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INSTITUTO TECNOLOGICO EL LLANO AGUASCALIENTES.
“PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN LABORATORIO Y EN CAMPO UTILIZANDO
NOPAL (Opuntia spp) Y ESTIÉRCOL COMO INOCULO”.
QUE PRESENTA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL TÌTULO
DE INGENIERÍA EN AGRONOMÍA ESPECIALIDAD FITOTECNIA.
JUAN JOSÉ NÁJERA GUAJARDO.
El Llano, Aguascalientes, Diciembre, 2010.
2
COMITÉ DE ASESORES
La presente memoria de residencia profesional, titulada Producción de biogás en
laboratorio y en campo utilizando nopal (opuntia spp) y estiércol como
inoculo. Fue realizada bajo la supervisión del M.C Dora Elizabeth Manzano
Flores asesora interna por el Instituto, por el Doc. Adrian Gómez González
asesor externo por el Colegio de Postgraduados San Luis Potosí y la Med. cir.
Rosa María Alcalá López revisora.
Ha sido autorizado como requisito para aprobar el noveno semestre y obtener el
título de Ing. en Agronomía Especialidad Fitotecnia.
M.C. Dora Elizabeth Manzano Flores _____________________________
Asesor interno.
Med. cir. Rosa María Alcalá López _____________________________
Revisor interno.
Dr. Adrian Gómez Gonzales ______________________________
Asesor externo.
3
AGRADECIMIENTOS:
Este es el espacio en el que perduraran los agradecimientos, aunque esos se proyectaran a través del resto de mi vida. ¿A quien van dirigidos? La lista podría ser interminable maestros, amigos, familia pero nadie más que estas
personas merecen pertenecer a este espacio:
A DIOS:
Por darme en medida perfecta mis virtudes y defectos mis alegrías y tristezas; por ayudarme a caminar cerca de el.
A MI MADRE:
De quien soy el reflejo y a quien le agradezco haberme convertido en lo que soy y de quien me siento muy orgulloso.
A MI HERMANA:
Quien con su apoyo, su paciencia y su comprensión me ha ayudado a sobrellevarlo todo en mi vida.
4
INDICE
I INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 9
II JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 11
III OBJETIVOS ...................................................................................................... 13
3.1 Objetivo General ............................................................................... 13
3.2 Objetivos Específicos ............................................................................ 13
IV CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN QUE PARTICIPÓ ................................ 15
4.1 Antecedentes. ....................................................................................... 15
4.2 Organigrama. ........................................................................................ 16
4.3 Misión. .................................................................................................. 17
4.4 Visión ................................................................................................... 17
V PROBLEMAS A RESOLVER ........................................................................... 18
VI ALCANCES Y LIMITACIONES ........................................................................ 20
6.1 Alcances ............................................................................................... 20
6.2 Limitaciones .......................................................................................... 20
VII FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................. 21
7.1 Historia del biogás ............................................................................... 21
7.2 Problemática de los biocombustibles ................................................... 21
7.3 Alternativas para reducir el cambio climático ........................................ 22
5
7.4 Teoría de la producción de biogás. ....................................................... 24
7.4.1 Hidrólisis................................................................................... 24
7.4.2 Etapa acidogénica ................................................................... 25
7.4.3 Etapa acetogénica .................................................................. 27
7.4.4 Etapa metanogénica ............................................................... 29
7.5 Biomasa disponible con fines energéticos ............................................ 31
7.5.1 Biomasa de origen residual...................................................... 31
7.5.2 Cultivos energéticos. ................................................................ 32
7.6 Tipo de biomasa ................................................................................... 33
7.7 Clasificación de los biocombustibles..................................................... 33
7.8 Calidad del biogás. ............................................................................... 36
7.9 Factores que afectan la producción de biogás. .................................... 38
7.9.1 pH. ........................................................................................... 38
7.9.2 Temperatura. ........................................................................... 39
7.9.3 Carga orgánica. ....................................................................... 41
7.9.4 Tipo de reactor. ........................................................................ 41
7.9.7 Tiempo de retención. ............................................................... 41
7.10 Microbiología de la digestión anaerobia. ............................................. 41
7.10.1 Las Arqueobacterias. ............................................................. 41
7.10.2 Metanógenos. ....................................................................... 42
6
7.10.2.1 Ecología. ................................................................... 43
VIII PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES REALIZADAS .. 45
8.1 Elaboración de anteproyecto ................................................................ 45
8.2 Fase de laboratorio .............................................................................. 45
8.2.1 Diseño prototipos (biodigestor) continúo para uso en los baño
maría de laboratorio ................................................................................... 45
8.2.2 Evaluación de los prototipos ................................................... 47
8.2.2.1 Preparación de la mezcla ............................................ 50
8.2.3 Monitoreo de pH ..................................................................... 52
8.2.3.1 Control de pH .............................................................. 53
8.2.4 Medición de la producción de biogás ...................................... 53
8.2.5 Medición de variables ............................................................. 54
IX RESULTADOS .......................................................................................... 56
X CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 62
10.1 Conclusiones . .................................................................................... 62
10.2 Recomendaciones. ............................................................................. 62
XI REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 64
7
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Organigrama de la institución .......................................................... 16
Figura 2 Construcción de biodigestores......................................................... 46
Figura 3 Biodigestor PVC sanitario ................................................................ 46
Figura 4 Biodigestor PVC hidráulico .............................................................. 46
Figura 5 Tapa PVC hidráulico 4 pulgadas ..................................................... 46
Figura 6 Prototipos dentro del baño maría a una temperatura de 35°C .......... 47
Figura 7 Balanza analítica de 500 gr ............................................................. 48
Figura 8 Sustrato (nopal) ............................................................................... 48
Figura 9 Estiércol de ovino (inoculo) ............................................................. 48
Figura 10 Agua del municipio de Salinas ..................................................... 48
Figura 11 Penca de nopal de 6 meses de edad ............................................. 49
Figura 12 Preparación de la mezcla agua, sustrato e inoculo ........................ 51
Figura 13 Trocitos de nopal ........................................................................... 52
Figura 14 Potenciómetro combinado HANNA ................................................ 52
Figura 15 Soluciones buffer.......................................................................... 53
Figura 16 Tina de plástico trasparente Iris de 64L ......................................... 54
8
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Reacciones acetanogénicas según Martí, (2006) .......................... 27
Cuadro 2. Clasificación de los biocombustibles en función de su origen por
Campus, (2008) ............................................................................................. 34
Cuadro 3. Clasificación de los biocombustibles según su aspecto físico
(Campus, 2008) ............................................................................................. 35
Cuadro 4. Residuos y porcentaje de metano(campus, 2008) ) ...................... 36
Cuadro 5. El valor calorífico varía entre 17 y 34 MJ/m3 según el contenido de
metano (Wheatley,1990) ................................................................................ 37
Cuadro 6. Volumen de producción de biogás primera evaluación .................. 56
Cuadro 7. Volumen de producción de biogás segunda evaluación ................ 57
Cuadro 8. Monitoreo de pH de la muestra en reposo ..................................... 57
Cuadro 9. Monitoreo de pH de la muestra en reposo ..................................... 58
Cuadro 10. Monitoreo de pH dentro del biodigestor y volumen de la producción
de biogás ....................................................................................................... 59
Cuadro 11. Aplicación de Ca (OH)2 para optimizar el pH dentro del biodigestor
.. .................................................................................................................... 59
Cuadro 12. Volumen de producción de biogás .............................................. 61
9
I INTRODUCCIÓN.
Las primeras menciones del biogás se ubican en el año de 1600, cuando fue
identificado por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición
de la materia orgánica. Posteriormente, en el año de 1890 se construyo el primer
bidigestor a escala real en la india y en 1896 en Inglaterra las lámparas de
alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que
fermentaban los lodos cloacales de la ciudad.
Los combustibles fósiles constituyen la principal fuente generadora de energía
eléctrica y como combustible en labores domésticas. Ellos constituyen fuentes de
energía no renovables, que actualmente están en franco agotamiento.
Día a día, a medida que el costo de la energía convencional incrementa y sus
yacimientos se agotan, las energías renovables van ganando espacio y se
convierten en una realidad ventajosa a la amenaza del cambio climático o la
realidad cotidiana de la contaminación atmosférica.
La solución pasa por el desarrollo de las energías renovables, que ya aportan el
14% del consumo mundial, y que a medio y largo plazo podrán cubrir todas
nuestras necesidades energéticas, sin agravar el cambio climático, sin dejar una
herencia de residuos radiactivos.
Ante la problemática actual de nuestro país de generar recursos energéticos
menos contaminantes y renovables, el aprovechamiento de residuos del nopal con
fines energéticos resulta una opción interesante puesto que se establece y
desarrolla en zonas marginales.
