Fermentación de biogás con estiércol de pollo

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El estiércol de pollo es un tipo de fertilizante orgánico de buena calidad. Contiene aproximadamente un 1,63% de nitrógeno puro, un 1,54% de fósforo (P2O5) y un 0,085% de potasio (K2O). El estiércol de pollo debe ser sometido a un proceso adecuado de descomposición antes de ser utilizado. De esta manera, los parásitos y sus huevos que se encuentran en el estiércol, así como ciertas bacterias infecciosas, son inactivados durante dicho proceso de descomposición. Debido a las altas temperaturas que se generan durante el proceso de descomposición del estiércol de pollo, es fácil que se produzca una pérdida de nitrógeno. Por lo tanto, antes de que se complete el proceso de descomposición, es necesario añadir una cantidad adecuada de agua, además de 5% de superfosfato de calcio; de esta manera, la eficacia del fertilizante será mejor. Los métodos de compostaje consisten en sumergir los excrementos de pollo en un tanque especial para su fermentación, o bien cubrirlos con tierra para que también se fermenten. Después de que el estiércol de pollo se haya descompuesto completamente, se convierte en un fertilizante de alta calidad para el cultivo de plantas. También se utiliza como fertilizante de base durante el invierno, para ser empleado a lo largo de todo el año en el cultivo de árboles frutales. 　　Dadas las características fisiológicas del pollo, el alimento que ingiere no se digiere ni se absorbe por completo; aproximadamente del 40 % al 70 % de los nutrientes son eliminados del cuerpo. Por lo tanto, el estiércol de pollo contiene la mayor cantidad de nutrientes entre todos los estiércoles de aves y ganado. Sin embargo, si el estiércol de pollo se aplica directamente sobre los cultivos sin ser tratado ni fermentado, esto conlleva grandes riesgos y peligros: al aplicarse directamente en el suelo, fermenta bajo condiciones adecuadas y genera una gran cantidad de calor que destruye las raíces de los cultivos. Al mismo tiempo, el estiércol de pollo contiene una gran cantidad de gérmenes, lo que representa un riesgo de enfermedades para los cultivos. Por lo tanto, estiércol de pollo debe ser tratado de manera que se vuelva inocuo y completamente descompuesto antes de poder utilizarse en los cultivos. 　 　　El método tradicional consiste en almacenar el estiércol de pollo de forma sellada para que se produzca una fermentación anaeróbica; generalmente, se necesitan de 3 a 4 meses para que se descomponga. Actualmente, gracias a la biotecnología, se utiliza una fermentación aeróbica, lo que acelera el proceso de descomposición entre 10 y 20 veces en comparación con el método tradicional. De esta manera, las macromoléculas como las proteínas presentes en el estiércol se descomponen en moléculas más pequeñas, las cuales pueden ser absorbidas directamente por las plantas. El estiércol de pollo completamente descompuesto ya prácticamente no tiene olor desagradable. El componente principal del biogás es el metano. El biogás está compuesto por un 50 %–80 % de metano (CH4), un 20 %–40 % de dióxido de carbono (CO2), un 0 %–5 % de nitrógeno (N2), menos del 1 % de hidrógeno (H2), menos del 0,4 % de oxígeno (O2), y un 0,1 %–3 % de sulfuro de hidrógeno (H2S). Dado que el biogás contiene pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno, tiene un ligero olor desagradable. Sus características son similares a las del gas natural. Cuando el aire contiene entre el 8,6% y el 20,8% (en términos de volumen) de biogás, se forma un gas explosivo. 1 Microorganismos de fermentación del biogás (relaciones entre bacterias: promoción, inhibición, competencia, etc.) Los microorganismos de fermentación del biogás son un término genérico que incluye cinco grupos principales: bacterias fermentativas, bacterias productoras de hidrógeno y ácido acético, bacterias consumidoras de hidrógeno y productoras de ácido acético, bacterias consumidoras de hidrógeno y productoras de metano, y bacterias consumidoras de ácido acético y productoras de metano. Las cinco grandes categorías de bacterias forman una cadena alimentaria. Según los productos metabólicos fisiológicos de cada grupo de bacterias, o según el impacto de sus actividades en el valor de pH del líquido de fermentación, el proceso de fermentación del biogás puede dividirse en etapas de hidrólisis, producción de ácidos y producción de metano. La actividad de las tres primeras categorías de bacterias permite que los compuestos orgánicos formen diversos ácidos orgánicos; por lo tanto, se les denomina colectivamente bacterias no metanogénicas. La actividad de las dos últimas categorías de bacterias permite que diversos ácidos orgánicos se conviertan en metano; por lo tanto, se les denomina colectivamente bacterias metanogénicas. 　　