Aprovechamiento de la biomasa residual de la industria avícola como posible alternativa para

la obtención de energía a través de hidrogeno H2.

Presentado por:

Luis Leonardo Lugo Mancilla

Maestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente

Cohorte XVI

Módulo de Gestión Integral de Residuos Solidos

Universidad de Manizales

2017

Aprovechamiento de la biomasa residual de la industria avícola como posible alternativa para

la obtención de energía a través de hidrogeno H2.

En nuestro país se generan grandes cantidades de residuos sólidos y líquidos originados

por las actividades agrícolas. La industria avícola en Colombia ocupa un porcentaje

importante en el Producto Interno Bruto (PIB) nacional. Gracias a su desarrollo sostenido y

alto grado de tecnificación se impone como la segunda actividad agropecuaria del país.

Estos residuos constituyen uno de los principales problemas ambientales al no generar un

manejo eficiente de su biomasa residual, debido a las infiltraciones de aguas residuales,

emisión de amoniaco y olores ofensivos. (Sanguino, Téllez, Escalante, & Vásquez, 2009)

En una granja promedio existen alrededor de 27000 animales por galpón en cada ciclo

reproductivo (PIMPOLLO S.A., Granja el Tesoro, 2008). La implementación de

tecnologías en el aprovechamiento de sus residuos por digestión anaeróbica permite utilizar

y manejar adecuadamente los residuos sólidos y líquidos de estos sectores productivos,

transformándolos en una fuente de energía para la obtención de biogás, el cual es un

biocombustible que puede ser producido a partir de la fermentación anaeróbica de desechos

orgánicos de cualquier tipo proporcionando condiciones y tiempo adecuado, en el cual se

genera principalmente gas metano CH4.

El Biogás es un combustible que se obtiene como resultado de la fermentación

anaeróbica de sustratos orgánicos biodegradables, y su composición varía de acuerdo con

su origen. (BUJOCZEK, G., OLESZKIEWICZ, R., SPARLING, R., CENKOWSKI, S.,

2000) en:

• Metano (CH4): 40-70 % vol.

• Dióxido de carbono (CO2): 30-60 % vol.

• Hidrogeno (H2): 0-1 % vol.

• Sulfuro de hidrogeno (H2S): 0-3 % vol.

El biogás es más liviano que el aire y tiene una temperatura de combustión de

aproximadamente 700 °C y la temperatura de la llama alcanza 870 °C. El poder calorífico

es de 1290 kJ/m3 según (BUJOCZEK, G., OLESZKIEWICZ, R., SPARLING, R.,

CENKOWSKI, S., 2000). La producción de BIOGAS depende del tiempo de retención. Las

plantas de producción de biogas, además de producir energía disminuyen la contaminación

y pueden actuar como un banco de nutrientes.

En la actualidad, sólo se quema el metano dentro del programa de “Certificaciones de

Reducciones de Emisiones de Carbono” como resultado del Protocolo de Kyoto. El biogas

se produce por descomposición de materia orgánica en un proceso de tres etapas: hidrólisis,

Fermentativa y metanogénesis. Para este último actúan las bacterias metanogénicas

degradando estos ácidos y alcoholes, para producir metano (CH4), CO2, y trazas de H2O,

NH3 y biomasa (Lorenzo Acosta, Y., & Obaya Abreu, M. C. (2005), 2005)

Los residuos orgánicos ganaderos o los residuos agrícolas son la mayor fuente de

residuos y de potencial contaminante, y dentro de éstos, los residuos ganaderos constituyen

el principal problema ambiental. La problemática asociada a la gestión de los residuos

orgánicos de origen ganadero se debe, básicamente, a la separación progresiva de la

explotación ganadera y la agrícola, de forma que la mayoría de las explotaciones no poseen

una base territorial suficiente para reutilizar los residuos ganaderos (Vázquez, de la Varga,

Plana, & Soto, 2015). Esto, junto con el aumento del censo ganadero, la disminución de la

superficie agrícola útil, y el aumento de las dimensiones de las explotaciones ganaderas,

hace equiparable el sector ganadero con la industria en cuanto a la problemática de gestión

de residuos; la cantidad y calidad de residuos producida varía mucho, dependiendo del tipo

de animal, de la composición de la alimentación y del sistema de manejo de la granja

(sistema de alimentación, bebederos, sistema de limpieza, tipo de estercolero o balsa, etc.)