El reto de responder a las necesidades del país en la búsqueda de nuevas fuentes
energéticas, el nopal (Opuntia spp) presenta ventajas en relación a otras especies
dado que su alta eficiencia productiva, amplio rango de adaptación, rápido
crecimiento y bajos requerimientos de insumos, constituye una opción energética
10
viable, ya que de sus tallos y frutos es posible obtener biogás, biodiesel y
bioetanol o productos semiterminados que pueden ser empleados directamente.
11
II JUSTIFICACIÓN.
Los biocombustibles son portadores de energía que almacenan derivada de
la biomasa. Se puede utilizar una amplia gama de fuentes de biomasa para
producir energía (electricidad, calor, calor y energía combinados), tales como
fibras, residuos de madera provenientes del sector industrial, cultivos energéticos,
desechos agrícolas y residuos forestales, entre otros. De los biocombustibles se
puede decir que son una fuente de energía renovable ya que son una forma de
energía solar transformada (fotosíntesis).
El nopal (Opuntia spp.) es considerada como una de las plantas mas
versátiles de la naturaleza y con múltiples formas de aprovechamiento sobre todo
en aquellas zonas con escaso rendimiento de los cultivos anuales tradicionales.
La biomasa del nopal representa una fuente renovable de gran potencial,
con la capacidad de brindar biocombustible sólidos, líquidos, y gaseosos que
pueden ser utilizados en la producción de calor, electricidad y combustibles para el
transporte, los cuales tienen la particularidad de ser de autoconsumo y de manera
descentralizada. Además de la importancia social y económica que representa el
nopal para los habitantes de nuestro país, la experiencia que se tiene sobre la
generación de biocombustibles a partir de la biomasa tiene un carácter modesto y
experimental.
Para nuestro país es importante contar con una fuente alternativa de
energía como el biogás, barata y de alto poder calórico, que además contribuye a
nuestro desarrollo sustentable.
Con este trabajo se dan los primeros pasos en este sentido, propiciando la
generación de proyectos viables que permitan la instalación de plantas de
producción de biogás a partir de nopal para pequeñas o grandes comunidades.
Con el fin de utilizar los recursos que se encuentran en la región del altiplano
12
potosino – zacatecano y mejorar la economía al no depender de la compra de
combustibles debido a que los costos de estos es muy elevado.
13
III OBJETIVOS.
3.1 Objetivo general.
Generar conocimientos teóricos prácticos que permitan el aprovechamiento
integral de los residuos de nopal, mediante la producción de biogás, bioabono
composta, donde también se puede aprovechar la producción de CO2 aplicándolo
en los invernaderos donde se investigara la separación de este gas de nuestra
producción, brindando con ello una opción energética de amplia utilidad a los
productores de nopal del estado y a nivel nacional.
3.2 Objetivos específicos o particulares.
1. Evaluar dos prototipos de biodigestores, determinar cual es el que mejores
resultados nos da en la producción de biogás.
2. Cuantificar la producción de biogás de cada uno de los prototipos.
3. Evaluar el porciento de inoculo (estiércol de ovino) en la producción de
biogás.
4. Evaluar dos edades (menos de 6 meses y más de un año) de cladodios de
nopal.
5. Monitorear continuamente el factor pH realizando mediciones
continuamente con un potenciómetro en laboratorio para tener control en
la producción de biogás.
14
6. Llevar los resultados a campo en biodigestores continuos para aumentar
las cantidades de producción de biogás.
15
IV CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN QUE PARTICIPÓ.
Colegio de Posgraduados Campus San Luis Potosí. Domicilio: Agustín de
Iturbide No. 73, Salinas de Hidalgo, Salinas, S. L. P. 78622, MEXICO. Tel. y Fax:
+ (496) 96 302 40; Correo-E: [email protected]
4.1 Antecedentes.
El Colegio de Postgraduados inició actividades de capacitación, enseñanza e
investigación en el árido mexicano desde su fundación en 1959. Sin embargo, fue
hasta 1973 cuando se conformó un proyecto tendiente a integrar todos los esfuerzos
la institución en estas áreas, lo que a la postre generó el Campus San Luís Potosí,
inaugurado el 19 de julio de 1980. Su área de influencia inicial se ubica en cinco
Estados: San Luís Potosí, Zacatecas, Aguascalientes, Jalisco y Guanajuato, con
superficie aproximada de 3, 000,000 de hectáreas. Posteriormente, su interés se
extiende a otros Estados como: Coahuila, Chihuahua y Durango. El Campus San Luís
Potosí es uno de los siete Campus regionales con que cuenta el Colegio de
Postgraduados en el interior del País.
El Campus San Luís Potosí es la unidad del Colegio de Postgraduados que
vincula de forma directa y permanente a los miembros de la Institución con los
habitantes de las zonas áridas y semiáridas. Se genera información sobre el uso
sostenido de los recursos naturales, con el fin último de promover el desarrollo rural
integral, que se traduzca en mejora de las condiciones socioeconómicas de los
productores rurales.
La naturaleza del Campus es esencialmente académica, sus actividades de
capacitación, investigación y servicio, se realizan con el fin de contribuir al desarrollo
rural, por medio de la enseñanza y el aprendizaje.
16
Este trabajo se desarrolla dentro de la Línea Prioritaria de Investigación 3
(LPI3), denominada, Línea de Energías Alternas y Biomateriales, en lo que se refiere
al apartado de investigación y desarrollo, en específico en el área de servicios a la
investigación. Lo anterior teniendo como referencia el organigrama que a continuación
se muestra.
4.2 Organigrama.
Fig.1 Organigrama de la institución.
17
4.3 Misión.
El Colegio de Postgraduados es una Institución Educativa que genera, difunde
y aplica conocimiento para el manejo sustentable de los recursos naturales, la
producción de alimentos nutritivos e inocuos, y el mejoramiento de la calidad de vida
de la sociedad.
4.4 Visión.
El Colegio de Postgraduados es una comunidad comprometida con la sociedad
que fomenta el desarrollo personal, la creatividad académica y la generación de
conocimiento colectivo para trascender al existente a las ideologías y a la estructura
disciplinaria.
Reafirma los valores de la sociedad cultivando y enriqueciendo la mente y el
espíritu de los individuos.
Sus modelos educativos y organizacionales están actualizados y en superación
permanente.
18
V PROBLEMAS A RESOLVER.
Durante las últimas décadas, el planeta Tierra ha experimentado un
acelerado proceso de calentamiento global. La temperatura media de la atmósfera
terrestre y de los océanos se ha elevado desde finales del siglo XIX, debido a la
actividad humana relacionada con la industrialización, principalmente por la quema
de combustibles a base de petróleo, gas y carbón. Los impactos del calentamiento
global son graves y cada vez más evidentes. Entre ellos se incluyen sequías en
unas zonas, inundaciones en otras, los casquetes polares se derriten, al igual que
los glaciales (que son importantes fuentes de agua dulce). Hay una extinción
masiva de especies relacionada con el cambio climático. Los impactos en la
agricultura son muy graves, así como la emergencia de enfermedades como
malaria y el dengue.
Ante los embates de las crisis actuales, la frecuencia con que ocurren
fenómenos meteorológicos, provocados en su mayoría por la acción del hombre;
el constante deterioro del medio ambiente, el agotamiento de los combustibles
fósiles, el aumento desmedido del consumo de energía eléctrica y de energía en
sentido general hacen que cada día sean mayores las preocupaciones de la
humanidad por resolver los problemas energéticos.
Por ello, cada día cobra mayor vigencia, el empleo de las energías
renovables, como la vía más segura y limpia para salir de gran parte de los
problemas antes mencionados.
Por lo que uno de nuestros objetivos en nuestro proyecto de investigación
es el de aprovechar la biomasa (nopal) con el fin de producir biogás para reducir la
emisión de gases que están provocando el efecto invernadero por la
19
concentración de contaminantes a la atmosfera en este trabajo se producirá
metano (CH4.).
20
VI ALCANCES Y LIMITACIONES.
6.1 Alcances.
Generar información de utilidad en las zonas áridas y semiáridas del país
sobre el uso de nopal para la producción de biogás en las zonas rurales
principalmente en lugares donde su alto grado de marginación limita el uso de
combustibles para el consumo de energía de la comunidad.
Fomentar el uso adecuado del recurso natural realizando plantaciones de
nopal y utilizando el nopal que se produce de menos de un año de edad y
cuidando que no se destruyan las nopaleras.
6.2 Limitantes.
Una limitación es que el gas se produce y se consume directamente y es
difícil su almacenamiento, transporte y su comercialización lo cual es importante
que se siga investigando sobre el comprimir el metano para aumentar la
concentración en un volumen mas reducido.
Una de las limitantes de este trabajo puede ser la falta de capacitación a
los productores sobre el manejo de los biodigestores para obtener una mayor y
mejor producción de biogás.
21
VII FUNDAMENTO TEÓRICO.
