Principios de la producción de gas metano porcino en lagunas anaeróbicas

Esta es una alternativa de bioremediación para transformar excrementos en la producción de gas metano (CH4) como biohidrocarburo, por medio de reactores múltiples o lagunas anaeróbicas de tratamiento, cubiertas por geomembrana de plástico flotante, haciendo un aprovechamiento sostenible como biocombustible en calderas térmicas de vapor y empleando un generador eléctrico para auto abastecer la granja porcina, dejando de consumir energía fósil con alto costo de producción. Se integra un diseño de biodigestores en batería de flujo diario de baja agitación y perturbación para que no decanten las fibras de celulosa y hemicelulosa. No es de flujo continuo porque ingresa periódicamente oxígeno y bacterias metanotróficas, perdiendo eficiencia. Al final de la fermentación de los compuestos químicos habrán reducido 90% la demanda bioquímica de oxígeno.

Alojamientos porcinos en Carolina del Norte (Estados Unidos).

La producción de gas metano (CH4) existe de forma natural por millones de años formando grandes yacimientos de hidrocarburos junto a reservorios petrolíferos y gas helio; acumulándose por siglos en grandes cantidades atrapadas en las profundidades de la tierra, los océanos, las capas de hielo permanente y humedales Su origen es biológico al ser producido metabólicamente por microrganismos y plantas unicelulares metanogénicas que utilizan el CO2, metilo (CH3) u otras sustancias orgánicas para sintetizar CH4. Su extracción y compresión lo hacen un combustible y reactivo químico de alta demanda industrial, urbana y comercial. Su equilibrio en la naturaleza es minimizado con la participación de microrganismos metanotróficos que oxidan el CH4 + 2 O2 y lo convierten en productos como→ CO2+2H2O, en ello con mucho contribuyen los océanos como sumideros de CO2, pero si se daña la estabilidad de los 7 mares se revertirán como expulsores masivos de gases.

La característica física menos deseada del gas metano es que se está acumulando en la atmósfera y tiene una propiedad de refracción de la luz solar 30 veces más alta que el CO2, ocasionando un incremento en la tasa del calentamiento atmosférico, el cual deshiela grandes capas de la tierra que van liberando metano atrapado en los glaciares.

Estudios indican que los gases de la atmósfera como el bióxido de carbono CO2 persisten en la naturaleza por mil años y el metano tiene una vida corta de 12 años. Otros gases de vida larga son sulfato de hexafluoruro (SF6), varios clorofluorocarbonos y ozono O3. El metano no es el único gas que ocasiona calor por la refracción solar provocando un efecto de invernadero global. Por mencionar su valor calorífico CO2:1, CH4: 30, NO2:270, clorofluorocarbonos CFC: 5000. La disminución frontal directa sobre los emisores de CH4 como iluminación, transporte, refrigeración, etc. es la clave para minimizar el impacto ambiental del mundo.

Y si el gas CH4 es relativamente abundante ¿Por qué producirlo en un ambiente controlado? La ONU 2021 resalta; que si bien la minería, industria petrolera y de hidrocarburos, la basura urbana son los mayores aportadores de gases que alternan la composición del aire, la industria agropecuaria participa activamente para cumplir con la normativa, legislación nacional y acuerdos internacionales que buscan decrecer para el 2030 las emisiones de metano hasta reducirlas comparativamente a las registradas en el 2010, logro que permitirá reducir 1.5°C la temperatura global para el 2050. https://news.un.org/es/story/2021/05/1491742. Un estudio de la INECC 2021 señala que México se ha comprometido a realizar inversiones en 35 medidas de mitigación con un potencial cercano a 237 millones de toneladas equivalentes de bióxido de carbono (MtCO2e) antes del 2030, en la que se incluyen como política pública apoyar económicamente la instalación de biodigestores agropecuarios. El artículo de Vidal 2017 y Claudia Sheinbaum Pardo resaltan que la regulación mexicana debe proceder a reducir el uso de energías fósiles e incrementar tecnologías con bajo impacto ambiental de carbono como empleando biomasa, biogás y otras alternativas para generar electricidad.

Cabe la pregunta de la necesidad y conveniencia económica y ambiental de producir y capturar gas metano por medio de excretas de granja en un medio anaeróbico artificial, de alto costo de inversión, pero que constituye un alto impacto de mitigación en la producción de alimentos de vida sana, empleando microorganismos que en su metabolismo van a formar estas moléculas.

