Fernando R. Feuchetr A.
RESUMEN
Esta es una alternativa rápida y efectiva de biorremediación ambiental para transformar excrementos en la producción de gas metano (CH4) empleado como biohidrocarburo, el cual ha sido generado por medio de reactores múltiples o lagunas anaeróbicas de tratamiento, cubiertas por geomembrana de polietileno 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.
Debe ser en sistema encadenado para cada día. Un modelo de ejemplo lo harían los grandes maestros de la industria cervecera. Se forma un medio de cultivo anaeróbico en fase líquida por los microorganismos metanogénicos que van a utilizar como nutrientes las excretas o estiércol que no han sido digeridos, aunado al desperdicio de los comederos con alimento balanceado porcino al caer por la rendija de los pisos, el cual es acarreado durante el lavado hacia canaletas de drenaje de salida, en granjas confinadas, con el objeto de ser extraídas en la limpieza de las instalaciones. Al final de la fermentación de los compuestos químicos habrán reducido 90% la demanda bioquímica de oxígeno (BOD). No es un proyecto del pasado, es para el futuro de la humanidad.
Esquema de bioeconomía circular. Gráfica comparativa de la intensidad de carbón de gasolina contra el etanol. Reutilización de los desechos de la granja y diferentes métodos para generar energía y proteína unicelular. Mejora la calidad del aire y el agua con el reciclaje.
INTRODUCCIÓN
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 miles de 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. La metanogénesis es el metabolismo o respiración anaeróbica de metanobacterias bajo condiciones mesofílicas con temperaturas superiores a los 20°C que en 20 minutos doblan su población a los 45°C.
Se reduce la taza de producir amoniaco a los 16°C o menores. Su desarrollo y crecimiento se ve limitado en presencia de O2, NO3, Fe2, SO4, e inhibido al incrementarse los ácidos grasos volátiles por arriba de 10 g/L Wang 2019. Para la metanogénesis le favorece un medio de cultivo concentrado con H2, CO2, formatos, acetatos CH3. Su extracción y compresión lo hacen un combustible y reactivo químico de alta demanda industrial, urbana y comercial. Buzinaro (2013) resalta que una tonelada de gas metano es equivalente a la eliminación de 21 toneladas de grafito. Su equilibrio en la naturaleza es minimizado con la participación de microorganismos 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 50 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. Se genera un círculo decadente de contaminación que no se puede parar. 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, el óxido nitroso N2O dura más de 100 años y es el tercer gas causante de un efecto de invernadero GEI, como de la eutrofización de los mares. Otros gases de vida larga son sulfato de hexafluoruro (SF6), varios clorofluorocarbonos y ozono (O3) situado a grandes alturas en las capas de la atmósfera. El metano no es el único gas que ocasiona calor por la refracción solar provocando un efecto de invernadero global. Por mencionar su valor en calentamiento de la atmósfera CO2:1, CH4: 30, NO2:270, clorofluorocarbonos CFC: 5000.
La disminución frontal directa sobre los emisores de CH4 como iluminación, transporte, acondicionar el ambiente de edificios (frío-calor), energía industrial, etc., es la clave para minimizar el impacto ambiental que causan los humanos en el mundo. La Organización de las Naciones Unidas con la presencia de 197 países reconocieron por conferencia de las partes (COP) el 21 de marzo 1994, problemas antropocéntricos del calentamiento mundial. Anteriormente en los 60´s los estudios señalaban el incremento de smog en el aire, luego en los 70´s se resalta el impacto negativo de la lluvia ácida, principalmente en ciudades con desarrollo industrial. El protocolo de Kioto se adoptó en 1997 y se forzó su aplicación mundial en 2005.
La Conferencia sobre cambio climático 2021, o COP26 reunió 110 países de la ONU en Glasgow del Reino Unido, con el compromiso de reducir las emisiones antropocéntricas en 30% para el año 2030. La FAO cuantifica información mundial expresada en gigatoneladas de bióxido de carbono equivalentes CO2eq. Si es un mundo de contaminantes atmosféricos de gases incoloros, no los vemos, pero sí sentimos su efecto. Hay buenas gestiones e intenciones mundiales. En realidad, es poco lo que se ha avanzado con el desafío ambiental para alcanzar un efecto cuantificable de miles de toneladas, no es una misión imposible, se puede hacer y lograr. Hay una meta social para evitar un impacto negativo al medio ambiente, es contribución de todos, no les corresponde solo a las potencias económicas y no es política.
