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Thu, Sep

El uso de nanopartículas de hierro en la digestión anaeróbica

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La transformación de biomasa en metano (CH4) 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.

 

La bajada del precio actual del crudo no es sólo una cuestión geopolítica, sino también un indicador de que el modelo muestra síntomas de agotamiento, auspiciado por las nuevas tecnologías así como por la mayor eficiencia de las nuevas máquinas y de los aparatos, así como de los efectos severos en polución y cambio climático asociado con el consumo de combustibles fósiles. Adicionalmente, la producción de biogás se presenta como un modelo de economía circular y 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) y se necesita energía para su funcionamiento (alumbrado, calefacción, etc).


El Biogás en Europa 

Nanopartículas de óxido La EBA (European Biogas Association) publica en su informe Biogas 2014: “La cantidad combinada de energía eléctrica y térmica producida hoy a partir de biogás en Europa corresponde al consumo anual de los hogares de Bélgica y Eslovenia en su conjunto. Tal producción podría reemplazar a 15 centrales eléctricas de carbón con una capacidad media de 500 MWel (MegaWatt Electrico)”.

Éstas son algunas de las conclusiones de la reciente publicación. Sin embargo, algo de estancamiento se observa en algunos de los mayores productores de biogás, como Alemania e Italia -y las previsiones no son brillantes para el resto de la Europa tampoco, donde se esperan cambios importantes en los sistemas de fiscalización y apoyo, o se están llevando a cabo ya. En éste contexto, la EBA seguirá trabajando para asegurar el crecimiento continuo de la energía basada en biogás en todo el continente, ya que es extremadamente importante para la seguridad energética de Europa y la descarbonización. Está claro que con estas carencias y en esta situación, las necesidades para desarrollar tecnologías avanzadas para la producción optimizada de biogás son perentorias.

Según el recientemente publicado Informe EBA Biogás, ya hay más de 14.500 plantas de biogás en Europa y el número sigue creciendo. Así lo resumió Jan Štambaský, Presidente de EBA:

“La industria del biogás se enfrenta a enormes cambios en la política, y es nuestra responsabilidad ofrecerle los datos más fiables para apoyar a nuestras asociaciones-miembro para hacer trabajo político en sus países de origen, para apoyar a nuestros científicos en sus investigaciones sobre las nuevas tecnologías y para mantener a nuestras empresas con información actualizada. El cambio dramático que se inició con la Ley de Energía Renovable alemana EEG 2012 sigue obstaculizando la industria. Pese a ello, la del biogás está aumentando en otras partes de Europa -Reino Unido, Italia y Dinamarca, y esperamos que el resto de Europa seguirá estos desarrollos positivos”.

La Industria del biometano sigue la tendencia creciente de biogás, alcanzando 282 plantas en toda Europa, con una producción total de 1.375 millones de m3. Están surgiendo diferentes oportunidades de utilización, como son el número de estaciones de servicio, que se duplicó en 2013, o el aumento de la proporción de biometano utilizado en el transporte, el 10% del total producido en Europa.

 

¿Cómo se produce el biogás? 

El proceso de produción del biogás, la metanogénesis, se realiza por microorganismos 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 sedimentos, pantanos 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, para intentar alcanzar un grado mayor de conversión, el comportamiento de las colonias de archaeas ha sido ampliamente explorado, tanto seleccionando consorcios bacterianos óptimos, comobuscando potenciar su actividad mediante el pre-tratamiento de la biomasa, a través de hidrólisis selectiva, o el calentamiento de la biomasa o la adición de sales de hierro. Hasta ahora los incrementos de producción habían sido moderados, además de emplear procesos costosos en ese incremento.

Hace pocos años, estudiando el efecto tóxico potencial de nanopartículas inorgánicas que alcanzarían las aguas residuales, sea no intencionadamente, tras su uso en productos de consumo, como NPs de TiO2 en cosmética, sea intencionadamente, tras su uso como agentes limpiadores de aguas residuales (nanoremediación), como el uso del NPs de hierro para absorber y mineralizar metales pesados. 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 cualquiera de las otras alternativas existentes

 

Plantas de Biogas en Europa


Las nanoparticulas de hierro en la digestión 

El hierro es una nutriente traza esencial para todos los organismos conocidos y uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre. 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, bacterias, hongos y plantas han desarrollado sistemas complejos de adquisición de hierro para aumentar la biodisponibilidad de hierro mineral 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 más 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 bien conocidos que ocurren en 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 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. La solubilidad a pH7 del Fe2+ es 0.1 M y para el Fe3+, 10-18 M

De ésta manera, un aditivo basado en forma de NPs de hierro, diseñadas y funcionalizadas de tal manera que éstas dispensan iones de hierro activos a la dosis necesaria para las bacterias del digestor anaeróbico, impulsa la producción de biogás hasta un 200 % (a partir de celulosa, en 60 días). La disolución del hierro en el medio de trabajo es ventajosa porque permite la presencia de iones de hierro en el medio. Además, las NPs aseguran una distribución homogénea de iones de hierro en el medio. Así, las NPs son usadas para mantener de manera sostenida una concentración determinada en el digestor. Éste efecto de concentración sostenida evita una concentración de iones de hierro demasiado alta en el momento de la inoculación, de la misma manera que evita su rápido decrecimiento. 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 inactivas 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 tóxicos, lo que resulta, en ambos, una menor cantidad y una mejor calidad de fertilizante después del compostaje. En cualquier caso, las NPs 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 rociando la biomasa con las nanopartículas de hierros. En principio, la tecnología se dirige a las bacterias y no la biomasa, de manera que se puede aplicar a la celulosa, los estiércoles, los residuos urbanos y otras fuentes de valores.

 

Víctor F. Puntes


Prof. Dr. Víctor F. Punte
s (ICREA Research)  


 

Con subvención de Bill Gates

La tecnología de uso de estas nanopartículas metálicas en la producción de biogás mediante digestión anaeróbica ha sido desarrollada y patentada por el equipo formado/liderado por el Prof. ICREA Víctor Puntes del Instituto Catalán de Nanociencia (ICN2), y el Dr. Antoni Sánchez, de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). El proyecto contó con una subvención inicial del extinto Ministerio de Medio Ambiente Rural y Marino; posteriormente, por la Bill and Melinda Gates Foundation, y luego por la Secretaria General Iberoamericana (SEGIB).

Recientemente, Biogas Plus ha sido seleccionado por el Fondo de Emprendedores de Fundación Repsol en su tercera convocatoria, a raíz de la creación de la spin off 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 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 mejora de la actividad bacteriana en digestores anaeróbicos, también abierto a otros, tales como catálisis, la remediación ambiental, almacenamiento de energía, fármacos, formación de imágenes de agente de contraste, sustancia o hipertermia bacteriostático y bactericida.