Uso de nanopartículas de hierro en la digestión anaeróbica, una revolución que multiplica exponencialmente la producción de biogás

La transformación de biomasa en metano es una de las posibles soluciones a problemas energéticos y medioambientales que hoy desafían al mundo: decrecimiento/consumo de las reservas de combustible fósiles, incremento global en la demanda energética y efecto invernadero entre otros, mientras crece la necesidad de mejorar el procesamiento de la basura orgánica hacia una gestión de los residuos sostenible. Adicionalmente, la producción de biogás se presenta como una solución a la provisión energética en áreas aisladas de la red eléctrica, donde muchas veces se produce gran cantidad de residuos orgánicos (explotaciones agroalimentarias).

El proceso de produción del biogás, la metanogénesis, se realiza por microorganimos arcaicos (Archaea), que tienen un importante rol en el ciclo del carbono y en la descomposición de la materia orgánica en ecosistemas anaeróbicos naturales, como pantanos, sedimentos y aguas residuales. Sin embargo, la recuperación de energía a partir de la biomasa es de un 30 - 40% del teórico, haciendo el proceso poco eficiente y poco atractivo económicamente. Por esta razón, el comportamiento de las colonias de archaeas ha sido ampliamente explorado, buscando potenciar su actividad mediante el pre-tratamiento de la biomasa, a través de hidrólisis selectiva, calentamiento de la biomasa o la adición de sales de hierro. Hasta ahora los incrementos de producción habían sido muy modestos además de emplear procesos costosos en ese incremento. 

Hace pocos años, un equipo mixto del ICN2 y de la UAB, estudiando el efecto tóxico potencial de nanopartículas inorgánicas que alcanzarían las aguas residuales, ya sea no intencionadamente tras su uso en productos de consumo, o sea intencionadamente tras su uso como agentes limpiadores de aguas residuales (nanoremediación), se detectó que la presencia de ciertos tipos de nanopartículas incrementaba la generación de metano, y que ésta podía ser potenciada a través de una optimización del diseño de las nanopartículas, llegando hasta el 200% de incremento en la producción del biogas, una mejora muy superior a las otras alternativas existentes. 

El hierro es un nutriente esencial para todos los organismos conocidos. Sin embargo, la disponibilidad de hierro está limitada por la baja solubilidad y la lenta cinética de disolución en fases minerales que contienen hierro, en particular en entornos neutros o alcalinos de pH, tales como suelos carbonatados, agua de mar, y digestores anaeróbicos, donde el pH tiene que ser controlado con precisión. De hecho, las bacterias, hongos y plantas han desarrollado sistemas complejos de adquisición de hierro de origen mineral para aumentar la biodisponibilidad de hierro en tales ambientes.

La importancia de los minerales de hierro como fuente de nutrientes para la adquisición de hierro biológicamente activo ha sido muchas veces confirmada en estudios de cultivos microbianos. En la mayoría de los suelos, los óxidos de Fe son la fuente común de Fe para la nutrición bacteriana y de plantas. Dado que este Fe tiene que ser suministrado en fase soluble, la solubilidad y la velocidad de disolución de los óxidos de Fe son esenciales para el suministro Fe. Constantes de hidrólisis y productos de solubilidad (Kps) están disponibles para los óxidos de Fe más conocidos que ocurren en los suelos tales como la goetita, la hematita y la ferrihidrita. Sin embargo, para cada tipo de mineral, la Kps puede aumentar en varios órdenes de magnitud con la disminución del tamaño de los cristales. Además de la solubilidad, es la velocidad de disolución la que regula el suministro de Fe soluble. La disolución de los óxidos de Fe se lleva a cabo ya sea por protonación, complejación o, sobre todo, por la reducción (como se promueve en ambientes anaeróbicos) siendo el Fe2+ órdenes de magnitud más soluble que el Fe3+. Además, los aniones orgánicos tales como oxalato, que se adsorben en la superficie de la nanopartícula, pueden también debilitar los enlaces Fe3+-O y aumentar así la disolución reductiva y en consecuencia proporcionar hierro a la biología de los alrededores de la partícula.

De ésta manera, un aditivo basado en forma de nanoparticulas de hierro diseñada y funcionalizada de tal manera que éstas dispensan iones de hierro activos a la dosis necesaria para las bacterias del digestor anaeróbico pueden impulsar la producción de biogás hasta un 200 % (a partir de celulosa en 60 días). Téngase en cuenta que a concentraciones demasiado altas de hierro se observan primero efectos citostáticos y citotóxicos a continuación, de ahí el interés de introducir grandes cantidades de hierro inactiva que se transforma en iones de hierro activos a las tasas/dosis necesarias para el metabolismo de las bacterias anaeróbicas sin alcanzar nunca máximos no deseados.

Al final del proceso, se reduce la masa de residuos (digestato) gracias a la producción de biogás mejorado y el aditivo se desintegra en sales de hierro no tóxica lo que resulta en ambos, menor cantidad y mejor calidad de fertilizante después del compostaje. En cualquier caso, las nanoparticulas de hierro del tipo utilizado son conocidas por ser no tóxicas para pluricelulares en los rangos de aplicación. Finalmente, la ventaja de trabajar con un aditivo, es que el producto se puede utilizar en digestores actuales introducidos al mismo tiempo que la biomasa o previamente rociar la biomasa con las nanopartículas de hierros. En principio, como la tecnología se dirige a las bacterias y no la biomasa, se puede aplicar a la celulosa, los estiércoles, los residuos urbanos y otras fuentes de biomasa.

El uso de estas nanopartículas metálicas en la producción de biogás mediante digestión anaeróbica fue entonces patentado por quienes hoy integran el equipo de este proyecto y colaboradores (Patente WO 2012/123331 A1, fecha de prioridad 11/03/2011, fecha de publicación 20/09/2012) y esponsorizados, inicialmente por la Bill and Melinda Gates Foundation, luego por la Secretaria General Iberoamericana (SEGIB), y finalmente con la Fundación Repsol creando una empresa, Applied Nanoparticles, para trasladar lo que sucede en el laboratorio a la escala industrial. Entre los co-fundadores hay científicos de estas instituciones, expertos internacionales en RRI (Responsible Research and Innovation), expertos en e-comunicación (véase, por ejemplo en nuestra cuenta de twitter @biogasplu) y expertos en desarrollo empresarial y  transferencia de tecnología. En este sentido, Applied Nanoparticles es un estudio de ingeniería de nanopartículas que explora en la actualidad el uso de nanopartículas de óxido de hierro basado en aplicaciones tales como la catálisis, la remediación ambiental, el almacenamiento de energía, los fármacos anti-anemia, los agentes de contraste para la formación de imágenes médicas, las antenas para hipertermia así como substancias bacterioestáticas y bactericidas.