(1) Bacterias que no producen metano: Las bacterias que no producen metano son capaces de convertir moléculas orgánicas complejas y de gran tamaño en sustancias simples de menor peso molecular. Existen muchas variedades de ellas. Según el sustrato en el que actúan, se pueden dividir en bacterias descomponedoras de fibras, bacterias descomponedoras de semifibras, bacterias descomponedoras de almidón, bacterias descomponedoras de proteínas, bacterias descomponedoras de grasas, además de algunas bacterias especiales, como las que producen hidrógeno o ácido acético. 　　(2) Metanógenos: Los metanógenos son los componentes principales de la fermentación del biogás; son quienes producen el metano. Son el núcleo de los microorganismos encargados de la fermentación del biogás. Son estrictamente anaerobios, muy sensibles al oxígeno y a los oxidantes. El rango de pH óptimo para ellos es el neutro o ligeramente alcalino. Se alimentan de dióxido de carbono e hidrógeno, y excretan metano como residuo. Son los microorganismos que requieren menos sustancias para crecer. 　　2. Principios de la fermentación del biogás (relación con el crecimiento y metabolismo de los microorganismos). La fermentación del biogás, también conocida como digestión anaeróbica, es el proceso por el cual diversos organismos orgánicos son descompuestos y transformados por diferentes microorganismos especializados en la fermentación del biogás, lo que finalmente da como resultado la producción de biogás. El proceso de fermentación del biogás, tal como es reconocido actualmente por todos, se muestra en la figura siguiente:
(Nota: ① I e II representan la teoría de las tres etapas; ② I, II, III y IV representan la teoría de los cuatro grupos.)
3. Teoría de las tres etapas
3.1 Etapa de licuefacción en el proceso de fermentación del biogás
Existen numerosos tipos de materiales orgánicos que pueden utilizarse como materia prima para la fermentación del biogás, como estiércol de aves y ganado, residuos de cultivos, desechos provenientes de la industria alimentaria y aguas residuales, además de residuos alcohólicos. Sus componentes químicos principales son polisacáridos, proteínas y lípidos. Entre ellos, los polisacáridos son los componentes principales de las materias primas para la fermentación; incluyen almidón, celulosa, hemicelulosa y pectina, entre otros. La mayoría de estos compuestos orgánicos complejos no son solubles en agua. Por lo tanto, primero deben ser hidrolizados por las enzimas extracelulares secretadas por las bacterias fermentativas, para convertirse en azúcares solubles, péptidos, aminoácidos y ácidos grasos. Solo así pueden ser absorbidos y utilizados por los microorganismos. Las bacterias fermentativas absorben las sustancias solubles mencionadas dentro de sus células. A través del proceso de fermentación, estas sustancias se convierten en ácidos grasos como el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico, además de alcoholes y cierta cantidad de hidrógeno y dióxido de carbono. En el proceso de medición de la fermentación de biogás, la cantidad total de ácido acético, ácido propiónico y ácido butírico presentes en el líquido de fermentación se denomina ácidos volátiles medios (TVA). Las sustancias proteicas son descompuestas por las bacterias fermentativas en aminoácidos, los cuales a su vez pueden ser utilizados por las bacterias para sintetizar materiales celulares. Cuando hay exceso de estos aminoácidos, pueden ser descompuestos aún más, generando ácidos grasos, amoníaco y sulfuro de hidrógeno, entre otros. La cantidad de proteínas presente afecta directamente el contenido de amoníaco y sulfuro de hidrógeno en el biogás. Por su parte, los ácidos orgánicos que se generan durante la descomposición de los aminoácidos pueden ser transformados posteriormente en metano, dióxido de carbono y agua. Bajo la acción de las lipasas bacterianas, los lípidos se hidrolizan primero en glicerol y ácidos grasos. El glicerol puede ser posteriormente descompuesto a través de los procesos metabólicos relacionados con los azúcares, mientras que los ácidos grasos son descompuestos por los microorganismos en varios compuestos de ácido acético. 　　3.2 Etapa de producción de ácidos en el proceso de fermentación del biogás  3.2.1 Bacterias productoras de hidrógeno y ácido acético  Las bacterias fermentativas descomponen los compuestos orgánicos complejos, produciendo ácidos orgánicos y alcoholes. Con excepción del ácido fórmico, el ácido acético y el metanol, estos compuestos no pueden ser utilizados por las bacterias metanogénicas. Por lo tanto, es necesario que las bacterias productoras de hidrógeno y ácido acético los descompongan en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. 　　3.2.2 Bacterias que consumen hidrógeno para producir ácido acético Las bacterias que consumen hidrógeno para producir ácido acético también se conocen como acetóbasilus. Se trata de un tipo de bacterias de nutrición mixta, capaces de vivir tanto de forma autótrofa como heterótrofa. Pueden utilizar Hz+c0z para producir ácido acético, y también pueden metabolizarlo para generar ácido acético. A través de la actividad de los microorganismos mencionados, se pueden generar ácidos orgánicos y compuestos como el Hz/c0z, entre otros. 　　