Recuperación de recursos a partir de biorresiduos y energía solar en foto-biorrefinerías: Proyecto DEEP PURPLE

En Europa se generan anualmente 138 M de toneladas de biorresiduos urbanos, de los cuales el 75% se incineran o se depositan en vertederos. La Directiva de Residuos obliga a que, en 2020, la mitad de estos residuos sean reutilizados o reciclados, alcanzando un 60% en 2030.

Los esfuerzos actuales en las plantas de tratamiento de residuos se centran en reducir el volumen de los residuos sólidos urbanos (RSU) a través de digestión anaerobia o compostaje, mientras que en las plantas de tratamiento de aguas residuales, el agua residual urbana (ARU) se trata mediante sistemas de lodos activos, con elevados costes de operación y una alta demanda energética. Estos métodos conllevan una elevada huella de carbono, y la mayoría de los nutrientes y recursos presentes se disipan, en lugar de ser recuperados. La heterogeneidad de los residuos y su variable grado de dilución dificulta una gestión eficiente de los mismos y supone un reto para la transición hacia una bioeconomía circular sostenible.

El proyecto DEEP PURPLE (www.deep-purple.eu), cofinanciado por el Programa Marco de Investigación e Innovación H2020 y el BIC (Bio-based Industries Consortium), y coordinado por Aqualia, nace con el objetivo de vencer estos desafíos mediante el desarrollo y demostración de un novedoso concepto de foto-biorrefinería. Este concepto combina tecnologías optimizadas de pre- y post-tratamiento de biorresiduos con una tecnología vanguardista para el tratamiento sinérgico de aguas residuales y la fracción orgánica de los residuos urbanos (FORSU), basada en el empleo de bacterias fototróficas púrpura (PPB). En tan sólo 3 años, esta tecnología ha alcanzado la escala piloto, demostrando ser una alternativa al tratamiento convencional de aguas residuales domésticas, con rendimientos de eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo suficientes para, en una sola etapa, alcanzar valores requeridos para su incorporación al medio. Este sistema de depuración anaerobio 100% solar permite obtener el doble de energía que la consumida para mantener el proceso en operación. Además, la foto-biorrefinería se complementa con la integración de tres plataformas (celulosa, biomasa y biogás) para la generación de bioproductos tales como bio-fertilizantes, bio-plásticos, cosméticos y materiales de construcción.

La plataforma de celulosa tiene como fin la recuperación de material celulósico presente en el ARU para su reúso como materia prima para la formulación de bio-composites en materiales de construcción y recubrimientos para bio-fertilizantes. El vertido de materiales celulósicos en la red de alcantarillado se ha convertido en un problema a nivel internacional. En Europa, según la Asociación Europea del Sector del Agua (EUREAU), el gasto asociado a la gestión de toallitas vertidas a las redes de alcantarillado se cifra entre 500 y 1.000 M€ al año. En nuestro país, la Asociación Española de Abastecimiento de Aguas (AEAS) estima que las toallitas que se tiran al inodoro incrementan entre 4 y 6 € por persona y año los costes de mantenimiento, tratamiento y depuración de las ARU, con un coste anual cercano a los 200 M€. En este sentido, a principios de 2019 se publicó la norma UNE 149002 que define los métodos de ensayo, criterios de aceptación y etiquetado de productos desechables vía inodoro, siendo España, a día de hoy, el primer país que ha emitido una norma para este fin.

Actualmente, cada europeo vierte anualmente 10 kg de materiales celulósicos a las ARU. Dichos residuos se separan por medios mecánicos cuando causan taponamiento en las redes de saneamiento, y/o son incinerados o depositados en vertederos en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). El proyecto DEEP PURPLE propone la recuperación de este material mediante separación mecánica en un tamiz rotatorio y posterior higienizado y secado. Experiencias previas han demostrado que esta tecnología es capaz de recuperar fibras de celulosa aptas para su uso en la industria papelera y otros más innovadores como la formulación de materiales de construcción. Además, este proceso conlleva una reducción de la energía empleada en aireación y de los costes de gestión de los lodos en las EDAR de hasta un 20%.

En la plataforma de biomasa fototrófica se combina el tratamiento de dos residuos de origen urbano, el ARU y la FORSU. Por una parte, la FORSU se somete previamente a hidrólisis térmica mediante explosión de vapor, lo que permite reducir considerablemente su volumen y, además, genera dos fracciones orgánicas que se tratan de forma separada.

