¿El metano es la solución?

El 12/13 de diciembre pasado se celebró en Paris la Cumbre del Clima con asistencia de 197 representantes de numerosos países. La finalidad: disminuir el CO₂ atmosférico, a base de enterrarlo en el subsuelo. No acordaron nada, debido al alto coste. La quema de combustibles aumenta cada año, y por tanto, el CO₂ también. Pero podemos disminuir el metano atmosférico, un gas 23-30 veces peor que el CO_2, de efecto invernadero. No es la solución, pero atenúa el problema.

El calentamiento del clima es un hecho, el Nilo y el Ebro ya no aportan agua al mar. La sequía aumenta. La causa es la quema de combustibles y el aumento de los gases de efecto invernadero en la atmósfera. Las estadísticas de la temperatura superficial de la Tierra son alarmantes. El 27 de marzo 2015 el porcentaje de CO₂ alcanzó 402,51 ppm. La masa de CO₂ es 220 veces mayor que la de metano en la atmósfera. En algunos planetas, como Venus, el CO₂ de su atmósfera eleva la temperatura superficial hasta 450 °C. La vida allí no es posible.

Las aguas pantanosas, las aguas residuales y la putrefacción de residuos orgánicos producen gas metano, el gas de los pantanos, que va a la atmósfera. Esa emisión en gran parte la podemos evitar, almacenar ese metano y quemarlo como combustible, contamos con la ayuda magnífica de las bacterias, que son la fuerza de trabajo de las plantas industriales de metanización, ya existentes en numerosas ciudades. Al quemar esa energía, el metano, producimos CO₂, pero nos sale a cuenta.

Es la producción de metano por microbios.

Es una forma de metabolismo microbiano muy importante y extendida. En la mayoría de los entornos es el paso final de la descomposición de la biomasa.

Además se ha demostrado recientemente que el tejido de las hojas de plantas vivas emite también metano. El mecanismo por el que ocurre esta producción de metano es hasta ahora desconocido, las implicaciones son grandes; es un ejemplo de metanogénesis en organismos no microbianos, supuestamente en condiciones aeróbicas. Recordemos que las bacterias producen metano en ausencia de oxígeno, sin aire. Omitimos aquí los caminos que emplean las plantas para producir metano.

La bioquímica de la metanogénesis produce metano por reducción del CO_2, o sea, que las bacterias disminuyen el CO₂ atmosférico, algo utilísimo, al menos en algunas fermentaciones. Es la respiración anaeróbica. Algunos metanógenos, llamados hydrogenotrophic, usan el CO₂ como una forma de carbono y el gas hidrógeno como agente reductor, CH4.

Los metanógenos no usan el oxígeno para respirar, y de hecho el oxígeno inhibe su crecimiento. El aceptor de electrones terminal en la metanogénesis no es el oxígeno, sino el carbono. El CO₂ es el aceptor terminal de electrones:

CO₂ + 4H2 > CH4 + 2H2O

Una parte del CO₂ reacciona con el hidrógeno para producir metano. Este crea un gradiente electroquímico en la membrana de la célula, que sirve para producir ATP, Adenosin Trifosfato, en cambio las plantas y las algas utilizan el agua como agente reductor. Los metanógenos desempeñan un papel vital ecológico en ambientes anaeróbicos, porque suprimen el hidrógeno sobrante y los productos de fermentación, que han sido producidos por la respiración anaeróbica. En debidas condiciones de presión y temperatura el metano biogénico se acumula en depósitos de márgenes continentales, en el hielo de Groenlandia y en desiertos secos.

El metano marino procede en gran parte del CO₂ reducido, pero un pequeño porcentaje surge de la fermentación del ácido acético.

CH3COO- + H> CH4 + CO₂. Una reacción de -36 kJulios.

Las bacterias metanógenas producen también metano a partir de sustratos orgánicos sencillos, como el ácido acético, el formiato, el metanol, la metilamina, el sulfuro de dimetilo y el metanotiol.

CH3COOH >CH4+CO₂

Estas bacterias producen metano a partir de formas parcialmente reducidas de carbono contenido en compuestos orgánicos. Son verdaderas fermentaciones.

