Producción de biogás con un biorreactor en una granja porcina

La fermentación anaeróbica es una de las herramientas disponibles en el siglo XXI que ofrece ventajas para la transformación, sin embargo, el proceso se conoce en Asia desde el siglo XXVI antes de nuestra era. Historiadores de Asiria y Persia describen el proceso de calentar el agua de baño diez siglos antes de Cristo, como colectar orines de esclavos para teñir la ropa, tecnología que se extendió hasta el siglo XVI D.C. En 1776 Alejandro Volta reporta la relación materia orgánica-gas. En 1804 Johan Dalton y Humprey Davy descuben que es metano. Se usa como iluminaria pública en 1900's en la ciudad de Exeter (Reino Unido) con gas producido con el drenaje. Hasta 1930 se entienden los mecanismos de descomposición. China hacía lo propio para uso doméstico con desechos agrícolas y en 1940 en Alemania el biogás era combustible para el transporte municipal. Para 1970 China continuó instalando biodigestores caseros al igual que India adoptó estos bioprocesos energéticos para las familias. En Mount Pleasant (Iowa), el 10 de mayo de 1972 el primer biorreactor anaeróbico porcícola estaba funcionando en Estados Unidos.

No hay que esperar al año 2030 para valorizar a un modelo de negocio las excretas como un insumo económicamente viable para transformarlo en bienes y servicios con nanotecnología innovadora y dejar a que sea un producto de desecho. Puede ser un recurso o materia prima para alcanzar niveles de producción de alimentos de origen animal con la neutralización de carbono, obtener un ingreso adicional a la venta de animales. Los países del continente europeo, y en particular España, encabezan un giro direccional en la producción de proteína animal, implementando un programa de manufactura con las excretas, integrando procesos agroindustriales de valor agregado hacia una bioeconomía circular verde, aprovechando con creatividad los desperdicios contaminantes atmosféricos y ambientales, transformándolos en múltiples alternativas ecoeficientes.

Para el año 2050 cualquier sistema de producción deberá ser contaminador neutro de bióxido de carbono con mínimos emisiones de gases con efecto de invernadero. Se declina la energía fósil por recursos renovables o electricidad verde, siguiendo las indicaciones de la ciencia. No hay que seguir con ejemplos de energías limpias a los líderes que encabezan la lista mundial de la contaminación como China y Estados Unidos. Cada país en particular puede tomar la iniciativa de una sola salud (humana-animal) para resaltar en su campo de acción y minimizar las emisiones contaminantes con una matriz energética de tecnología propia y adecuada a la idiosincrasia cultural regional. Solo 16 países cumplen el acuerdo de Paris que contiene pactos de multas.

Biometano o syngás renovable es un producto microbiológico cultivado mediante reacciones de biodegradación de materia orgánica de origen animal, vegetal o aguas negras urbanas. Si el tratamiento es temo-químico se denomina sintegás (gas de síntesis). No es lo mismo que gas natural de yacimientos petrolíferos; el cual, mediante plantas generadoras de electricidad de doble combinado, unos sistemas enfriados con agua y otros tan solo por aire, producen electricidad a bajo costo de producción, obteniendo una ventaja competitiva sobre otras alternativas para generar electricidad. El biogás siendo más amigable con el ambiente, se produce en un medio anóxico, con menor huella de carbono, podría no ser financieramente competitivo como fuente alternativa de energía neutras contra el gas natural, eólica y fotovoltaica.

En Brasil se favorece como fuente renovable la producción eléctrica con biogás sobre los sistemas solares fotovoltaicos limitados a producir energía por 12 horas al día, mientras que el biogás su proceso de fermentación es continuo. Hay incentivos federales permanentes para mantenimiento de la infraestructura instalada; capacitación para mejorar la eficiencia de los biorreactores, reducir los riesgos del encargado, prevenir fallas del reactor y también la venta de bonos de carbono evitan el abandono de unidades de producción. El país destaca mundialmente en pollo, cerdo, res y toda esta materia orgánica participa en el desarrollo de biodigestores. Además de producir gas (calor-electricidad) se mejora la calidad del abono y se recicla agua para limpieza o riego agrícola.