7.1. Historia del biogás.
Las primeras menciones del biogás se ubican en el año de 1600, cuando
fue identificado por varios científicos como un gas proveniente de la
descomposición de la materia orgánica. Posteriormente, en el año de 1890 se
construyo el primer bidigestor a escala real en la india y en 1896 en Inglaterra las
lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los
digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad (Ávila, 2009).
En los últimos 20 años se han tenido fructíferos resultados en cuanto a
descubrimientos sobre el funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico,
a través del material de laboratorio, que permitieron el estudio de los
microorganismos intervinientes en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno)
para el biogás. Estos avances en la comprensión del proceso microbiológico han
estado acompañados por importantes logros de la investigación aplicada
obteniéndose grandes avances en el desarrollo tecnológico. Los países
generadores de tecnología más importantes en la actualidad son: China, India,
Holanda, Francia, Gran Bretaña, Suiza, Italia, Estados Unidos, Filipinas y
Alemania (Ávila, 2009).
7.2 Problemática de los combustibles fósiles.
Según Pedroso, (2006) menciona que los combustibles fósiles constituyen
la principal fuente generadora de energía eléctrica y como combustible en labores
domésticas. Ellos constituyen fuentes de energía no renovables, que actualmente
están en franco agotamiento. Según Santamarta (2007), la energía es un
22
elemento básico para el buen funcionamiento de nuestro sistema económico,
desde la industria a la agricultura y los servicios. Gracias a ella nuestra calidad de
vida ha mejorado, como lo ha hecho la movilidad o el confort, liberándonos de
pasar frío o calor. Pero, al mismo tiempo, la producción, la transformación, el
transporte y el consumo de energía es la mayor causa de deterioro ambiental.
Según Santamarta (2007), hoy dependemos en un 80% de los combustibles
fósiles para resolver la inmensa mayoría de nuestras necesidades, lo que nos
permite gozar en las zonas ricas de un alto nivel de vida pero, sin embargo, Freis,
(2005) nos dice que día a día, a medida que el costo de la energía convencional
incrementa y sus yacimientos se agotan, las energías renovables van ganando
espacio y se convierten en una realidad ventajosa a la amenaza del cambio
climático o la realidad cotidiana de la contaminación atmosférica. Hay problemas
de abastecimiento y recursos, pero sobre todo el límite que nos impone la
capacidad de la atmósfera para absorber el dióxido de carbono que se emite en la
combustión del carbón, el petróleo y el gas natural (Santamarta, 2007).
7.3 Alternativas para reducir el cambio climático.
La contaminación ambiental es una de las consecuencias de la actual forma
de obtención de energía por el hombre, cada tonelada de carbono que se quema
en diversas formas: en vehículos automotores o de petróleo o gas en centrales
energéticas son expulsadas a la atmósfera envenenando continuamente nuestro
medio de vida, además de propiciar cambios en las condiciones ambientales de la
naturaleza (Márquez, et al.2005).
La solución pasa por el desarrollo de las energías renovables, que ya
aportan el 14% del consumo mundial, y que a medio y largo plazo podrán cubrir
todas nuestras necesidades energéticas, sin agravar el cambio climático, sin dejar
23
una herencia de residuos radiactivos y sin ocasionar conflictos por los recursos
(Santamarta, 2007).
Según Fernández (2008) ante los embates de las crisis actuales, la
frecuencia con que ocurren fenómenos meteorológicos, provocados en su mayoría
por la acción del hombre; el constante deterioro del medio ambiente, el
agotamiento de los combustibles fósiles, el aumento desmedido del consumo de
energía eléctrica y de energía en sentido general hacen que cada día sean
mayores las preocupaciones de la humanidad por resolver los problemas
energéticos.
Por ello, cada día cobra mayor vigencia, el empleo de las energías
renovables, como la vía más segura y limpia para salir de gran parte de los
problemas antes mencionados (Fernández, 2008).
Ante la problemática actual de nuestro país de generar recursos
energéticos menos contaminantes y renovables, el aprovechamiento de residuos
del nopal con fines energéticos resulta una opción interesante puesto que se
establece y desarrolla en zonas marginales para otro tipo de agricultura y
adicionalmente podría ser usada en la recuperación de suelos pobres y
erosionados (Méndez, et al. 2010).
Según Méndez, et al. (2010) el reto de responder a las necesidades del
país en la búsqueda de nuevas fuentes energéticas, el nopal (Opuntia spp)
presenta ventajas en relación a otras especies dado que su alta eficiencia
productiva, amplio rango de adaptación, rápido crecimiento y bajos requerimientos
de insumos, constituye una opción energética viable, ya que de sus tallos y frutos
es posible obtener biogás, biodiesel y bioetanol o productos semiterminados que
pueden ser empleados directamente.
24
7.4 Teoría de la producción de biogás.
A la materia orgánica la descomponen bacterias aeróbica o
anaeróbicamente. La descomposición aeróbica da por resultado la formación de,
por ejemplo, composta y los gases (en su mayoría anhídrido carbónico) que se
pierden en la atmosfera. La descomposición anaerobia genera gases como
hidrogeno, sulfuro de hidrogeno y metano; mediante una regulación conveniente
de las condiciones, puede llevarse al máximo la producción de metano (FAO,
1981).
La descomposición bacteriana en condiciones anaerobias se denomina
algunas veces digestión anaerobia y ocurre en tres o cuatro fases principales
según el autor.
- Hidrólisis, en esta etapa los microorganismos producen enzimas que
hidrolizan los compuestos orgánicos complejos contenidos en lodos de
alimentación en compuestos simples solubles mediante una cinética de primer
orden gobernado por una constante de hidrólisis (Landeros, et al, 2006).
-Fase acida, las moléculas complicadas tales como proteínas, grasas e
hidratos de carbono, las descomponen bacterias que forman ácidos y se
transforman en ácidos orgánicos, anhídro carbónico, hidrogeno, amoniaco, etc.
- Fase final, el hidrogeno y el anhídro carbónico dan algo de metano y la
fermentación de ácidos y alcoholes generan más metano (Landeros, et al, 2006).
7.4.1 Hidrólisis.
La etapa hidrólitica según Martí, (2006) puede ser el proceso limitante de la
velocidad global del proceso sobre todo cuando se tratan de residuos de alto
contenido de sólidos. Además, la hidrólisis depende de la temperatura del
proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición del sustrato
25
(porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de las
partículas, del pH, de la concentración de NH4 y de la concentración de los
productos de la hidrólisis.
Las proteínas constituyen un sustrato muy importante en el proceso de
digestión anaerobia ya que además de ser una fuente de carbono y energía, los
aminoácidos derivados de su hidrólisis tienen un elevado valor nutricional. Las
proteínas son hidrolizadas en péptidos y aminoácidos por la acción de enzimas
proteolíticas llamadas proteasas. Parte de estos aminoácidos son utilizados
directamente en la síntesis de nuevo material celular y el resto son degradados a
ácidos grasos volátiles, dióxido de carbono, hidrogeno, amonio y sulfuro, en
posteriores etapas del proceso.
La degradación de lípidos en ambientes anaerobios comienza con la
ruptura de las grasas por acción de las enzimas hidrolíticas denominadas lipasas
produciendo ácidos grasos de cadena larga y glicerol.
La velocidad de degradación de los materiales lignocelulósicos, compuestos
principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta, que suele ser la
etapa limitante del proceso de hidrólisis y por tanto, de la degradación anaerobia
de determinados sustratos. Esto es debido a que la lignina es muy resistente a la
degradación por parte de los microorganismos anaerobios, afectando la
biodegradabilidad de la celulosa y hemicelulosa y otros hidratos de carbono. Los
principales productos de la hidrólisis de la celulosa son: celobiasa y glucosa,
mientras que la hemicelulosa produce pentosa, hexosa y ácidos urónicos (Martí,
2006).
7.4.2 Etapa acidogénica.
Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas
solubles en compuestos que pueden ser utilizados directamente por las bacterias
26
metanogénicas (acético, fórmoico, H2), y compuestos orgánicos más reducidos
(propionico, butírico, belérico, láctico y etanol principalmente) que tienen que ser
oxidados por bacterias acetanogénicas en la siguiente etapa del proceso.La
principal ruta metabólica de degradación de la glucosa para formar ácidos
orgánicos es la de Emdben-Meyerhof que tiene como principal intermediario el
piruvato (Martí, 2006).
La fermentación de azucares se realiza por diversos tipos de
microorganismos. En función de cada organismo, la ruta metabólica y los
productos finales son diferentes según Martí, (2006). Los principales
microorganismos asociados a la degradación de la glucosa son del género
Clastridium y convierten la glucosa en butírico, acético, CO2 y H2. La glucosa se
convierte en piruvato mediante la ruta Embden-Meyerhof, y el piruvato se
desdobla a Acetil-CoA y CO2. El Acetil–CoA se reduce en los productos de
fermentación empleando como transportador de electrones el NADH derivado de
las reacciones glucolíticas de la ruta (figura anterior).