(Humberto Escalante Hernández, Janneth Orduz Prada, Henry Josué Zapata Lesmes, María

Cecilia Cardona Ruiz, Martha Duarte Ortega, 2006)

Actualmente la creciente demanda de energía, la degradación del medio ambiente por

las emisiones atmosféricas, consumo rápido de reservas de combustibles fósiles no

renovables y combustibles basados en hidrocarburos, son temas transcendentales para el

desarrollo sostenible en el mundo, que están llevando a la búsqueda de tecnologías para

producción de energías alternativas amigables con el medio ambiente como posibles

sustitutos de las fuentes que afectan drásticamente al entorno natural(Escamilla-Alvarado

C., Poggi-Varaldo H., Ponce-Noyola M. T., 2011).

La energía renovable es una alternativa que daría una solución tanto a los problemas

energéticos como a los medioambientales, estas energías pueden ser un gran aporte para la

crisis actual del calentamiento global, por este motivo, son mayores los esfuerzos que están

realizando los investigadores a nivel mundial para garantizar una seguridad energética

adecuada en cuanto a confiabilidad y costo, mediante el estudio y el desarrollo de métodos

de producción de energía, libres de emisiones de CO2, reduciendo de esta manera la

dependencia de las fuentes fósiles y aprovechando los recursos renovables locales. Estos

residuos son sustratos complejos que pueden ser reciclados y degradados biológicamente

mediante la conversión de la biomasa para la producción de hidrógeno mediante la

fermentación anaeróbica la cual se convierte en una opción prometedora para la generación

de energía (Hallenbeck & Benemann, 2002). En este sentido, el biogás que se obtiene

aporta el hidrógeno (H2) el cual es considerado como un combustible alternativo y

amigable con el medio ambiente, el cual no origina emisiones de CO2 al realizar su

combustión, además posee el mayor contenido energético por unidad de peso, 122-142

kJ/g, con un poder calorífico tres veces superior al de la gasolina(Blanco Londoño &

Rodríguez Chaparro, 2012; H-C. Kang, Y. Chen, E. E. Arthur, H. Kim, 2014; L. Jiunn-Jyi,

F. Kuo-Shuh, C. James-I, C. Chia-Hung, 2003). Además el hidrógeno no es exclusiva

fuente de energía, ya que es ampliamente utilizado en la industria química, de alimentos y

en la producción de derivados electrónicos entre otros, lo que genera una crecente

necesidad de producir H2 de una manera eco sostenible.

En el 2006 se reportó una demanda mundial de H2 de más de 50 millones de toneladas

con un crecimiento de más del 10% anual según(A. Bedoya, J.C. Castrillón,J. E. Ramirez,

J.E. Vasquez, M. Arias Zabala, 2007; Kapdan & Kargi, 2006a). El uso de biogás puede

proporcionar los medios para las reducciones globales de gases de efecto invernadero y

aumentar los esfuerzos para lograr el desarrollo sostenible mediante la generación de

energía o bioelectricidad.

Basados en las problemáticas ambientales que surgen a nivel mundial y también

nacional, en Colombia ha surgido un interés por la búsqueda de energías no convencionales

como lo muestra la nueva ley 1715 del 2014, la cual en el artículo 1 indica que: “tiene por

objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía,

principalmente aquellas de carácter renovable en el sistema energético nacional, mediante

su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en

otros usos energéticos como medio necesario para el desarrollo económico sostenible. La

reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad de abastecimiento

energético. Con los mismos propósitos se busca promover la gestión eficiente de la energía,

que comprende la eficiencia como la respuesta de la demanda”(Ministerio de Minas y

Energía, 2014). El H2 es un elemento de alto carácter energético como se demuestra en las

hidroeléctricas y los procesos de fotosíntesis en las plantas, para lo cual debe ser

sintetizado, ya que no se encuentra presente de forma natural. Actualmente el 40% del H2

se obtiene por medios químicos que generan CO2, por este motivo es de gran interés la

búsqueda de métodos de síntesis limpia. Una de las formas de obtención puede ser

mediante la producción biológica a partir de biomasa residual(Blanco Londoño &

Rodríguez Chaparro, 2012).

