9 de febrero de 2014

Biocombustibles


Origen y concepto de la biomasa


Las plantas aprovechan la radiación solar para su metabolismo; y lo hacen mediante la fotosíntesis, que es un proceso mediante el que éstas transforman la energía solar en energía química. El proceso fotosintético está comprometido por un complejo entramado de reacciones fotoquímicas y bioquímicas que ocurren en un órgano celular llamado cloroplasto, la cual es la verdadera fábrica de energía que sostiene la vida. Cuando hablamos de energía química nos referimos a la implicada en la formación o la rotura e enlaces entre átomos que forman las moléculas. La energía química se almacena en forma de moléculas orgánicas (con el carbono como principal componente estructural). La ecuación general de la fotosíntesis es:




La glucosa es la molécula orgánica, con fines de almácen energético, fabricada por las plantas en la fotosíntesis. La glucosa, que es un azúcar de 6 carbonos, es, por decirlo así, el combustible sintetizado en primer lugar; posteriormente los monómeros de la glucosa se polimerizan formando macromoléculas llamadas polisacáridos. El almidón en los vegetales (formado por unas 3.000 unidades de glucosa por molécula) y el glucógeno en los animales (de 12 a 18 unidades) son los polisacáridos que constituyen las reservas de energía de la vida vegetal y animal.
La fotosíntesis en las plantas consta de dos fases: una fase luminosa y una fase oscura. Durante la fase luminosa la energía electromagnética de la radiación solar se emplea en promocionar a un estado excitado (más energético) los electrones de las moléculas de la clorofila, éstas moléculas entregan dichos electrones a una serie de aceptores quedando cargadas positivamente y obteniendo de nuevo a los electrones mediante la rotura de las moléculas de agua H2O, estas moléculas quedan como una molécula aceptora final a la que se le llama NADP+ (nicotín adenín dicucleótico fosfato), y a la cual se le une luego el otro átomo de hidrógeno del agua, pasando estar en su estado reducido o NADPH. La energía de excitación del electrón se emplea en sintetizar, a partir de ADP (adenosín difosfato), un compuesto de alto contenido energético que es el ATP (adenosín trifosfato), con la concurrencia de fosfato inorgánico, Pi.
La fase luminosa se resume así:




En la fase oscura se sintetiza la materia orgánica con la incorporación al la materia vegetal de CO2 y en mucha menor escala de otros elementos integrantes de las proteínas y del los nucleótidos como el azufre y el nitrógeno. En esta fase se emplean las moléculas reductoras y las moléculas energéticas formadas en la fase luminosa, NADPH y ATP respectivamente. La reacción representativa de la fase oscura es:




Esta sintesís consume del orden de 4,4 Kwh por Kg de glucosa C6H12O6. La eficiencia de la fotosíntesis es de un 5%, esto quiere decir que se necesitan 88 Kwh solares para fabricar éste kilogramo de glucosa. En condiciones reales de crecimiento de las plantas en general el rendimiento final de la fotosíntesis es de un 0,3%. Algunas plantas son algo más eficientes porque utilizan durante la fase oscura líneas de síntesis de la glucosa diferentes, como la caña de azucar, el maiz y el sorgo, entre otras.
El proceso fotosintético hace crecer la biomasa vegetal, que se encuentra en la base de la pirámide trófica, siendo el alimento necesario de los animales para su crecimiento, de este modo se desarrolla la biomasa animal, que durante su metabolismo y al final de su ciclo de vida produce residuos (estiercol) que son también aprovechables energéticamente. La biomasa residual es todo desecho de materia orgánica proveniente de los seres vivos, éstos residuos orgánicos a menudo se consideran un subproducto, y pueden llegar a cobrar un valor muy importante en los procesos productivos.
Pero no toda la biomasa que nos interesa tiene que ser residual. Podemos cultivar plantas productoras de aceite, de hidrocarburos o de azúcares fermentables, con el fin de obtener “biocombustibles”, son los llamados “cultivos energéticos”. Según su procedencia y sin entrar en una sistematización pormenorizada, podemos clasificar la biomasa en:
  • Ganadera.
  • Agrícola.
  • Forestal.
  • Urbana.
  • Industrial.