Es compromiso individual. 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 hace los suyo, 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.
El factor de emisión porcino es de 6 kg de CH4 por cabeza por año, por ello se deben ejecutar proyectos que aporten remedios a la contaminación, de procesos sumatorios a largo plazo y que continúen siendo una fuente alimenticia para la humanidad. 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.
Sí, se debe invertir en investigación, capacitación y desarrollo para encontrar soluciones tecnológicas. Avanzar en la certificación de instalaciones y personal de manejo de los reactores anaerobios para producir biogás. Se manejan toneladas de desperdicio y su reciclaje participa protegiendo el aire, agua y suelo. Contribuyen con mucho menor impacto controlando los Gases con Efecto de Invernadero (GEI). Se gana un valor ambiental mundial como económico de forma individual.
Hay opiniones controversiales definiendo las energías naturales, sostenibles, renovables, limpias que liberan menos emisiones de gases que causan un efecto de invernadero. El uso de energía fósil al tiempo provoca cambio climático, incluyendo el gas extraído del subsuelo. Las alternativas del futuro son fuentes propias como la solar o fotovoltaica, térmica de luz solar, eólica, geotérmica, hidráulica, oceánica (mareomotriz, undimotriz (olas)), biomasa con pirólisis, bioetanol con maíz o yuca, biodiesel con maíz o soya, biogás producido en reactores con el cultivo de biológicos, uso eficiente de carbón-grafito, gas natural.
Múltiples tecnologías nuevas como sintetizar metano o metanol a partir del bióxido de carbono expedido en la combustión de calderas eléctricas usando como energía la luz solar, también el uso de hidrógeno reformado del metano producido en los reactores porcinos, muchas todavía experimentales, se están creando para hacer uso de energía limpia y así los países puedan cumplir la meta de no tener emisiones negativas.
Para algunos países la fisión o energía nuclear se clasifica como energía verde, 5 gramos de uranio nuclear U producen energía como 1000 kilos de carbón mineral o grafito. La nueva generación de reactores nucleares es de menor tamaño y alta eficiencia, campo para la inversión privada-estado. El proceso en el sitio del generador, puede ser energía limpia si considera la extracción de los minerales en otros países, donde se registra el daño ecológico el GEI y allá queda la contaminación, lejos del reactor nuclear. Los residuos radioactivos ahora son reciclables. En EUA hay 54 plantas nucleares, 94 reactores compactos del sector privado. Francia 56, China 54, etc., Brasil, Argentina; y México en Laguna Verde, Veracruz.
En el estado de Sonora, por los 80´s se estableció una oficina de Uramex. Se hicieron miles de perforaciones muy profundas, dejando cacarizo el Estado y sin reportes públicos. A mi entender, ni agua encontraron. Pero los hallazgos potenciales no se dieron a conocer. El litio, hoy en boga de extracción y transformación, es un mineral propio para baterías, menos adecuado para generación de energía. Se recicla bien y ahí radica su benevolencia. Con tantas alternativas tecnológicas, cabe la pregunta si hay necesidad y conveniencia económica y ambiental de producir y capturar gas metano por medio de excretas de granja en un medio controlado 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 de CH4 como biocombustible.
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. Si se usan embalses de almacenamiento en lagunas aeróbicas, sin cubierta o con aireadores artificiales (oxigenadores) para reducir los olores, mucho del gas formado entrará libre a la atmósfera contribuyendo al aporte de gases con efecto de invernadero. 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, ya que con frecuencia se reportan prolapsos rectales en lotes de engorda de bovinos. Si en la laguna de oxidación, la superficie del espejo de agua forma espuma es indicativo de ser un estanque biológicamente activo con menos ácidos grasos volátiles fétidos, pero con mayor generación de gas metano. La costra formada se puede encender, si no hay prácticas de manejo adecuadas.
La gran aportación de instalar reactores anaeróbicos en establos, corrales, granjas, rastros, agroindustrias u otros y con 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. ¿Vale la pena su instalación y aprovechamiento masivo? Se requiere la aplicación combinada de nuevas tecnologías como biorreactores anaeróbicos continuos de alta velocidad o reactores anaeróbicos discontinuos, para el tratamiento de efluentes porcinos generando biogás controlado para producir calor y generar electricidad.
