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BIOGAS

La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que se produce la degradación de la materia orgánica por la acción concertada de una amplia variedad de microorganismos (principalmente bacterias) en ausencia de oxígeno u otros agentes oxidantes fuertes.

Los principales productos finales de estas reacciones son un gas denominado biogás, que está formado mayoritariamente por metano y dióxido de carbono el cual también contiene nitrógeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y amoniaco, que suponen normalmente menos del 1% del volumen total del biogás. Por otra parte, se genera un efluente digerido, que es una mezcla de productos minerales (nitrógeno, fósforo, potasio…) y otros compuestos de difícil degradación. Este efluente, tras sufrir una serie de tratamientos, puede ser utilizado como enmendante agrícola, ya que presenta un mayor poder fertilizante que los residuos tratados.

El biogás contiene un alto porcentaje en metano (entre el 50-80%, dependiendo del sustrato y del diseño del reactor), por lo que es susceptible de un aprovechamiento energético para generar calor y/o electricidad mediante su combustión en motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible. También es posible emplearlo en pilas de combustible, una vez eliminado el sulfuro de hidrógeno, ya que es un contaminante de las membranas. Una vez purificado y añadiendo los aditivos necesarios puede ser introducido en la red de transporte de gas natural. Por último, es posible usarlo como combustible para automoción.

La digestión anaerobia es un tratamiento biológico ideal para biomasas residuales con alto contenido en humedad, ya que para que la digestión anaerobia produzca buenos rendimientos en cuanto a degradación y producción de biogás, es necesario que el proceso se realice en un ambiente húmedo y cálido.

Las principales ventajas del proceso de digestión anaerobia son:

• Reducción significativa de malos olores, debido a la mineralización del residuo.
• El efluente digerido tiene un alto contenido en nutrientes, por lo que se puede utilizar como fertilizante o para fabricar compost.
• Producción de energía renovable si el biogás se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil.
• Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la disminución de emisiones incontroladas de metano y de las emisiones de dióxido de carbono evitadas al sustituir el biogás a fuentes de energía fósiles.
• Como es un proceso realizado a temperaturas superiores a la ambiental y en ausencia de oxígeno se pueden eliminar un mayor número de patógenos.

 

La digestión anaerobia también presenta algunas desventajas derivadas del lento crecimiento de las bacterias implicadas en el proceso, sobre todo las metanogénicas, como son el largo periodo de tiempo necesario para el arranque y la estabilización del proceso.

Los productos finales obtenidos del proceso de digestión anaerobia son el resultado de una serie de fenómenos bioquímicos muy complejos en los que una población mixta de bacterias forma una cadena alimentaria, siendo los productos de un grupo el material de partida para el siguiente. Para proceder a su estudio, esta compleja interdependencia suele simplificarse considerando que un digestor anaerobio contiene sólo cuatro grupos básicos de microorganismos que actúan en cuatro fases consecutivas y diferenciadas. Estas son:

• HIDRÓLISIS: Realizada por las bacterias hidrolíticas.
• ACIDOGÉNESIS: En la que participan bacterias acidogénicas.
• ACETOGÉNESIS: Llevada a cabo por bacterias acetogénicas y homoacetogénicas.
• METANOGÉNESIS.

Los tres primeros pasos son llevados a cabo por un gran consorcio de bacterias, mientras que grupos especializados de arqueas productoras de metano (metanógenos) son responsables del último paso.

El proceso se inicia con la hidrólisis de los polisacáridos, proteínas y lípidos por la acción de enzimas extracelulares producidas por las bacterias hidrolíticas. Los productos de esta reacción son moléculas de bajo peso molecular como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes, los cuales son transportados a través de la membrana celular.

Posteriormente son fermentados a ácidos grasos con un bajo número de carbonos (ácido fórmico, propiónico y butílico) debido a la acción de las bacterias acidogénicas.

Estos productos son convertidos en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción de las bacterias acetogénicas, por otro lado, otro tipo de bacterias acetogénicas denominadas homoacetogénicas transforman el hidrógeno y el dióxido de carbono en ácido acético.