De este modo, se podría dar un uso eco-sostenible y altamente rentable a un desecho,

que actualmente puede ser vertido con o sin previo tratamiento adecuado o en otros casos

puede ser utilizado como abono(A. C. do Amaral, A. Kunz, R. L. R: Steinmetz, F. Cantelli,

L. A. Scussiato, K. C. Justi, 2014). Una desventaja de este tipo de procesos anaeróbicos

por fermentación puede ser la lentitud del proceso, sin embargo, cabe destacar que son

varias las ventajas de tratar los residuos de esta industria o de zonas rurales, como materia

prima para la producción de biohidrógeno, ya que podrían suplir las necesidades

energéticas de la industria y de zonas rurales que no tienen acceso a energías

convencionales, reduciendo la contaminación ambiental convirtiendo estos desechos en

residuos útiles para el “bio-abono”, con un contenido mineral útil para los suelos,

requiriendo un menor consumo de energía y aumentando de esta manera el nivel de

producción del biohidrógeno (Abd-Alla, Morsy, & El-Enany, 2011). Hay pocos estudios

para la extracción de biogás solo con uso de gallinaza, generalmente las investigaciones

relacionan la biomasa residual de la industria avícola con la mezcla de otros residuos de la

industria agrícola como los generados en la ganadería y las porcícola.

La obtención de biogás se genera a partir de diferentes tipos de materias orgánicas

mediante la fermentación y metabolismo anaerobio de la materia y forma de una manera

acelerada el ciclo natural de los compuestos (Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural

y Marino de España., 2012). La gallinaza obtenida de las explotaciones de aves de corral,

es el residuo que se dispone en las avícolas tanto en los galpones como en el suelo del

granero por medio del plumaje, residuos del alimento, huevos rotos y desechos de las aves

que se mezclan. Según los estudios abordados por las investigaciones para uso de gallinaza

en la producción de biogás se afirma que este tipo de residuo tiene un alto contenido de

humedad de niveles de nitrógeno que se dispone en el medio mediante olores,

volatilizándose y perdiendo calidad como fertilizante (Tobar M. & Egas V., ).

La gallinaza es una excelente alternativa como abono orgánico debido que es uno de los

fertilizantes orgánicos más completo y rico en proteínas y minerales, puede ser utilizada en

la alimentación de rumiantes y contribuye también al cuidado del medio ambiente debido a

que la producción de la misma constituye un medio no contaminante de poder deshacerse

de los estiércoles de las aves dentro de los mismos lugares de producción, lo cual es un

problema sanitario que hoy en día enfrenta la industria avícola.

La gallinaza obtenida de explotaciones en piso, se compone de una mezcla de

deyecciones y de un material absorbente que puede ser pasto seco, cascarillas, entre otros y

este material se conoce con el nombre de cama; esta mezcla permanece en el galpón

durante todo el ciclo productivo (Rodríguez, 2008). Los estudios manifiestan que una

posible solución a este problema es someter la gallinaza a secado, para facilitar un mejor

manejo. Para lo cual al ser deshidratada, se produce un metabolismo de fermentación

aeróbica que genera nitrógeno (N2) orgánico, volviéndola más estable (Tobar M. & Egas

V).

Según Rodríguez (2008), La disposición de la materia prima que dispone una mejor

biomasa residual dependen del cuidado de las aves, la edad, la deyección del alimento, la

mezcla del alimento desperdiciado, el plumaje, la temperatura ambiente y la ventilación del

galpón y permanencia en el mismo (Estrada, 2005).

Para la obtención de biogás la materia orgánica entra en proceso de digestión anaerobia

para la cual resulta un digestato valioso en nutrientes (N, P, K, Ca, etc.) por materia

orgánica. Este producto se usa principalmente para el uso agrícola y presenta una

considerable condición higiénica (Asociación de Investigación de la Industria

Agroalimentaria, 2008). Según el análisis de los investigadores los procesos de digestión

anaerobia reducen malos olores, mineralización y reducción de emisiones de gases de

efecto invernadero, como beneficio ambiental del proceso. Además del beneficio de poder

producir biogás que puede transformarse y aprovecharse para la obtención de energías

alternativas renovables y sustentables con uso de biorreactores en obra de la mitigación al

uso de energías con la explotación de combustibles fósiles.

El interés en la aplicación industrial de fermentación anaerobia para generar sustancias

químicamente útiles surgió en la década de los 70´s debido a la escasez del petróleo (L.

Jiunn-Jyi, F. Kuo-Shuh, C. James-I, C. Chia-Hung, 2003). El protocolo de Kyoto en 1997

dio lugar a un renovado interés en la producción de combustibles limpios a partir de

procesos de fermentación. De estos combustibles limpios el H2 es una alternativa, ya que

su principal ventaja es la generación de una combustión limpia. El hidrógeno puede ser

producido por procesos químicos entre los cuales el 40% del gas se obtiene por oxidación

catalítica de gases naturales, el 30% a partir de metales pesados y nafta, el 18% a partir del

carbón y el 4% del gas por la electrólisis del agua. Todos estos procesos que actualmente se

utilizan no son muy económicos. Tan solo el 1% de este gas es producto de la biomasa, en

este contexto la producción biológica del hidrógeno a partir materiales orgánicos y agua

por bacteria tienen un potencial considerable en la síntesis del hidrógeno de forma limpia y

además presenta un interés potencial al ser una fuente inagotable(L. Jiunn-Jyi, F. Kuo-

Shuh, C. James-I, C. Chia-Hung, 2003).