Un cerdo produce 0,30 m³ de biogás por día. Esto son 22 kilogramos de metano al año. Un cerdo que alcanza 115 kg de peso en pie ha producido 28 Kg de CO₂, algo similar a la contaminación de 10 litros de gasolina quemada.

En México se han publicado leyes de energías renovables y sostenibles cambiando el paradigma, pero las propuestas de energías limpias no son acompañadas con el presupuesto financiero del plan anual de desarrollo la federación e incluyentes al desarrollo y bienestar social. Son las acciones las que cambian el problema del cambio climático para la humanidad. Rusia, Venezuela, México, Irán, Libia queman con antorchas al aire libre gas metano sin ninguna transformación debido a falta de tecnologías o modelo de negocio para aprovechar esta energía de la extracción del petróleo.

La construcción del biodigestor herméticamente anaeróbico como sistema de recolección de biogás con cubierta de geomembrana requiere inversión, ajustes de manejo y mantenimiento. Tiene ventajas una laguna con cubierta para la degradación de la proteína y poca volatilidad del amonio y amonia, por ello muchos establos y empresas porcinas con lagunas abiertas optan por inyectar directamente al subsuelo agrícola las excretas dos veces al año que contienen amonio NH₄+, aportando 1,8 de nitrógeno (N) total, 8,4% de fósforo, 0,7% de potasio, un abono con una conductividad dS/m de 14,4. Se usa el cincel profundo en tierra venida para impedir la volatilización del amonia NH3, al menos 30 días anticipados durante la estación previa a la siembra como alimento a los microrganismos del suelo, al tiempo permitir la mineralización de los excrementos que contribuyen propiamente a la nutrición vegetal como fertilizante de origen orgánico. Las heces no se pueden dispersar inapropiadamente en las superficies de siembra sin causar externalidades ambientales por la liberación de gases con efecto de invernadero, riesgos a la salud y quejas de la sociedad. La parte líquida contiene NH₄, K₂O y los sólidos concentran P₂O₅ con materia orgánica biodegradable con un humus más efectivo en su aporte de carbón.

La práctica en el tratamiento de un biodigestor desde la entrada o carga del afluente al biorreactor, el ciclo anaeróbico del sustrato de biomasa como materia orgánica o heces pasa por etapas de respiración-fermentación con diversos ciclos de macrofauna edáfica diversa al proceso: Hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis, metanogénesis. Cada etapa es dominada por diferentes especies bacterianas para que sea funcional y en la descarga los digestatos de salida del efluente sean menos contaminantes con un contenido mínimo de coliformes fecales, virus, bacterias patógenas. Si la fase termofílica de crecimiento bacteriano con mayor biomasa celular alcanza más de 55-70°C se presenta una pasteurización eliminando muchas bacterias patogénicas y huevos de parásitos.

Achinas menciona que el biogás crudo producido puede ser filtrado de impurezas como vapor, hidrógeno H₂, sulfuro de hidrógeno H₂S, bióxido de carbono, gas de sílice, halocarbonos, gases fluorados (perfluorocarbono PFCs, hidrofluorocarbono HFCs, hexafluoruro de azufre SF6), clorofluorocarburos HCFC para constituir un biogás metano limpio con más del 95% de CH₄ y mejorar la eficiencia de combustión del generador eléctrico. Se cuenta con biogás de calidad y fertilizantes sostenibles muy amigables con el ambiente. Los gases H2S y el metil siloxano (CH4OSi) para removerlos previamente del biogás hay que oxidarlos con la reducción de nitrato y nitrito. Con un filtro adicional el bióxido de azufre SO₂, óxidos de nitrógeno NOx. Hay gases contaminantes del aire que respiramos que son medibles compuestos orgánicos totales COT, monóxido de carbono CO, partículas menores a 10 micras PM10 y menores PM2.5.

La producción de gas metano en granjas porcinas es favorecido por la inclusión mezclada de varios sustratos de productos en codigestión, principalmente si mejoran la estabilidad de la relación C/N de la que carecen las excretas porcinas. La relación óptima de la fermentación es de 15-25: 1, pero las excretas de animales domésticos tienen rango de 2-10:1, por ello la baja la eficiencia del sistema. Por señalar un valor comparativo la paja de trigo es de 80C:1N.

