Vigilancia Tecnológica
Ácidos grasos volátiles para la producción de bioplásticos mediante la valorización de residuos por fermentación acidogénica. Proyecto ELLIPSE
Resumen
La mayoría de los plásticos que se utilizan actualmente en el mundo proceden de fuentes no renovables y no 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 ya que pueden utilizarse como precursores de biopolímeros en la industria de los bioplásticos, constituyendo una materia prima adecuada para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA).
Obtención de AGV ? Proyecto ELLIPSELos ácidos grasos volátiles (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 [1]. 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) [2].
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 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 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 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 [3].
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 cuenta con 5 fases que tratan sobre el pretratamiento de residuos y obtención de AGV, producción de PHA, aplicaciones posibles de los bioplásticos, estudio de análisis de ciclo de vida y explotación de los resultados.Figura 2. Fases del proyecto ELLIPSE.Plantas piloto del proyecto ELLIPSEEn 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 de la fracción líquida del digestato procedente de la fermentación acidogénica con vistas a la producción de biofertilizantes. Se validarán tecnologías diferentes:- Tecnología biológica del sistema híbrido de cultivo autótrofo y heterótrofo de microalgas. Se seleccionarán las mejores condiciones de funcionamiento para maximizar la calidad y cantidad de los nutrientes recuperados, así como la evaluación del agua producida y los requisitos energéticos. El prototipo se operará inicialmente según los parámetros seleccionados en la prueba preliminar, ajustándolos al cambio de escala, ya que varios parámetros como la temperatura, la disponibilidad de luz solar, el pH, la mezcla, etc. son importantes de controlar para un crecimiento adecuado de las microalgas y podrían afectar al rendimiento del proceso.Esto supondrá una mejora del reciclado/recuperación de nutrientes de los residuos orgánicos mediante su asimilación en biomasa algal con la posterior recogida por secado por atomización de un producto de interés comercial como son los biofertilizantes. Mediante el suministro a las plantas de nutrientes reciclados adquiridos de los flujos de residuos orgánicos y compensando el uso de fertilizantes sintéticos, los biofertilizantes de algas cultivadas en estos residuos reducirán el impacto medioambiental. Debido a su lenta liberación, las microalgas pueden utilizarse en cultivos ecológicos, convencionales y de bajos insumos con una frecuencia de 3-4 temporadas consecutivas en el mismo campo y pueden combinarse con compost como soporte.- Métodos físicos de tecnología de membrana de impulsión a presión (ultrafiltración y ósmosis inversa) y contactores de membrana, para la recuperación de nutrientes a partir de digestato fermentado mediante operaciones secuenciales que incluyen: i) separación sólido/líquido del digestato mediante una prensa de tornillo; ii) eliminación de las partículas sólidas de la fase líquida mediante tamizado fino a menos de 500 μm; iii) ultrafiltración del permeado del tamiz vibratorio; iv) ósmosis inversa del permeado de la ultrafiltración y v) recuperación del amoníaco como sulfato amónico mediante contactor de membrana.Ambos procesos requerirán operaciones unitarias secuenciales previas para eliminar los sólidos en suspensión. Los productos se convertirán en pellets que se procesarán posteriormente para producir dos tipos de fertilizantes innovadores con cinética sintonizable de liberación de nutrientes, aplicando PHA en la formulación de gránulos de fertilizante polinuclear mediante composición por extrusión y gránulos de fertilizante de envoltura central mediante recubrimiento. Estos productos finales se someterán a pruebas de biodegradabilidad en el suelo según la norma ISO 23517:2021.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 proyecto ELLIPSE está financiado por la Circular Bio-based Joint Undertaking (CBE JU), una asociación de 2.000 millones de euros entre la Unión Europea y el Consorcio de Industrias de Base Biológica (BIC) que financia proyectos que promueven las bioindustrias circulares competitivas en Europa. ELLIPSE se financia a través de la convocatoria HORIZON-JU-CBE-2022-IA-04 y el acuerdo de subvención nº 101112581.
Bibliografía
[1] Presti, D., Cosenza, A., Capri, F. C., Gallo, G., Alduina, R., & Mannina, G. (2021). Influence of volatile solids and pH for the production of volatile fatty acids: Batch fermentation tests using sewage sludge. Bioresource Technology, 342, 125853.
[2] Kim, N.-J., Lim, S.-J., and Chang, H.N., 2018, Volatile Fatty Acid Platform: Concept and Application, in Emerging Areas in Bioengineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, p. 173?190.
[3] Naser, A. Z., Deiab, I., & Darras, B. M. (2021). Poly (lactic acid)(PLA) and polyhydroxyalkanoates (PHAs), green alternatives to petroleum-based plastics: A review. RSC advances, 11(28), 17151-17196.
