{"id":13374,"date":"2024-03-21T11:07:05","date_gmt":"2024-03-21T17:07:05","guid":{"rendered":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13374"},"modified":"2024-07-02T09:25:27","modified_gmt":"2024-07-02T15:25:27","slug":"biocombustibles-gaseosos-mediante-digestion-anaerobia-una-alternativa-para-la-demanda-energetica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13374","title":{"rendered":"Biocombustibles gaseosos mediante digesti\u00f3n anaerobia, una alternativa para la demanda energ\u00e9tica"},"content":{"rendered":"

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Luis H. A\u0301lvarez* ORCID: 0000-0003-1809-9304<\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 27, No.125, mayo-junio 2024<\/p>\n

DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl27.125-1<\/a><\/p>\n

Descargar PDF<\/a><\/p>\n

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Las Naciones Unidas indican que la poblacio\u0301n mundial sin acceso a electricidad disminuyo\u0301 de 1,200 millones en 2010, a cerca de 750 millones en 2019. En parte, esto fue posible por el establecimiento de sistemas ele\u0301ctricos descentralizados basados en energi\u0301as renovables. Aun con este avance, aproximadamente 81% de la energi\u0301a mundial y 66% de la energi\u0301a ele\u0301ctrica provienen de combustibles fo\u0301siles: carbo\u0301n (27%), petro\u0301leo (31%) y gas natural (23%) (IEA, 2021), los cuales, al ser quemados, originan emisiones dan\u0303inas en forma de gases de efecto de invernadero: dio\u0301xido de carbono.<\/p>\n

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Las energi\u0301as renovables se caracterizan por expulsar menos emisiones contaminantes que las de origen fo\u0301sil. Las fuentes actualmente utilizadas de energi\u0301a renovable son la solar, eo\u0301lica, geote\u0301rmica, hidroele\u0301ctrica, ocea\u0301nica y bioenergi\u0301a (Alrikabi, 2014). La bioenergi\u0301a se destaca por utilizar restos orga\u0301nicos de origen vegetal o animal en la producir biocarbo\u0301n, electricidad, metano, hidro\u0301geno, etanol y die\u0301sel (Lee et al<\/em>., 2019).<\/p>\n<\/div>\n

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GENERALIDADES DE LA DIGESTIO\u0301N ANAEROBIA<\/h4>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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El hidro\u0301geno y metano se originan biolo\u0301gicamente mediante el metabolismo de microorganismos que degradan materia orga\u0301nica durante el proceso de digestio\u0301n anaerobia. Este proceso consta de cuatro etapas que se muestran en la figura 1 y son: 1) hidro\u0301lisis, 2) acidoge\u0301nesis, 3) acetoge\u0301nesis y 4) metanoge\u0301nesis, en donde la materia orga\u0301nica se convierte en bioga\u0301s que puede contener entre 55-75% de metano, 30-45% de dio\u0301xido de carbono y cantidades traza de otros gases: a\u0301cido sulfhi\u0301drico e hidro\u0301geno (Aransiola et al<\/em>., 2023). El metano es uno de los resultados de la digestio\u0301n completa de la materia orga\u0301nica; en cambio, el hidro\u0301geno es un intermediario que se obtiene durante la etapa acetoge\u0301nica, por lo que su obtencio\u0301n final requiere que se inhiba la etapa 4 de metanoge\u0301nesis, de esta manera no es utilizado como sustrato (Ali Shah, 2014).<\/p>\n

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Figura 1. Etapas de la digesti\u00f3n anaerobia. La digesti\u00f3n completa permite la obtenci\u00f3n de metano; al inhibir la metanog\u00e9nesis, uno de los resultados ser\u00e1 hidr\u00f3geno (adaptado de \u00c1lvarez et al<\/em>., 2019).<\/p><\/div>\n

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Diferentes sustratos con alto contenido de materia orga\u0301nica, aguas residuales y desechos so\u0301lidos pecuarios, agri\u0301colas y alimentarios, pueden someterse a digestio\u0301n anaerobia. El metano resultante puede colectarse y usarse directamente como combustible en cocinas, generar calor o electricidad. La digestio\u0301n anaerobia permite tratar concentraciones altas de materia orga\u0301nica, sin embargo es necesario controlar y tener condiciones o\u0301ptimas de pH, temperatura, alcalinidad y estar libre de compuestos to\u0301xicos para alcanzar eficiencias altas de degradacio\u0301n.<\/p>\n

