La fermentación de metano (a veces llamada incorrectamente fermentación anaeróbica de otra manera ) es el proceso de descomposición biológica de sustancias orgánicas con liberación de metano libre .
Compuestos orgánicos + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + HCO 3 .
Los compuestos orgánicos ( proteínas , carbohidratos , grasas ) que están presentes en la biomasa comienzan a descomponerse en los compuestos orgánicos más simples ( aminoácidos , azúcares , ácidos grasos ) bajo la acción de enzimas hidrolíticas . Esta etapa se llama hidrólisis y procede bajo la influencia de bacterias acetogénicas . En la segunda etapa, la oxidación hidrolítica de algunos de los compuestos orgánicos más simples ocurre bajo la influencia de bacterias heteroacetogénicas , lo que da como resultado acetato , dióxido de carbono e hidrógeno libre . Otra parte de los compuestos orgánicos con el acetato obtenido en la 2ª etapa forma compuestos C 1 (los ácidos orgánicos más simples). Las sustancias resultantes son un medio nutritivo para las bacterias formadoras de metano en etapa 3 . La etapa 3 procede a través de dos procesos causados por diferentes grupos de bacterias. Estos dos grupos de bacterias convierten los compuestos nutrientes de la segunda etapa en metano CH 4 , agua H 2 O y dióxido de carbono [1] .
El proceso ocurre en la biomasa bacteriana e incluye la conversión de compuestos orgánicos complejos - polisacáridos, grasas y proteínas en metano CH 4 y monóxido de carbono CO (4).
Las bacterias se dividen en tres tipos según sus necesidades nutricionales:
El punto de partida más importante al considerar el uso de sistemas de digestión anaeróbica es la materia prima para el proceso. Casi cualquier material orgánico se puede reciclar mediante digestión anaeróbica [2] ; sin embargo, si el objetivo es producir biogás, entonces el nivel de descomposición es un factor clave en su aplicación exitosa [3] . Cuanto más material pútrido (digerible), mayor será la salida de gas del sistema.
Las materias primas pueden incluir desechos biodegradables como papel de desecho, recortes de césped, restos de comida, aguas residuales y desechos animales [4] . Los desechos de madera son una excepción porque en gran parte no se digieren, ya que la mayoría de los anaerobios no pueden degradar la lignina . Para descomponer la lignina, se pueden usar anaerobios xilófagos (consumidores de lignina) o se puede usar un pretratamiento a alta temperatura, como la pirólisis. Los digestores anaeróbicos también se pueden alimentar con cultivos energéticos especialmente cultivados , como ensilaje , para la producción especializada de biogás. En Alemania y Europa continental, estas plantas se denominan "plantas de biogás". La planta de cofermentación suele ser un reactor anaeróbico agrícola que acepta dos o más materias primas para la digestión simultánea [5] .
El tiempo requerido para la digestión anaeróbica depende de la complejidad química del material. El material rico en azúcares fácilmente digeribles se degrada rápidamente, mientras que el material lignocelulósico intacto rico en celulosa y polímeros de hemicelulosa puede tardar mucho más en degradarse [6] . Los microorganismos anaerobios son generalmente incapaces de descomponer la lignina, el componente aromático recalcitrante de la biomasa [7] .
Los reactores anaeróbicos se diseñaron originalmente para manejar lodos de depuradora y estiércol. Las aguas residuales y el estiércol, sin embargo, no son el material con mayor potencial para la digestión anaeróbica, ya que el material biodegradable ya tiene la mayor parte de la energía absorbida por los animales que lo produjeron. Por ello, muchos digestores trabajan con la codigestión de dos o más materias primas. Por ejemplo, en un digestor de granja que utiliza estiércol de lechería como materia prima principal [8] , la producción de gas puede aumentar considerablemente agregando una segunda materia prima, como pasto y maíz (materia prima típica de la granja), o varios subproductos orgánicos, como desechos de matadero. , grasas, aceites y grasas de restaurantes, residuos orgánicos domésticos, etc. [9]
Los digestores que procesan cultivos energéticos aislados pueden lograr altos niveles de degradación y producción de biogás [10] [11] [12] . Los sistemas de solo purín tienden a ser más baratos pero generan mucha menos energía que los que utilizan cultivos como el maíz y el ensilaje de pasto; usando una pequeña cantidad de material vegetal (30%), una planta de digestión anaerobia puede aumentar la producción de energía por un factor de diez y solo triplicar el costo de capital de un sistema de solo purines [13] .