Para balancear la relación carbono: nitrógeno se facilita agregando sobrantes agroindustriales de empaques de frutas, tubérculos y hortalizas; bagazo de cervecería, vid, agaves y jugos; desechos de rastros, lácteos, boñigas, junto a desechos o quimio del aparato digestivo de otras especies animales; salvados de harina, arroz y maíz; residuos del ingenio azucarera; proceso de yuca Cassava; sustratos lignocelulósicos aserrín, cascarilla de arroz y pajas como sustratos absorbentes de cama profunda en la cría de animales; otros que aportan más carbono que nitrógeno al medio desbalanceado de cultivo, tomando en cuenta que la lignina y biopolímeros derivados de la hemicelulosa y celulosa son pobremente biodegradables; lodos municipales, etc. indicado que la diversidad del inóculo mejora el proceso fermentativo del biorreactor. Un estudio asume que la celulosa produce más metano que la hemicelulosa, sin embargo, la hemicelulosa es degradada rápidamente.

Una buena cepa de microrganismos locales se forma después de 2 meses de fermentación del biodigestor con Cloasimonas acetógenas y 9 meses después se han formado colonias dominantes de Methanosaeta, Methanosarcina, especies microbianas más eficientes para la producción de gas metano. Otras poblaciones dominantes son Firmicutes, Bacteroidota, Proteobacteria, Spirobacterias. Lendomi indica que las poblaciones metanogénicas fluctúan durante el año por cambios de adaptación a la temperatura ambiental, se requiere más de 1-3 años para aclimatar microorganismos auto seleccionados para que produzcan gas metano por igual durante todo el año. Por ello durante la limpieza del biorreactor se debe dejar una parte como semilla del inóculo ya adaptado. Unas especies microbianas sobresalen con temperaturas más altas de 23°C en el agua del reactor otras en ambientes de baja temperatura 10°C, en el rango de ambas temperaturas sin inhibiciones de crecimiento. El rango mesofílico es considerado entre 20-45°C. La región psicofílico menor a 20°C todavía puede producir algo de CH4. El rango termofílico va de 35-60°C.

Se abre un nuevo camino a la biotecnología todavía no disponible comercialmente con la metagenómica e ingeniería genética para inocular con poblaciones estables que produzcan altos rendimientos de biogás. Nuevos organismos con alta tolerancia de adaptación a diversos cambios ambientales dentro del biodigestor, capitalizando la degradación de la lignocelulosa. El uso de enzimas para catalizar fibras (celulosa, hemicelulosa) sigue limitado Las endoglucanasas GH5-tCel5A1 y la GH5-p4818Cel5_2A son poderosas, pero se inactivan en ambientes no controlados. La microflora de rumiantes, bacterias en el tracto digestivo de termitas Nasutitermes que tienen enzimas activas para degradar polisacáridos y lignocelulosa. Son materia de investigación básica.

Los inhibidores más comunes del crecimiento microbiano dentro del biodigestor son gases producidos por el propio sistema amonio, sulfitos, iones metálicos, metales pesados y sustancias orgánicas. Por supuesto entradas nuevas de oxígeno disuelto en el agua de limpieza. Se forma un equilibrio de poblaciones entre bacterias que acidifican (ácidos orgánicos) el agua como medio de cultivo y las que metabolizan metano. Si el medio de cultivo es favorecido con la presencia de Clostridiales, Coprothermobacter y Gelria pueden hidrolizar proteínas ácidas reacción que genera más ácidos grasos volátiles, se reducen las emisiones de CO2 buscando la neutralidad de las emisiones. Los antibióticos presentes en los efluentes como clorotetraciclinas, sulfametazol, oxitetraciclina, ciprofloxacina, enrofloxacin, azetromicina promueven poblaciones procariotas que generan etanol y otras bacterias Archaea metanogénicas los transforman en metano. No así las cefalinas, cetalina tienen efecto negativo en otras poblaciones que producen CH₄. Agregar bicarbonato de sodio (Na2CO3) compuestos químicos como agentes alcalinizantes con propiedades bufferizantes mejoran el medio de cultivo para la producción de gas metano. Agregando oxido de magnesio en proporción de 30 Kg por metro cúbico de laguna mejora 40% la producción de gas metano.

