Biorrefinerías y pilas de combustible: la unión para depurar agua y generar electricidad

Un equipo de la Universidad de Murcia ha desarrollado una nueva generación de biorrefinerías a las que les han acoplado un sistema de microalgas para depurar agua, generar electricidad, biocombustibles y otros productos de alto valor.

Sistema de microalgas.

La pila de combustible basada en el hidrógeno está llamada a convertirse en una de las tecnologías que revolucionará el sector de las energías limpias. Es cierto que todavía queda mucho por investigar y dar con procesos más económicos, que hagan viable la sustitución de energías fósiles gestionables por el hidrógeno verde.
Sin embargo, el concepto de pila de combustible puede ir más allá y aplicarse en el ámbito de las aguas residuales, de manera que, al tiempo que se depuran las aguas, los elementos químicos que éstas contienen hagan las veces de hidrógeno y permitan producir electricidad.

Cómo funcionan estas Biorrefinerías circulares

Este proceso circular es el centro de una investigación de un equipo de la Facultad de Química de la Universidad de Murcia, liderado por Francisco José Hernández. Estos investigadores han desarrollado un sistema de biorrefinerías con el que se depuran aguas, se genera electricidad y además se consiguen productos de alto valor para las industrias alimentaria y de pigmentos. Pero no solo eso, sino que también permite la producción de biodiésel, bioetanol y la captura de grandes cantidades de dióxido de carbono.

Parece de ciencia ficción, pero no lo es, porque los resultados en laboratorio son muy prometedores y en breve, en colaboración con una empresa del sector de la depuración de aguas, se va a instalar una planta de demostración, para afinarar todavía más el proceso.

Este grupo de investigación de la Universidad de Murcia aspira a que el método que han diseñado se convierta en una referencia en el tratamiento de aguas tanto urbanas como industriales, y sea instalado de manera masiva, por los beneficios medioambientales que comporta, así como por su eficacia para la eliminación de los contaminantes de las aguas, incluso los llamados contaminantes emergentes, como restos de fármacos, productos de higiene y otras sustancias químicas, que en la actualidad son muy difíciles de erradicar.

Pila de combustible microbiana y una biorrefinería

El funcionamiento de esta pila de combustible microbiana es conocido desde hace años, pero el equipo de la Universidad de Murcia ha conseguido mejorarlo, para incrementar las posibilidades de producción eléctrica y lo ha complementado con un equipo de microalgas, con el que se obtienen productos de alto valor añadido, biocombustibles y una fuente para la captura de dióxido de carbono.

En el interior de la pila de combustible microbiana se produce una reacción química por catálisis que elimina contaminantes de las aguas y sienta las bases para la producción de energía eléctrica. Pero para ello se necesita un cátodo, para lo que el equipo de Francisco José Hernández ha logrado dar con unos materiales mucho más baratos, que acercan el coste de esta tecnología a de los sistemas de depuración de aguas empleados en la actualidad. De esta forma, han dado con unas biorrefinerías muy interesantes.

Microalgas, la innovación en estas biorrefinerías

Sin embargo, el siguiente paso que hace único este proyecto lo protagonizan las microalgas. El proceso de catálisis en el que se quema la materia orgánica de las aguas residuales y se genera energía eléctrica, necesita una cantidad de oxígeno elevada. Además, como en toda combustión, se libera dióxido de carbono.

El sistema acoplado y “sinérgico” de microalgas se encarga tanto de suministrar ese oxígeno, como de capturar el CO2 que se genera durante todo el proceso. Adicionalmente, las mismas microalgas captan más dióxido de carbono del ambiente, con lo que cumplen un papel muy interesante en la mejora de la sostenibilidad de todo el sistema.

Francisco José Hernández, investigador de la Universidad de Murcia. Foto: Fundación BBVA.

Captura de dióxido de carbono de la pila de combustible

En este sistema circular, el dióxido de carbono de la pila de combustible actúa como ‘alimento’ para las microalgas, que reciben un extra para su crecimiento en el seno de las aguas residuales ya depuradas.

