Introduccin

Actualmente el mundo est viviendo la era de la biomasa (la bioenerga); con la generacin de un nuevo modelo de agricultura no alimenticia, responsable de la produccin de materias primas energticas renovables que debern sustituir gradualmente el uso del carbn mineral y del petrleo, que adems de su agotamiento progresivo, generan graves problemas ambientales.

Un rea de gran relevancia y rpido desarrollo de la biotecnologa es la produccin de energa a partir de recursos renovables (biomasa) para generar fuentes de energas limpias, base de un desarrollo sustentable (Arpel-Lica,2005). Los procesos biotecnolgicos para el aprovechamiento de la energa de la biomasa son: Procesos de combustin directa, procesos termo-qumicos y procesos bio-qumicos. Los ms utilizados son estos dos ltimos.

Segn (Nacaza, 2010) los mtodos termoqumicos se basan en la utilizacin del calor como fuente de transformacin de la biomasa. Existen tres tipos de procesos que dependen de la cantidad de oxgeno presente en la transformacin: combustin, pirolisis y gasificacin.

(Nacaza, 2010) establece que los mtodos bioqumicos se basan en la utilizacin de diversos tipos de microorganismos que degradan las molculas a compuestos ms simples de alta densidad energtica. Los mtodos ms conocidos y adecuados para la biomasa de alto contenido de humedad son la fermentacin alcohlica para la produccin de etanol, y la digestin anaerobia para producir metano.

El biogs es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos especficos, por las reacciones de biodegradacin de la materia orgnica, mediante la accin de microorganismo y otros factores, en ausencia de oxgeno. De acuerdo a (Lssel, 2011) el comienzo de la historia del biogs se puede fijar en unos 5.000 aos atrs. Fuentes muy antiguas indican que el uso de desechos y los recursos renovables para el suministro de energa no son conceptos nuevos, pues ya eran conocidos y utilizados. Existen fuentes que citan como primer uso del biogs para el calentamiento del agua de los baos pblicos en Asiria, alrededor del siglo X a.C.

De acuerdo a (Botero & Preston, 1987) un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestin anaerobia (en ausencia de oxgeno) de las bacterias que ya habitan en el estircol, para transformar ste en biogs y fertilizante. El biogs puede ser empleado como combustible en las cocinas e iluminacin, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un generador que produzca electricidad. El fertilizante, llamado biol, inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero actualmente se est considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogs, ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora mucho el rendimiento de las cosechas.

Fundamentos qumicos y bioqumicos

El biogs es un gas combustible, compuesto principalmente de metano y dixido de carbono, que se obtiene como resultado de la fermentacin anaerobia de sustratos orgnicos. De forma similar al gas natural, el biogs puede ser aprovechado para obtener energa trmica y/o elctrica. El biogs obtenido es una mezcla constituida principalmente por metano (CH ) a una proporcin de 40% a 70% de acuerdo a las 4 bacterias o enzimas involucradas en el proceso, el restante de la proporcin son gases como el dixido de carbono (CO), Hidrgeno (H), Oxgeno (O) y sulfuro de hidrgeno (HS). El metano resultante es un gas completamente utilizable para labores domsticas o para generadores termoelctricos.

Sistemas biotecnolgicos para la produccin de biogs

Segn (Nacaza, 2010) en el proceso de la digestin anaerobia, la materia orgnica se degrada paulatinamente para producir metano, mediante un conjunto de interacciones complejas entre distintos grupos de bacterias. En el digestor hermticamente cerrado, el oxgeno es consumido por las bacterias aerobias, que tienden a desaparecer, y ser reemplazadas por las bacterias facultativas. Estas junto con las anaerobias, pueden iniciar entonces la digestin anaerbica. En la siguiente figura se muestran las etapas del proceso de digestin anaerobia.

Figura 1 Etapas del proceso de digestin anaerobiaEn la primera etapa (hidrlisis) una mezcla de bacterias llamadas formadoras de cidos, hidrolizan las molculas complejas de la materia orgnica para originar cidos grasos de cadena corta y alcohol. El material orgnico soluble resultante puede ser asimilado por las bacterias de la segunda etapa.

La segunda etapa, llamada acidognesis, las bacterias acetognicas producen acetato o hidrgeno, al igual que lodos orgnicos solubles y cidos orgnicos simples. Los acidos grasos son convertidos en cidos orgnicos voltiles, tales como el actico, siendo el principal producto y puede llegar a representar el 70%. Adems las bacterias homoacetognicas catabolizan compuestos monocarbonados e hidrolizan compuestos multicarbonosos hacia la produccin de CH3COOH.

En la tercera etapa o etapa de metanognesis, el grupo de microorganismos metanognico, convierte los productos ya degradados a metano y dixido de carbono. Segn (Nacaza, 2010) La transformacin final cumplida en esta etapa tiene como principal substrato el actico junto con otros cidos orgnicos de cadena corta. En esta etapa las bacterias metanognicas transforman los cidos orgnicos en metano por las siguientes vas: Fermentacin de acido actico Fermentacin del acido propinico Reduccin de CO, metanol y acido frmico

El producto final puede llegar a tener 60% de metano y 40% de CO2 dependiendo de la calidad de la materia prima.