Los principales productos de la fermentación de aminoácidos y de otras
moléculas hidrogenadas son ácidos grasos de cadena corta; succínico,
aminovalérico y H2. La fermentación de aminoácidos se considera un proceso
rápido y que en general, no limita la velocidad de degradación de compuestos
proteicos.
Las bacterias proteolíticas que mayoritariamente se han identificado,
pertenecen al género Clostridium, aunque otras especies tales como Peptococcus
y Bacteroides también están presentes.
Los productos finales de la oxidación son NH3, CO2 y un ácido carboxílico
con un átomo de carbono menos que el aminoácido oxidado (n-butírico, ácido
isobutírico, isovalerico, caproico, sulfuro de hidrogeno, metilcaptano, cadaverina,
putrescina, etc, según del aminoácido que proceda).
27
Los ácidos grasos de cadena larga son oxidados a ácidos grasos de
cadena corta por el mecanismo de β-oxidación es un ciclo en espiral que va
liberando un acetil –CoA en cada bucle, produciendo, principalmente ácido
acético.
En condiciones anaerobias, este mecanismo termodinámicamente
desfavorece y muy dependiente de la presión parcial del hidrogeno, por lo que es
de gran importancia la acción simbiótica de los microorganismos consumidores de
hidrogeno para que se pueda producir (Martí, 2006).
7.4.3 Etapa acetogénica.
Mientras que algunos productos de fermentación pueden ser metabolizados
por los organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos
volátiles como valeriato, butirato, propianato, etc., y algunos compuestos
aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, acetano y H2, a
través de las bacterias acetogénicas. Los representantes de los microorganismos
acetogénicos son: Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.
Desde el punto de vista termodinámico, estas reacciones no son posibles
porque en condiciones estándar (pH =7, T= 25°C, P =1 atm), presentan energías
libres de reacciones positivas, tal y como se muestran en la tabla.
Cuadro 1.- Reacciones acetanogénicas según Martí, (2006).
Reacciones Acetanogénicas ∆G°+
Etanol y Láctico
Etanol + H2O Acetano + H + 2H2 + 9.6
28
Lactano-1 + 2H2O Acetano-1 + H + 2H2 + HCO3 - 4.2
Ácidos Grasos
Acetano-1 + 4H2O H+ + 4H2 + 2HCO3
Propionato -1 + 3H2O Acetano-1 + HCO3 + H+ + 3H2
Butirato -1 + 2H2O 2 Acetano -1 + H + 2H2
Valerato -1 + 3H2O 3 Acetano-1 + 2H + 4H2
+ 104.6
+76.1
+48.1
+96.2
Aminoácidos
Alanina +3H2O Acetato-1HCO3 + NH4 + H+ 2H2
Aspartato + 4H2O Acetano-1 + 2HCO3 +NH4 + H + 2H2
Leucina + 3H2O Isovalerato-1 +HCO3 + NH4 + H+ + 2H2
Glutamato -1 + 4H2O Propianato-1 + 2HCO3 + NH4 + H + 2H2
Glutamato -1 + 7H2O Acetano-1 + 3HCO3 + NH4 + 3H++5H2
+7.5
-14.0
+4.2
-5.8
+70.3
Sin embargo, a presiones parciales de H2 bajas (del orden de 10-4 -10-5
atm), estas reacciones pasan a ser termodinámicamente favorables y la variación
de energía libre es suficiente para permitir la síntesis del ATP y el crecimiento
bacteriano. Por tanto, el principal inhibidor de la acetogénesis, cuya acumulación
provoca la rápida acumulación de sustratos, es la acumulación de hidrogeno
molecular. Un tipo especial de organismos acetogénicos, son llamados
homoacetogénicos.
29
Este tipo de bacterias son capaces de crecer heterotróficamente en
presencia de azúcares o compuestos monocarbonados (como la mezcla H2/CO2)
produciendo como único producto acetano. Al contrario que las bacterias
acetogénicas, éstas no producen hidrogeno como resultado de su metabolismo,
sino que lo consumen como sustrato.
Según se ha estudiado, el resultado neto del metabolismo
homoacetogénico permite manejar bajas presiones parciales de hidrogeno y por
tanto, permite la actividad de las bacterias acidogénicas y acetogénicas. Como
veremos a continuación, las bacterias metanogénicas hidrogenotroficas también
consumen H2. Los principales microorganismos homoacetogénicos que han sido
aislados son Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum (Martí, 2006).
7.4.4 Etapa metanogénica.
Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de la digestión
anaerobia mediante la formación de metano a partir de sustratos monocarbonados
o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetano, H2/CO2,
formato, metanol, y algunas metilaminas. Los organismos metanogénicos se
clasifican dentro del dominio Archaea y tienen características comunes que los
difieren del resto de los procariontes. Un ejemplo es que todos poseen varias
coenzimas especiales, siendo la coenzima “M” la que participa en el paso final de
la formación del metano.
Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores
anaerobios se forma a partir del acetato a pesar de que, mientras todos los
organismos metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de
electrones, solo dos géneros pueden utilizar acetato. Los dos géneros que tienen
especies acetotroficas son Methanosarcina y Methanothrix (Martí, 2006).
30
En la unidad de digestión generalmente ocurren las fases simultáneamente,
pero alterándose una fase quedara afectada la producción de metano, esto ocurre
cuando la acidez es excesiva, por lo tanto no actuaran las bacterias productoras
de metano, un pH de 6.8 a 7.2 es la acidez optima teórica (FAO, 1981).
Las bacterias productoras de metano son muy específicas y sensibles al
oxigeno y a temperaturas, siendo la optima de 35°C según FAO, (1981) se
reproducen lentamente, las bacterias que forman ácido no son muy sensibles al
ambiente y se reproducen muy rápidamente.
Como las bacterias metanogénicas no pueden emplear nitrógeno de
fuentes como hidrato de carbono y proteínas, es esencial la fase de formación de
ácido, por lo que es importante mantener el equilibrio entre la poblaciones de
bacterias, esto no depende solo de las temperaturas y el grado de acidez, sino
también de la naturaleza del material orgánico.
Durante la fase ácida el valor del pH disminuirá a menos de 6 durante dos
semanas, después de otras dos semanas al continuar la digestión y formarse
amoniaco, el pH volverá a aumentar y con la formación de metano alcanzara un
valor de 7 y seguirá aumentando hasta 8.2 en este momento la mezcla está
compensada y se puede añadir más material sin causar perturbaciones.
Las bacterias son más eficaces cuando están en contacto con su alimento,
por lo que la producción de metano puede aumentarse con frecuencia agitando
suavemente la mezcla (FAO, 1981).
Las digestión anaerobia, a partir de polímeros naturales y ausencia de
compuestos inorgánicos, se realiza en tres etapas 1) hidrólisis y fermentación, en
la que la materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de
bacterias hidroliticas anaerobias que hidrolizan las moléculas solubles en agua,
como grasas, proteínas, y carbohidratos, y las transforman en monómeros y
compuestos simples solubles; 2) acetogénesis y deshidrogenación, donde los
31
alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo
ácido acético, CO2 e hidrogeno que son sustratos de las bacterias metanogénicas
;3) metanogénica en la que se produce metano a partir de CO2 e hidrogeno, con la
actividad de las bacterias (Marty, 1984).
La concentración de hidrogeno juega un papel importante en la regulación
del flujo del carbono en la biodigestión según Soubes, (1994). Los
microorganismos que en forma secuencial intervienen en el proceso son: 1)
bacterias hidroliticas y fermentadoras; 2) bacterias acetanogenicas obligadas
reductoras de protones de hidrogeno (sin tróficas); 3) bacterias sulfato reductoras
(sintróficas facultativas) consumidoras de hidrogeno; 4) bacterias
homoacetanogénicas; 5) bacterias metanogénicas.
7.5 Biomasa disponible con fines energéticos.
La disponibilidad de una biomasa (renovable) que pueda utilizarse con fines
energéticos posee dos soluciones principales según Calvo, (2004): la biomasa de
origen residual, y la procedente de cultivos energéticos.
7.5.1 Biomasa de origen residual.
Puede definirse como el conjunto de materiales biomásicos generados en
las actividades de producción, transformación y consumo, que en el contexto en
que se generan no tienen valor económico. La biomasa residual dependiendo de
su origen puede clasificarse en: residuos agrícolas, forestales, ganaderos y
agroindustriales (Calvo, 2004).
Los residuos agrícolas comprenden todas las partes de los cultivos
alimentarios o industriales que no son consumibles o comercializables.
32
Generalmente se trata de residuos lignocelulósicos que suelen quemar en las
propias tierras de labor.