Con unas microalgas maduras y en buen estado se pueden obtener productos de alto valor añadido para la industria alimentaria y cosmética. Por ejemplo, carotenos, clorofilas y ácidos grasos omega 3, entre otros.

La extracción de estos compuestos de las microalgas se realiza mediante unos disolventes orgánicos. Sin embargo, este proceso genera unos residuos y una contaminación ambiental que son difíciles de neutralizar. Por este motivo, el equipo de Francisco José Hernández ha diseñado un método diferente y mucho más sostenible para la obtención de estos productos de alto valor añadido.

Como base emplean el dióxido de carbono que, a determinadas condiciones de presión y temperatura, se comporta como un disolvente natural muy efectivo y nada contaminante.

Biodiésel y bioetanol con las microalgas asociadas a las biorrefinerías

Pero todavía hay más, una vez que a las microalgas se les han extraído los compuestos de alto valor, queda una biomasa que todavía puede aprovecharse. En esta fase del proceso se ponen en valor las concentraciones de lípidos y azúcares de las microalgas, que pueden transformarse en biodiésel y en bioetanol, con un proceso que ya abordó este equipo de la Universidad de Murcia en un proyecto anterior.

Por el momento, los ensayos se están realizando en laboratorio, a una escala muy pequeña, de apenas dos litros de agua. Esta dimensión reducida, dice el investigador principal del proyecto, permite hacer muchas más pruebas y comprobar los resultados obtenidos con cierta rapidez.

Pruebas en una planta piloto de 300 litros

Al mismo tiempo, se está preparando una planta piloto modular, con capacidad para tratar 300 litros de agua residual, que servirá para afinar el sistema y estudiar las posibilidades de escala que, en un principio, parecen ser “muy interesantes”.

Las pruebas realizadas hasta la fecha se han realizado con varios tipos de agua. El sistema ha trabajado con aguas procedentes de industria de procesado de cítricos, que son muy ácidas; con aguas residuales de la industria de matadero, muy ricas en componentes orgánicos; con aguas residuales urbanas; incluso también, con aguas procedentes de la industria química.

En todos los casos, afirma Francisco José Hernández, el comportamiento de las biorrefinerías ha sido excelente, con unos niveles de destrucción de contaminantes sobresalientes. Incluso, se consiguen atrapar restos químicos que los sistemas de depuración de aguas actuales no pueden eliminar.

Producción de electricidad a pequeña escala

La producción eléctrica con este sistema es a pequeña escala, a nivel de 100 ó 200 milivatios por centímetro cuadrado de membrana. Sin embargo, aún así resulta interesante contar con una fuente de energía limpia más que podría, por ejemplo, cubrir parte de las necesidades energéticas de la propia estación depuradora.

Con este proyecto, los investigadores de la Universidad de Murcia pretenden dar con un sistema para la depuración de aguas residuales circular y escalable. Un conjunto modular que permita adaptar el tamaño a las necesidades del entorno en el que se instale.

El sector se ha mostrado dispuesto a incorporar esta nueva tecnología. De hecho, el grupo ha realizado una colaboración con una empresa del sector, para la instalación de una pila de combustible microbiana en una estación depuradora, aunque ésta no cuenta con la parte de las microalgas, ya que se trata de un desarrollo en el que se está trabajando actualmente.

Estas biorrefinerías con pila de combustible microbiana y planta de microalgas ofrecen unas propiedades que las hacen mucho más interesantes que los sistemas instalados en las estaciones depuradoras de aguas residuales, ya que, gracias al concepto sinérgico que ha estado en el origen del proyecto, esta nueva generación de depuradoras limpian el agua, lo harían en un tiempo menor, producirían energía eléctrica, aportan productos de alto valor añadido, permiten fabricar biodiésel y bioetanol, y de paso, capturar dióxido de carbono de la atmósfera.

Un proyecto totalmente redondo, que puede ser una alternativa con mucho futuro para el tratamiento de las aguas residuales, que supone una apuesta medioambietal muy interesante, con la que la regeneración de aguas residuales se transforma en un proceso todavía más interesante.

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