3.3 Etapa de producción de metano en el proceso de fermentación de biogás 3.3.1 Grupos de bacterias metanógenas Las bacterias metanógenas se dividen en dos grupos principales: las bacterias metanógenas que consumen hidrógeno y las que consumen ácido acético. Durante el proceso de fermentación del biogás, la formación de metano es causada por un grupo de arqueas altamente especializadas desde el punto de vista fisiológico: las metanógenas. Estas incluyen a las metanógenas que consumen hidrógeno y a aquellas que consumen ácido acético. Ellas constituyen el último eslabón en la cadena alimenticia del proceso de digestión anaeróbica. A pesar de tener diversas formas, su posición en la cadena alimenticia les confiere características fisiológicas comunes. Bajo condiciones anaeróbicas, metabolizan los productos finales de los tres primeros grupos de bacterias; sin la presencia de un aceptor de hidrógeno exógeno, producen ácido acético y H2/CO2. Se convierte en gases, como -CH4/CO2, lo que permite que la descomposición de los compuestos orgánicos se realice sin problemas en condiciones anaeróbicas. Los procesos conocidos de producción de metano son realizados por estos dos grupos diferentes de bacterias metanogénicas. 　　① La reacción que produce metano a partir de CO2 y H2 es la siguiente: CO2 + 4H2 → CH4 + H2O.
② La reacción que produce metano a partir de ácido acético o compuestos del ácido acético es la siguiente: CH3COOH → CH4 + CO2; CH3COONH4 + H2O → CH4 + NH4HCO3.
3.3.2 Características fisiológicas de las bacterias metanogénicas
① Las bacterias metanogénicas necesitan un ambiente estrictamente anaeróbico para poder crecer. Estas bacterias se encuentran en grandes cantidades en los sedimentos del fondo marino y en los tractos digestivos de los animales, en entornos extremadamente anaeróbicos. 　　② Los metanógenos tienen una dieta sencilla: solo pueden metabolizar unos pocos sustratos de carbono para producir metano. 　　③ Las bacterias metanogénicas prosperan en condiciones de pH neutro. ④ Las bacterias metanogénicas crecen lentamente. La imagen siguiente muestra la cadena alimentaria y la distribución de energía durante la fermentación del biogás: 4. Teoría de los cuatro grupos. Algunos dividen el proceso de fermentación según los procesos de transformación bioquímica (como se muestra en la imagen inferior): ① Hidrólisis: Bacterias como las del género Clostridium y Bacteroides descomponen moléculas orgánicas grandes, como carbohidratos y proteínas, en compuestos orgánicos más pequeños, como glucosa y aminoácidos ； 　　②Fermentación: Los géneros Clostridium, Bacteroides y otras bacterias (como las lactobacilos y los bacteroides) proceden a descomponer los productos hidrolizados en alcohol de pequeñas moléculas, ácidos orgánicos, dióxido de carbono, hidrógeno, amoníaco, entre otros ； 　　③Procesos de producción de ácido acético e hidrógeno: Se degradan los alcoholes de pequeñas moléculas y algunos ácidos grasos que se generan durante la fermentación, convirtiéndolos en ácido acético, ácido fórmico, dióxido de carbono e hidrógeno. Se sabe muy poco sobre este tipo de bacterias; incluso su especie y género aún no han sido determinados con certeza. Pero está claro que el hidrógeno producido por estas bacterias tiene un efecto inhibidor en su propio crecimiento y reproducción. Por lo tanto, las bacterias que producen ácido acético e hidrógeno deben coexistir con bacterias capaces de utilizar el hidrógeno, como las bacterias metanogénicas y el acetobacter wui ； 　　④Metanogénesis: Los bacterias metanógenas convierten el hidrógeno, el dióxido de carbono, así como el ácido fórmico, el ácido acético, el metanol y los aldehídos producidos en las 3 etapas anteriores, en metano. Las bacterias metanogénicas presentan una gran diversidad en cuanto a su morfología, pero sus características fisiológicas son más o menos similares. En condiciones de falta de oxígeno, todas ellas utilizan el metano como principal producto metabólico. 　　Relaciones ecológicas entre los microorganismos implicados en la fermentación del biogás. Durante el proceso de fermentación del biogás, las bacterias que no producen metano y las bacterias que sí lo producen dependen unas de otras; se crean condiciones favorables para que ambas puedan llevar a cabo sus actividades vitales. Pero al mismo tiempo, se limitan mutuamente, manteniéndose así en un estado de equilibrio durante todo el proceso de fermentación. La relación principal entre ellas se manifiesta en los siguientes aspectos:
① Las bacterias que no producen metano proporcionan a las bacterias productoras de metano el sustrato necesario para su crecimiento y producción de metano.