Si el estiércol colectado de los animales se tira libremente a la tierra agrícola como abono orgánico y mejorador del suelo, al tiempo de su descomposición microbiana se formará CO2, pero si se almacena en lagunas aeróbicas, sin cubierta o con aireadores para reducir los olores, mucho del gas formado entrará libre a la atmósfera contribuyendo mínimamente al aporte de gases con efecto de invernadero. Tan solo al controlar el biogás producido por las granjas del mundo, aprovechando la generación de energía y reciclando los desechos de aguas y orgánicos, se estima que bajará el calentamiento global -0.5°C en la próxima década.

Desde antaño se ha usado una tecnología simple colectando y separando sólidos de excretas de animales para reducir la cría de moscas, olores fétidos y aprovechar las boñigas incorporándolas a las tierras de cultivo. Sin éxito por fallas de manejo, las excretas porcinas no han resultado ideales para su transporte, tampoco como insumo en la dieta al presentarse ciclos de toxicidad para ser un subproducto económicamente viable en la alimentación de rumiantes. Si la superficie del espejo de agua forma espuma es una laguna biológicamente activa con menos ácidos grasos volátiles fétidos, pero con mayor generación de gas metano. Se requiere la aplicación combinada de nuevas tecnologías como biorreactores de membrana para generar y capturar biogás para producir calor y generar electricidad. Hay reportes alentadores de investigación microbiológica que hacen el sistema de conversión de materia orgánica a gas energético, más eficiente.

La producción de alimentos es esencial para la vida y el desarrollo de las actividades sociales y laborales. Compite con la humanidad en el uso de recursos naturales utilizando espacio, agua, energía e insumos. La carne de cerdo alcanza el mayor consumo per cápita mundial, por lo que su preferencia del consumidor alienta la inversión a nuevas instalaciones porcinas. En México no es la excepción ya que existe un gusto culinario por los guisos con carne de cerdo y su demanda genera una sobre demanda, por lo que se tienen que importar anualmente 1.5 millones de toneladas de carne y para reducir la salida de divisas se alienta la creación de mayores granjas altamente tecnificadas y financieramente rentables. De esta manera las granjas porcinas por su crecimiento poblacional generan contaminantes y no solo por decir gas metano entérico, CO2 por la respiración de los animales, sino por la descomposición de los desechos y excretas que se producen diariamente.

En el caso de las granjas porcinas un impacto negativo en el mal manejo de los excrementos genera amonia (NH3), ácido sulfúrico (H2S) y monóxido de carbono CO. Su acumulación de materia orgánica reacciona produciendo bióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4) y olores. Cada unidad de producción porcina desea alcanzar progresivamente la neutralidad de las emisiones de gases con efecto de invernadero. Para ello implementa mejoras prácticas de manejo zootécnico y tecnologías de innovación.

La industria porcícola participa capturando estos desechos sólidos y gases para reducir sus emisiones, busca secuestrar carbono abonando el subsuelo, reciclar las aguas en la limpieza de la granja y usarla para el riego agrícola. Implementa alternativas de paneles solares fotovoltaicos, postes eólicos, reforestación perimetral como rompevientos.

La producción de carne de cerdo e vida sana no está libre de contaminantes, pero existen tecnologías y prácticas de manejo zootécnico que harán la producción de alimentos con niveles neutros de contaminantes.

La carne de cerdo es la proteína animal más consumida a nivel mundial, se festeja el 15 de marzo el día mundial del cerdo. En abril 2024, México constituyó el día del porcicultor también para el 15 de marzo. Si bien hay culturas que prohíben el consumo de carne de cerdo y muchos países socialmente no aceptan su ingesta como alimento humano. La preparación de carnitas es muy popular en el mundo.

Durante los 70s en los EUA a lo largo de la costa del Pacífico y posiblemente en otros lugares se construyeron pilas herméticas de concreto armado con varilla y hormigón para reducir los contaminantes que generaban las granjas porcinas. En un proceso anaerobio se generaba gas metano de manera muy eficiente, los sedimentos sobrantes eran sólidos y minerales no digeridos por la flora microbiana de fermentación y así los líquidos sobrantes salían como desechos de bajo impacto ambiental. La limitante es que la capacidad de almacenamiento del búnker tan solo capturaba 2 días de colecta de efluentes de la granja, mientras se cerraba el biorreactor anaerobio por 23 días para el proceso de degradación y 5 días de limpieza. De esta manera durante los 28 días del mes las excretas de los cerdos seguían fluyendo libremente como desechos contaminantes. Su contribución al impacto de reducir la contaminación realmente era bajo, aunado a su alto costo de construcción y mantenimiento. El principio de fermentación estaba bien aplicado, solo limitado al costo de construcción.

