Potencial teórico de metano: fórmula de Buswell y Boyle con ejemplos de cálculo

El potencial teórico de metano es la cantidad máxima de CH₄ que puede obtenerse de una materia orgánica dada, en caso de que esta sufra una conversión completa a metano y dióxido de carbono. Se calcula mediante la fórmula de Buswell y, al considerar el nitrógeno y el azufre, mediante la fórmula de Boyle. El resultado es un límite superior, no una previsión: el BMP real es inferior, ya que parte del sustrato (por ejemplo, la lignina) no se degrada en condiciones anaerobias, y una fracción del carbono se consume para la formación de biomasa microbiana.

Fórmula

Para una materia con fórmula empírica CcHhOoNnSs, la degradación sigue la ecuación:

CcHhOoNnSs + (c − h/4 − o/2 + 3n/4 + s/2) H₂O → (c/2 + h/8 − o/4 − 3n/8 − s/4) CH₄ + (c/2 − h/8 + o/4 + 3n/8 + s/4) CO₂ + n NH₃ + s H₂S

El volumen molar de un gas ideal en condiciones normales (0 °C, 101,325 kPa) es de 22,414 l/mol. El rendimiento en NmL CH₄/g se calcula como: (número de moles de CH₄ × 22 414) / masa molar del sustrato [g/mol]. La proporción de CH₄ en el biogás teórico es CH₄ / (CH₄ + CO₂).

Ejemplo 1: glucosa (C₆H₁₂O₆, 180,16 g/mol)

CH₄: 6/2 + 12/8 − 6/4 = 3 + 1,5 − 1,5 = 3 mol; CO₂: 3 mol. Proporción de CH₄ = 50%. Rendimiento = 3 × 22 414 / 180,16 ≈ 373 NmL CH₄/g.

Ejemplo 2: proteína modelo (C₅H₇NO₂, 113,12 g/mol)

CH₄: 2,5 + 0,875 − 0,5 − 0,375 = 2,5 mol; CO₂: 2,5 mol; rendimiento = 2,5 × 22 414 / 113,12 ≈ 495 NmL CH₄/g, proporción de CH₄ 50%. El nitrógeno se transforma en amoníaco (1 mol NH₃ por mol), que no aparece en el gas, pero eleva el pH y el contenido de nitrógeno amoniacal en el digestor.

Ejemplo 3: grasa (trioleína C₅₇H₁₀₄O₆, 885,4 g/mol)

CH₄: 28,5 + 13 − 1,5 = 40 mol; CO₂: 28,5 − 13 + 1,5 = 17 mol; proporción de CH₄ ≈ 70%. Rendimiento = 40 × 22 414 / 885,4 ≈ 1 013 NmL CH₄/g.

Ejemplo 4: biomasa con composición elemental conocida

Supuestos (ilustrativos, por 100 g SV): C 48 g, H 6,5 g, O 40 g, N 2 g; el resto se omite. Moles: C 4,00; H 6,5; O 2,5; N 0,143. CH₄ = 4/2 + 6,5/8 − 2,5/4 − 3 × 0,143/8 = 2,000 + 0,8125 − 0,625 − 0,054 ≈ 2,13 mol; rendimiento ≈ 2,13 × 22 414 / 100 ≈ 478 NmL CH₄/g SV. Proporción de CH₄ en el gas: 2,13 / 4,00 ≈ 53%. Si los análisis arrojan una composición distinta, el resultado variará en consecuencia, por lo que es fundamental realizar un análisis elemental riguroso.

Alternativa: DQO

Si se conoce la demanda química de oxígeno (DQO) en g O₂/g SV, puede utilizarse la relación: 1 g DQO ≈ 350 NmL CH₄ (aprox. 0,35 l CH₄ por g DQO en condiciones normales). El método es sencillo, pero asume la conversión completa de la DQO en metano, por lo que proporciona un valor límite.

Interpretación: degradabilidad

Índice de degradabilidad = BMP medido / BMP teórico. Para sustratos fácilmente degradables (azúcares, grasas), suele ser alto; para los lignocelulósicos, es notablemente inferior, y es un indicador clave para evaluar si el pretratamiento tiene sentido. Una relación baja puede deberse a:

• lignina y otras fracciones resistentes,
• inhibición en la prueba (dosis excesiva de sustrato, acidificación),
• consumo de parte del carbono para biomasa,
• pérdidas de gas o errores de medición.

Limitaciones del método

Lista de verificación para su uso

1. Obtenga la composición de C, H, O, N, S (analizador elemental) y SV de la misma muestra.
2. Convierta a moles, aplique la fórmula e indique los supuestos (condiciones normales, volumen molar).
3. Compare con el BMP; registre la relación.
4. Si el valor de BMP supera el teórico, busque errores.
5. Recuerde que la fórmula no sustituye a la prueba: sirve para verificar la coherencia y realizar estimaciones preliminares.

Una buena práctica en los informes de investigación es presentar ambos valores juntos, lo que permite al lector evaluar qué parte del potencial se ha materializado.

Aplicación en la planificación de mezclas

Para una mezcla de sustratos, puede calcularse el potencial teórico como media ponderada por los SV de cada componente, siempre que se conozca su composición elemental. Este cálculo es útil para evaluar si el rendimiento declarado de una instalación supera los límites físicos. Si el balance de producción de metano de toda la planta de biogás, referido a los SV dosificados, se aproxima al valor teórico, existe un error en los datos (por ejemplo, en el pesaje de sustratos o en la medición del gas). En la práctica, los rendimientos técnicos se sitúan claramente por debajo del límite teórico.