② Las bacterias que no producen metano crean condiciones adecuadas en términos de potencial redox para que las bacterias productoras de metano puedan funcionar correctamente.
③ Las bacterias que no producen metano eliminan las sustancias dañinas del entorno.
④ Las bacterias productoras de metano, a su vez, eliminan la inhibición retroalimentaria en las reacciones bioquímicas de las bacterias que no producen metano.
⑤ Tanto las bacterias que no producen metano como las que sí lo hacen colaboran para mantener un pH adecuado en el ambiente.

5. Procesos de fermentación
Dependiendo de los ingredientes utilizados en la fermentación y de las condiciones en las que se lleva a cabo, existen diversos procesos de fermentación posibles. 　　5.1 Proceso básico de fermentación de biogás
Un proyecto completo de fermentación de biogás, independientemente de su escala, incluye los siguientes pasos: recolección de los materiales de entrada (agua residual), pretratamiento, uso de digestores para la producción de biogás, posttratamiento del producto obtenido y purificación y almacenamiento del biogás. Todo esto se muestra en la figura a continuación.

5.2 Condiciones básicas para la fermentación de biogás (condiciones de cultivo microbiano y preparación del medio de cultivo)
(1) Temperatura adecuada para la fermentación
Las condiciones de temperatura en los digestores pueden ser: ① Fermentación a temperatura ambiente (también llamada fermentación a baja temperatura), entre 10°C y 30°C. En estas condiciones, la tasa de producción de biogás puede ser de 0,15 a 0,3 m³/m³•d. ② Fermentación a temperatura media: de 30°C a 45°C. Bajo estas condiciones de temperatura, la tasa de producción de gas por metro cúbico de volumen del tanque puede llegar a unos 1 m³/m³·d. ③Fermentación a altas temperaturas, entre 45°C y 60°C. Bajo estas condiciones de temperatura, la tasa de producción de gas por metro cúbico del tanque puede llegar a ser de 2 a 2,5 m3/m3•d. La temperatura más económica para la fermentación de biogás es de 35 °C, es decir, una fermentación a temperatura media. 　　(2) Concentración adecuada del líquido de fermentación: El rango de concentración del líquido de fermentación es de 2 a 30%. Cuanto mayor es la concentración, más gas se produce. Cuando la concentración del líquido de fermentación es superior al 20%, se denomina fermentación en seco. La concentración del líquido de fermentación en los tanques de biogás para uso doméstico en zonas rurales puede ajustarse en función de la cantidad de materia prima disponible, de las necesidades de consumo de gas y de las variaciones estacionales. En verano, la concentración de ingredientes nutritivos es de 5 a 6% ； En invierno, se complementa la temperatura con un 10~12% de material. 　　(3) Proporción adecuada de carbono y nitrógeno en los materiales de fermentación (C:N). Los microorganismos responsables de la fermentación del biogás necesitan cantidades significativas de carbono; después viene el nitrógeno. La relación entre las cantidades de carbono y nitrógeno que necesitan estos microorganismos se denomina relación carbono-nitrógeno, y se expresa con la notación C:N. Actualmente, se suele utilizar una proporción de C:N de 25:1. Pero no es algo demasiado estricto; ratios de 20:1, 25:1 y 30:1 también permiten una fermentación normal. 　　(4) pH adecuado: El pH adecuado para la fermentación de biogás es de 6,5 a 7,5. El valor del pH afecta la actividad de las enzimas, por lo que influye en la velocidad de fermentación. 　　(5) Cantidad suficiente de cepas microbianas: La cantidad de cepas microbianas utilizadas en la fermentación del biogás, así como su calidad, influyen directamente en la cantidad y calidad del biogás producido. En general, se requiere que sea del 10 al 30% del volumen total del líquido de fermentación, para garantizar un inicio normal y una producción adecuada de gas. 　　(6) Potencial redox más bajo (ambiente anaeróbico): Las bacterias metanogénicas necesitan que el potencial redox sea superior a -330 mV para poder crecer. Esta condición es: un entorno anaeróbico estricto. Por lo tanto, los tanques de biogás deben estar sellados.