Hoy en día la tecnología zoosanitaria, manejo de instalaciones y equipo de automatización permiten la alta concentración de animales en un solo lugar. En Texas EUA, en un área de 800 hectáreas se establecieron en forma separada 6 granjas de 3,000 vientres cada una, con unidades de destete y naves de finalización, junto con la planta de alimentos balanceados.

En EUA, España se instalan granjas porcinas sitio uno (S1) con 10,000 vientres. Las crías destetadas se colocan a distancia del S1, en granjas diseñadas de ambiente controlado artificialmente para reducir la mortalidad de los lechones. Las granjas de finalización o engorda (S3) son las de mayor volumen en el consumo de alimento.

En China desde el 2020, en apoyo a las compañías constructoras, se están construyendo edificios de 10-20 pisos, como granjas porcinas verticales, con clima controlado artificialmente, para concentrar más de 500,000 animales en cada unidad de producción, en la que incluyen elevadores con capacidad para 20 personas y con ello poder subir y bajar insumos, animales y personal laboral.

La producción controlada de gas metano por medio de reactores de biodigestión anaeróbicas. Normalmente el excremento en suspensión liquida pasa por gravedad a una laguna de decantación a cielo abierto para precipitar pelos, basura sólida y otros productos de descarte. Continúan pasando los efluentes a una laguna profunda de almacenamiento y retención para su descomposición en la que con el tiempo emiten al aire diversos gases que causan un efecto de invernadero, olores y contaminación si se desborda la capacidad de retención de líquidos.

Para su aprovechamiento controlado como recurso energético la laguna se cubre con plástico bajo un sistema de fermentación sin oxígeno para que los microrganismos estabilicen en su etapa inicial de 120 días, sus poblaciones para producir gas biometano, el cual queda retenido junto con otros gases con la cubierta de geomembrana. Después del período de fermentación de 5 días, los carbohidratos más simples de cadena corta, se han transformado al concluir el ciclo biológico exponencial de reproducción y crecimiento poblacional de los microorganismos, hongos, Bacilos y Archaea metanogénicas, proceso en el que metabolizaron biometano.

Para establecer como alternativa en una granja porcina un biodigestor en batería de flujo diario, como lo haría el proceso de fabricación de cerveza. Una bolsa de geomembrana individual con capacidad para retener los efluentes colectados de cada día y que perdure colectando biogás por 30 días alargando el período del bioreactor. Sería un sistema con 30 reactores separados más las bolsas del sistema en el proceso de limpieza, recarga de inicio y aprovechamiento del gas retenido. Al igual que la fermentación de la cebada maltera en recipientes secuenciales en batería, todos los días embotellan y todos los días llenan un tanque limpio de nuevo. Aun así, generan un desecho del bagazo pastoso de cerveza, mientras que en el pasado en las granjas porcinas se han usado modelos de biodigestión continua, semicontinua y sistema discontinuo, por lote y batch. Pampillon 2018

Los microorganismos de la fermentación para producir biogás requieren de un medio líquido, no tiene que ser agua potable, por lo que las aguas de la bolsa que se va a vaciar para limpieza se reciclan, conducida por tubos de circulación interna, sin estar expuestas al aire, evitando oxigenar el medio, pasan la bolsa de llenado nuevo, incrementando el volumen controlado de retención de ese día y aportando inóculos microbianos ya adaptados por selección natural del proceso establecido.

Después de 5 días de fermentación inicial quedan por digerirse y contribuir a su aporte energético las partes del grano no digeridas de celulosa. Por ello cada biorreactor debe recibir en codigestión excrementos de corrales de engorda y establos lecheros o desde el rastro de bovinos utilizar los residuos estomacales con bacterias vivas del rumen, introducirlos dentro de cada cámara de fermentación. A falta de este insumo natural se pueden incorporar como inóculo bacterias vivas cultivadas de Clostridium cellulovoma que sintetiza enzimas en condición anaerobia, Ruminococus, Fibribacter, Eacillus, Protozoos, Hongos o aplicar directamente un conjunto de enzimas celulosomas, endoxilanasas y poligalacturonasas que hidrolizan la celulosa. Castillo 2011.