La fracción líquida se trata de forma conjunta con el agua residual urbana en fotobiorreactores anaerobios, que son la parte central del proyecto. Este sistema emplea bacterias PPB, que utilizan como única fuente de energía la luz solar infrarroja. Las PPB tienen un metabolismo muy complejo y diverso, lo que permite que sean una plataforma biotecnológica idónea para una biorrefinería. En condiciones foto-anaerobias, estas bacterias eliminan la materia orgánica y los nutrientes del agua residual por asimilación en su estructura celular para su crecimiento. Por tanto, no existe disipación de los nutrientes presentes en el agua residual mediante procesos oxidativos. La combinación de la fracción líquida derivada de la hidrólisis de la FORSU con el ARU permite ajustar la composición de la corriente tratada para permitir su asimilación completa por las PPB. Además, estas bacterias pueden acumular el exceso de carbono orgánico como poli-hidroxialcanoatos (PHA), que son un tipo de bioplástico biodegradable, hasta valores en torno al 60-70% de su peso seco. La relación de mezcla entre ambas fracciones residuales permite optimizar la operación de la foto-biorrefinería para (a) el crecimiento de la biomasa fototótrica, materia prima principal para la producción de fertilizantes orgánicos con elevado contenido en N y P, o bien para (b) la producción de PHA, que son la base de los bio-plásticos generados como producto final en DEEP PURPLE, y que se combina con otros polímeros derivados de la celulosa en la formulación de bio-compuestos para recubrimiento de bio-fertilizantes y en materiales de construcción. La fracción sólida derivada de la hidrólisis térmica se somete a digestión anaerobia, combinándose con la plataforma de biogás.

El Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos ha realizado una optimización preliminar del proceso de hidrólisis térmica de la FORSU, encaminada tanto a la maximización de la solubilización de materia orgánica como a la optimización de su biodegradabilidad posterior por las PPB. Obteniendo una solubilización cercana al 40% mediante hidrólisis térmica a 120 ºC durante 30 minutos, se ha logrado obtener una corriente líquida altamente biodegradable que permite la acumulación de PHA en el interior de las PPB. La aclimatación posterior del cultivo en un fotobiorreactor solar de 0,5 m3 en las instalaciones de la URJC permitirá incrementar la producción sostenida de PHA y biomasa.

En la actualidad, Aqualia opera los fotobiorreactores anaerobios más grandes del mundo en la EDAR Estiviel en Toledo, con una capacidad de tratamiento de 400 hab.eq (Imagen 3). La planta piloto trata agua residual urbana con el fin de determinar la estrategia y parámetros operacionales óptimos para el tratamiento de agua residual urbana y generación de bio-productos de alto valor añadido.
La optimización del proceso en ambas localizaciones generará un valioso conocimiento para el diseño, construcción y operación de dos plantas demostrativas que actualmente está diseñando Aqualia, y que comenzarán su operación en 2021 en España y en República Checa. Estas plantas tratarán una población equivalente de 5000 hab.eq., lo que supondrá una solución competitiva para la depuración de aguas residuales en pequeñas y medianas poblaciones.

Por otro lado, la concepción del proceso de digestión anaerobia ha variado gradualmente de un método de reducción de volumen, a una plataforma de producción in-situ de energía renovable y en la actualidad comienza a ser vista como el núcleo de un nuevo concepto de biorrefinería capaz de generar múltiples productos (diferentes de energía y digestato) a partir de residuos. Con este enfoque, la digestión anaerobia representa una plataforma eficiente de recuperación de carbono en forma de una materia prima de composición homogénea (CH4 y CO2) a pesar de las posibles variaciones en la composición de la materia orgánica residual de partida. En la plataforma de biogás, el biogás producido de la digestión de la FORSU, por su alto contenido en CH4 (55-70%), puede convertirse mediante la acción de microorganismos metanótrofos en productos de alto valor añadido, precursores de industria química o productos de química fina como la ectoína. La ectoína es un aminoácido que determinadas bacterias acumulan en su interior para evitar la ruptura celular por ósmosis bajo estrés salino. Este osmoprotector actúa como estabilizador de enzimas y material genético, evitando su desnaturalización, mientras que su capacidad para proteger al ADN de la radiación ultravioleta lo ha convertido en los últimos años en un compuesto activo muy apreciado en la industria cosmética (con un valor en el mercado superior a 1000 € kg-1). Los metanótrofos halófilos son capaces de acumular ectoína en un rango entre el 3-14 % en presencia de altas concentraciones de sal. A pesar del potencial de este proceso, su baja solubilidad acuosa limita el transporte de CH4 desde la fase gas y conlleva altos volúmenes de biorreactor y la necesidad de aumentar el consumo de energía para incrementar el coeficiente volumétrico de transporte gas-líquido. El Instituto de Procesos Sostenibles de la Universidad de Valladolid dentro del proyecto DEEP PURPLE incluye la transformación del biogás producido de la digestión de la FORSU en ectoína mediante el empleo de consorcios halófilos en biorreactores de alta transferencia. Hasta la fecha se han enriquecido 3 consorcios a partir de ambientes salinos de España, y evaluado la influencia de la concentración de sal, temperatura y presencia de wolframio en el crecimiento y acumulación de ectoína (de hasta el 10 %). El proceso será validado a una escala real de 2 m3 en planta a partir de los datos que se están obteniendo en sistemas piloto de 20 L en la Universidad de Valladolid. 

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