La biomasa tiene múltiples utilidades, pero desde un punto de vista del aprovechamiento de la energía contenida en el eenlace químico del carbono, hay que realizar siempre una combustión. La combustión de la biomasa sólida puede realizarse directamente en un hogar, o bien, mediante tratamientos físicos, químicos y biológicos intermedios podemos obtener combustibles líquidos o gaseosos y éstos pueden ser quemados tanto en las calderas como en motores de combustión interna donde podemos extraer calor y trabajo mecánico. Éste trabajo lo podemos emplear para hacer funcionar máquinas y vehículos o para generar electricidad en grupos electrógenos o en turbinas eléctricas, el calor de las combustiones puede usarse además en proceso industriales, en el acondicionamiento del hábitat humano, animal o vegetal, o para la generación de electricidad.
Los procesos primarios para el aprovechamiento energético de la biomasa son:
  • La combustión en calderas.
  • La combustión en sólidos.
Y como procesos secundarios tenemos:
1) El calentamiento de agua, aceites térmicos y otros fluidos, como caloportadores, para:
  • Calefacción.
  • Procesos industriales.
2) La generación de vapor para:
  • Procesos industriales
  • Generar electricidad en turbinas de vapor.
3) La generación de electricidad en:
  • Turbinas de gas.
  • Turbinas de vapor.
  • Turbinas de ciclo combinado que serán descritas en el apartado de cogeneración.
4) La cogeneración para producir electricidad y calor.
5) La trigeneración para obtener electricidad y calor (con alguna de las tecnologías ya mencionadas), y producir frío con sistemas de refrigeración por absorción.

La obtención o adecuación para el uso de los combustibles procedentes de la biomasa, ya sea residual o no, requiere, casi siempre, tratamientos físicos, químicos o biológicos, y entre éstos están:
  • El secado para eliminar la humedad.
  • La combustión incompleta para producir carbón vegetal.
  • La extracción de aceites biocombustibles de plantas oleaginosas.
  • La extracción de hidrocarburos de plantas productoras.
  • La fermentación alcohólica.
  • La producción de biogás.
  • La gasificación para obtener gas pobre (CO, H2, N2), o gas de síntesis (CO, H2).
  • La pirólisis para obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Las características estructurales y bioquímicas según la procedencia de cada tipo de biomasa y el análisis de las necesidades de nuestros procesos industriales o domésticos, condicionana cuáles pueden ser las tecnologías para un aprovechamiento óptimo, siempre teniendo en cuenta la realización de una evaluación de impacto ambiental si lo hubiere. En el proceso de aprovechamiento energético aparecen también subproductos con valor añadido, como el caso de la producción de compost utilizando el residuo sólido de la fermentación alcohólica o la digestión anaerobia. En general se trata de no consumir más biomasa de la que se regenera como residuo o como producto de la intervención humana, y no retirar del medio la biomasa necesaria para mantener los nutrientes y las características estructurales de los suelos, ya sean naturales o generados por la acción agrícola humana.

Los cultivos energéticos

El establecimiento de plantaciones con fines energéticos puede considerarse un procedimiento renovable, ya que en los procesos de combustión se devuelve a la atmósfera sólo aquel CO2 que las propias plantas han retirado de la misma para su crecimiento. Evidentemente, esto no es óbice para evaluar previamente el impacto ambiental sobre el ecosistema y sobre la socioeconomía de la zona al cambiar las especies de cultivo, por otro lado, la descconcentración y diversificación a la concentración y al monocultivo. Los cultivos energéticos pueden ser una alternativa económica, pues, en determinadas regiones, debido a razones macroeconómicas de carácter mundial, se están produciendo, o se van a producir excedentes de cultivos tradicionales. Quizás el uso de las tierras plantando especies para su aprovechamiento bioenergético produzca el triple beneficio de mantener la rentabilidad económica, minorar la dependencia de combustibles externos y contribuir a la disminución de las emisiones netas de CO2” a la atmósfera.