La mayoría de los plásticos que se utilizan actualmente en el mundo proceden de fuentes no renovables y no 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 ya que pueden utilizarse como precursores de biopolímeros en la industria de los bioplásticos, constituyendo una materia prima adecuada para la producción de polihidroxialcanoatos (PHA).
Obtención de AGV ? Proyecto ELLIPSELos ácidos grasos volátiles (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 [1]. 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) [2].
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 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 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 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 [3].
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 cuenta con 5 fases que tratan sobre el pretratamiento de residuos y obtención de AGV, producción de PHA, aplicaciones posibles de los bioplásticos, estudio de análisis de ciclo de vida y explotación de los resultados.Figura 2. Fases del proyecto ELLIPSE.Plantas piloto del proyecto ELLIPSEEn 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 de la fracción líquida del digestato procedente de la fermentación acidogénica con vistas a la producción de biofertilizantes. Se validarán tecnologías diferentes:- Tecnología biológica del sistema híbrido de cultivo autótrofo y heterótrofo de microalgas. Se seleccionarán las mejores condiciones de funcionamiento para maximizar la calidad y cantidad de los nutrientes recuperados, así como la evaluación del agua producida y los requisitos energéticos. El prototipo se operará inicialmente según los parámetros seleccionados en la prueba preliminar, ajustándolos al cambio de escala, ya que varios parámetros como la temperatura, la disponibilidad de luz solar, el pH, la mezcla, etc. son importantes de controlar para un crecimiento adecuado de las microalgas y podrían afectar al rendimiento del proceso.Esto supondrá una mejora del reciclado/recuperación de nutrientes de los residuos orgánicos mediante su asimilación en biomasa algal con la posterior recogida por secado por atomización de un producto de interés comercial como son los biofertilizantes. Mediante el suministro a las plantas de nutrientes reciclados adquiridos de los flujos de residuos orgánicos y compensando el uso de fertilizantes sintéticos, los biofertilizantes de algas cultivadas en estos residuos reducirán el impacto medioambiental. Debido a su lenta liberación, las microalgas pueden utilizarse en cultivos ecológicos, convencionales y de bajos insumos con una frecuencia de 3-4 temporadas consecutivas en el mismo campo y pueden combinarse con compost como soporte.- Métodos físicos de tecnología de membrana de impulsión a presión (ultrafiltración y ósmosis inversa) y contactores de membrana, para la recuperación de nutrientes a partir de digestato fermentado mediante operaciones secuenciales que incluyen: i) separación sólido/líquido del digestato mediante una prensa de tornillo; ii) eliminación de las partículas sólidas de la fase líquida mediante tamizado fino a menos de 500 μm; iii) ultrafiltración del permeado del tamiz vibratorio; iv) ósmosis inversa del permeado de la ultrafiltración y v) recuperación del amoníaco como sulfato amónico mediante contactor de membrana.Ambos procesos requerirán operaciones unitarias secuenciales previas para eliminar los sólidos en suspensión. Los productos se convertirán en pellets que se procesarán posteriormente para producir dos tipos de fertilizantes innovadores con cinética sintonizable de liberación de nutrientes, aplicando PHA en la formulación de gránulos de fertilizante polinuclear mediante composición por extrusión y gránulos de fertilizante de envoltura central mediante recubrimiento. Estos productos finales se someterán a pruebas de biodegradabilidad en el suelo según la norma ISO 23517:2021.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 proyecto ELLIPSE está financiado por la Circular Bio-based Joint Undertaking (CBE JU), una asociación de 2.000 millones de euros entre la Unión Europea y el Consorcio de Industrias de Base Biológica (BIC) que financia proyectos que promueven las bioindustrias circulares competitivas en Europa. ELLIPSE se financia a través de la convocatoria HORIZON-JU-CBE-2022-IA-04 y el acuerdo de subvención nº 101112581.
Bibliografía
[1] Presti, D., Cosenza, A., Capri, F. C., Gallo, G., Alduina, R., & Mannina, G. (2021). Influence of volatile solids and pH for the production of volatile fatty acids: Batch fermentation tests using sewage sludge. Bioresource Technology, 342, 125853.
[2] Kim, N.-J., Lim, S.-J., and Chang, H.N., 2018, Volatile Fatty Acid Platform: Concept and Application, in Emerging Areas in Bioengineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, p. 173?190.
[3] Naser, A. Z., Deiab, I., & Darras, B. M. (2021). Poly (lactic acid)(PLA) and polyhydroxyalkanoates (PHAs), green alternatives to petroleum-based plastics: A review. RSC advances, 11(28), 17151-17196.
"Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural: Europa invierte en las zonas rurales"
https://ec.europa.eu/agriculture/index_es