La bioquímica de la metanogénesis es relativamente compleja e implica las coenzimas y cofactores F430, coenzima B, coenzima M, metanofurano y metanopterina. Los microbios de la metanogénesis no tienen núcleo, ni orgánulos separados por membranas, es decir, son procariotas. Son un grupo muy antiguo, miembros de las arqueobacterias, o Arqueas.

Los metanógenos son aerobios estrictos, que mueren en presencia de oxígeno; se encuentran en entornos, que experimentan una descomposición de materia orgánica, como terrenos pantanosos, el tracto digestivo de los animales y sedimentos acuáticos. Sin descomposición de materia orgánica la producción de metano también ocurre en el subsuelo terrestre, las reservas de petróleo.

Durante el proceso de descomposición, aceptores de electrones, como el oxígeno, hierro, sulfato, nitrato y manganeso se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno H₂ y CO₂. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros por fermentación. En las fases avanzadas de la descomposición orgánica todos los aceptores de electrones quedan reducidos, excepto CO₂. Este es un producto de la mayoria de los procesos catabólicos, por lo que no se reduce como otros aceptores de electrones potenciales.

IPCC Escenario en el año 2001. 1.000 años de temperatura terrestre, y 100 años de proyección. La temperatura aumenta en proporción con el porcentaje de CO₂ atmosférico.

La fermentación solo permite la ruptura de compuestos orgánicos de mayor peso molecular, y produce compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina con efectividad los productos casi finales de la descomposición: el H2, los compuestos orgánicos pequeños y el CO2. Sin la metanogénesis se acumularía una gran cantidad de carbono, en forma de los productos de la fermentación en los ambientes anaeróbicos.

La metanogénesis convierte los residuos orgánicos en el útil biogás metano. Lo mismo ocurre en el intestino de muchos animales. No es esencial para la digestión humana, pero es necesaria en la nutrición de los animales rumiantes, las vacas y las cabras. En el rumen organismos anaeróbicos digieren la celulosa en formas utilizables para el animal. Sin los microbios del rumen las vacas no podrían sobrevivir sin ser alimentadas con una dieta especial.

Los humanos producen flatulencias que contienen metano, al menos 10%, a causa de las bacterias metanogénicas. También hay sedimentos marinos que producen metano.

Las arqueas son bacterias cocoides, de forma esférica, y también bacilos en forma de varilla. Hay al menos unas 50 especies. Son muy sensibles a la presencia de oxígeno, aun en bajo porcentaje. La excepción es Methanosarcina barkeri, que puede sobrevivir más tiempo en presencia de oxígeno.

La fermentación de metano es una biotecnología capaz de convertir casi todos los tipos de materiales poliméricos en gas metano y CO₂ en condiciones anaeróbicas. Los agentes son los microbios acidógenos, los que producen gas hidrógeno y gas metano. Esos microbios crecen y forman moléculas muy útiles, que disminuyen la contaminación. Microbios que segregan enzimas, las cuales hidrolizan materiales poliméricos y los convierten en monómeros, como la glucosa y los amino ácidos volátiles. También convierten en metano los compuestos del ácido fórmico, metanol, metilaminas y CO. La industria alimentaria produce abundantes fangos, que son fuente de metano.

A nivel de laboratorio podemos conseguir la reducción del CO₂ y producción de gas hidrógeno con electrocatalizadores, un análogo de la fotosíntesis natural. Sin microbios.

Hay varios nombres: biogás, gas natural, son mezclas con un 70-80% de metano, se hallan en sedimentos subterráneos. Los otros gases en su composición son CO₂ (20%), nitrógeno molecular 2-3%, sulfhídrico (0,5-2%).

Son productos de la fermentación de materia orgánica en los milenios de la historia, causada por los microbios. El gas natural para la exportación es licuado, para lograr la reducción de volumen en el buque metanero. El petróleo es una mezcla de hidrocarburos líquidos, benceno, etc. situada en el subsuelo minero junto al gas natural.