El ciclo de los biocombustibles. Al quemarse se devuelve a la atmósfera el CO2 retirado de la misma por las plantas en su crecimiento.

Se consiera que las plantaciones energéticas son todas aquellas cuyo fin principal es obtener combustibles sólidos, liquidos o gaseosos, aunque es más habitual hablar de plantaciones energéticas cuando se pretende obtener biocombustibles líquidos. Esto es así porque los biocombustibles sólidos suelen ser producto de la limpieza, de la poda o tala forestal, y de arranque, destallado, desbroce o poda de cultivos agícolas arbóreos y herbáceos. La silvicultura ha sido un método tradicional de explotación de los recursoso del bosque, mediante el que, además de otros productos comercializables, podemos extraer los residuos forestales y los productos de podas y talas controladas para su explotación energética, así obtenemos madera directamente para quemar o para la fabricación de carbón vegetal en hornos industriales (en las tradicionales parvas) o la producción de pellets forestales para su posterior combustión. La consideración de renovable de la tecnología de aprovechamiento energético de selvas y bosques, sólo puede darse si la biomasa obtenida y consumida es tal que se regenera a la misma velocidad con la que se extrae, y se extrae en la cantidad que no afecta a la estructura y composición de los suelos. Las lineas de investigación, y los actuales desarrollos tecnológicos se van encaminado principalmente al establecimiento de métodos de cultivo de especies, y de técnicas extractivas de la que podamos obtener los llamados biocombustibles líquidos. Ya hemos dicho que se llama biocombustible a todo aquel combustible líquido extraído o fabricado a partir de productos agrícolas, sin embargo, también puede aplicarse a gases y sólidos elaborados a partir de cultivos energéticos y sometidos posteriormente a proceos como la digestión anaerobia para obtención de biogás, la pirólisis para obtención de carbón vegetal y la gasificación para obtener el gas de síntesis y gas pobre, o como hemos visto la compactación de biomasa sólida para obtener los ya vsistos pellets. Entre los biocombustibles líquidos más estudiados y que podrían ser sustitutos de los provenientes del petróleo, o mezclarse con ellos, tenemos:
  1. Los bioalcoholes producidos por fermentación alcohólica de los azúcares de plantas ricas en estos.
  2. Los bioaceites extraidos de las oleaginosas.
  3. Los hidrocarburos de plantas productoras de:
  • Látex.
  • Caucho.
  • Gutapercha.

En el balance global es necesario comprobar que la energía extraída sea mayor que la consumida en todo el proceso de cultivo más la necesaria para las manipulaciones anteriores y posteriores al mismo, incluyendo la fabricación y costo de fertilizantes, agroquímicos, agua, etc. Dependiendo de la composición bioquímica de la especie vegetal de que se trate, la tecnología a aplicar irá encaminada a la extracción de aceites combustibles (grasas vegetales), fabricación de etanol (Alcoholes), extracción de hidrocarburos (sesquiterpenos, polisoprenoides), etc. La obtención de aceites e hidrocarburos vegetales consta, a grandes rasgos, de varias etapas. La primera es la recolección, bien de toda la planta, o del tejido u órgano a tratar. A continuación puede hacerse una limpieza previa para proceder al transporte hasta la fábrica. Entre las primeras operaciones de proceso están la acogida, el almacenado, el lavado, la conservación, la molienda, o el batido, para disminuir el tamaño o para obtener un primer extracto líquido y un sólido separable por centrifugado, decantación o filtración. Tanto la fase líquida como la sólida pueden tener interés energético. De la fase sólida podemos extraer y separar los aceites o hidrocarburos aplicando técnicas de extracción y separación de fases con disolventes orgánicos. Cada tipo de materia prima, en función de su composición en grasas e hidrocarburos requiere un diseño del proceso extractivo donde se aplican técnicas fisicoquímicas de disolución, extracción, decantación, separación de fases, etc. La materia orgánica una vez triturada se mezcla íntimamente en un reactor con un disolvente orgánico que una vez usado para la extracción se separa por destilación y se reutiliza. Los disolventes utilizados para la extracción pueden ser hexano, heptano, acetona, benceno, éter, metanol, etc. A modo de apunte y sin tecnisismos afronómicos ni botánicos, algunas plantas productoras de hidrocarburos y de aceites combustibles son: el nabo forrajero, el crotón, la calabaza, el calabacín, el cardo, la palmera de aceite, la cauchera, el guayule, la jojoba, etc. Entre las plantas con alto contenido de azúcares y productos fermentables están: la remolacha forrajera y azucarera, la pataca, la patata, el boniato, el tallo de maiz, el tallo del sorgo, la algarroba, la mandioca, la caña de azúcar y la chumbera, entre otros.


