La mayoría de los plásticos que se utilizan actualmente en el mundo proceden de fuentes no renovables y biodegradables. En un esfuerzo por reducir el impacto de los plásticos en el medio ambiente, desde hace décadas, se estudian métodos alternativos de producción y gestión de residuos. Varios microorganismos tienen la capacidad de producir plásticos de forma natural, utilizando diferentes sustratos, que son biodegradables y biocompatibles en determinadas condiciones.
Durante los últimos años, la fermentación acidogénica para la producción de ácidos grasos volátiles (AGV) se ha identificado como un enfoque prometedor para utilizar los residuos orgánicos como un recurso valioso. Los AGV tienen un amplio potencial de aplicaciones que van desde la fuente de carbono para el proceso de eliminación biológica de nutrientes hasta el uso como recurso bioenergético para la generación de hidrógeno y biocombustibles líquidos. Los flujos ricos en AGV producidos a partir de la fermentación de residuos orgánicos también pueden utilizarse como precursores de biopolímeros en la industria de los bioplásticos, ya que constituyen una materia prima adecuada para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA).
Para hacer frente al creciente problema de la generación de biorresiduos y a la creciente demanda de materias primas de origen biológico, el proyecto ELLIPSE, en el que CARTIF está inmerso, trabaja en el sector de la biotecnología con el objetivo de valorizar flujos heterogéneos de residuos generados en cantidades significativas en Europa, los residuos de matadero (contenidos en la panza o el rumen) y los lodos de papel y pulpa, para producir polihidroxialcanoatos (PHA) rentables para aplicaciones agrícolas y de cuidado personal, mediante el coprocesamiento con otros residuos orgánicos como los lodos de la industria láctea y el glicerol de la industria del biodiésel, así como la recuperación de nutrientes para producir fertilizantes de base biológica. La integración de estos flujos de residuos como materias primas de biorrefinería permitirá reducir los volúmenes de residuos depositados en vertederos, abrir nuevas vías para la producción de productos químicos y bioplásticos y, al mismo tiempo, crear ingresos adicionales para las industrias relacionadas que los generan, con las ventajas añadidas del reciclado del agua, la disminución de la degradación del suelo, la contaminación de las aguas subterráneas y las emisiones de metano.
El PHA pertenece a una familia de polímeros 100% de origen biológico con propiedades de biodegradabilidad versátiles en la mayoría de los entornos, reciclables y que presentan una amplia gama de propiedades físicas y mecánicas en función de su composición química, desde el poli (3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV) muy flexible, hasta el polihidroxibutirato (PHB) rígido, mostrando propiedades similares a algunos materiales de origen fósil como el polipropileno (PP) y el polietileno (PE) y mejores propiedades de barrera a gases y líquidos que otros bioplásticos como el ácido poliláctico (PLA), siendo una buena alternativa biodegradable y compostable en aplicaciones agrícolas y de cuidado personal.
Figura 1. ELLIPSE diagrama resumen del proceso
Uno de los objetivos es maximizar la producción de AGV derivados de la fermentación acidogénica y para ello se pretende optimizar el proceso utilizando tecnologías innovadoras, como el uso de un biorreactor anaerobio de membrana (AnMBR). El proyecto contribuye a la economía circular promoviendo la sostenibilidad y el residuo cero demostrando la viabilidad técnica de la recuperación de nutrientes de la corriente residual (digestato) a través de un proceso híbrido autótrofo-heterótrofo de cultivo de microalgas, lo que genera a su vez la producción de un biofertilizante.
El proyecto cuento con cinco fases que tratan sobre el pretratamiento de residuos y obtención de AGV, producción de PHA, aplicaciones posibles de bioplásticos, estudio de análisis de ciclo de vida y explotación de los resultados.
Figura 2. Fases del proyecto ELLIPSE
Plantas piloto del proyecto ELLIPSE
En el piloto 1 se realizará el pretratamiento y valorización de lodos procedentes de la transformación de residuos de matadero para la producción de envases rígidos y mantillo de plástico. Se llevará a cabo una codigestión de materias primas con el objetivo de garantizar las condiciones más óptimas para producir AGV.
Figura 3. Esquema de la metodología aplicada en los Pilotos 1 y 3 del proyecto ELLIPSE.