Por último, actúan las arqueobacterias metanogénicas, las cuales pueden transformar el ácido acético en metano y dióxido de carbono, y en este caso se denominan metanogénicas acetoclásticas o bien transforman el hidrógeno en metano y dióxido de carbono y reciben el nombre de metanogénicas hidrogenófilas (Corrales et al., 2015).

Las poblaciones bacterianas implicadas en este proceso se caracterizan por estar compuestas por seres con diferentes velocidades de crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor. Esto implica que cada etapa presentará diferentes velocidades de reacción, según la composición del sustrato, y que el desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos grasos volátiles, que podría producir una bajada del pH. Para la estabilidad del pH es importante el equilibrio CO₂-bicarbonato. Así, para hacer posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica (cometabolismo) entre bacterias acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas diferentes poblaciones.

Lo anterior implica que las puestas en marcha de los reactores sean lentas, requiriendo tiempos que pueden ser del orden de meses. En general, la velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Para sustratos solubles, la fase limitante acostumbra a ser la metanogénesis, y para aumentar la velocidad del proceso la estrategia consiste en adoptar diseños que permitan una elevada concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor. Con esto se pueden conseguir sistemas con tiempo de proceso del orden de días.

Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas, la fase limitante es la hidrólisis, proceso enzimático cuya velocidad depende de la superficie de las partículas. Usualmente, esta limitación hace que los tiempos de proceso sean del orden de semanas. Para aumentar la velocidad, una de las estrategias es el pretratamiento para disminuir el tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas).

BIOTECNOLOGÍA COMO OPTIMIZACIÓN

El enfoque de optimización de Metanogenia respecto a las plantas de digestión anaerobia ha sido desde sus inicios conseguir dominar la biología del proceso.

Esto nos hace entender el comportamiento de las bacterias anaerobias para poder plantear y desarrollar mejoras. Con dos objetivos: producir la mayor cantidad posible de biogás y estabilizar la reacción microbiana cuando los sustratos de entrada a la planta no cumplen los criterios de biodegradabilidad o de concentración de inhibidores necesarios para la biodigestión.

Un ejemplo de este trabajo es la capacidad de Metanogenia de mantener estable reactores anaerobios. Este residuo es muy complejo en su tratamiento anaerobio por su alta concetración de fenoles que inhiben el proceso biológico. Actualmente estamos trabajando para conseguir rectores anaerobios que trabajen solamente con este subproducto, un desarrollo totalmente disruptivo.

 

BIOMETANO

El biometano se presenta como una solución a los modelos de negocio de valorización de residuos orgánicos.

El biometano no es más que el biogás limpio, es decir, se le ha eliminado la mayor parte de los gases que no aportan poder calorífico y se consigue un gas prácticamente igual que el gas natural. Esta mejora del gas se consigue mediante un proceso de upgrading en donde se elimina el CO₂, H₂0, compuestos volátiles, siloxanos, etc. para obtener un gas con una riqueza del 98% de metano.

Este biometano es susceptible de ser vertido a la red gasista o ser utilizado en motores de camiones y coches para transporte. Hay que destacar que la red gasista en España está construida, por lo que la aplicación es directa. Esto supone unos ingresos económicos muy importantes ya que tenemos en cuenta la naturaleza renovable de este combustible. Este tipo de plantas dan un mayor peso a la generación distribuida de energía y contribuye a la conservación del medio natural. Además, el uso del biometano considerando el Well to Wheel (del pozo a la rueda) permite no solo evitar las emisiones de CO₂, si no que considerando que el metano es 28 veces más contaminante que el dióxido de carbono, se pude afirmar que es la única tecnología que descontamina.

Es un vector de transformación en Estados Europeos como Francia, Alemania, Italia o Reino Unido. En Francia, por ejemplo y según ADEME (agence de l’Énvironnement et de la Maitrise de l’Énergie), en el horizonte de 2050 el gas renovable podrá cubrir el 100% de las necesidades de gas de Francia. Imaginemos el potencial en España.