Medición del gas en el ensayo BMP: métodos manométricos, volumétricos y GC

En el ensayo BMP, la producción de biogás se mide con tres técnicas principales: manométricamente (aumento de presión en una botella cerrada), volumétricamente (volumen de líquido desplazado o contador de gas) y en sistemas con contadores de gas automáticos; la composición del gas se determina con un cromatógrafo de gases (GC) o con sensores. Todos los métodos requieren la conversión a condiciones normales (0 °C, 101,325 kPa, gas seco) y un resultado sin esa corrección no es fiable.

Método manométrico

La botella, de volumen útil conocido, se cierra y el aumento de presión se mide con un manómetro o un sensor. Periódicamente se libera el exceso de gas (a una presión que no supere el valor derivado de la resistencia de las botellas y de la solubilidad del CO₂). El volumen de gas se calcula con la ley de los gases ideales: n = pV/(RT), y después se convierte a condiciones normales. Ventaja: barato y sencillo. Inconvenientes: el efecto de la solubilidad del CO₂ crece con la presión; a presión alta, parte del CO₂ permanece en el líquido, lo que reduce el volumen de gas, pero esto no afecta al metano, que se disuelve poco.

Método volumétrico

El gas de la botella fluye hacia un cilindro de medición con líquido de barrera (p. ej., agua acidificada con solubilidad limitada del CO₂) o hacia un contador de gas. El desplazamiento del líquido indica el volumen. Ventaja: lectura directa en mililitros. Inconvenientes: influencia de la solubilidad del CO₂ en el líquido de barrera, lecturas dependientes de la presión barométrica, trabajo intensivo.

Contadores de gas automáticos

Los sistemas con celdas contadoras de burbujas (tipping cell) o con sensores de flujo registran el gas en tiempo real, a menudo tras pasarlo por una disolución de hidróxido que fija el CO₂ (en ese caso se mide directamente el CH₄). Estos métodos ofrecen una buena resolución temporal y permiten construir la curva cinética, pero requieren calibración y control de estanqueidad, y la disolución alcalina debe renovarse.

Análisis de la composición del gas

Las muestras de gas se toman con una jeringa estanca con septum. Cada serie debe ir precedida de patrones de calibración.

Conversión a condiciones normales

V₀ = V × (p − p_H₂O) / 101,325 × 273,15 / T, donde V es el volumen medido, p la presión (kPa), p_H₂O la presión de vapor del agua a la temperatura de medición y T la temperatura (K).

Ejemplo: se leyeron 120 mL de gas saturado de vapor a 38 °C y p = 101,3 kPa. La presión de vapor del agua a 38 °C ≈ 6,6 kPa. V₀ = 120 × (101,3 − 6,6)/101,325 × 273,15/311,15 ≈ 120 × 0,9347 × 0,8779 ≈ 98,5 mL. Omitir la corrección por vapor de agua y por temperatura daría un resultado sobreestimado en aprox. 20 %.

Métodos de cálculo estandarizados

La colección abierta “Standard BMP Methods” (DBFZ), mantenida por el grupo de autores de las directrices BMP, contiene descripciones de cálculo independientes para los métodos volumétrico, manométrico, gravimétrico y basado en la densidad del gas. Tienen en cuenta la composición del gas en el espacio de cabeza, los cambios de volumen al liberar gas y la cantidad de gas retirada de la botella. El enfoque basado en el balance de gas es más preciso que la simple multiplicación del volumen por la fracción de CH₄ de una única medición de GC, especialmente cuando la composición cambia con el tiempo. El estudio de Hafner et al. (2020) muestra, por su parte, la gran importancia que tienen para la repetibilidad de los resultados un procesamiento y una introducción de datos correctos.

Errores más frecuentes

1. Cierres con fugas (septum, tapones): el gas escapa y el resultado queda subestimado.
2. Omisión del vapor de agua: resultado sobreestimado.
3. Falta de corrección por el blanco (producción del inóculo solo).
4. Temperatura de referencia incorrecta (p. ej., la ambiente en lugar de la de incubación).
5. Condiciones normales distintas (0 °C frente a 20 °C frente a 15 °C) en la comparación de resultados: compruébelo siempre en el informe.
6. Medición en la botella durante la agitación.

Lista de comprobación del laboratorio

• prueba de estanqueidad de las botellas antes de empezar,
• calibración de los manómetros/contadores de gas y del GC,
• registro de la presión atmosférica y de la temperatura en cada lectura,
• documentación de la frecuencia de liberación del gas,
• indicación explícita de las fórmulas en el informe.

La medición del gas es sencilla en su concepto, pero son precisamente las conversiones y la estanqueidad las responsables de gran parte de la dispersión de resultados entre laboratorios.

Ejemplo de cálculo del metano a partir del GC

Supongamos que de la botella se liberó un gas con un volumen de 60 mL en condiciones normales (tras la corrección) y el análisis por GC mostró un 62 % de CH₄ en el gas seco. El metano es 60 × 0,62 = 37,2 mL. Si la botella contenía 1,00 g de VS de sustrato y el blanco (para la misma cantidad de inóculo) dio 8,0 mL de CH₄, el resultado neto es de 29,2 NmL CH₄/g VS para esa lectura, y el resultado acumulado se obtiene sumando las lecturas sucesivas. En los métodos estandarizados se tiene en cuenta también el metano que permanece en el espacio de cabeza y su variación entre mediciones.

Consejos prácticos

No mida el gas inmediatamente después de sacar las botellas de la incubadora: el enfriamiento modifica la presión. Utilice siempre el mismo orden de mediciones y anote la hora. Con lecturas elevadas, libere el gas con más frecuencia para evitar una presión alta y una mayor solubilidad del CO₂.

Elección del método según el objetivo

Para los ensayos rutinarios de sustratos basta un método manométrico bien ejecutado, con liberación periódica de gas y análisis por GC. Para los estudios cinéticos, en los que la resolución temporal es importante, son mejores los sistemas automáticos. Para los trabajos de investigación con gases traza (H₂S, H₂) es imprescindible un GC con los detectores adecuados. Con independencia de la elección, el laboratorio debe demostrar la repetibilidad en el control de celulosa y documentar las calibraciones.