Tratamiento íntegro de los residuos cárnicos para obtener biogás

Investigadores del IRTA pretenden desarrollar un sistema que permita el tratamiento integral de los residuos cárnicos/deyecciones animales y su valorización energética en base a la codigestión anaerobia (biogás). El proceso se basa en un digestor enriquecido en bacterias sintróficas oxidadoras del acetato (SAO) y representa una de las primeras implementaciones del concepto de smart bioreactor en la biotecnología ambiental.

Según la Asociación Nacional de Industrias de la Carne de España (Anice), el cárnico es el 4º sector industrial español y está constituido por unas 3.000 pymes: mataderos, elaboración de productos cárnicos, etc. Ocupa, con diferencia, el primer lugar de toda la industria alimentaria, con una cifra de negocio de 21.164 millones de euros (más del 20% del sector alimentario y el 2% del PIB total español), siendo el empleo directo superior al 20% de la ocupación total de la industria alimentaria.

En España se generan al año unos 2 millones de toneladas de residuos animales, cifra que incluye 380.000 toneladas correspondientes a los animales que mueren en la propia granja, y cuya recogida y tratamiento supone un coste anual aproximado de 150 millones de euros. Por otro lado, las deyecciones ganaderas son uno de los residuos más abundantes, siendo su aplicación como fertilizante la principal estrategia de gestión, aunque en zonas de elevada densidad ganadera está limitada. Además, en las zonas vulnerables es necesario implementar sistemas para el procesado de las deyecciones que faciliten la recuperación/exportación del nitrógeno excedentario o, en última instancia, su eliminación. Es en estas zonas de alta densidad ganadera donde los excedentes de las deyecciones (purín, estiércol, gallinaza…) tienen una salida como fertilizante más complicada, por lo que se hace necesario buscar otras salidas o valoraciones que permitan pasar de un excedente problemático a un subproducto valorizable (económicamente o no).

El IRTA participa en el proyecto PIONER, dirigido a la reducción y valorización de subproductos y residuos agroalimentarios. En concreto, el proyecto pretende desarrollar una tecnología innovadora que facilite la gestión y valorización energética (biogás) de los residuos agroalimentarios ricos en grasas y proteínas (residuos cárnicos, cadáveres de animales, etc.), junto con las deyecciones ganaderas, de forma que se puedan desarrollar e incentivar modelos para la producción de energía para su autoconsumo en granjas y en industrias de transformación cárnica, disminuyendo la contaminación ambiental causada por la generación de nitrógeno excedentario.

La tecnología propuesta en el proyecto es la digestión anaerobia. La viabilidad económica de la digestión anaerobia depende, entre otros factores, de la producción específica de metano por unidad de residuo tratado y del coste/beneficio que comporta la gestión de los nutrientes generados (digestato). En este contexto, la tendencia actual consiste en operar las plantas de digestión anaerobia en régimen de codigestión anaerobia, esto es, combinando subproductos, generalmente de la industria alimentaria, con un elevado potencial energético (como los residuos cárnicos, ricos en grasas y proteínas), con residuos parcialmente biodegradados (deyecciones animales, fangos de depuradora, etc.), para incrementar la producción específica de metano y unificar así la gestión de diferentes residuos.

Sin embargo, todavía existen importantes retos en el proceso que siguen sin estar completamente resueltos a nivel tecnológico. Por un lado, la digestión anaerobia de residuos con un elevado contenido de nitrógeno (purines, residuos cárnicos, etc.) puede conllevar la inhibición de algunos microorganismos, (concretamente las denominadas arqueas metanogénicas acetotróficas), que son particularmente sensibles a la acumulación del ion amonio (NH₄+) y a los ácidos grasos volátiles.

Esta limitación puede ser superada mediante el enriquecimiento con otras bacterias (oxidadoras sintróficas del acetato) y arqueas (arqueas hidrogenotróficas), al ser ambas poblaciones más resistentes a los compuestos citados anteriormente. Estas bacterias se caracterizan por su baja tasa de crecimiento celular y por su capacidad para desarrollarse como litótrofos, produciendo acetato a partir de H₂ y CO₂ o de realizar el proceso inverso en sintrofía con las arqueas hidrogenotróficas, en función de la presión parcial del hidrógeno.

Una vez digerida la materia orgánica, el nitrógeno que contiene se encontrará principalmente en forma amoniacal en el digestato, por lo que es necesario su gestión o tratamiento. La manera más eficiente de eliminar el nitrógeno excedentario en aguas/residuos es mediante la nitrificación/desnitrificación. Se trata de un proceso microbiológico en dos fases en el que el NH₄+ es oxidado por bacterias y arqueas autótrofas a NO₃- en presencia de O₂ y CO₂. El NO₃- es posteriormente reducido por bacterias heterótrofas desnitrificantes a N₂, en condiciones anóxicas y con CO₂.

La aireación y la adición de materia orgánica constituyen los principales costes de este proceso. En los años 90 se descubrió que ciertas bacterias podían convertir el NO₂- y el NH₄+ a N₂, proceso conocido como oxidación anaerobia del amonio (ANAMMOX). En contraste con la nitrificación/desnitrificación, sólo la mitad del nitrógeno debe ser oxidado a NO₂-, siendo las bacterias ANAMMOX autotróficas (no es necesario aportar materia orgánica), con lo que la reducción de costes es considerable. El ANAMMOX es una tecnología relativamente reciente (2002). Sin embargo, las bacterias ANAMMOX se caracterizan también por una tasa de crecimiento extremadamente lenta, lo que puede dificultar la estabilidad del proceso.

Para ello, los investigadores del IRTA pretenden desarrollar un sistema compacto, automatizado, y autorregulable (menos dependiente del control humano) para el tratamiento integral de los residuos ganaderos/cárnicos. El concepto se basa en la combinación de los procesos biotecnológicos SAO y ANAMMOX para la valorización energética de la materia orgánica y la eliminación del nitrógeno.

El proceso se basa en un digestor enriquecido en bacterias sintróficas oxidadoras del acetato (SAO). Una vez eliminada la materia orgánica biodegradable, la fracción líquida del digestato será tratada en un segundo reactor de nitritación parcial/ANAMMOX para la eliminación autotrófica del nitrógeno excedentario.