Bioetanol  o  Bioalcoholes


El etanol que se consume hoy día en el mundo proviene principalmente de la industria del petróleo y del gas natural, aunque una parte importante se obtiene por fermementación alcohólica de bagazos de fábricas azucareras, y en general de materia vegetal rica en hidratos de carbono. La producción va destinada como materia prima de otras manufacturas de la industria química y farmacéutica, entre otras. El etileno es un monómero precursor de plásticos como el polietileno y el polietileno reticulado que puede obtenerse con facilidad a partir del etanol. Pero además, en algunos países ya desde hace años se viene utilizando el etanol procedente de la biomasa como biocombustible sustituto parcial o total de a gasolina en motores de combustión interna de ciclo Otto, llamándolo de manera genérica “gasohol”. Por supuesto, el bioalcohol es útil también para quemar mediante otras tecnologías de combustión. Los motores Otto requieren pequeñas modificaciones para utilizar el alcohol en lugar de gasolinas, o como mezclas alcohol/gasolina (gasohol). El etanol proporciona características antidetonantes, por lo que mejora el índice de octanos de la gasolina; el aumento de octano permite aumentar la relación de compresión de los motores para conseguir mejores rendimientos en la transformación de energía química a energía mecánica. Otra ventaja del uso de gasohol es la disminución de las emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, e hidocarburos volátiles. La última fase para la obtención de etanol se produce, cualquiera sea la vía de obtención o síntesis, por destilación fraccionada de disoluciones acuosas; de éste modo se obtiene una mezcla de composición 96 % etanol, 4 % agua. Esta cantidad de agua induce en la combustión la aparición de ácidos orgánicos corrosivos para los motores, aunque puede eliminarse del combustible haciendolo pasar por sales deshidratantes y obteniendo alcohol absoluto, pero es un proceso que encarece la fabricación. Lo más adecuado es tener en cuenta este hecho y cuidar que los componentes metálicos en contacto con los gases y productos de la combustión no sean atacables por éstos ácidos organicos de la combustión del la fracción de agua en el etanol.
Las plantas de mayor interés alcolígeno son las ricas en carbohidratos. De modo que los residuos y productos agrícolas fermentables son de tres tipos, en función de su composición en lo que se refiere al tipo de hidratos de carbono:
  • Azucaradas: con alto contenido en monosacáridos y polisacáridos.
  • Amiláceas: Con alto contenido en el polisacárido almidón.
  • Lignocelulósicas: con alto contenido en celulosa y hemicelulosa.

Los microorganismos encargados de la producción de alcohol etílico en condiciones de ausencia de oxígeno son los hongos que forman las levaduras, éstos para la alimentación energética de sus procesos metabólicos transforman la glucosa en etanol por medio de una síntesis bioquímica llamada fermenación alcohólica; algunas bacterías anaeróbicas también son capaces de fermentar el alcohol en azúcares solubles. Resumidamente:



El etanol o alcohol etílico es el producto de una ruta bioquímica, en la que intervienen una serie de enzimas, las cuales son proteínas especificas en que cada enzima tiene una misión que intervienen en todos los procesos metabólicos controlando y ejecutando las reacciones bioquímicas, y que determinados microorganismos realizan utilizando como sustrato la glucosa. Las plantas azucaradas y las amiláceas requieren solamente un tratamiento mecánico para liberar los monosacáridos y polisacáridos fermentables de las envolturas de celulosa, hemicelulosa y lignocelulosa que los rodean; el residuo de éste tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables de las envolturas de celulosas que los rodean, donde el residuo de este tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables, sin embargo, el almidón requiere la hidrólisis previa para su descomposición en moléculas de glucosa, esta hidrólisis la realizan microorganismos que contienen la enzima amilasa. Existen bacterias que producen enzimas capaces de hidrolizar hasta monosacáridos y moléculas simples a la celulosa y hemicelulosa, pero no a la lignina. Por esto, si queremos aprovechar el potencial energético de la lignocelulosa es necesario realizar pretratamientos químicos de hidrólisis ácida o básica para romper la estructura polimérica de la lignina. Los pretratamientos encarecen el proceso y producen efluentes ácidos o básicos que es necesario tratar, recuperandolos o eliminando su potencial contaminante. Esquemáticamente el proceso de obtención de monosacáridos fermentables sería el reflejado en la siguiente figura:

Esquema de los tratamientos previos a la fermentación alcohólica.

Una vez obtenida la disolución acuosa de azúcares se procede a la fermentación alcohólica para lo que se han desarrollado diferentes técnicas. Cuatro son los factores a tener en cuenta durante la fermentación:

  • Temperatura: que debe estar alrededor de los 30 º C.
  • PH: no inferior a 4 ni superior a 5.
  • Concentración de azúcares: inferior al 22 % en peso.
  • Concentración de etanol: inferior al 15 % en volumen.

La fermentación es un proceso exotérmico, por lo que hay que controlar la temperatura del tanque de fermentación para no paralizar los procesos vitales de la levaduras. El proceso puede ser continuo o discontinuo, en ambos casos existen uno o varios tanques de fermentación con una amplia superficie interior para la fijación de las cepas de hongos. En serie con éstos tanques se sitúa un mecanismo de filtrado de las levaduras para separar el mosto destilable y devolver las levaduras a los tanques de fermentación. A continuación se realiza una destilación fraccionada en dos etapas, la primera se obtiene una mezcla de etanol al 60 % y otros alcoholes y componentes orgánicos, siendo el residuo las vinazas (proteínas, vitaminas y azúcares no fermentables), válidas para alimentación animal. De la segunda etapa se obtiene una mezcla que siempre contiene un 96 % de etanol y un 4 % de agua y el llamado aceite de fusel que contiene diferentes alcohóles de superior peso molecular originados en la fermentación debido a la presencia de proteínas en los jugos fermentables. El alcohol de 96 º es el que se comercializa como biocombustible. Para conseguir alcohol absoluto se requiere más energía y debe hacerse destilando el alcohol de 96 º en presencia de oxido de calcio CaO, o de sulfato de cobre anhídrico CuSO4. Otro procedimiento para obtener alcohol absoluto es utilizar benceno para extraer el agua por destilación de una mezcla de benceno 74,1 %, agua 7,4 % y etanol 18,5 %.



Biodiesel

El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores.
Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol trivalente, el glicerol. Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso metiléster. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.
Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina. Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradores
El aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia dos columnas conectadas en serie. La transesterificación tiene lugar en esas columnas y la glicerina pura es liberada mediante decantación.
Los ésteres son lavados dos veces con agua acidificada. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar americanas. El glicerol para ser utilizado debe ser refinado.

Esquema de la planta

La descripción de cada módulo de la planta es la siguiente:

a) Molino de aceite.

Los productos obtenidos son:
  • Aceite vegetal crudo.
  • Harina de alto contenido proteico (soja).

El aceite crudo es posteriormente procesado, transformado en BIiodiesel y glicerol, y la harina se vende como alimento para animales, eventualmente después de un proceso de estabilización de enzimas y acondicionamiento.

b) Unidad de refinamiento y transesterificación.