El segundo problema relacionado con la materia prima es el contenido de humedad. Los sustratos más secos y apilables, como los alimentos y los desechos del jardín, son adecuados para la digestión en cámaras tipo túnel. Los sistemas de túnel también suelen tener una descarga de efluentes cercana a cero, por lo que este estilo de sistema tiene ventajas donde la descarga de líquidos del digestor es un obstáculo. Cuanto más húmedo esté el material, más adecuado será para su manipulación con bombas estándar en lugar de bombas de hormigón y vehículos físicos que consumen mucha energía. Además, cuanto más húmedo es el material, más volumen y área ocupa en relación con los niveles de gas producido. El contenido de humedad de la materia prima objetivo también afectará el tipo de sistema que se utiliza para procesarlo. Para usar un digestor anaeróbico de alto contenido de sólidos para diluir la materia prima, se deben aplicar rellenos como el compost para aumentar el contenido de sólidos de la materia prima [14] . Otro factor clave es la proporción de carbono a nitrógeno de la materia prima. Esta proporción es el equilibrio de alimentos necesarios para que crezca el microbio; la relación C:N óptima es 20-30:1 [15] . El exceso de nitrógeno puede conducir a la inhibición de la digestión por amoníaco [11] .
El nivel de contaminación de la materia prima es un factor clave cuando se utiliza la digestión húmeda o la digestión con corcho.
Si la materia prima del digestor contiene niveles significativos de contaminantes físicos, como plásticos, vidrio o metales, entonces será necesario procesar para eliminar los contaminantes para utilizar el material [16] . Si no se elimina, los digestores se pueden bloquear y no funcionarán de manera efectiva. Este problema de contaminación no surge en la digestión seca o la digestión anaeróbica en estado sólido (SSAD) de las plantas porque SSAD procesa biomasa seca y apilable con un alto porcentaje de sólidos (40-60%) en cámaras herméticas a los gases llamadas cajas de fermentación [17] . Es con este entendimiento que se diseñan las instalaciones de tratamiento biológico mecánico. Cuanto mayor sea el nivel de pretratamiento de la materia prima, más equipos de procesamiento se requerirán y, por lo tanto, el proyecto tendrá un costo de capital más alto [18] .
Después de clasificar o cribar para eliminar cualquier contaminante físico de la materia prima, el material a menudo se tritura, muele y pulveriza mecánica o hidráulicamente para aumentar el área de superficie disponible para los microbios en los digestores y, por lo tanto, aumentar la tasa de digestión. La maceración de los sólidos se puede lograr mediante el uso de una bomba trituradora para transferir la materia prima a un digestor sellado donde se lleva a cabo el tratamiento anaeróbico.
La composición del sustrato es el factor principal que determina el rendimiento de metano y la tasa de producción de metano durante la digestión de la biomasa. Existen métodos para determinar las características de composición de la materia prima, mientras que parámetros como los análisis de sólidos, elementales y orgánicos son importantes para el diseño y la operación del digestor [19] . El rendimiento de metano se puede estimar a partir de la composición elemental del sustrato junto con una estimación de su degradabilidad (la proporción del sustrato que se convierte en biogás en el reactor) [20] . Para predecir la composición del biogás (porciones relativas de metano y dióxido de carbono), es necesario estimar la distribución de dióxido de carbono entre las fases de agua y gas, lo que requiere información adicional (temperatura del reactor, pH y composición del sustrato) y un modelo. de la especiación química [21] . También se realizan mediciones directas del potencial de biometanización mediante desgasificación o análisis gravimétricos más recientes [22] .
El uso de tecnologías de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de varias maneras clave:
La digestión anaeróbica es particularmente adecuada para material orgánico y se usa comúnmente para tratar aguas residuales industriales, aguas residuales y lodos de aguas residuales [24] . La digestión anaeróbica, un proceso simple, puede reducir significativamente la cantidad de materia orgánica que, de otro modo, podría ser vertida al mar [ 25] , depositada en vertederos o incinerada [26] .
La presión de la legislación ambiental sobre las prácticas de eliminación de desechos sólidos en los países desarrollados ha llevado a un aumento en el uso de la digestión anaeróbica como proceso para reducir los desechos y producir subproductos útiles. Puede usarse para procesar la fracción separada en origen de los desechos municipales o, alternativamente, combinarse con sistemas de clasificación mecánica para procesar los desechos municipales mixtos residuales. Estas instalaciones se denominan depuradoras mecánicas biológicas [27] [28] [29] .
