Valorization of the organic fraction of municipal solid waste via an integrated photobiorefinery

• Autores: Luis Díaz Allegue
• Directores de la Tesis: Juan Antonio Melero Hernández (dir. tes.), Daniel Melchor Puyol Santos (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Fernando Bautista Santa Cruz (presid.), Yolanda Segura (secret.), Raúl Muñoz Torre (voc.), Anuska Mosquera Corral (voc.), Germán Buitrón Méndez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología del medio ambiente
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TESEO
• Resumen

  • La presente Tesis Doctoral ha sido realizada en el Departamento de Tecnología Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos, englobada en la línea de investigación de "Valorización y caracterización de materiales residuales en el marco de la economía circular", siendo financiada principalmente por el proyecto BIOTRES (S2018/EMT-4344 BIOTRES-CM, https://madrid.bio3project.es/) de la Comunidad de Madrid. Asimismo, se ha realizado una estancia predoctoral en el Instituto de Investigación en Biociencias de la Universitè de Mons del 3 de mayo al 3 de agosto de 2021 durante la realización de la presente Tesis Doctoral. La transición desde la actual economía lineal a una economía circular es uno de los grandes retos de nuestra sociedad. Uno de los principales motores de este cambio de paradigma es el previsible agotamiento de los recursos materiales. La gestión eficiente de los recursos se convierte, por tanto, en algo esencial. El incremento de la generación de residuos sólidos municipales supone un coste medioambiental y económico para la sociedad, pero a la vez una fuente de recursos que no puede ser desaprovechada. Más de la mitad de estos residuos es material biodegradable, conocido como la fracción orgánica de los residuos solidos municipales (FORSU), la cual constituye una fuente abundante de carbono. La necesidad de garantizar el suministro de materiales y energía, así como de minimizar la dependencia de los combustibles fósiles, ha impulsado el concepto de las biorrefinerías, que es análogo al de las refinerías basadas en el petróleo, pero que utiliza residuos orgánicos en lugar de petróleo como materia prima. El principal objetivo de una biorrefinería es maximizar el valor derivado de los componentes y productos intermedios convirtiéndolos en una gama de valiosos bioproductos y bioenergía. Uno de estos productos de alto valor añadido son los bioplásticos, candidatos a substituir los plásticos provinientes del petróleo, omnipresentes en nuestra vida y que causan serios problemas medioambientales y a los ecosistemas. Dentro de los posibles sustitutos, los polihidroxialcanoatos (PHA) son una alternativa con propiedades químicas, térmicas y mecánicas similares a los plásticos derivados del petróleo, pero siendo más amigables con el medio ambiente, ya que son biodegradables y compostables, por lo que seconvierten en un compuesto perfecto para entrar en las cadenas de producción de una economía circular. Actualmente, la producción de PHA aún no ha conseguido ser económicamente competitiva frente a los plásticos tradicionales. La producción industrial de PHA consiste principalmente en procesos basados en cultivos puros y materias primas simples como azúcares, lo cual encarece su producción debido a los altos costes de esterilización y de las materias primas. Para reducir costes, en los últimos años se están estudiando procesos basados en cultivos mixtos, que no requieren esterilización; y permiten la utilización de residuos como materia prima. El uso de bacterias fototróficas purpura (BFP) constituye una prometedora tecnología, que ha suscitado gran interés en la última década debido a su alta versatilidad metabólica y a que no necesitan oxígeno para la acumulación de PHA, ya que obtienen energía de la luz. El metabolismo más común de las BFP es el fotoheterotrófico, con el cual son capaces de usar los fotones emitidos por el sol como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono y electrones. Este perfil metabólico optimiza el uso de los compuestos orgánicos, ya que no deben derivar una parte para la producción de energía, como sí tienen que hacer los cultivos quimiotróficos, pudiéndose obtener así mayores rendimientos de recuperación de carbono. Es por ello que cultivos mixtos de BFP pueden reducir los costes de producción de PHA y abrir nuevas vías biotecnológicas, ya que pueden usar ácidos carboxílicos de cadena corta derivados de procesos de fermentación, como substratos baratos y disponibles en cualquier zona y, además, pueden utilizar el sol como fuente de energía. Nunca antes se había intentado llevar a cabo la valorización completa de la FORSU utilizando como tecnología central los cultivos mixtos de BFP para producir productos de alto valor añadido. La mayoría de los trabajos realizados con cultivos mixtos de BFP se centran en el tratamiento de aguas residuales, y los que tratan sobre acumulación de PHA emplean casi exclusivamente cultivos puros. El estudio de una fotobiorefiniera integrada, donde se concatenen pretratamientos térmicos y procesos biotecnológicos para valorizar la FORSU y conseguir cerrar los ciclos de carbono y energía de manera competitiva representa un reto aun por explotar. Además, otra pregunta sin respuesta son las diferentes rutas de acumulación de carbono de los cultivos mixtos de BFP según diferentes estados redox y de estrés. Como la FORSU es extremadamente heterogénea y puede contener compuestos tóxicos, el primer reto de esta tesis es comprobar que un pretratamiento de hidrolisis térmica puede crear una corriente liquida con la cual las BFP puedan crecer y acumular PHA. En a Sección I se propone el estudio de una prueba de concepto de biorrefinería donde se encadena el pretratamiento por hidrolisis térmica con una digestión anaerobia de la fracción solida resultante y un proceso fotoheterotrófico con BFP de la fracción liquida. Esta prueba de concepto se estudió con FORSU real de recogida selectiva y preclasificada en