La laguna de oxidación con ventiladores sin cubierta superficial, el bunquer y la laguna anaeróbica profunda de una sola cámara de fermentación es cosa del pasado. Las malas experiencias habían dejado una mala impresión. El biorreactor moderno debe ser eficiente con poco tiempo de retención de líquidos para completar rápidamente el tratamiento de la digestión y respiración anaeróbica de la materia orgánica, con la máxima producción y captura de biogás compuesto de (50-65%) de CH₄ y (30-35%) de CO₂ y otros gases incluyendo el vapor; con un valor calorífico de 5300 kcal/m³ (600 BTU/ft3). La producción de biogás puede generar beneficios ambientales muy valiosos, más allá el conjunto de la energía producida y de los de los mejoradores agrícolas.

De esta manera global hay un planeta dinámico y cambiante con nuevos desarrollos tecnológicos. Hay una población creciente de habitantes día a día que requiere una economía descarbonizada apegada a un modelo sostenible de largo plazo, donde la mínima huella de carbono será más apreciada que el precio mismo del producto. Tan solo con descarbonizar y ahorrar energía, alimento, vestido en cada hogar y automóvil de forma persistente impactará el ritmo del cambio climático. No debe haber alimentos que contaminen el hábitat y afecten el aire que respiramos. La industria de alimentos balanceados incrementa anualmente la demanda por pasta de soya, lo que implica deforestación por nuevas superficies de cultivo, más el transporte marítimo, agregan unidades al calentamiento global. Por ello alternativas para obtener recursos como la proteína de insectos cobra importancia mundial como alternativa para sustituir las cantidades de pasta de soya.

Nos debemos regir por nuevas normas éticas, estructuras financieras, educación agroecológica, una política clara para minimizar fricciones o mal entendidos. Los ajustes económicos circulares de comercialización se irán ajustando conforme avancen los sistemas de producción para alimentar a la humanidad y las leyes sean aplicadas con castigos económicos y cancelación de concesiones. A partir del biogás verde el mundo está legislando el futuro del planeta; su desarrollo productivo; comportamiento en los hábitos de consumo de la siguiente generación; uso eficiente de la energía limpia en casa, oficina, taller e industria; nuevas políticas económicas; cuidados del medio ambiente y naturaleza; investigación científica, tecnológica y práctica; concientización de la sociedad civil desde la infancia y política normativa. Toda actividad productiva debe participar.

El Instituto de procesos sostenibles de la Universidad de Valladolid en España presenta un sin número de tesis y artículos para consulta IPS 2024. Las granjas en Alemania han avanzado 2022 instalando 11.000 biodigestores en casi todas las unidades de producción aportando al 25% de otras fuentes de bioenergía del país. En Europa 2015 se registran 17.400 plantas de biogás. Estados Unidos tiene un potencial de instalar 5.400 biorreactor modernos y tan solo lleva 45 unidades en funcionamiento. Estados Unidos, Japón y Alemania han desarrollado y crecido en la energía fotovoltaica más adecuada a las zonas urbanas, pero no descartan programas para los granjeros, ya que la carne de cerdo es la preferida mundialmente.

Los estanques o pilas de almacenamiento de excretas deberán ser manejadas adecuadamente al pasar de los galpones hasta la laguna de decantación exterior. Hay productos químicos de lenta liberación que, aplicados en forma preventiva, regulan el pH para que la materia orgánica no se descomponga por los microorganismos en gases amonia (NH₃) que causa lluvia ácida, nitrato (NO₃-) y nitrito NO₂ es un gas con efecto de invernadero (GEI) y así los sólidos no formen costra o espuma para que las heces acumuladas por 6 meses mantengan sus valores nutritivos para ser aplicado como fertilizante. Otra acción efectiva para reducir emisiones de metano es haciendo diariamente separación de excretas sólidas de los líquidos disueltos y en suspensión y posteriormente controlando las cantidades e inóculos proceder al tratamiento de digestión anaerobia, con la generación de biogás. En Vietnam separan mecánicamente los orines de las heces para minimizar los malos olores. Para México se norma con NOM-001-ECOL-1990 para porcinas, NOM-003-SEMARNAT 2002 para lodos y biosólidos, NOM-004-SEMARNAT-2002 desazolves de granjas, NOM-001-SEMARNAT 2021 reutilizar el agua para el riego agrícola. Las empresas pueden ir más allá de las regulaciones y obtener beneficios tangibles con ambientes sin moscas, reducción de trasmisión de enfermedades, mejoras en la eficiencia alimenticia, ingreso por productos adicionales, por fuera de los animales.