Esta unidad produce el filtrado y remoción, catalítica o por destilación, de ácidos grasos libres. El producto es aceite vegetal refinado y sin ácidos, que constituye el material de alimentación para la:
  • Unidad de transesterificación.
En esta etapa del proceso el aceite es transformado catalíticamente, mediante agregado de metanol o etanol con el catalizador previamente mezclado, en metil o etiléster y glicerol.

c) Unidad de purificación y concentración de glicerol.

Consiste en una etapa de filtrado y purificación química, un equipo de concentración del glicerol, y el posterior almacenamiento del glicerol puro.

Transesterificación

El aceite con ácidos y gomas eliminados (parte refinada) se transforma en metil o etiléster por medio de un proceso catalítico de etapas múltiples, utilizando metanol o etanol (10% de la cantidad de aceite a ser procesado). El metiléster crudo se refina posteriormente en un lavador en cascada.
Si el producto se utiliza como combustible para motores, no necesita el proceso de destilación pero puede ser fácilmente integrado en el esquema de proceso si se desea un metiléster de calidad química.

Refinamiento del glicerol


El proceso de transesterificación produce como subproducto derivado aproximadamente 10 % de glicerol. Este glicerol en bruto contiene impurezas del aceite en bruto, fracciones del catalizador, mono y diglicéridos y restos de metanol.
Con el objeto de venderlo en el mercado internacional debe ser refinado para llegar a la calidad del glicerol técnico o, con una posterior destilación, a la del glicerol medicinal (99,8%).

Descripción de la Tecnología de la Planta

La unidad de transesterificación incluye contenedores operativos de pre almacenamiento para la materia prima, productos intermedios y finales. El metanol/etanol, glicerol, producto derivado, y el metiléster terminados, son almacenados en el patio de tanques fuera de la planta.
La estructura principal del complejo comprende un edificio múltiple, que alberga el material operativo y las instalaciones de distribución de energía, ventilación central, laboratorio de producción, sala de monitoreo, instalaciones para el personal, entre otras.
Para cada tamaño de planta de producción, se deben satisfacer precondiciones específicas de infraestructura, dependientes de la localización real.
Por lo tanto, y adicionalmente al esquema de planta delineado, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
  • Conexión de energía eléctrica adecuada.
  • Agua potable y conexiones cloacales.
  • Suministro de vapor de proceso.
  • Provisión de agua de enfriamiento.
  • Conexiones telefónicas.
  • Administración, flota de vehículos, posible capacidad de almacenamiento adicional requerida para repuestos, así como también para materiales auxiliares.
  • Instalación para seguridad del trabajo e industria.
  • Conexión con caminos y/o ferrocarriles.

Además, las capacidades estimadas de almacenamiento para:
  • Aceite de soja.
  • Metanol.
  • Metiléster.
  • Glicerol y otros productos.

Estas capacidades de almacenamiento, deben ser computadas de acuerdo a los propósitos del futuro operador, y dependiendo de los ciclos de entrega y comercialización.

Más información:



Biogás


La digestión anaeróbica

La degradación en la naturaleza de la biomasa residual procedente tanto del metabolismo animal como vegetal la realizan las bacterias, el proceso es complejo y, dependiendo del tipo de sustrato biodegradable, y de otros factores que veremos, intervienen diferentes especies bacterianas, existiendo una perfecta especialización en cuanto al tipo de materia a degradar por cada familia de organismos. Cuando esta degradación se realiza en condiciones aeróbicas (en presentación de oxigeno), los productos finales son anhídrido carbónico, agua, sulfato, y nitrógeno inorgánico en forma de nitritos, de nitratos y de sales de amonio. Sin embargo en condiciones rigurosas de ausencia de oxígeno la biodegradación se lleva a cabo por otros organismos en un proceso que se llama digestión anaerobia. Los productos finales son un residuo húmedo de sólidos de difícil degradación y un gas inflamable. A este gas combustible lo llamamos biogás, y tiene una composición que, dependiendo del origen de la materia orgánica biodegradable oscila entre los valores siguientes:
  • Metano CH4:   50 a 70 %.
  • Anhídrido carbónico CO2:   30 a 40 %.
  • Ácido sulfhídrico SH2, hidrógeno H2, y otros:   <  5 %
El biogás es conocido y descrito desde mediados del siglo XVII como “gas de los pantanos”, en realidad se produce en la naturaleza siempre que haya humedad, materia orgánica y ausencia de oxígeno. Así, se da en el intestino de los mamíferos, en el suelo de los pantanos donde se acumulan células de vegetales, animales y microorganismos muertos, en capas profundas de suelo de bosques y selvas donde no hay oxígeno, en los pozos ciegos donde se acumulan excrementos, etc. La digestión anaerobica ha sido y es muy aprovechada para obtener energía para cocinar y calentarse en países como China y la India, aunque, con técnicas muy rudimentarias que tienen bajos rendimientos. El poder calorífico del biogás depende de la concentración de metano y está alrededor de las 5000 Kcal/m3. Por otro lado, el residuo efluente sólido tiene un importante contenido en sales minerales de N, P, K, Ca, Mg, proteínas, grasas, celulosa y lignina, entre otros, que puede servir como fertilizante o como alimento animal, aunque a veces es necesario proceder previamente a una nueva fermentación aerobia, para bajar aún más el contenido de materia orgánica sin degradar.
Podemos distinguir tres etapas en el proceso biológico de la generación de metano, en cada una de las cuales interviene un grupo de bacterias específico, estas tres etapas son:
  1. Hidrólisis: donde intervienen las cepas bacterianas hidrolíticas que degradan las macromoléculas orgánicas, ya sean hidratos de carbono, lípidos, proteínas, etc., ácidos grasos, polisacáridos y otros productos neutros.
  2. Acidogénesis: de la que se encargan las bacterias cetogénicas y homoacetogénicas, produciendo ácido acético, hidrógeno H2 y CO2, partiendo del sustrato hidrolizado.
  3. Metanogénesis: en ella el CO2, el H2, y el ácido acético son transformados en CH4, por las bacterias metanogénicas.

Tabla de producción de biogás según la materia orgánica utilizada.

Otros microorganismos degradan el azufre hasta SO4, del cual, las bacterias sulforeductoras, aprovechan la energía química del sulfato degradándolo hasta ácido sulfhídrico SH2, que es un componente nativo, no deseado, del biogás, pues es un ácido que causa corrosión en las conducciones y en las instalaciones de combustión, especialmente en los motores, donde con el oxígeno y el agua contenida en el gas o formada como subproducto de la combustión da ácido sulfúrico SO4H2. Dependiendo de la temperatura a la que se desarrolle el proceso de digestión intervienen unas especies bacterianas u otras, variando la velocidad del proceso y el rendimiento en cuantía de metano del gas sintetizado. Existen tres rangos de trabajo según la temperatura:
Psicrofílico:  con máximo rendimiento a los 25 ºC.
Mesofílico:  con un rendimiento mayor que el anterior sobre los 35 ºC.
Termofílico:  con mayor rendimientos que los anteriores sobre los 60 ºC.

Esquema del proceso microbiológico de obtención del biogás.

El mantenimiento de las condiciones termofílicas requiere de un aporte de calor extraido de la combustión del propio gas generado que hace que no compense la utilización de este rango. Cuando mantenemos la temperatura de digestión entorno a los 35 ºC obtenemos los mayores rendimientos. Otro factor físico-químico que interviene en el proceso es el pH, al cual hay que tratar de mantenerlo entre 6,5 y 7,5, intervalo de máxima actividad metabólica de las materias metanogénicas.
En principio, es susceptible de aplicársele un tratamiento anaerobio para obtención de biogás a cualquier tipo de biomasa vegetal o animal, pero son especialmente interesantes los residuos ganaderos, los lodos y espumas de depuradoras urbanas, la parte orgánica de las basuras urbanas, los efluentes orgánicos de industrias alimentarias como las cerveceras, las lácteas, papeleras, desechos de mataderos, algunos tejidos vegetales como las hojas de patatas y de remolacha, y en general aquellos residuos orgánicos de bajo contenido celulósico y lignocelulósico.