Al separar excrementos fermentados de la materia líquida de la bolsa en proceso de limpieza, la materia orgánica rica en fibras de celulosa se reutiliza nuevamente para la cría de insectos comestibles para producir proteína con calidad alimenticia para la granja, en sustitución de otras fuentes de alto costo de adquisición. Al concluir el ciclo biológico, durante la cosecha de los insectos, los desechos se utilizan como abono orgánico para la agricultura, generando economías en la mejora de la retención del agua de riego en el suelo agrícola. Alternativas para mejorar la eficiencia integral de producción de gas CH4 alargando el tiempo de recarga orgánica como de oxígeno y valorar el aprovechamiento reciclable de sedimentos sólidos, economía circular de energía calórica y eléctrica, con el objeto de disminuir la contaminación e incrementar la rentabilidad de la empresa.

Los líquidos excedentes de la fermentación contienen nutrientes adecuados para su concentración de NPK como fertilizantes y para el cultivo de espirulina, algas o aplicar los líquidos al riego agrícola. Cada sistema tiene su propio diseño de ingeniería biológica para su funcionamiento. Tecnología disponible para grandes capacidades de producción. Analizar y diseñar el modelo de batería para lograr una mayor conversión de sólidos orgánicos a la producción de gas metano, para incidir en mayor cuantía a la reducción de contaminantes del vertedor de salida de aguas negras de la granja.

Se establece una biorefinería de subproductos para valorizar por sistema de conducción controlada en cada fase, un esquema de bioeconomía circular como recurso energético a los subproductos líquidos para obtener biofertilizantes de las aguas de desecho, así como reutilizando el agua de limpieza reciclada y empleando los sólidos húmedos para la producción de proteína de insectos comestibles para posteriormente ir incorporando las compostas deshidratadas y abonos húmedos a las tierras agrícolas para incrementar la materia orgánica del suelo y capacidad de retención del agua de riego, al mejorar las propiedades porosas del suelo. En su conjunto estratégico reducir la huella ambiental de carbono de la granja porcina, reducir malos olores y generar ahorros e ingresos para amortizar las inversiones, con la posibilidad de gestionar créditos de carbono en el mercado internacional.

Secar en invernaderos ventilados con calor las excretas para ser ensacadas como abono de plantas y mejorador de suelos en la agricultura comercial.

Un estudio nacional de FIRCO 2009 constata la instalación de 345 biodigestores en 11 estados, en su mayoría para granjas y pocas en establos. Posteriormente un seguimiento de campo FIRCO 2013 reporta para 13 estados la construcción de 138 biodigestores en las que sobresalen Yucatán con 41 y Jalisco con 21, para Sonora solo 2, la Comarca Lagunera 39 y muy posiblemente en establos. Durante el programa anual se instalaron 43 motogeneradores de gas metano convertida a electricidad, de las cuales Yucatán echó a andar 32 motores.

Ensayos de codigestión anaeróbica para lagunas de granjas porcinas o lecheras, con cubiertas de plástico, incorporan mezclas de residuos agroindustriales y esquilmos agrícolas para generar biomasa en bioenergía renovable. Plascencia 2014.

El biogás se genera por medio de materiales de plantas y animales en un medio de biodigestión. Puede ser quemado para reducir las emisiones de contaminantes del aire o ser combustible para un generador eléctrico adaptado a este gas. Su tamaña varías para hacer funcionar una hornilla de cocina hasta motores de barco. Prehn 2010.

La relación de la biomasa y su contenido de nitrógeno no favorece a las excretas porcinas por tener una relación inferior carbono:nitrógeno de 8C:1N. Weber 2023.

Las tecnologías alternativas existentes indican que la economía circular de los desechos producidos en la granja, sea agua, excrementos, animales muertos y otros se deben incorporar para su reciclaje de líquidos para limpieza de corrales, generación de energía calórica o eléctrica que permita la reducción de los costos de producción, al ahorro de un ingreso con la venta de composta de animales desechados.

El procesamiento y aprovechamiento eficiente de la materia orgánica que se elimina de las unidades productivas, reduce significativamente las aportaciones de contaminantes que se desechan al ambiente. Cada granja sitio 1 de reproductoras, sitio 2 con lechones en desarrollo y sitio 3 engordando cerdos para matanza. Por su edad fisiológica reciben diferentes dietas formuladas para satisfacer sus requerimientos nutricionales, la digestibilidad del alimento difiere en cada sitio, como los insumos estacionales regionales, nacionales e importados que se incluyen en la formulación.

Así que el potencial de producir gas metano eficientemente de manera renovable, varia para cada sitio de granja porcina, como de la calidad y cantidad del agua para beber y lavar los corrales, formando parte del medio de cultivo microbiano. Los minerales de la dieta contribuyen también a los solutos que darán el pH del medio acuoso de la laguna de digestión.

Bibliografía

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