Los residuos agrícolas leñosos proceden principalmente de podas de
cultivos por lo que su producción tiene un carácter estacional. La eliminación de
estos residuos presenta beneficios medioambientales, y puesto que estos
productos no tienen un valor en el mercado, sino que por el contrario su
eliminación constituye un costo inevitable para el agricultor. Su aprovechamiento
pude considerarse un beneficio para éste y el precio de esta biomasa sería el
costo de las de recogida, astillado y trasporte.
En el caso de los residuos agrícolas herbáceos como paja de cereales de
invierno existen equipos convencionales de recogida y preparación para el
almacenamiento y trasporte habitualmente empleados. Al contrario de lo que
ocurre con los residuos leñosos, para los herbáceos existe un cierto mercado, por
lo que el agricultor recibe cierto beneficio por la venta del subproducto.
7.5.2 Cultivos energéticos.
Son cultivos específicos dedicados exclusivamente a la producción de
energía, según Calvo, (2004). Estos cultivos, a diferencia de los agrícolas
tradicionales, tienen como característica principales, su gran productividad de
biomasa, su elevada rusticidad, expresada en características tales como;
resistencia a sequia, resistencia a enfermedades, vigor, precocidad de
crecimiento, capacidad de rebrote, y adaptación a terrenos marginales. Entre los
cultivos energéticos se puede incluir cultivos tradicionales que están siendo objeto
de numerosos estudios para determinar sus necesidades de cultivo.
Entre los cultivos destinados a la producción de biomasa se suelen
distinguir los siguientes según Ramos, (2008).
33
Cultivos productores de biomasa: se utilizan principalmente para la
producción de calor mediante su combustión directa en calderas lo que permite su
uso en desecación y en generación de vapor.
Cultivos cuyo procesamiento genera combustibles líquidos, tal es el caso de
los aceites vegetales con diferentes grados de transformación y los alcoholes
obtenidos por destilación, llamados biocarburantes comúnmente (Ramos, 2008).
7.6 Tipo de biomasa.
Cualidades de la biomasa según la FAO, (1981) la biomasa se define
como el conjunto de plantas terrestres y acuáticas, junto con sus derivados,
subproductos y residuos en su transformación. El termino biomasa comprende,
pues, a las materias hidrocarbonada, no fósil, en las que mediante el proceso
básico de la fotosíntesis, se ha producido la reducción y fijación del CO2. La
energía de la biomasa es una energía que cumple con las siguientes
características:
1. Es una energía autóctona, lo cual conlleva su no dependencia con otros
países, por lo menos en su fase.
2. Es una energía renovable, pues procede del sol.
7.7 Clasificación de los biocombustibles.
Los biocombustibles agrícolas pueden proceder de cultivos energéticos,
restos de cultivos agrícolas o residuos de industrias agrarias. Los forestales
pueden proceder de cultivos energéticos forestales (chopo, sauce), restos de
operaciones silvícolas (podas, claras, clareos, cortes finales) o residuos
industriales forestales de primera o segunda transformación. Los ganaderos
suelen ser residuos de granjas, industrias cárnicas o de otro tipo de industrias
34
ganadera. Los residuos sólidos urbanos, procedentes de actividades humanas,
también originan biocombustibles (Camps, 2008). Los biocombustibles se pueden
clasificar atendiendo a su origen y aspecto físico.
Cuadro 2.- Clasificación de los biocombustibles en función de su origen por
Campus, (2008).
Origen del biocombustibles Especie o procedencia
Cultivos
energéticos
Agrícolas Cardo, sorgo, girasol, soja, maíz,
trigo, cebada, remolacha, especies
C4 forestales…….
Forestales Chopos, sauces, eucaliptos, robinias,
acacias, especies C4 forestales
Restos de cultivos
Cultivos herbáceos Paja, restos de cereales y otras
especies herbáceas
Cultivos leñosos Olivo, vid frutales de hueso, frutales
de pepita y otras especies leñosas
Restos de
tratamientos
silvícolas
Podas, claras,
clareos, restos de
cortes finales
Especies forestales de montes
Restos de
industrias
Industria de
primera
transformación de
Especies de madera importada
35
forestales la madera
Industria de
segunda
transformación de
la madera
Especies o importada utilizada por
estas industrias
Restos de industrias agro-alimentarias Especies vegetales usadas en la
industria de la alimentación
Restos de exportaciones ganaderas Animales de granja, domésticos…
Restos de actividades humanas Todo tipo de biomas sólidas urbanas
Cuadro 3.- Clasificación de los biocombustibles según su aspecto físico (Campus,
2008).
Aspecto físico Biocombustibles
Sólidos
Leñas y astillas
Paja de cereales y biomasa de cardo
Biocombustibles sólidos densificados(pelets y
briquetas)
Carbón vegetal
Líquidos
Líquido piroleñoso
Líquido de hidrólisis
Bioetanol bioalcoholes
36
Aditivos oxigenados
Aceite vegetal
Metiléster
Gases Biogas de origen muy diverso
7.8 Calidad del biogás.
El biogás tiene la ventaja de que se puede considerar casi como un
subproducto siendo el motivo fundamental de la fermentación, en ese caso, la
reducción de la contaminación, sobre todo en cuanto se trata en residuos de
granjas y de industrias agroalimentarias.
La proporción de gas metano presente en el biogás depende de la materia
prima empleada:
Cuadro 4.- Residuos y porcentaje de metano (Campus, 2008).
Material Tiempo de
fermentación(días)
Contenido
De CH4 (%)
Estiércol vacuno
Estiércol de cerdo
Paja 30 mm longitud
Paja 2 mm longitud
Planta de papa
115
115
120
80
50
80
81
80
81
75
37
Hojas de remolacha
Hierba
14
24
85
54
El valor del biogás como combustible depende del porcentaje de su
contenido de metano. La media de concentración de metano es más del 33%. El
gas metano contenido depende altamente de la calidad de los materiales
orgánicos introducidos en el digestor .El cuadro siguiente resume la composición
promedio del biogás según la procedencia.
Cuadro 5.- El valor calorífico varía entre 17 y 34 MJ/m3 según el contenido de
metano (Wheatley,1990).
Gases Desechos
agrícolas
Lodos
cloacales
Desechos
industriales
Rellenos
sanitarios
Propiedades
Metano 50 – 80% 50 – 80% 50 – 70% 45 – 65% Combustible
CO2 30 – 50% 20 – 50% 30 – 50% 34 – 55% Acido, asfixiante
Vapor de
agua
Saturación Saturación Saturación Saturación Corrosivo
Hidrógeno 0 – 2% 0 – 5% 0 – 2% 0 – 1% Combustible
H2S 100 – 700 ppm 0 – 1% 0 – 8% 0.5– 100
ppm
Corrosivo, olor
toxico
Amoniaco Trazas Trazas Trazas Trazas Corrosivo
CO 0 – 1% 0 – 1% 0 – 1% Trazas Toxico
38
Nitrógeno 0 – 1% 0 – 3% 0- 1% 0 – 20% Inerte
Oxigeno 0 – 1% 0 – 1% 0 – 1% 0 – 5% Corrosivo
Orgánicos Trazas Trazas Trazas 5 ppm Corrosivo, olores
7.9 Factores que afectan la producción de biogás.
Los principales factores que influyen en el desarrollo de la digestión
anaerobia son, la composición del sustrato o residuo y parámetros ambientales u
operacionales.
7.9.1 pH.
Influye de forma importante en el proceso, cada grupo de bacterias
presentan un pH alrededor del cual presenta los óptimos de crecimiento. El pH
óptimo está en torno a la neutralidad (7). Los pH extremos, tanto ácidos como
básicos, pueden reducir la actividad bacteriana. Además el pH puede influir en
otros procesos de toxicidad como en el caso del amoniaco libre. Es un importante
parámetro de diagnostico, ya que los problemas mas habituales provocan la
acumulación de ácidos grasos volátiles, y por tanto una baja de pH. La alcalinidad
del substrato, entendida como la capacidad de amortiguar cambios de pH, debe
ser suficiente, para evitar variaciones bruscas del pH que podrían provocar
acidificaciones del reactor incluso de acumulaciones leves de ácidos.
Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar
de 6 ni subir de 8. El valor del pH en un digestor no solo determina la producción
de biogás sino también su composición. Una de las consecuencias de que se
39
produzca un descenso del pH a valores inferiores a 6 es, que el biogás generado
sea muy pobre en metano y por tanto tiene menores cualidades energéticas.
Por otra parte, el pH afecta a los diferentes equilibrios existentes en el
medio, pudiendo desplazarlos hacia la formación de un determinado componente
que tenga influencia sobre el proceso. Este es el caso de los equilibrios acido –
base del amoniaco y del ácido acético; Al aumentar el pH se favorece la formación
de amoniaco que, en elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento
microbiano y a pH bajos, se genera mayoritariamente la forma no ionizada del
acido acético, que inhibe el mecanismo de degradación del propionato.