El piloto 3 se desarrollará simultáneamente al piloto 1 para recuperar nutrientes N y P con vistas a la producción de biofertilizantes. Se validarán tecnologías diferentes:
La tecnología biológica del sistema híbrido de cultivo autótrofo y heterótrofo de microalgas, y los métodos físicos de tecnología de membrana de impulsión a presión (ultrafiltración y ósmosis inversa) y contactores de membrana, para recuperar el amoniaco, como sulfato de amonio.
El piloto 2 realizará el tratamiento y valorización de residuos de la industria papelera para producir recubrimientos de bioplásticos para el sector del cuidado personal y la agricultura.
Figura 4. Esquema de la metodología aplicada en el piloto 2 del proyecto ELLIPSE
La demostración de la posibilidad de transformar flujos complejos de biorresiduos en productos biodegradables y de base biológica de alto valor en múltiples sectores, acompañada de la validación de múltiples rutas de fin de vida para los productos de base biológica y biodegradables logrados en el marco del proyecto, proporcionará resultados novedosos y tangibles para seguir fomentando la concienciación pública y la aceptación de soluciones biodegradables y de base biológica. Aparte de todo esto, durante el proyecto ELLIPSE la industria papelera podrá utilizar productos (papel recubierto de PHA para envases flexibles como contrapartida del actual papel recubierto de PE) producidos a partir de sus residuos. Este es un buen escaparate para la economía circular y tiene el potencial de aumentar la concienciación y la aceptación de las soluciones de base biológica.
El agua es esencial para la supervivencia y el bienestar del ser humano y desempeña un papel importante para muchos sectores de la economía. Sin embargo, los recursos hídricos están distribuidos de forma irregular en el espacio y en el tiempo, y se encuentran bajo presión debido a la actividad humana y al desarrollo económico.
Además del agua para el riego y la producción de alimentos que ejerce una de las mayores presiones sobre los recursos de agua dulce, la industria también es un importante consumidor de agua, que representa entre el 10% (Asia) y el 57% (Europa) del consumo total de agua, ya sea para la elaboración de sus productos, y/o para el mantenimiento de sus materiales y equipos. Todos los sectores industriales hacen uso del agua para procesos industriales, están desde los que elaboran productos alimenticios, hasta los que elaboran aparatos electrónicos.
El manejo de aguas residuales asimismo representa hoy en día uno de los problemas ambientales más relevantes a los que se ve enfrentada la sociedad actual, razón por la cual, es un aspecto que logra trascender las actividades netamente industriales, pues como sustancia vital que es, el agua es un servicio ecosistémico transversal a la mayorías de actividades realizadas por el ser humano, y cuya trazabilidad está fuertemente reglamentada por entes gubernamentales y ambientales.
La posibilidad de reutilizar el agua industrial, independientemente de si la intención es aumentar el suministro de agua o gestionar los nutrientes en los efluentes tratados (también un factor que conduce a la reutilización del agua), tiene beneficios positivos que también son los principales motivadores para la implementación de programas de reutilización en las empresas.
Consumos de agua en la industria – Plan de gestión y ahorro
En las industrias se puede usar mejor el agua, la maquinaria, los procesos, servicios y accesorios que demandan grandes cantidades de este recurso que puede reducirse con técnicas de uso eficiente.
Para cada tipo de industria, el agua es fundamental para satisfacer diferentes necesidades, es común que priorice su consumo en tareas de limpieza y desinfección de los productos o las instalaciones y equipos. En estas tareas de limpieza y desinfección el volumen de agua consumida es variable en función del tamaño, equipos e instalaciones y las posibilidades de ahorro son importantes.
Por lo tanto, se debe examinar la reutilización del agua desde una perspectiva de la economía circular e investigar las oportunidades y los riesgos de la reutilización del agua en la transición hacia una economía circular para cada tipo de industria.
Los objetivos de crear un plan de gestión y ahorro de consumo del agua en las empresas son:
Definir métodos para conocer el consumo de agua en las instalaciones.
Identificar estrategias y puntos de mejora en las actuaciones de consumo de agua de las instalaciones y evaluar su viabilidad.
Implantar un sistema eficaz para reducir y controlar ese consumo de agua.
Promover la participación de los trabajadores.
