Nanomateriales: exprimiendo la digestión anaerobia para la obtención de energía renovable

La digestión anaeróbica es un proceso bien conocido y establecido a nivel industrial, pero aún tiene posibilidades de mejora y optimización. Actualmente, diversos grupos de investigación alrededor del mundo dedican sus esfuerzos a mejorar el proceso. Las investigaciones van encaminadas, generalmente, a incidir sobre el proceso biológico para maximizar la producción de metano como fuente de energía renovable. Por otro lado, se ha realizado un enorme esfuerzo en la purificación del biogás para obtener biometano. El Grupo de Investigación en Compostaje (GICOM) de la Universidad Autónoma de Barcelona está explorando el uso de aditivos no convencionales para mejorar globalmente el proceso de digestión anaerobia de distintos residuos, especialmente fracción orgánica de recogida selectiva de residuos urbanos y lodos de depuradora. En esta investigación,  como puntos a mejorar, se apunta al propio proceso biológico y la conversión del dióxido de carbono presente en el biogás en otros compuestos de valor añadido, como por ejemplo el metanol.

Con este enfoque, el proyecto "Nanomateriales para mejorar la digestión anaeróbica: aumentar el contenido de metano y convertir el dióxido de carbono en metanol - SQUEEZER", financiado en la Convocatoria 2021 de Proyectos de Transición Ecológica y Transición Digital por el Ministerio de Ciencia e Innovación, reúne dos mundos aparentemente desconectados: el tratamiento de residuos a través de procesos biológicos y la nanotecnología. El objetivo del proyecto SQUEEZER es mejorar el proceso de digestión anaeróbica desde una perspectiva global, usando nanomateriales para aumentar el contenido de metano del biogás y convirtiendo parte del dióxido de carbono presente en el biogás en metanol a través de la catálisis con nanomateriales.

El efecto de las nanopartículas metálicas en la digestión anaeróbica ha sido estudiado durante varios años por diferentes grupos de investigación. Específicamente, nuestro grupo de investigación informó en 2014 de una mejora en el proceso de digestión anaeróbica de residuos orgánicos mediante la adición de nanopartículas de óxido de hierro. Desde entonces, se han utilizado varios tipos de nanomateriales para mejorar el proceso de digestión anaeróbica. Por ejemplo, con nanopartículas de hierro cero valente con fangos de EDAR, hemos obtenido incrementos sostenidos del 16% en el contenido de metano en el biogás en operación en continua a escala de laboratorio (1). Al mismo tiempo, los nanomateriales demuestran ser un factor que permite recuperar digestores anaerobios en situaciones de inhibición por exceso de carga orgánica (2). Además, estamos investigando también el uso del biochar de biomasa forestal como aditivo, obteniéndose resultados prometedores, tal como indica la literatura al respecto. Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer, por ejemplo, optimizar para un proceso en continuo o semicontinuo la dosis e implementación de la adición de nanopartículas o de biochar, definir cómo separar/recuperar las nanopartículas, determinar la acción de las nanopartículas o del biochar sobre diferentes sustratos de gran volumen de producción o determinar las características del digestato obtenido finalmente. Obviamente, el punto final es demostrar que el proceso es sostenible, tanto ambiental como económicamente.

A la izquierda: imagen de microscopía electrónica de las nanopartículos de Hierro cero valente. A la derecha, imagen de microscopía electrónica del biochar

Aumentar el contenido de metano en el biogás mediante la mejora del proceso biológico facilita la posible posterior purificación a biometano para poder ser introducido en redes de gas natural de origen fósil, pero aún es posible reducir más el contenido en dióxido de carbono mediante su conversión a metanol. Si bien la conversión del dióxido de carbono a metanol es ya conocida, generalmente se lleva a cabo bajo condiciones de alta temperatura y presión. El objetivo del proyecto SQUEEZER es lograr esta conversión a temperaturas y presiones más bajas utilizando nanomateriales (3). Se han obtenido buenos resultados utilizando nanopartículas de Cu/ZnO/CeO2 soportadas en redes organo-metálicas (Metal Organic Frameworks - MOF) con productividades de 23.3 mg de Metanol por g de catalizador y hora, con una selectividad próxima al 80% a una temperatura de 260°C y una presión 10 bar (4).

Estructura de una MOF

De este modo el proyecto SQUEEZER pretende contribuir al camino que está emprendiendo Europa hacia una producción de energía más sostenible y localmente disponible, camino que inevitablemente pasa por la digestión anaerobia.

Referencias bibliográficas

Barrena, R., Vargas-García, M.D.C., Capell, G., Barańska, M., Puntes, V., Moral-Vico, J., Sánchez, A., Font, X.. Sustained effect of zero-valent iron nanoparticles under semi-continuous anaerobic digestion of sewage sludge: Evolution of nanoparticles and microbial community Dynamics. Science of the Total Environment, 2021, 777:145969.  

Barrena, R., Vargas-García, MC., Catacora-Padilla, P., Gea, T, Abo Markeb, A; Moral-Vico, J, Sánchez, A., Font, X., Aspray, T.J. Magnetite-based nanoparticles and nanocomposites for recovery of overloaded anaerobic digesters. Bioresource Technology, 2023, 372:128632.

Sánchez, A., Biogas improvement as renewable energy through conversion into methanol: A perspective of new catalysts based on nanomaterials and metal organic frameworks. Frontiers in Nanotechnology, 2022, 4:1012384

Seyed Alireza Vali, Ahmad Abo Markeb, Javier Moral-Vico, Xavier Font, Antoni Sánchez, A novel Cu-based catalyst supported in chitosan nanoparticles for the hydrogenation of carbon dioxide to methanol: From the optimization of the catalyst performance to the reaction mechanism, Catalysis Communications, 2023, 182:106747.