La alcalinidad es una medida de la capacidad tampón del medio. En el
rango de pH del proceso de digestión anaerobia, el principal equilibrio que controla
la alcalinidad es el dióxido de carbono/bicarbonato. Estudios previos han
demostrado que los valores de alcalinidad del bicarbonato por encima de 2500
mg/l, aseguran un buen control del pH y una adecuada estabilidad del sistema
según Martí, (2006).
7.9.2 Temperatura.
En función de las temperaturas la velocidad del proceso es distinta, siendo
mayor cuando es más alta. Se definen tres rangos de temperaturas para clasificar
los sistemas: Psicrofílo, por debajo de 20°C o temperatura ambiente; mesofílico,
entre 30 - 40°C, y termofílico entre 50 y 65°C. El rango mesofílico es el más
utilizado, pese al termofílico presenta ciertas ventajas, como la mayor rapidez, la
higienización del residuo, eliminación de larvas, semillas de malas hierbas,
organismos patógenos (Ahring, 1995).
La velocidad de retención de los procesos biológicos depende de la
velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados, que a su vez,
dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumente la
40
velocidad de crecimiento de los microorganismos y acelera el proceso de la
digestión dando lugar a mayores producciones de biogás (Martí, 2006).
Variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden provocar la
desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura
homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y
un controlador de temperatura.
El régimen mesofílico de operación es el más utilizado a pesar de que en la
actualidad se está utilizando cada vez más el rango termofílico para conseguir una
mayor velocidad del proceso (lo que significa un aumento en la eliminación de
materia orgánica y en la producción de biogás) una mejor eliminación de
organismos patógenos. Sin embargo el régimen termofílico suele ser más
inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y presenta además
mayores problemas de inhibición del proceso, por la mayor toxicidad de
determinados compuestos a elevadas temperaturas, como el nitrógeno amoniacal
o ácidos grasos de cadena larga.
La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos físico–químicos
del mismo. La solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la
temperatura, favoreciéndose la transferencia liquido–gas. Esto supone un efecto
positivo para el caso de los gases como NH3, H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el
crecimiento de los microorganismos anaerobios. Una posible desventaja de este
fenómeno es, que el descenso de la solubilidad del CO2 provocaría un aumento de
pH, lo que generaría, en fangos de elevada concentración de amonio, posibles
situaciones de inhibición por NH3, por otra parte, la solubilidad de la mayoría de
las sales aumenta con la temperatura de manera que la materia orgánica es más
accesible para los microorganismos aumentando así la velocidad del proceso. Por
último, la viscosidad de sólidos y semisólidos disminuye al aumentar la
temperatura lo que implica menores necesidades de agitación (Martí, 2006).
41
7.9.3 Carga orgánica.
La velocidad de carga orgánica, es la cantidad de materia orgánica
introducida diariamente en el reactor, depende de la composición del sustrato y del
tiempo de retención. Un aumento repentino puede provocar sobrecarga y una
descompensación.
7.9.4 Tipo de reactor.
Hay muchas tecnologías aplicables al proceso anaerobio. A grandes rasgos
se dividen en discontinuos y continuos, los primeros son más sencillos y menos
eficientes, los continuos tienen un flujo de entrada y salida de materia.
7.9.7 Tiempo de retención.
Es el tiempo que el substrato permanece en el reactor, sometido a la acción
del microorganismo, está determinada por la composición del material orgánico de
que se trate.
7.10 Microbiología de la digestión anaerobia.
7.10.1 Las Arqueobacterias.
En base a sus propiedades metabólicas o ecológicas, podemos distinguir
tres grupos: matanógenos, halófilos y termoacidófilos.
Los metanógenos se distinguen por su metabolismo de energía único en el
cual el metano es un producto final prominente. Basándose en las huellas
42
16SrRNA se ha podido establecer que los metanógenos, aunque físicamente
homogéneos están compuestos por tres subgrupos diferentes. La extremada
heterogeneidad que presentan las arqueobacterias que se manifiesta en los bajos
valores S1 es un presumible reflejo de su considerable antigüedad.
Las arqueobacterias presentan una estructura lipídica; diéteres glicerol
tetraéteres glicerol sus cadenas de hidrocarburo son normalmente el C20 fitano y el
C40 bifitano, respectivamente. Sin embargo, de forma ocasional se encuentran en
pequeñas cantidades de hidrocarburos isoprenoides C25 C30 y C35 y en las
termoacidofilas, es frecuente encontrar uno de dos anillos ciclopentanos en las
cadenas C40. Los dos grupos hidroxilo adyacentes del glicerol están unidos por un
enlace éter a estas cadenas de hidrocarburos; el tercero permanece libre o bien
esta unido por un enlace éter o éster a un grupo fosfato, a un azúcar, o a un
azúcar alcohol.
Las membranas que contienen diglicerol, dibifitanil y tetraéster se
componen posiblemente de una monocapa en lugar de una bicapa, con una
molécula lípidica abarcando la membrana entera. Este tipo de ordenación puede
aumentar la fuerza mecánica de la membrana y resistir agentes químicos.
Por regla general, puede decirse que las bacterias termoacidofilas
contienen principalmente tetraésteres bidifitanil y las halófitas diésteres difitanil. En
las metanógeneas existen dos tipos diferentes de distribución: las células cocoides
contienen solo diésteres dibifitanil en tanto que el resto contiene tanto diésteres
difitanil como tetraésteres dibifitanil (Stanier, et al 1996).
7.10.2 Metanógenos.
La formación biológica del metano (CH4) según Stanier (1996) es un
proceso importante geológicamente que tiene lugar en la mayoría de los
ambientes anaerobios en que la materia orgánica sufre descomposición: zonas
43
pantanosas, sedimentos, lacustres, tracto intestinal de los animales y digestores
de anaerobios de aguas residuales. Es el resultado de las actividades de un grupo
de bacterias altamente especializado que convierte los productos de la
fermentación de otros anaerobios (especialmente CO2, H2 formiato y acetano) en
metanol o metano y CO2. Como el metano es un gas escasamente soluble en
agua, se escapa del ambiente anaerobio y puede por lo tanto ser oxidado
anaeróbicamente por miembros de otro grupo bacteriano, el de los metofilos lo
que generalmente sucede en al interface de las condiciones anaeróbicas y
aeróbicas.
Los metanógenos son pues miembros terminales de la cadena alimentaria
anaeróbica, cuya actividad metabólica impide la retención de grandes cantidades
de materia orgánica en los ecosistemas anaeróbicos (Stanier, et al 1996).
7.10.2.1 Ecología.
Los metanogénos se encuentran en habitas altamente reducidos (Eh
≤0.33V). En algunos sedimentos los metanogénos son predominantemente
endosimbiontes dentro de diversos protistas anaerobios alcanzando densidades
celulares de 1010 bacterias por mililitro de citoplasma del protista. Otro importante
efecto de los metanogeneos en su ambiente proviene de su eficiente hidrogenasa,
cuya K-* es suficientemente pequeña para mantener un presión parcial baja de H2
donde se está produciendo metanogénesis activa. Esta baja de pH, permite a su
vez, que el número de anaerobios fermentativos reoxiden NADH por medio de una
hidrogenasa emparejada con NADH:
NADH + H NAD + H2
44
Estas hidrogenasas están ampliamente distribuidas entre los anaerobios,
pero no puede reoxidar NADH cuando del organismo crecen en cultivo puro por
que el equilibrio esta desplazado fuertemente hacia la izquierda.
Sin embargo, cuando crece en cultivo mixto con metanógenos, la baja de
pH que resulta de la continua eliminación de hidrogeno por la metanogénesis
altera el equilibrio y produce la reacción. Ello, a su vez, altera el equilibrio de la
fermentación hacia los productos finales más oxidados, con producciones
correspondientes más elevadas de ATP y biomasa. Este fenómeno se ha
designado transferencia de hidrogeno entre especies (Stanier, et al 1996).
45
VIII PROCEDIMIENTOS Y DESCRIPCION DE LAS ACTIVIDADES
REALIZADAS.
8.1 Elaboración de anteproyecto.
En esta actividad se realizó uno de los requisitos para la iniciativa de
nuestro proyecto de investigación, fue estructurado mediante un formato
especificado por el Instituto Tecnológico el Llano Aguascalientes donde se
estableció el titulo del proyecto, objetivo del proyecto, cronograma preliminar de
actividades, descripción de las actividades e información detallada de la empresa
en la que se participó.
8.2 Fase de laboratorio.
Esta fase se realizo para la optimización del ciclo de proceso de producción
de biogás bajo condiciones controladas. Durante esta etapa se procedió la
generación de la información suficiente para posteriormente validarla en campo.