Los microorganismos que intervienen en cada etapa tienen propiedades distintas que son muy importantes y se las debe conocer para lograr comprender el equilibrio y funcionamiento ptimo de un digestor. Estas se muestran en la siguiente tabla comparativa:

Figura 2 Comparacin entre fases acetognicas y metanognicas

El digestor, en su forma simple, es un contenedor (llamado reactor) el cual est hermticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgnico como excremento y desechos vegetales (exceptuando los ctricos ya que stos acidifican). Los materiales orgnicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgnicos ricos en fsforo, potasio y nitrgeno.

Este sistema tambin puede incluir una cmara de carga y nivelacin del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogs y cmaras de hidropresin y postratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor.

Segn (Medel, 2012) el gas es almacenado en la parte superior del digestor, aumentando la presin, de esta manera desplaza el material de fermentacin hacia el tanque de compensacin. Cuando el consumo excede a la produccin, el volumen de biogs disminuye y el sustrato desplazado retorna al biodigestor. Por tanto la presin est en funcin del gas almacenado.

Los parmetros que se deben tener controlados en el digestor para una ptima produccin de biogs son los siguientes: pH: Las bacterias metanognicas son muy sensibles a las variaciones en acidez/alcalinidad (pH) de la mezcla del digestor. Para un funcionamiento ptimo, el valor de pH de la mezcla debe mantenerse en un rango de 6.8 a 7.5. Temperatura: la temperatura es un factor importante para la eficiencia del proceso de digestin. La mayora de las bacterias anaerbicas funcionan mejor en el rango de 30 a 35C Relacin de agua en la mezcla: un contenido insuficiente de agua ocasiona que las bacterias no obtengan el entorno apropiado para que puedan funcionar efectivamente y si es demasiado diluida se puede digerir relativamente poca materia. Si se usa primordialmente excreta, estircol y desechos de agricultura la razn debe estar 1:1 y 1:2. Si el material consta principalmente de residuos vegetales se requiere ms agua, a una razn de 1:3 o 1:4.

Balance econmico /ecolgico

Para el balance econmico se necesita primero hacer un anlisis en cuanto a consumo de gas y los costos de la implementacin de los biodigestores, tomando en cuenta que el efluente de los lodos de produccin de biogs puede ser utilizado como fertilizante ya sea para la usarlo en la siembra de nuevos productos agrcolas, o para su comercializacin en el sector agrcola. Un estudio realizado por Engormix, hace el anlisis de los costos y ganancias de implementar un sistema de biodigestores en una comunidad rural promedio en Amrica, los datos se pueden ver en la Figura 1.

Situacin actual en Mxico, nicho de oportunidad y perspectivas futuras.Segn la Secretara de Energa (SENER) en trminos generales, se puede afirmar que los proyectos ms rentables a corto y mediano plazo, en Mxico, para el aprovechamiento de los bioenergticos son los que provienen de residuos, tales como rellenos sanitarios, con una disposicin de 28.2 millones de toneladas anuales y una composicin aproximada del 53% de residuos orgnicos, que son enviados a 186 rellenos sanitarios. En la Grafica. 1, se presenta un crecimiento constante en la generacin de residuos de material orgnico del 2.7 % anual, residuo con gran potencial para la produccin de biogs.

BIOGS PROVENIENTE DE RELLENOS SANITARIOSMxico tiene gran potencial para el aprovechamiento de rellenos sanitarios para la produccin de biogs, como fuente de energa elctrica y trmica (vase tabla 1). En ese sentido, el adecuado aprovechamiento de los 186 rellenos sanitarios en todo el pas podra generar entre 1,629 y 2,248 toneladas al ao de metano, y producir entre 652 y 912 MW de energa elctrica. Asimismo, el tratamiento trmico de los rellenos sanitarios tiene una capacidad de generacin de energa elctrica de entre 1,597 y 1,994 MW.El 58.9% de los residuos slidos urbanos manejados en los rellenos sanitarios se localizan en siete entidades federativas: Distrito Federal, Estado de Mxico, Puebla, Veracruz, Guanajuato, Nuevo Len y Jalisco, con una generacin de 16,647 toneladas.

Tabla 1. Potencial de aprovechamiento de biogs proveniente de rellenos sanitarios.Generacin RSM(2010)Potencial degeneracinde CH4Potencial degeneracin de energa elctrica a partir de biogsPotencial degeneracin de energa trmica a partir de electricidad

(miles ton/ao)(miles ton/ao)MWMW

0 - 5000-250 -100 - 25

550- 1,00025-5010 - 2025 -50

1,000 2,00050-10020 - 3550 80

2,000 2,500100-15035 - 5080 - 110

2,500 5,000150-30050 -110110 225

Nacional40,0581629 -2248652 - 9121597 -1994

Fuente. SENER a partir de SEMARNAT y SNIARN.