Uso del agua en la industria
El ciclo integral del agua en la industria
La transición a una economía circular fomenta un uso más eficiente del agua, combinado con incentivos para la innovación, puede mejorar la capacidad de una economía para hacer frente a las demandas del creciente desequilibrio entre la oferta y la demanda de agua
Desde la perspectiva de la economía circular, la reutilización del agua es una opción win-win. El ciclo completo de la gestión de las aguas residuales es un componente crítico del ciclo, desde el origen, pasando por la distribución, la recogida (sistemas de alcantarillado y de saneamiento) y el tratamiento hasta la eliminación y la reutilización, incluyendo la recuperación de agua, nutrientes y energía. Las iniciativas de economía circular tienen como objetivo cerrar los bucles de recursos y ampliar la vida útil de los recursos y materiales mediante un uso más prolongado, la reutilización y la refabricación.
La segregación-corrección selectiva de efluentes segregados de las diferentes actividades industriales (aguas de proceso, limpiezas, refrigeración, calderas, sanitario, etc.) favorece la recirculación de las aguas y la reutilización de las aguas depuradas de la propia empresa, así como la reutilización de aguas grises. Asimismo, minimiza el consumo de agua, reduce el volumen final de aguas a depurar o a gestionar y aumenta el rendimiento de la depuración final.
En general, la reutilización del agua requiere de procesos de tratamiento físico-químicos, conexiones, mecanismos de eliminación de residuos y otros sistemas. El nivel de tratamiento dependerá de la calidad del agua necesaria para el uso propuesto.
La realización de la gestión y ahorro del agua a optimizar se describe mediante los 9 elementos de los que consta el ciclo integral del agua en industria:
Fuentes de suministro: red de distribución, pozos propios, aguas pluviales, etc.
Tratamiento específico en función de los requerimientos de calidad para los diferentes tipos y usos de agua.
Conducción a las instalaciones.
Usos en proceso (aporte a producto, medio de reacción, dilución, etc.) y actividades auxiliares (torres de refrigeración, calderas de vapor, limpieza de equipos e instalaciones).
Drenaje de efluentes.
Recirculación.
Depuración (EDAR propia o ajena).
Reutilización interna.
Vertido de aguas residuales, exigencia de calidad limitada por la autoridad ambiental competente.
Etapas clave del ciclo integral del agua en industria: recirculación
El consumo de agua en industria se puede racionalizar y minimizar mediante diversas mejoras en proceso productivo y en las actividades auxiliares, tomando como referencia la aplicación de MTDs (Mejores Técnicas Disponibles en relación a las autorizaciones ambientales integradas en las actividades industriales).
Por norma general las actuaciones generales tratan sobre la modificación de los circuitos de refrigeración abiertos en cerrados, evitar pérdidas en sistemas de vapor, mejorar los sistemas de acondicionamiento de agua de entrada y de los medios de producción, y la optimización de las operaciones de limpieza de equipos e instalaciones.
En cuanto a la recirculación se contempla si no es necesario un tratamiento del agua o si este es muy simple, ya que se trata del uso sucesivo de un caudal de agua en el mismo proceso consumiendo en cada ciclo un pequeño porcentaje de renovación de caudal.
La reutilización interna se trata del aprovechamiento de aguas ya usadas en la propia industria, depuradas mediante tratamiento específico, para su empleo en otros usos de menor exigencia en calidad o sensibilidad.
Los recursos no convencionales como el aprovechamiento de aguas pluviales a través de la captación de agua de lluvia es un medio fácil de obtener agua y no es necesaria su depuración, pero depende de la cantidad de precipitación habitual de cada lugar. Ofrece ventajas como una alta calidad físico-química del agua sin necesidad de depuración y una infraestructura sencilla.
La reutilización de aguas grises provenientes de duchas y lavabos con un nivel bajo de contaminación son susceptibles de ser depuradas para convertirlas en agua limpia no potable.
Metodología operativa para la optimización del consumo y gestión del agua
El procedimiento se resume de la siguiente forma:
PASO 1
Recopilación de datos y análisis. Solicitud de documentación previa y datos necesarios para la evaluación de la gestión del agua.
PASO 2
Visita a la empresa para reconocer “in situ” las correspondientes características de los procesos productivos desarrollados, así como la utilización del agua en la planta.
Descripción general de los procesos productivos y actividades auxiliares, identificando las diversas operaciones: línea de proceso, línea de agua, líneas de tratamiento y actividades auxiliares (refrigeración, caldera de vapor, limpieza de equipos y contenedores y almacenamiento).
Inventario y descripción de actividades auxiliares.
Inventario, origen, manipulación y destino de efluentes, residuos y emisiones.
PASO 3
Redacción informe:
Diagnóstico de minimización de consumo de agua y propuesta de mejora.