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PRODUCCIO\u0301N DE HIDRO\u0301GENO<\/h4>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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El hidro\u0301geno es considerado el combustible del futuro porque es amigable con el ambiente, debido a que es un compuesto libre de carbono y el saldo final de su ignicio\u0301n es agua. Energe\u0301ticamente esta\u0301 por encima (141 MJ\/kg) de la gasolina (48 MJ\/ kg) y del metano (55 MJ\/kg). Adema\u0301s, es una materia prima en diversos procesos industriales como si\u0301ntesis de amoniaco, aceite comestible y lutita. La produccio\u0301n biolo\u0301gica de hidro\u0301geno por digestio\u0301n anaerobia ha sido estudiada utilizando cultivos microbianos puros, mixtos y en una diversidad de sustratos orga\u0301nicos (Ghimire et al<\/em>., 2015). Una reaccio\u0301n qui\u0301mica que la representa a partir de glucosa es la siguiente:<\/p>\n

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en donde teo\u0301ricamente se pueden obtener cuatro moles de hidro\u0301geno por cada mol de glucosa, con el resultante de dos moles de a\u0301cido ace\u0301tico. Sin embargo, una limitante observada en la pra\u0301ctica son los bajos rendimientos alcanzados, que van de 1.2 a 3.9 moles de hidro\u0301geno por mol de glucosa, que esta\u0301 en funcio\u0301n a los microorganismos y condiciones de operacio\u0301n utilizadas en los biorreactores, lo que ha impedido el establecimiento de esta tecnologi\u0301a a escala industrial.<\/p>\n

Aun asi\u0301, la manufactura biolo\u0301gica de hidro\u0301geno tiene el potencial de convertirse en una tecnologi\u0301a de costo competitivo debido a que su materia prima pueden ser desperdicios. Algunos de los sustratos (residuos orga\u0301nicos) utilizados para conseguirlo vi\u0301a digestio\u0301n anaerobia son estie\u0301rcol de ganado, lodo y aguas residuales, paja de arroz y trigo, deshechos de alimentos y suero\u00a0de leche. Estos sustratos se caracterizan por ser de difi\u0301cil degradacio\u0301n mediante esta te\u0301cnica, por lo que son sometidos a pretratamientos a\u0301cidos, alcalinos, te\u0301rmicos, meca\u0301nicos o enzima\u0301ticos con el objetivo de promover su desintegracio\u0301n y la consecuente liberacio\u0301n de compuestos fermentables.<\/span><\/p>\n

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Adema\u0301s, en la mejora de la eficiencia de conversio\u0301n de los sustratos es importante considerar el disen\u0303o y configuracio\u0301n de los biorreactores, mantener el control de los para\u0301metros cri\u0301ticos del proceso: pH, temperatura y presio\u0301n parcial. Actualmente el hidro\u0301geno se obtiene principalmente por procesos termoqui\u0301micos y electroli\u0301ticos, au\u0301n no existe la industrializacio\u0301n por fermentacio\u0301n mediante digestio\u0301n anaerobia. Sin embargo, esta biotecnologi\u0301a se encuentra en etapas de investigacio\u0301n y desarrollo, con plantas piloto en operacio\u0301n y con un futuro promisorio.<\/p>\n

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PRODUCCIO\u0301N DE METANO<\/h4>\n
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A diferencia de la de hidro\u0301geno que se encuentra en desarrollo, la generacio\u0301n de metano por digestio\u0301n anaerobia es ampliamente aplicada a nivel mundial. La industria del bioga\u0301s ha tenido un crecimiento importante en los u\u0301ltimos an\u0303os, incrementa\u0301ndose 4% de 2010 a 2018, lo que representa una produccio\u0301n mundial de 3.5 Mtoe, pero con un potencial de 700 Mtoe (IEA, 2020). La obtencio\u0301n de metano a partir de residuos contribuye no so\u0301lo a satisfacer la demanda energe\u0301tica, sino tambie\u0301n a apoyar diversos aspectos ambientales: mitigacio\u0301n del cambio clima\u0301tico, prevencio\u0301n y tratamiento de la contaminacio\u0301n. Los desechos orga\u0301nicos utilizados en su produccio\u0301n son pra\u0301cticamente los mismos que en el hidro\u0301geno. Una vez generado, es combustible para el transporte y se emplea en la obtencio\u0301n de electricidad y calor (figura 2).<\/p>\n