En España tenemos las plantas de importación de metano líquido y regasificación, que alimentan los gasoductos comerciales de gas natural. Baste recordar en 2003 la llegada del primer buque metanero con 135.000 m³ de GNL de Abu Dhabi, para la empresa Bahia de Bizkaia Gas, Puerto Exterior de Bilbao.

Además hay las plantas industriales que crean el metano, a partir del tratamiento de residuos urbanos y tratamiento de aguas residuales del Ayuntamiento. La lista de industrias metaneras es larga, con tendencia a aumentar. Buena noticia. La biometanización industrial de residuos orgánicos se basa en la familia de digestores de la Planta.

El biodigestor de desechos orgánicos es un contenedor cerrado, hermético e impermeable. Ya sabemos que los microbios metaneros no soportan el oxígeno, el aire. Dentro del reactor se deposita el material orgánico a fermentar (residuos y aguas residuales), restos vegetales, excluidos los cítricos. Los microbios fermentan la masa, y crean gas metano y fertilizantes para la agricultura, ricos en nitrógeno, fósforo y potasio. Hay que recordar que los microbios no trabajan desinteresadamente, necesitan crecer y reproducirse, lograr unos materiales indispensables para ellos, sólidos, líquidos y gaseosos. Casualmente nosotros necesitamos eso mismo, el metano.

El biodigestor incluye una cámara de carga y nivelación de agua residual, un dispositivo para captar y almacenar el biogás, y cámaras de hidrogenación y pos tratamiento, filtros de algas y secado a la salida del reactor. La fermentación es producida por los metanógenos microbianos anaerobios presentes en el fango. Esos desechos orgánicos de origen vegetal y animal producen la mezcla gaseosa que llamamos biogás, que usaremos como combustible. Al crear el biogás disminuye la demanda química de oxígeno (DQO)y la demanda biológica de oxígeno (DBO) hasta un 90%, dependiendo de las condiciones de la operación. En el biodigestor hay que controlar el pH, la presión y la temperatura, para obtener un óptimo rendimiento.

Los materiales del digestor son económicos, y por eso se está introduciendo en comunidades rurales aisladas. Incluso hay digestores solo para familias. El biodigestor se diseña para eliminar todo el estiércol producido en una granja de cerdos.

En Colombia, Bolivia, Chile una familia que cría vacas o cerdos tiene su biodigestor, que le da metano para 5 horas de uso en el horno de la cocina, a partir del estiércol producido por el ganado, unos 20 kg/día. Con un depósito de 2-3 m de biogás. Un uso familiar del metano. El fertilizante líquido obtenido es muy apreciado. Los materiales para el biodigestor cuestan unos 170 dólares en el Altiplano de Bolivia.

Hay varias clases de digestores: de flujo discontinuo, de flujo semicontinuo y de flujo continuo.

En el biodigestor de flujo discontínuo se carga el material a fermentar al inicio del proceso, y al terminar la fermentación se descarga el efluente. En ambiente de 30 °C la fermentación dura unos 10 días. Es el tiempo de retención necesario para que las bacterias puedan digerir la materia. Si la temperatura ambiente es fría, 10 °C en el Altiplano, la fermentación puede durar hasta 55 días de retención.

Para tratamiento de aguas residuales se usa el biodigestor de flujo continuo, un digestor grande de tipo industrial, que produce gran cantidad de biogás.

Las bacterias digieren el estiércol y fangos en una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente hay la fase de acetogénesis y finalmente la fase de metanogénesis, que produce metano. El biodigestor evita que el gas fluya hacia la atmósfera, va al depósito, y luego es consumido como combustible.

• McCarty, P.L. Anaerobic digestion Elsevier Medical Press.
• Zelkus, J.G. Acidogenic fermentation. Ann.Rev.Microbiol. 34, 423-464.
• Boone, D.R. Conversion of organic materials to CH4 and CO₂. Appl.Environ.Microbiol. 40. 626-632.
• Macnae, J. Time domain electromagnetic prospecting methods. Applied Geophysics 2006.
• Speight J. Natural Gas, the clean fuel. Hydrocarbon processing. January 2009.
• Speight J. The chemistry and technology of petroleum. Boca Raton, Florida 2007.