Si los desechos putrefactos procesados en reactores anaeróbicos se arrojan a un vertedero, se descomponen de forma natural y, a menudo, anaeróbicamente. En este caso, el gas eventualmente escapará a la atmósfera. Debido a que el metano es aproximadamente 20 veces más potente como gas de efecto invernadero que el dióxido de carbono, tiene un impacto negativo significativo en el medio ambiente [30] .
En países que recolectan desechos domésticos, el uso de plantas locales de digestión anaeróbica puede ayudar a reducir la cantidad de desechos que deben transportarse a vertederos centralizados o incineradores. Esta carga de transporte reducida reduce la huella de carbono de los vehículos de transporte de fondos. Si se construyen plantas de digestión anaerobia localizadas en la red de distribución eléctrica, pueden ayudar a reducir las pérdidas eléctricas asociadas con el transporte de electricidad a través de la red nacional [31] .
En los países en desarrollo, los sistemas sencillos de digestión anaeróbica en el hogar y la granja proporcionan energía de bajo costo para cocinar e iluminar [32] [33] [34] [35] . Desde 1975, ha habido grandes planes apoyados por el gobierno en China e India para adaptar pequeñas plantas de biogás para uso doméstico para cocinar e iluminar. Los proyectos de digestión anaeróbica en los países en desarrollo son actualmente elegibles para recibir apoyo financiero a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio de las Naciones Unidas si se puede demostrar que reducen las emisiones de carbono [36] .
El metano y la energía producidos en las plantas de digestión anaerobia pueden utilizarse para sustituir la energía derivada de los combustibles fósiles y por tanto reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que el carbono contenido en material biodegradable forma parte del ciclo del carbono . El carbono liberado a la atmósfera por la combustión de biogás ha sido eliminado por las plantas para su crecimiento en el pasado reciente, generalmente en la última década, pero con mayor frecuencia durante la última temporada de crecimiento. Si las plantas vuelven a crecer, nuevamente tomando carbono de la atmósfera, el sistema se volverá neutral en carbono [4] [36] . Por el contrario, el carbono contenido en los combustibles fósiles se almacena en la tierra durante muchos millones de años, cuya combustión aumenta el nivel total de dióxido de carbono en la atmósfera.
El biogás del tratamiento de lodos de depuradora se usa a veces para hacer funcionar un motor de gas para generar electricidad, parte o la totalidad del cual se puede usar para hacer funcionar obras de alcantarillado [37] . Parte del calor residual del motor se usa para calentar el digestor. El calor residual suele ser suficiente para calentar el digestor a las temperaturas requeridas. El potencial energético de las instalaciones de alcantarillado es limitado: solo hay alrededor de 80 MW de dicha generación en el Reino Unido, con el potencial de aumentar a 150 MW, lo cual es insignificante en comparación con la demanda de electricidad promedio del Reino Unido de aproximadamente 35,000 MW. El volumen de producción de biogás a partir de residuos biológicos sin tratar -cultivos energéticos, residuos alimentarios, residuos de mataderos, etc.- es muy superior, se estima que podría rondar los 3000 MW. se espera que las plantas de biogás agrícola que utilizan desechos animales y cultivos energéticos ayuden a reducir las emisiones de CO 2 y fortalezcan la red, al mismo tiempo que proporcionan ingresos adicionales a los agricultores británicos [38] .
Algunos países ofrecen incentivos en forma de tarifas reguladas, por ejemplo, para subsidiar la producción de energía verde [4] [39] .
En Oakland , California , la Planta de Tratamiento Principal del Área Municipal de East Bay (EBMUD) actualmente codigiere desechos de alimentos con sólidos de aguas residuales municipales primarias y secundarias y otros desechos de alta resistencia. En comparación con la digestión de sólidos de aguas residuales urbanas, la codigestión de desechos de alimentos tiene muchas ventajas. La digestión anaeróbica de la pulpa de desperdicios de alimentos en el proceso de producción de desperdicios de alimentos de EBMUD proporciona un mayor beneficio energético normalizado en comparación con los sólidos de aguas residuales municipales: 730 a 1300 kWh por tonelada seca de desperdicios de alimentos aplicados versus 560 a 940 kWh por tonelada seca de sólidos de aguas residuales municipales aplicadas [ 40] [41] .