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Figura 2. Proceso de producci\u00f3n de biog\u00e1s a partir de desperdicios org\u00e1nicos y las principales aplicaciones actuales (adaptado de Biomethan-biogaspartner, 2022).<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Conversio\u0301n de metano a electricidad<\/h4>\n
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La conversio\u0301n de metano a electricidad puede realizarse bajo diferentes procesos que incluyen estrategias que au\u0301n se encuentran en estudio, tal es el caso de las celdas de combustible microbiano y estrategias que esta\u0301n en pleno uso como los motogeneradores. Ambas permiten la conversio\u0301n in situ<\/em>, que puede posibilitar el empleo de las li\u0301neas de conduccio\u0301n ele\u0301ctricas existentes, en lugar de instalar tuberi\u0301as de transporte para este gas. El bioga\u0301s debe ser tratado mediante filtros de carbo\u0301n activado o limaduras de hierro con el fin de eliminar el a\u0301cido sulfhi\u0301drico y la humedad, lo que protege a los motogeneradores de la corrosio\u0301n.<\/p>\n

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En funcio\u0301n de la aplicacio\u0301n objetivo, podri\u0301a ser necesario eliminar el dio\u0301xido de carbono del bioga\u0301s. La eficiencia de conversio\u0301n de los motogeneradores es entre 30 y 65%, el resto se transforma en calor. Uno de los casos de e\u0301xito de obtencio\u0301n de energi\u0301a ele\u0301ctrica a partir del bioga\u0301s de rellenos sanitarios sucede en la zona metropolitana de Monterrey; con 7.42 MWh de capacidad produce 257,787 MWh, lo que permite el funcionamiento del transporte metro y alumbrado pu\u0301blico, adema\u0301s evita la emisio\u0301n de 51,484 toneladas me\u0301tricas de metano, equivalente a 1,081,684 toneladas me\u0301tricas de dio\u0301xido de carbono (Kessler, 2020). Adema\u0301s, hay otros casos de e\u0301xito en los que se consigue a partir de desechos de la industria tequilera y cervecera, sedimentos de plantas de tratamiento de lodos residuales, restos vegetales provenientes de sistemas agri\u0301colas y estie\u0301rcol de diferentes tipos de ganado, entre otros (Gutie\u0301rrez, 2018; Harder, 2020).<\/p>\n

Por otro lado, en Me\u0301xico hay un gran potencial de aprovechamiento de residuos orga\u0301nicos susceptibles a tratarse por digestio\u0301n anaerobia para producir metano. Uno de e\u0301stos son los de las granjas porcinas. Por ejemplo, en Sonora existe una capacidad instalada de 1.6 millones de cerdos, con hasta 5,570 toneladas de desechos orga\u0301nicos al di\u0301a. Si e\u0301stos se someten a este proceso, se pueden lograr hasta 127,600 m3 de metano por di\u0301a, equivalentes a 525,200 kWh. Sin embargo, este recurso energe\u0301tico no es aprovechado e incluso estos desperdicios no son tratados y manejados adecuadamente (A\u0301lvarez et al<\/em>., 2019).\"\"<\/a><\/p>\n

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Metano como combustible en el transporte<\/h4>\n
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El metano proveniente del bioga\u0301s se utiliza como combustible para el tra\u0301fico urbano: autobuses, camiones de carga y vehi\u0301culos pequen\u0303os. Las ventajas se asocian a la reduccio\u0301n de ruido y de emisiones dan\u0303inas. El metano contenido en el bioga\u0301s es el u\u0301nico con la misma composicio\u0301n qui\u0301mica que el combustible fo\u0301sil que reemplaza. Puede ser mezclado con gas natural en cualquier proporcio\u0301n sin causar dan\u0303os a los motores. En comparacio\u0301n con el die\u0301sel y la gasolina, el metano se quema con relativamente bajo desgaste de motor y poca generacio\u0301n de emisiones del tipo o\u0301xidos de nitroso y parti\u0301culas. Los vehi\u0301culos que lo utilizan esta\u0301n equipados con un escape con tecnologi\u0301a simple que trata emisiones y ayuda a cumplir las regulaciones, en comparacio\u0301n con los que operan con die\u0301sel o gasolina.<\/p>\n