una planta de tratamiento, así como en residuo lignocelulósico de poda de parques. Los resultados mostraron una solubilización de materia orgánica (DQO) en la hidrólisis térmica de hasta un 40%, con ratios muy altos de DQO/nutrientes, siendo más importante la temperatura que el tiempo de reacción. Además, el pretratamiento mejora la biodegradabilidad general de la FORSU, compensando en su potencial metanogénico la perdida de parte del carbono de la fracción liquida. El biogás producido podría alimentar una planta de cogeneración (PCG), con resultados de generación de energía térmica y eléctrica que podrían hacer el proceso energéticamente autosostenible. En cuanto a la asimilación de la corriente líquida por el cultivo mixto de BFP, se consigue un consumo de hasta el 80% de la DQO con rendimientos de biomasa de hasta 0,5 gSSV gDQO-1. Además, se alcanzaron acumulaciones de hasta el 21% en materia seca de PHA, confirmando la viabilidad de la prueba de concepto propuesta. Para mejorar los rendimientos de biomasa y de producción de PHA, se conoce que las BFP asimilan con mayor facilidad compuestos orgánicos reducidos como los ácidos carboxílicos de cadena corta (acido acético, propiónico, butírico, etc.). Por ello, se propone un paso de pretratamiento intermedio, la fermentación acidogénica. En la Sección II se estudia la viabilidad de la co-fermentación a temperaturas termofílicas de los dos componentes más abundantes de la FORSU: residuos de comida y residuo lignocelulósico. Esta fermentación se estudia sin y con pretratamiento térmico mediante explosión de vapor. El pretratamiento con explosión de vapor mejora considerablemente la solubilización de materia orgánica y, tras ambos tratamientos, se consiguen porcentajes de solubilización de hasta el 80% de la DQO en la corriente líquida. Además, la fermentación acidogénica produce simultáneamente H2, consiguiéndose en estos ensayos producciones de hasta 162 ± 5 mlH2 gDQO¿1. Los resultados mostraron claramente un efecto sinérgico positivo en la eficiencia global de la co-fermentación entre ambos residuos y una fuerte dependencia en la distribución de ácidos carboxílicos. Se alcanzaron valores de hasta 0,58 gDQO de ácidos carboxílicos por gDQO añadido con el pretratamiento térmico, y una acidificación del 93% (%DQO referido a ácidos carboxílicos). Habiendo demostrado que la combinación de pretratamiento térmico y fermentación acidogénica termofílica permite obtener una corriente liquida con alta carga en ácidos carboxílicos de cadena corta, en la Sección III se procedió a estudiar la fotobiorefineria propuesta (Figura R1). Se utiliza un fotobiorreactor de membrana (FBRM) para tratar el efluente liquido de un fermentador acidogénico en continuo alimentado con hidrolizado de FORSU tras steam explosion. La fracción solida obtenida tras la fermentación la valorizamos mediante digestión anaerobia. En este estudio se intentó optimizar el crecimiento de biomasa y la acumulación de PHA en el FBRM ajustando la carga orgánica que reciben las BFP. Se alcanzó una acumulación máxima de PHA del 42% en materia seca, el máximo obtenido hasta ahora en un cultivo mixto de BFP alimentado con residuos. Se han detectado PHA de cadena media como el polihidroxihexanoato, cuya presencia supone mejores propiedades físico-químicas en comparación con PHA solo de cadena corta, lo cual podría diversificar sus aplicaciones industriales. Se muestran también por primera vez alternativas a la acumulación de PHA: el almacenamiento de carbono tanto en el glucógeno como en los polímeros extracelulares (PEC), al tiempo que se deriva el exceso de electrones en H2 incluso en presencia de amonio orgánico. Además, se ha realizado un estudio estadístico de la evolución de las comunidades bacterianas para determinar la influencia de las variables ambientales sobre su variabilidad, como por ejemplo la variación de géneros en el FBRM tras un shock de carga orgánica o que géneros son los mas prominentes cuando se acumula PHA. Por último, se realizaron balances de materia y energía preliminares que indican que la fotobiorefinería integrada propuesta puede ser energéticamente sostenible, a la vez que produce 109 kg de PHA por tonelada de sólidos totales de FORSU. Estos resultados resultan prometedores para una implementación a mayor escala de una fotobiorrefinería basada en BFP. Por último, en la Sección IV se muestra una revisión critica sobre el escalado del proceso más innovador de la fotobiorefinería propuesta, el proceso foheterotrófico con BFP. El éxito y la viabilidad económica de la producción a escala industrial de biopolímeros depende principalmente de cómo enriquecer cultivos mixtos de BFP capaces de acumular grandes cantidades de PHA y los principales cuellos de botella para el escalado de esta tecnología. Se discuten las ventajas y desventajas de las estrategias de acumulación de PHA, como la de festín y hambruna o festín permanente, teniendo esta última la ventaja clara de poder recuperar hasta el 100% de carbono (acercando el sistema a la neutralidad de CO2), con una alta conversión en PHA. En cuanto al escalado se concluye que, posiblemente, la mejor opción sea reactores al aire libre, utilizando principalmente la iluminación solar natural como fuente de energía. Sin embargo, se indican muchas estrategias que pueden aumentar el rendimiento del proceso, como sistemas de captación y filtración solar y dilución espacial de la luz, así como estrategias de floculación, granulación, homogenización y automatización del sistema que pueden resultar útiles para la reducción de costes, pero que deben ser investigadas en mayor profundidad. En conjunto, este trabajo ha propuesto y probado una fotobiorefineria a TRL < 4 con el objetivo de valorizar FORSU en PHA y otros productos de alto valor añadido como el biogás, el H2 o la proteína microbiana. Además, los resultados de este trabajo ayudan a entender mejor el proceso fotoheterotrófico de producción de PHA mediante BFP con el objetivo de preparar el camino para su escalado industrial.