Tipos de digestores

Los tipos de digestores y su tamaño dependen del objetivo principal del proceso, que puede ser, la obtención de la máxima cantidad de biogás, la disminución de la carga contaminantes de los efluentes a tratar, o la obtención de compost, entre otros. Básicamente los digestores se clasifican en continuos y discontinuos. En los segundos se aporta la biomasa, se deja fermentar durante unos 20 o 25 días, recogiendo el gas en un depósito, luego se vacía el sólido no digerido y se vuelve a llenar el digestor con materia orgánica fresca. Este proceso es arcaico y poco desarrollado. Los procesos continuos son los mas avanzados, consiguiendo excelentes rendimientos; en ellos el digestor está siempre en permanente actividad, se introduce la materia a digerir con un caudal constante o variable, extrayendo biogás y efluentes sólidos de modo permanente. Para estos digestores se denomina tiempo de residencia hidráulico TRH, el tiempo que permanece la materia a digerir en el mismo, y tiempo de residencia biológico TRB, al tiempo que permanece en él la materia activa, en digestores con sistema de recirculación de parte del lodo efluente el tiempo de residencia hidráulico es menor que el biológico. Las tipologías de los digestores continuos son muy variadas, así tenemos entre otras:

1_ Los que mantienen los microorganismos en suspensión dentro del digestor:

Mezcla completa: es simple, con TRH superiores a 10 días.

Flujo pistón: se asemeja al intestino de un mamífero, de tipo tubular, con el efluente sólido se escapa gran cantidad de microorganismos activos, por lo que sólo son adecuados cuando se tratan excrementos de animales que contienen el inóculo de nuevas bacterias. El tiempo de residencia es como el anterior.

Esquema de un digestor de flujo de pistón.

Contacto: El efluente de sólidos pasa por un decantador que devuelve parte del mismo al tanque digestor, de este modo se recircula la materia viva, pudiendo disminuir los tiempos de residencia. El TRH es de 2 a 6 días, menor que el TRB.


Esquema de un digestor de contacto.

Lecho expandido:
el influente muy acuoso entra al digestor por abajo, la parte sólida va decantándose y es degradada por flóculos de bacterias mantenidas en suspensión por el movimiento ascendente del biogás producido. Es apto para lodos muy decantables. El TRH es de 1 ó 2 días.

2_ Los que contienen superficies en las que se fijan los microorganismos, las superficies pueden estar orientadas o no orientadas, el TRH es de 0,5 a 3 días. Son los llamados de filtro anaerobio.
Un aspecto muy importante en las instalaciones de producción de biogás es su almacenamiento, y la eliminación del SH2 antes de llegar a los motores o calderas. El gas producido en la digestión se almacena en los gasómetros que pueden ser del tipo de campana con cierre hidráulico, o depósitos donde se mantiene el gas a presiónes elevadas introduciéndolo con un compresor. Si comprimimos el gas para almacenarlo gastamos energía, para minimizar esta energía se puede disminuir la cantidad de CO2 en la mezcla haciendo burbujear el gas a través de una disolución de sulfato de calcio hidratado SO4Ca . 2H2O, o de hidróxido de calcio Ca(OH)2, los cuales fijan el dióxido de carbono transformándolo en carbonato de calcio CaCO3. No obstante, parece que no es económicamente rentable eliminar el dióxido, sin embargo la eliminación del ácido sulfhídrico es imprescindible, y se realiza haciendo pasar el biogás por filtros de óxido de hierro Fe2O3, en los que se produce sulfuro ferroso Sfe, azufre S y H2O.

Gasómetro de campana con cierre hidráulico en el que la presión se mantiene aproximadamente constante debido al contrapeso

Las presiones de almacenamiento deben ser superiores a las necesarias para el uso del gas en los combustores que no son superiores a 0,5 bar. La esquematización de un proceso completo de digestión anaeróbica queda reflejada en la siguiente figura:



Esquema de un proceso de digestión anaeróbica.


Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

2 comentarios:

  1. Anónimo7:04 a. m.

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