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CONCLUSIO\u0301N<\/h4>\n
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La digestio\u0301n anaerobia es una biotecnologi\u0301a capaz de tratar residuos orga\u0301nicos y convertirlos en compuestos con valor energe\u0301tico como los biocombustibles gaseosos hidro\u0301geno y metano. Aun cuando la produccio\u0301n de hidro\u0301geno se encuentra en etapas de investigacio\u0301n o en ciertos casos a nivel de planta piloto, se espera que en un futuro cercano se disen\u0303en y configuren procesos de fermentacio\u0301n a escala industrial, similar a los biodigestores que generan metano.<\/p>\n

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* Instituto Tecnolo\u0301gico de Sonora, Sonora, Me\u0301xico.
\nContacto: luis.alvarez@itson.edu.mx<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n
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Ali Shah, F. (2014). Microbial Ecology of Anaerobic Digesters: The Key Players of Anaerobiosis, The Scientific World Journal<\/em>, 2014, https:\/\/doi.org\/10.1155\/2014\/183752<\/p>\n

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Alrikabi, N.K.M.A. (2014). Renewable Energy Types, Journal of Clean Energy Technologies<\/em>, 61-64. https:\/\/doi.org\/10.7763\/JOCET.2014.V2.92<\/p>\n

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A\u0301lvarez, L.H., Garci\u0301a-Reyes, R.B., Ulloa-Mercado, R.G., et al<\/em>. (2019). Potencial biotecnolo\u0301gico para la valorizacio\u0301n de residuos generados en granjas porcinas y cultivos de trigo, Entreciencias<\/em>, 7(21), 1-21, http:\/\/www.revistas.unam.mx\/index.php\/entreciencias\/article\/view\/70799\/63815<\/p>\n

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Aransiola, S.A., Victor-Ekwebelem, M.O., Leh-Togi Zobeashia, S.S., et al<\/em>. (2023). Sources and techniques for biofuel generation, Green Approach to Alternative Fuel for a Sustainable Future<\/em>, 311\u2013323, https:\/\/doi.org\/10.1016\/B978-0-12-824318-3.00026-6<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Biogaspartner. (2022). Biomethan<\/em>, https:\/\/www.biogaspartner.de\/biomethan\/<\/p>\n

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Ghimire, A., Frunzo, L., Pirozzi, F., et al<\/em>. (2015). A review on dark fermentative biohydrogen production from organic biomass: Process parameters and use of by products, Applied Energy<\/em>, 144, 73-95, https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.apenergy.2015.01.045<\/p>\n

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Gutie\u0301rrez, J.P. (2018). Situacio\u0301n actual y escenarios para el desarrollo del bioga\u0301s en Me\u0301xico hacia 2024 y 2030<\/em>, Red Mexicana de Bioenergi\u0301a-Red Tema\u0301tica de Bioenergi\u0301a de Conacyt.<\/p>\n

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Harder, B. (2020). Biogas plants in Denmark and Mexico<\/em>. Danish climate and energy partnership programme in Mexico 2017-2020.<\/p>\n

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\n

International Energy Agency. (2020). Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth<\/em>, https:\/\/www.iea.org\/reports\/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth\/sustainable-supply-potential-and-costs<\/p>\n

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\n

International Energy Agency. (2021). Key World Energy Statistics 2021-Analysis-IEA<\/em>, https:\/\/www.iea.org\/reports\/key-world-energy-statistics-2021<\/p>\n

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Kessler, L. (2020). Una planta de bioga\u0301s producira\u0301 toda la energi\u0301a del metro de Monterrey, Me\u0301xico, Afinidad Ele\u0301ctrica<\/em>, https:\/\/afinidadelectrica.com\/2020\/07\/05\/una-planta-de-biogas-producira-toda-la-energia-del-metro-de-monterrey-mexico\/<\/p>\n

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\n

Lee, S.Y., Sankaran, R., Chew, K.W., et al.<\/em> (2019). Waste to bioenergy: a review on the recent conversion technologies, BMC Energy<\/em>, 1(1), 1-22, https:\/\/doi.org\/10.1186\/S42500-019-0004-7<\/p>\n

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Recibido: 29\/09\/2022 <\/strong>
\nAceptado: 02\/11\/2023<\/strong><\/p>\n<\/div>\n

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