Se debe valorar la biomasa residual participando en la economía verde, no es solo un desperdicio que causa costos, multas, espacio inútil de superficie. Hay reportes alentadores de investigación microbiológica que, introduciendo la aplicación adicional de inóculos como bacterias, enzimas, otros sustratos como los residuos de los empaques de frutas y hortalizas, hacen el sistema de conversión de materia orgánica a gas energético, más eficiente, se reduce la contribución en la huella de carbono. De ser posible hacer ajustes en la relación Carbono/ Nitrógeno C/N y agregar más agua reciclada al medio de cultivo.
Las desventajas aparte de los costos de construcción e instalación, son el mantenimiento periódico ya que muchas lagunas anaeróbicas se descuidan y abandonan a los 5 años, con posibles explosiones para fugas no vigiladas. 1 MW de energía producida requiere de 300 Ha de cultivo para alimentar animales de granja, la fibra bruta limita la acción metabólica bacteriana y microbiana para producir gas metano. La bolsa almacena el biometano, pero también debe tener capacidad para otros gases CO2, H2S, H2O, N, O2, NH3, siloxan, éstos tienen bajo valor calorífico y gran poder corrosivo para el generador.
IMPLICACIONES SOCIALES DE LOS BIOREACTORES Y SU PROBLEMÁTICA
La producción de alimentos es esencial para la vida y el desarrollo de las actividades sociales y laborales. Los Objetivos del Desarrollo Sostenible (ODS 2) es tener hambre cero a nivel mundial. La humanidad sedentaria y en la actualidad muy urbana, compite con la vida silvestre y doméstica en el uso de recursos naturales; utilizando espacio, agua, energía e insumos, alterando los ciclos biológicos establecidos. Para el futuro se predice un mundo urbano integrado a las granjas de ambiente controlado. No habrá distancia de separación entre uno y el otro sistema de vivienda y de producción.
Ambos fusionados. 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. El crecimiento en la demanda al consumo de proteína animal debe ir acompañada de medidas tecnológicas que reduzcan fuertemente el impacto ambiental para la producción de alimentos. Para producir un kilo de proteína con carne de res se han emitido 295 kg de CO2 equivalente, para carne de búfalo de agua 404, carne de ovino 201, cabrito 148, leche de búfalo 140. Para 1 kilo de proteína de leche de establo 87, con cerdo 55, pollo 35, para el huevo 31 kg de CO2 eq.
En México la necesidad de neutralizar las emisiones y contaminantes ambientales 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 regurgitado, 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 malos olores amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y monóxido de carbono (CO). Su acumulación de materia orgánica reacciona produciendo compuestos orgánicos volátiles como fenólicos y ácidos grasos volátiles; así como los gases con efecto de invernadero: bióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4), óxido nitroso (N2O), nitritos (NO2), nitratos (NO3), (NO4) y otros olores. El amonio (NH3) es un gas sin color y se libera con la descomposición de la materia orgánica.
Es parte del ciclo del nitrógeno y las granjas como prácticas agrícolas contribuyen a las emisiones de nitrógeno a la atmósfera. Para minimizar estas reacciones químicas se debe implementar un manejo técnico planificado de las excretas. Cada unidad de producción porcina desea alcanzar progresivamente la neutralidad de las emisiones de gases con efecto de invernadero. No desean recibir el mote de marranos o puercos sucios. Para ello los porcicultores implementan mejores prácticas sostenibles de manejo zootécnico con los animales y tecnologías de innovación en la infraestructura, integrando nutrición, alimentos, insumos, bienestar animal, manejo ambiental, instalaciones, reciclaje y economías varias logran, reducir malos olores y hacen un aprovechamiento circular de los desechos y excretas.
Todo lo del cerdo se aprovecha eficientemente. Todo en miras de una sola salud. La industria porcícola participa capturando bajo control estos desechos sólidos y gases para reducir sus emisiones libres, busca secuestrar carbono abonando el subsuelo, reciclar las aguas de 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 de 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. Hay que elegir una opción. Flujo del proceso de excretas hasta obtener electricidad.
Reacciones químicas metanogénicas en el biorreactor. Liberación de NH3 de un biodigestor abierto. Proceso combinado de composta orgánica y producción de CH4. Tratamiento para separar fertilizante nitrogenado y agua limpia. Procesado de subproductos separados por membrana. Fertilizante granular comprimido o pellet
Artículo publicado en “Los Porcicultores y su Entorno Septiembre Octubre 2024“