El campo de la nutrición animal con precisión será de vital enfoque para reducir emisiones entéricas de gases. Resulta ambientalmente más eficiente una dieta con 16% de proteína cruda y aminoácidos sintéticos que una con 18% de P.C. sin cascarilla de soya y almidón. Para ello el Consejo Nacional de Investigación (NRC 2012) ahora National Academies Press Council (NAP) se adecua al avance genético alcanzado por las empresas porcícolas y lanzará la nueva tabla de los requerimientos nutricionales porcícolas en el 2026. La incorporación de granos de destilería de trigo o maíz a la dieta balanceada de cerdos en cualquier etapa fisiológica incrementa el volumen de las heces y a la larga resulta en una mayor producción de gas metano por cerdo producido. Incluir grano de cebada para bajar el % de proteína bruta de la ración de cerdos en finalizado reduce el impacto ambiental. Modificar los niveles de micro minerales en dietas. El Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación nacional y la Anaporc española han publicado todo un tratado de 200 páginas, con las bases zootécnicas para el cálculo del balance alimentario del nitrógeno y fósforo para las especies domésticas en granja. Utilizar aditivos varios, enzimas, extractos fitoquímicos de plantas medicinales. En Colombia usan zeolita en la comida, limpieza, higiene, sanidad, control ambiental, ventilación, bienestar zootécnico y otras prácticas de manejo de los alimentos han permitido 35% de reducción en las emisiones GEI por kilo de cerdo producido. Pero hay mucho más que hacer en la nutrición y alimentación porcícola.

Así que es tiempo actual de echar a andar conocimientos y experiencias con enfoque de conservación verde y azul que impulsen estas prácticas que contribuyan al cuidado del medio ambiente y no solo deshacernos de la materia orgánica sobrante echándola al suelo agrícola o enterrándola en depósitos de tierra, tampoco solo quemar el gas metano al aire cunado se pueden producir polihidroxibutirato y de las boñigas transformarlas en polihidroxialcanoatos con cultivos de Metilocistos hirsuta. Remover el metil siloxano volátil del biogás colectado ya que al ser quemados liberan bióxido de silicio SiO₂ o sílice (arena), un gran aportador del calentamiento global, un gas incoloro con propiedades venenosas. Esa era de la basura ya pasó es cosa del pasado. Si no te actualizas con biotecnología hay multas y restricciones de mercado de los alimentos.

Hay diversas tecnologías que se diferencian en sus procesos y materia de transformación, desde medicamentos, cosméticos, plásticos, abonos hasta reactivos químicos, azúcares, energía calórica, energía eléctrica y otras alternativas que transformen los problemas de contaminación y olores en oportunidades de mejora ambiental con cotizaciones de bonos de carbono internacionales y alternativas diversificadas para generar ingresos. Las plantas generadoras producen calor que debe ser aprovechado en el secado de compostas, reciclar el calor hacia el propio sistema del biorreactor como pretratamiento térmico y con ello minimizar 20 veces el tamaño inicial del volumen del biorreactor, recobrar el calor de del escape desperdicio y convertirlo en aire frío con un enfriador de absorción. Biorrefinería, fermentación, hidrólisis enzimática, biochar (carbonización de residuos orgánicos, no de madera o carbón vegetal) desarrollo de bioprocesos unicelulares, por mencionar algunos y el que más nos ocupa en este artículo la Digestión Anaeróbica.

Si nos apegamos a la tradición, del cerdo nada se desperdicia, hasta las pezuñas se usan como tébaris para la danza del venado, todo es útil.

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