BIOGS PROVENIENTE DE RESIDUOS GANADEROS.Mxico cuenta con un amplio potencial de unidades productivas susceptibles de incorporar sistemas de biodigestin en diferentes niveles, del cual se estima que hay 3,000 establos lecheros, 1,500 granjas porcinas, 94 rastros TIF y 905 rastros municipales, sin considerar los corrales de engorda y granjas avcolas interesadas en la tecnologa, adems de miles de unidades de produccin pequeas que podran utilizar el biogs y sus aplicaciones para servicios de autoconsumo los cuales pueden ser observados en la Tabla 2 y 3(FIRCO-SAGARPA, 2007).El aprovechamiento de excretas de ganado porcino podra generar entre 0.49 y 0.738 millones de toneladas anuales y un potencial de generacin elctrica de 246 a 492 MW. Se estima que, al 30 de septiembre del 2007, en Mxico existan 9.21 millones de cabezas de ganado porcino, de los cuales la mitad de las cabezas se encontraban en cuatro entidades: Sonora, Jalisco, Guanajuato y Puebla.

Tabla 2 Potencial de generacin elctrica por biogs por ganado porcino en el territorio nacional.Cabezas (2007)Potencial degeneracinde CH4Potencial degeneracinelctrica biogs

Miles de cabezas(miles ton/ao)MW

0 5000-150 -10

550- 1,00015-3010 20

1,000 2,00030-6020 40

2,000 2,50060 -9040 - 80

2,500 5,00090 -16080 -140

Nacional.9, 210492 738246 - 492

Fuente. SENER a partir de FIRCO-SAGARPA

Tabla 3 Potencial de generacin elctrica por biogs por ganado bovino en el pas.Cabezas (2007)Potencial degeneracinde CH4 Potencial degeneracinelctrico biogs

Miles de cabezas(miles ton/ao)MW

0 - 1000 700 -40

100 20070 -14040 80

200 - 300140 - 20080 120

300 400200 - 300120 -180

500 700300 -440180 260

700 1100440 700260 -400

Nacional.23,3005447 82482,645 5,447

Fuente. SENER a partir de FIRCO-SAGARPA

De igual manera, el aprovechamiento con excretas bovinas lecheras podra generar 5.4 millones de toneladas anuales de metano y un potencial de generacin de energa elctrica de 2,645 a 5,447 MW. Se estima que, al 30 de septiembre del 2007, en Mxico existan 23.3 millones de cabezas de ganado bovino, localizadas principalmente en los estados de Veracruz, Jalisco, Chihuahua, Chiapas, Sonora, Durango y Tamaulipas, que en su conjunto concentraron el 47.8 % del total nacional (vase tabla 5). Lo que significara una reduccin de 1.3 millones de toneladas de CO2 y una generacin elctrica de 49 GWh.

PROVENIENTE DE AGUAS RESIDUALESLa Comisin Nacional del Agua (CONAGUA) tiene registradas, hasta diciembre de 2008, 1,833 plantas de aguas residuales urbanas en operacin formal, con una capacidad total instalada de 113 m3/s. Dichas plantas procesan un caudal de 83.6 m3/s, equivalente al 40.2% del total de las aguas residuales generadas y colectadas en los sistemas formales de alcantarillado municipales, el cual est estimado en 208 m3/s.); as como 2,174 plantas de tratamiento de aguas industriales, de las cuales 2,082 estn en operacin con un gasto de tratamiento de 33,778 l/s, que equivale al 59.5% de su capacidad instalada. El potencial de produccin de biogs en las plantas tratadoras de aguas residuales depende del contenido del material orgnico que puede ser entre el 5 y el 10 % que se procesan en el caudal (Vase Grafica 2).

Grfica 2. Tratamiento de aguas residuales municipales.Agua residual colectada (m3/s)Fuente. Informacin obtenida de CONAGUA/SGT/Gerencia de Saneamiento y Calidad del Agua

BibliografaArpel-Lica. (2005). Manual de biocombustibles. Latinoamerica: Arpel-Lica.

Botero, R. B., & Preston, T. R. (1987). Biodigestor de bajo costo para la produccin de combustible y fertilizante a partir de excretas. Cali, Colombia.

Carrasco, A. d. (2011). Generacin distribuida a partir de biogs producido en granjas porcinas. Ciudad universitaria, Mxico: UNAM.

Emison. (n.d.). Producciones tipo de biogs. Retrieved Septiembre 23, 2012, from http://www.emison.com/produccion%20biogas.htm

Gonzles, E., Gonzles Azpirz, L., Llaneza, H., & Mors, M. A. (2010). Estudio de viabilidad de sistemas de purificacin y aprovechamiento de biogs. Madrid, Espaa: PSE Probiogas.

Lssel, J. B. (2011). Historia del Biogs. Murcia, Espaa: Metabiorestor.

Medel, J. A. (2012). Estudio y diseo de un biodigestor para aplicacin en pequeos ganaderos y lecheros. Santiago de Chile: Universidad de Chile.

Nacaza, K. R. (2010). Diseo y construccin de un biodigestor para pequeas y medianas granjas. Quito, Ecuador: Escuela Politcnica Nacional.

SAGARPA. (2011, junio 12). Bioenergticos. Retrieved noviembre 25, 2012, from http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/introduccion/tipos-de-biocombustibles.html