La inyección de biogás en la red es la inyección de biogás en una red de gas natural [36] . El biogás crudo debe convertirse en biometano de antemano. Esta mejora implica la eliminación de contaminantes como el sulfuro de hidrógeno o los siloxanos, así como el dióxido de carbono. Existen varias tecnologías para este propósito, las más utilizadas en áreas como la adsorción a presión (PSA), la purificación de agua o aminas (procesos de absorción) y, en los últimos años, la separación por membranas [42] . Alternativamente, la electricidad y el calor se pueden utilizar para generar electricidad en el sitio, lo que resulta en menores pérdidas de transmisión de energía [36] . Las pérdidas de energía típicas en los sistemas de transmisión de gas natural oscilan entre el 1 y el 2 %, mientras que las pérdidas de energía actuales en un sistema eléctrico grande oscilan entre el 5 y el 8 % [43] .
En octubre de 2010, la planta de alcantarillado de Didcot se convirtió en el primer productor de biometano del Reino Unido suministrado a la red nacional para su uso en 200 hogares en Oxfordshire [44] .
Una vez actualizado con las tecnologías anteriores, el biogás (transformado en biometano) se puede utilizar como combustible para automóviles en vehículos adaptados. Este uso está muy extendido en Suecia, donde hay más de 38.600 vehículos de gas y el 60 % del gas de los vehículos es biometano producido en plantas de digestión anaeróbica [2] .
El componente duro y fibroso del material digerido se puede utilizar como acondicionador del suelo para aumentar el contenido orgánico de los suelos. La lejía Digestor se puede usar como fertilizante para suministrar al suelo nutrientes vitales en lugar de fertilizantes químicos que requieren mucha energía para producir y transportar. Por lo tanto, el uso de fertilizantes industriales es más intensivo en carbono que el uso de fertilizante alcalino de reactor anaeróbico. En países como España , donde muchos suelos están agotados orgánicamente, los mercados de sólidos digeridos pueden ser tan importantes como el biogás [45] .
Cuando se utiliza un biodigestor que produce las bacterias necesarias para la descomposición, se produce gas para cocinar. Los desechos orgánicos, como hojarasca, desechos de cocina, desechos de alimentos, etc., se introducen en el molinillo, donde la mezcla se mezcla con una pequeña cantidad de agua. Luego, la mezcla se alimenta a un biodigestor donde las bacterias la descomponen para formar gas para cocinar. Este gas se suministra a la estufa. Un biorreactor de 2 metros cúbicos puede producir 2 metros cúbicos de gas para cocinar. Esto es equivalente a 1 kg de gas licuado. Un beneficio notable del uso de un biodigestor es el lodo , que es un rico abono orgánico [46] .
Los tres productos principales de la digestión anaerobia son el biogás, el digestato y el agua [47] [48] [49] .
El biogás es el producto final de la actividad vital de las bacterias que se alimentan de materias primas de entrada biodegradables [50] (la etapa de metanogénesis de la digestión anaeróbica la llevan a cabo las arqueas, un microorganismo en una rama completamente diferente del árbol filogenético de la vida que las bacterias) , y consiste principalmente en metano y dióxido de carbono [51] [52 ] con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. (Durante el proceso de producción, el biogás también contiene vapor de agua, y el volumen fraccional de vapor de agua depende de la temperatura del biogás) [53] . La mayor parte del biogás se forma en medio de la digestión, después de que la población bacteriana ha crecido, y se estrecha a medida que se agota el material putrefacto [24] . El gas generalmente se almacena en la parte superior del reactor en una vejiga de gas inflable, o se extrae y almacena cerca de la planta en un tanque de gas.
El metano del biogás se puede quemar para producir calor y electricidad, normalmente con un motor alternativo o microturbina [54] , a menudo en una planta de cogeneración donde la electricidad generada y el calor residual se utilizan para calentar digestores o edificios. El excedente de electricidad puede venderse a proveedores o alimentarse a la red local. La electricidad producida por reactores anaerobios se considera energía renovable y puede atraer subsidios [55] . El biogás no contribuye a aumentar la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, ya que el gas no se libera directamente a la atmósfera, sino que el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.
El biogás puede requerir procesamiento o "limpieza" para purificarlo y usarlo como combustible [56] . El sulfuro de hidrógeno , un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima, se libera como un componente traza del biogás. Las autoridades ambientales nacionales, como la Agencia de Protección Ambiental de EE . UU ., Inglaterra y Gales, han establecido límites estrictos en los niveles de gases que contienen sulfuro de hidrógeno, y si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, el equipo de tratamiento y depuración de gases (por ejemplo, tratamiento de gas de amina) será necesario. ) para el procesamiento de biogás dentro de los niveles regionales aceptados [57] .
Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; tales compuestos se encuentran a menudo en los desechos domésticos y las aguas residuales. En digestores que aceptan estos materiales como componente de materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor, turbina o caldera de gas, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO2), que se deposita en el interior de la máquina, aumentando el desgaste [58] [59] . Actualmente se dispone de tecnologías prácticas y rentables para la eliminación de siloxanos y otros contaminantes del biogás [60] . En algunos casos, el tratamiento in situ se puede utilizar para mejorar la pureza del metano mediante la reducción del contenido de dióxido de carbono de los gases de escape al inyectar la mayor parte en el reactor secundario [61] .
En países como Suiza, Alemania y Suecia, el metano contenido en el biogás se puede comprimir para utilizarlo como combustible para vehículos o para alimentarlo directamente a los gasoductos [62] . En países donde los subsidios a la electricidad renovable son la fuerza motriz para el uso de la digestión anaeróbica, esta ruta de procesamiento es menos probable porque se requiere energía en este paso de procesamiento y reduce el nivel general disponible para la venta [55] .
El digestato es el residuo sólido de la materia prima original que ingresa a los digestores y que los microbios no pueden usar. También consiste en los restos mineralizados de bacterias muertas de los digestores. El digestato puede adoptar tres formas: combinación fibrosa, alcalina o basada en lodos de las dos fracciones. En los sistemas de dos etapas, diferentes formas de digestato provienen de diferentes reservorios digestivos. En los sistemas de digestión de una sola etapa, las dos fracciones se combinarán y, opcionalmente, se separarán mediante un procesamiento posterior [63] [64] .
El segundo subproducto, el digestato acidogénico, es un material orgánico estable compuesto principalmente de lignina y celulosa, así como de varios componentes minerales en una matriz de células bacterianas muertas; el plástico también puede estar presente. Este material se parece al abono doméstico y se puede utilizar como tal o para fabricar productos de construcción de baja calidad, como los tableros de fibra [65] [66] . El digestato sólido también se puede utilizar como materia prima para la producción de etanol [67] .
El tercer subproducto es el digestato metanogénico, un líquido rico en nutrientes que puede usarse como fertilizante dependiendo de la calidad del material que se digiere. Esto dependerá de la calidad de la materia prima. Para la mayoría de los flujos de desechos biodegradables limpios y segregados, los niveles de PTE serán bajos. En el caso de los desechos generados por la industria, los niveles de PTE pueden ser más altos y deben tenerse en cuenta al determinar el uso final apropiado del material.
El digestato suele contener elementos, como la lignina, que los microorganismos anaerobios no pueden descomponer. Además, el digestato puede contener amoníaco, que es fitotóxico y puede interferir con el crecimiento de las plantas si se usa como mejorador del suelo. Por estas dos razones, se puede utilizar un paso de maduración o compostaje después de la digestión. La lignina y otros materiales están disponibles para su degradación por parte de microorganismos aeróbicos como los hongos, lo que ayuda a reducir la cantidad total de material a transportar. Durante esta maduración, el amoníaco se oxidará a nitrato, mejorando la fertilidad del material y haciéndolo más adecuado como mejorador del suelo. Las grandes etapas de compostaje se usan comúnmente en las tecnologías de digestión anaeróbica seca [36] [68] .
El producto final de los sistemas de digestión anaeróbica es el agua, que se forma a partir del contenido de humedad de los residuos sin procesar que se han tratado y del agua generada por las reacciones microbianas en los sistemas de digestión. Esta agua puede liberarse tras la deshidratación del digestato o puede separarse implícitamente del digestato.
Las aguas residuales que salen de una planta de digestión anaeróbica normalmente tienen niveles elevados de demanda bioquímica (DBO) y química de oxígeno (DQO). Estos indicadores de la reactividad de las aguas residuales indican la capacidad de contaminar el medio ambiente. Algunas de las sustancias contenidas en las aguas residuales son de difícil descomposición, por lo que las bacterias anaerobias no pueden actuar sobre ellas para convertirlas en biogás. Si estas aguas entraran directamente en los cursos de agua, se verían afectados negativamente al causar eutrofización . Por lo tanto, a menudo se requiere un tratamiento adicional de las aguas residuales. Este tratamiento suele ser un paso de oxidación en el que el aire pasa a través del agua en reactores discontinuos u ósmosis inversa [69] [70] [71] .