8.2.1 Diseño prototipos (biodigestor) continúo para uso en los baño maría
de laboratorio.
En esta actividad se construyeron dos biodigestores pequeños que nos
sirvieron para obtener el diseño que utilizamos en el experimento de laboratorio.
Estos prototipos se construyeron con un material que resiste altas temperaturas,
por lo cual para el primer prototipo utilizamos un tubo PVC hidráulico y para el
segundo un tubo de PVC sanitario con un diámetro de 4 pulgadas y un volumen
de 1.5 lts., se colocaron dos tapas del mismo material para cada tubo, a la tapa
46
superior de cada prototipo se le adaptaron la entrada y las salida del sustrato y
biogás producido, para el suministro del sustrato al biodigestor se le adapto un
tubo de PVC sanitario a cada prototipo con un diámetro de 2 pulgadas, la salida
es de 1 pulgada de diámetro, el prototipo tiene como función que es continuo
(recarga) donde se le suministra el sustrato cada vez que lo requiere , para la
elaboración de los prototipos utilizamos material como arco de segueta, hoja de
segueta, taladro, broca y pegamento PVC.
Fig. 2 Construcción de biodigestores. Fig. 3 Biodigestor PVC sanitario.
Fig. 5 Tapa PVC hidráulico 4 pulgadas.
Fig. 4 Biodigestor PVC hidráulico.
47
8.2.2 Evaluación de los prototipos.
Los prototipos (biodigestores) se evaluaron conforme se planteo en un
ensayo donde cada uno de los ejemplares con diferente relación de sustrato –
inoculo; utilizando como material dos biodigestores de diferente físico, un baño
maría para mantener una temperatura constante de 35°C a los biodigestores con
la finalidad de obtener mejor producción, balanza analítica de 500 gr para pesar
el sustrato e inoculo utilizado en la mezcla, penca de nopal de 6 meses de edad,
estiércol de ovino, vasos de precipitado con un volumen de 500 y 2000 mililitros,
cuter (para cortar el nopal), agua del municipio de Salinas.
Fig. 6 Prototipos dentro del baño maría a una temperatura de 35°C.
48
Fig. 7 Balanza analítica de 500 gr. Fig. 8 Sustrato (nopal).
Fig. 9 Estiércol de ovino (inoculo). Fig. 10 Agua del municipio de Salinas.
49
Fig. 10 Penca de nopal de 6 meses de edad.
50
Relación de la muestra agua - sustrato 3 - 1 para un volumen de un litro.
733.33 ml agua
266.66 gr sustrato (nopal)
240 gr ya con inoculo (estiércol de ovino) 10%
26.6 gr % 10 inoculo (estiércol de ovino).
Nota: El porciento de inoculo va con relación al sustrato; para calcular el
volumen de la muestra requerida se realiza una regla de tres.
Cálculo del volumen que utilizamos en la evaluación de los prototipos.
8.2.2.1 Preparación de la mezcla.
En esta actividad se preparo la mezcla que utilizamos en cada uno de los
biodogestores, donde utilizamos una relación diferente en cada uno de ellos, en el
prototipo (biodigestor) de PVC hidráulico utilizamos la siguiente relación:
Relación agua sustrato 3-1 inoculada con estiércol de ovino a un 20% para un
volumen de 1.5 lts.
1099.9 ml de agua
Primer prototipo (PVC hidráulico) 319.9 gr de nopal
79.98 gr de inoculo
Prototipo (biodigestor) de PVC sanitario utilizamos la siguiente relación:
51
Relación agua sustrato 3-1 inoculada con estiércol de ovino a un 10% para un
volumen de 1.5 lts.
1099.9 ml. de agua
Segundo prototipo (PVC sanitario) 399 gr de nopal
39.9 gr de inoculo
Fig. 12 Preparación de la mezcla agua, sustrato e inoculo.
52
8.2.3 Monitoreo de pH.
En esta actividad se monitoreó el pH de cada uno de los componentes de
la muestra (agua, nopal y estiércol como inoculo), de la combinación de los
componentes, de la mezcla en reposo por varias horas hasta mantenerse estable
y de la mezcla dentro de los biodigestores. Se tomaron varias muestras de agua
en diversos recipientes (vaso de precipitado) de 2000 ml en donde se midió el pH
siendo este de 7.3, se colocaron trocitos de nopal en un vaso de precipitado en
donde se trituro y se midió el pH siendo este de 4.4, se coloco el inoculo
(estiércol de ovino) en un vaso de precipitado donde se midió el pH siendo de 7.4,
posteriormente todos lo componentes se mezclaron en un vaso de precipitado de
2000 ml donde se coloco la cantidad de agua requerida para un volumen de 1.5
de acuerdo con la relación agua - sustrato recomendada, se le agrego el sustrato
(nopal) y el inoculo (estiércol) donde se obtuvo un pH de 8.0; en esta actividad
utilizamos un potenciómetro, vasos de precipitado de 500 y 2000 mililitros,
solución buffer de 4.0 y de 7.0 para la calibración del potenciómetro, piseta para
lavar el sensor del potenciómetro.
Fig. 13 Trocitos de nopal. Fig. 14 Potenciómetro combinado HANNA.
53
Fig. 15 Soluciones buffer.
8.2.3.1 Control de pH.
El control se realizo utilizando como solución Ca (OH)2 lo que se conoce
como cal comercial, se preparo la mezcla en un matraz aforado con un volumen
de 2000 mililitros, se pesaron 150 gramos de Ca (OH)2 en la balanza
posteriormente se colocó en el matraz aforándolo con agua dando como resultado
nuestra solución para regulación de pH.
8.2.4 Medición de la producción de biogás.
En esta actividad se realizó la medición del volumen de gas producido por
cada uno de los prototipos (biodigestores) para determinar cual era el mejor
ejemplar para utilizarlo en nuestro experimento, para esto se prepararon los
biodigestores para la producción de biogás, la medición se realizó utilizando como
material un Tina de plástico trasparente Iris de 64L que nos sirvió como
almacenador de agua, soporte para probetas de tubo PVC de ¾ de pulgada, dos
probetas de 500 mililitro una para cada prototipo las cuales tiene la función de
captación del biogás desempeñando como una trampa de agua, las probetas se
llenan de agua se colona en el soporte para probetas donde está colocada la
54
manguera que viene desde el biodigestor para la salida del biogás, conforme está
produciendo biogás el biodigestor esta desplazando el agua que se encuentra en
la probeta y es como se calculó el volumen producido por cada uno de los
prototipos.
Fig. 16 Tina de plástico trasparente Iris de 64L.
8.2.5 Medición de variables.
En esta actividad se observo el comportamiento de cada uno de los
prototipos, de acuerdo con el monitoreo de pH y la producción de biogás, estos
dos factores fueron los que estuvieron en observación donde obtuvimos
55
información para aplicarla en nuestro experimento, donde se utilizo el siguiente
material, potenciómetro y probetas de 500 mililitros.
56
IX RESULTADOS.
En las actividades realizadas se obtuvieron resultados que sirven para
aplicarlos en el experimento donde la toma de datos se realizo con éxito para
determinar y mejorar la producción de biogás.
Lo primero que se realizó fue la evaluación de los prototipos debido a que
estos fueron construidos con diferente material, se tuvieron que evaluar para
determinar cual era el que mejores resultados nos daba, para esto se cargaron
los biodigestores con la mezcla agua-sustrato-inoculo, se colocaron dentro de un
baño maría para mantenerlos a una temperatura de 35°C, la producción comenzó
en un lapso de 12 horas y se estuvo midiendo hasta que ya no hubo producción,
se observó que el biodigestor de PVC sanitario no produjo, los resultados se
muestran el siguiente cuadro.
Cuadro 6.- Volumen de producción de biogás primera evaluación.
.
Se observó que el biodigestor PVC hidráulico produjo una cantidad
excelente mientras que el biodigestor PVC sanitario no produjo nada, en donde
hubo una discusión y se pensó que si el problema seria el biodigestor o la
cantidad de inoculo que se le aplico a la muestra que se le agrego al prototipo,
pero se hizo un cambio, la cantidad de inoculo que se le aplicó al biodigestor PVC
Biodigestor PVC hidráulico Biodigestor PVC sanitario
Hora Volumen Hora Volumen
16-Oct-10 12:00 365ml 12:00 0ml
17-Oct-10 13:50 325ml 13:50 0ml
18-Oct-10 11:00 250ml 11:00 0ml
18-Oct-10 18:00 0ml 18:00 0ml
Producción total 940ml 0ml
57
hidráulico se le aplico al PVC sanitario, se hizo la recarga y se obtuvieron los
resultados que se mostraran en el siguiente cuadro.
Cuadro 7.- Volumen de producción de biogás segunda evaluación.