Entre los diversos procesos de producción de biohidrógeno se encuentra la fotólisis

directa, la fotólisis indirecta la fotofermentación y la fermentación oscura. En el proceso de

fermentación oscura pueden ser utilizados diferentes desechos orgánicos como sustratos

para la producción de biohidrógeno. Estos métodos son considerados como una evolución

viable para la producción de este gas impulsado por el metabolismo anaeróbico. En la

mineralización anaeróbica, la materia orgánica se convierte en metano (CH4) y CO2 a través

de una serie de metabolismos microbianos, mediante hidrólisis, fermentación, acetogénesis

y metanogénesis (Abd-Alla et al., 2011). La producción de bio-hidrógeno puede ser

realizada por microorganismos fotosintéticos utilizando materias primas ricas en hidratos

de carbono. Bajo condiciones anaeróbicas, el hidrógeno se produce como un subproducto

de la conversión de estos residuos en ácidos orgánicos que luego se utilizan para la

generación de CH4, sin embargo, esta fase acidogénica puede ser manipulada para mejorar

la producción de hidrógeno. Algunas bacterias foto-heterótrofos utilizan ácidos como el

acético el láctico y el butírico para producir H2 y CO2. El rendimiento del proceso es bajo,

por tal motivo la tecnología para este proceso necesita un mayor desarrollo aunque se

destaca su ventaja principal que es la producción de H2 a partir de desechos de

producción(Kapdan & Kargi, 2006a).

La producción de biohidrógeno a través de la fermentación oscura utilizando residuos

orgánicos como sustrato ha aumentado la atención en los últimos años debido a las ventajas

económicas y de producción de energía limpia a partir del tratamiento de los residuos

biológicos que pueden generar diferentes tipos de industrias. Los inóculos microbianos son

capaces de degradar los sustratos orgánicos con una generación simultánea de

biohidrógeno. Sin embargo, todavía hay un número de parámetros sobre todo con respecto

a las condiciones de fermentación que necesitan ser mejorados con el fin lograr una

aplicación industrial con tecnología verde económicamente viable(J.Z. Boboescu, M. Ilie,

V.G. Daniel, I. Mirel, B. Pap, A. Negrea, E Kondorosi, T. Bíró, G. Maróti., 2014).

Los monosacáridos son la principal fuente de carbono, la reacción de biotransfomación

que ocurre de la glucosa generando ácido acético, H2 y CO2, como se puede observar en la

siguiente ecuación:

C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2

En la reacción se puede observar que las moles teóricas del H2 producido están en una

relación de 4:1 respecto a las de la glucosa. Sin embargo, el rendimiento de la reacción

experimentalmente es menor a causa de que la glucosa la emplean los microorganismos

para su crecimiento(Kapdan & Kargi, 2006a). Se han reportado estudios los cuales indican

que el proceso de producción de H2, que se basa en el metabolismo anaerobio del piruvato

formado mediante el catabolismo de diferentes sustratos(I. Ntaikou, G. Antonopoulou, G.

Lyberatos, 2010). Los subproductos de la fermentación lo constituyen el ácido acético (4

mol de H2/1 mol de glucosa) y butírico (3.4 mol de H2/mol de glucosa). La producción del

biogás contiene H2, CO2, CO, H2S y en algunos casos CH4 (A. Bedoya, J.C. Castrillón,J. E.

Ramirez, J.E. Vasquez, M. Arias Zabala, 2007).

Según los anteriores autores para el desarrollo del método de producción de H2 por

fermentación oscura es preciso tener en cuenta:

Parámetros de tratamiento

Se han publicado diferentes estudios utilizando la biomasa y el agua como recursos

renovables que generan una producción limpia de H2 (Kapdan & Kargi, 2006b), y

mostrando esta alternativa de producción biológica como un proceso prometedor que puede

El inóculo

El sustrato:

pH:

Temperatura

Tiempo de retención

hidráulica y velocidad de

carga orgánica

contribuir en la producción de energía limpia a partir de la utilización de materiales de

desecho de la industria agrícola.

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