Priorización de actuaciones en función de su rendimiento.
Esencialmente, la estrategia fundamental para la optimización de la gestión del agua es la caracterización global de su uso, la aplicación de la segregación-corrección selectiva de efluentes de proceso y el análisis de la posible recuperación y aprovechamiento de dichos efluentes.
Alcanzar la optimización de la gestión del agua en industria puede lograr ahorros de agua del 40-50%. Con ello se puede recudir costes y proteger recursos naturales. Las empresas deben conocer que de esta forma se incrementa el prestigio social corporativo con un beneficio económico y se promueve la sostenibilidad.
Microalgas por aquí, microalgas por allá. Raro es no haberse encontrado con alguna noticia sobre el aprovechamiento y los mil usos de estos microorganismos que hace unos años simplemente conocíamos como aquellos que tiñen de color verdoso las aguas saladas y dulces.
Las microalgas son una fuente muy provechosa para la humanidad, extendiéndose su aplicación a campos como la alimentación, la agricultura, la acuicultura, la farmacología y la cosmética, entre otros. Asimismo, pueden generar energía limpia y biocombustibles de segunda generación, contribuyendo con ello al desarrollo de la economía circular.
Pueden crecer de manera autótrofa o heterotrófica. En la primera emplean la luz solar como fuente de energía y CO2 como fuente inorgánica de carbono, consumiendo nutrientes y produciendo oxígeno. Mientras que en el modo de crecimiento heterótrofo la única fuente de energía o carbono son los compuestos orgánicos.
Las microalgas heterótrofas tienen un gran potencial para eliminar el carbono orgánico y varios tipos de compuestos de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales, que lo utilizan como fuente de carbono y energía sin necesidad del aporte de luz solar. Se trata, por tanto, de una gran oportunidad que permitirá depurar aguas residuales sin requerir grandes superficies como en el caso de las condiciones autótrofas.
Proyecto LIFE ALGAECAN
Con el proyecto LIFE ALGAECAN, coordinado por CARTIF, se propone un nuevo tratamiento sostenible de efluentes residuales de la industria agroalimentaria mediante el cultivo de microalgas heterótrofas, obteniendo un sub-producto de alta calidad como materia prima y de interés comercial. Este sub-producto tiene como objetivo su utilidad como biofertilizante y/o pienso animal.
La biomasa microalgal contiene micro y macronutrientes, especialmente nitrógeno, fósforo y potasio, que pueden considerarse como un biofertilizante, producto que puede ayudar a mejorar la fertilidad del suelo y estimular el crecimiento de las plantas.
La planta piloto ha estado instalada y operando durante seis meses en las instalaciones de la empresa Huercasa, en Segovia (España), realizando un tratamiento de su agua residual procedente del lavado y procesamiento de verduras y consiguiendo el crecimiento rentable de microalgas heterótrofas en tanques cerrados.
Esta planta de demostración es capaz de realizar un tratamiento de 2m3 al día a través del cultivo de microalgas; una separación por centrifugación de la biomasa algal y el agua limpia y, por último, un secado por aspersión de esta biomasa obteniendo polvo de microalga como producto final.
¿Este tratamiento resulta beneficioso ambiental y económicamente?
El consorcio del proyecto ha diseñado y desarrollado este prototipo de tratamiento, alimentado con energías renovables, concretamente con energía solar y con apoyo de biomasa, con el objetivo de minimizar la huella de carbono y los costes de operación.
Por otro lado, se obtendrá un beneficio económico con la venta de las microalgas obtenidas como biofertilizante.
Los resultados obtenidos han sido favorables hasta el momento, dado que se está consiguiendo un agua depurada dentro de los parámetros legales de vertidos, además de la eliminación completa de los lodos que se generan en el proceso tradicional de depuración de este tipo de aguas en condiciones aeróbicas. Esto se traduce en una buena opción como tratamiento para empresas con este tipo de efluentes y su posible escalado a nivel industrial.
El fin último del proyecto es replicar sus resultados en otros lugares y durante los próximos seis meses la planta estará operando en el segundo demostrador en las instalaciones de la empresa VIPÎ, en Eslovenia, donde las condiciones ambientales son diferentes.
El consorcio del proyecto lo forman los Centros Tecnológicos CARTIF (como coordinador) y AlgEn (Eslovenia), las empresas HUERCASA (España) y VIPÎ (Eslovenia), y la Universidad de Atenas (Grecia).