PVC sanitario PVC hidráulico
23-Oct-10
Hora Volumen Hora Volumen
23:30 125 ml 23:30 600 ml
15:22 0 ml 15:22 90 ml
19:55 0 ml 19:55 185 ml
24-Oct-10
10:40 0 ml 10:40 95 ml
14:00 0 ml 14:00 10 ml
20:00 0 ml 20:00 0 ml
Producción total 125 ml 970ml
En el cuadro 2 se observó que el biodigestor PVC hidráulico produjo
una excelente cantidad de biogás, mientras que el biodigestor PVC sanitario
produjo muy poco, así que el problema era el biodigestor PVC sanitario y lo
descartamos. En donde se observó que la cantidad de inoculo no era el problema
si no el prototipo.
Dentro del mismo procedimiento de la evaluación de los prototipos se
estuvo monitoreando el pH de la muestra en reposo para observa en cuanto
tiempo se mantenía estable esto con el fin de mantenerlo optimo para mejorar la
producción de biogás, donde se estuvo monitoreando por varias horas los
resultados se muestran en el siguiente cuadro.
Cuadro 8.- Monitoreo de pH de la muestra en reposo.
7:03am
15/10/10
7:40am
15/10/10
8:40am
15/10/10
9:40am
15/10/10
12:40pm
15/10/10
10:40pm
15/10/10
11:40pm
15/10/10
12:40am
16/10/10
PVC
sanitario
7.6 7.3 7.1 7.0 6.9 6.8 6.8 6.8
PVC
hidráulico
7.8 7.6 7.4 7.3 7.0 7.0 7.0 7.0
58
Este monitoreo se realizo con el fin de observar que el pH de la muestra en
reposo no bajara de 6.5, por que si eso ocurriera tendríamos que agregar Ca
(OH)2 (hidróxido de calcio) para elevar el pH entre 6.5 y 7 que es el optimo para
que las bacterias puedan reproducirse en el medio y obtener una mejor producción
de biogás, pero en el cuadro anterior se observo que el pH de la muestra en
reposo a las 17 horas se mantuvo estable con un pH de 6.8 a 7.0 donde no fue
necesario agregar el hidróxido de calcio.
En el trayecto del procedimiento de la producción de biogás en el
biodigestor que se aprobó, se observó que el pH de la muestra dentro del
biodigestor estaba por debajo de 6.5 donde se encontraba a 4.7 y optamos por
modificarlo, donde se volvió a preparar la muestra para cargar nuevamente el
biodigestor donde se estuvo monitoreando el pH de la muestra en reposo como
se muestra en el cuadro 4; y el pH dentro de prototipo para poder modificarlo
utilizando el hidróxido de calcio, se cargo el biodigestor y se tomaron los datos de
pH de la muestra en el biodigestor donde al mismo tiempo se le iba aplicando una
cierta cantidad de hidróxido de calcio con una concentración de 150 gramos de cal
aforada a 2000 mililitro, los resultados se muestran en los siguientes cuadros.
Cuadro 9.- Monitoreo de pH de la muestra en reposo.
12:30
01/12/10
13:30
01/12/10
14:30
01/12/10
15:30
01/12/10
16:30
01/12/10
17:30
01/12/10
18:30
01/12/10
19:30
01/12/10
20:30
01/12/10
7.5 Ph 7.5 pH 7.4 pH 7.3 pH 7.3 pH 7.1 pH 7.0 pH 7.0 pH 7.0 pH
59
Cuadro 10.- Monitoreo de pH dentro del biodigestor y volumen de la producción de
biogás.
Cuadro 11.- Aplicación de Ca (OH)2 para optimizar el pH dentro del biodigestor.
pH Hora
Producción
Bogas
Fechas
4.7 9:45 125 ml 02/12/10
4.7 12:30 75 ml 02/12/10
5.0 13:00 0 ml 02/12/10
7.0 14:00 0 ml 02/12/10
5.0 15:00 0 ml 02/12/10
5.0 17:00 0 ml 02/12/10
5.3 18:00 0 ml 02/12/10
9.0 18:15 0 ml 02/12/10
7.8 20:20 100 ml 02/12/10
8.0 8:50 50 ml 03/12/10
12.0 12:00 0 ml 07/12/10
Producción total 350 ml
Hora de aplicación Volumen pH inicio pH obtenido
12:30 5 ml 4.7 5.0
60
Como se muestra en el cuadro 4 en el transcurso de 8 horas el pH de la
muestra en reposo se mantuvo constante a 7.0 por lo cual se cargo el biodigestor
con dicha muestra posteriormente al cavo de 14 horas se tomo la primer lectura de
pH del biodigestor y se checo la lectura de la producción de biogás, donde se
observo que el pH del sustrato estaba por debajo de los 6.5 se encontraba a 4.7
por lo que se agregaron cantidades de Ca (OH)2 como se muestra en el cuadro 6,
y se observó que nuestra producción fue muy poca por lo que hubo una discusión
y se pensó que lo que había ocasionado la baja producción de biogás fue que el
biodigestor se estuvo destapando cada vez que se tomaba la lectura y eso fue lo
que ocasiono la baja producción así que se realizo otra prueba se preparo la
muestra donde el Ca (OH)2 se aplico al sustrato en reposo donde se tenia un pH
de 7.0 ante se agrega el Ca (OH)2 , se le aplicaron 60 mililitro de Ca (OH)2 donde
nos dio un pH de 11.5 y se suministro el sustrato al biodigestor donde se observó
que al transcurso de 24 horas no había producción pero a la 36 horas ya tenia
buena producción, los datos se muestran en el cuadro siguiente.
13:00 5 ml 5.0 7.0
13:45 10 ml 5.0 6.8
15:00 10 ml 5.0 6.8
17:00 25 ml 5.0 7.5
18:00 50 ml 5.3 9.0
18:00 50 ml 9.0 11.8
Volumen total aplicado 150 ml
61
Cuadro 12.- Volumen de producción de biogás.
Producción de biogás
Hora Volumen Fecha
7:00 500ml 9/12/10
11:00 300ml 9/12/10
16:55 150ml 9/12/10
20:40 85ml 9/12/10
8:00 45ml 10/12/10
12:00 0ml 10/12/10
Producción total 1080ml
En la aplicación de Ca (OH)2 en la muestra en reposo se obtuvo mejor
producción de biogás, pero se observó que se prolongo el tiempo para la iniciación
de producción como se menciono anteriormente.
62
X CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
10.1 Conclusiones
En el desarrollo de la investigación se observó que el biogás tiene una gran
importancia y que ofrece altas ventajas competitivas respecto de otros
energéticos, en cuanto a la preservación del medio ambiente y resulta
económicamente factible y rentable y que no pone en riesgo la reserva de los
hidrocarburos, por lo que resulta más conveniente usar los bioenergéticos pero
que no sean parte de la dieta del ser humano como el maíz amarillo y la caña de
azúcar si no los que no afecten a la sociedad uno de ellos es el nopal.
En nuestro trabajo concluimos de acuerdo con nuestros objetivos
planteados una buena producción de biogás teniendo un buen control de pH en
nuestros biodigestores y por lo tanto nuestros resultados fueron que la aplicación
de Ca (OH)2 conocido como hidróxido de calcio (cal común) es una buena opción
para regular la baja del pH dentro de nuestros biodigestores esto es ocasionado
debido a que hay una fuerte actividad microbiana dentro del biodigestor
ocasionando que el pH del medio baje hasta 4.7, pero se observo que la
aplicación se realiza cuando la muestra se encuentra en reposo para que no haya
problema al destapar nuestro biodigestor para eso se le aplicó una cantidad de 60
mililitros de Ca (OH)2 con una concentración de 20 mil partes por millón ppm a la
muestra en reposo.
En cuanto a lo académico se concluyo que es benéfico realizar en aéreas
reales de investigación nuestras residencias profesionales con el fin de tener un
amplio panorama en cuanto a la realización de una maestría o un doctorado.
10.2 Recomendaciones
El Ca (OH)2 se aplica cuando la muestra se encuentra en reposo para que
el pH dentro del biodigestor se regule al momento de que comienza la actividad
microbiana dentro del biodigestor.
63
Estimular la investigación y desarrollo tecnológico orientado hacia la producción
agrícola de cultivos que favorezcan la generación de bioenergéticos como es en
este caso el nopal.
Establecer normas que formen los parámetros requeridos para el
aprovechamiento de la biomasa en este caso el nopal susceptibles de ser
utilizados para le generación de energía eléctrica.
Promover el desarrollo de proyectos de aprovechamiento del biogás.
Finalmente una reflexión que queremos compartir es acerca de que
invariablemente el futuro de la humanidad será mas prometedor en la medida que
escuchemos y convivamos mas con la naturaleza debido a que la quema de los
combustibles fósiles están afectando al medio ambiente.
64
XI REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS.
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México”. (Abril 2009), pp. 46.
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