 que es reducido por los electrones aportados por el complejo unido por puentes disulfuro CoM-S-S-CoB. La enzima que contiene F420 genera una fuerza motriz protónica capaz de generar ATP, además de las reducciones asociadas a la enzima heterodisulfuro reductasa que generan reacciones exergónicas y extrusiones a través de la membrana celular (Universidad Nacional Abierta y a Distancia, s.f.).

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