Aprovechar las aguas residuales municipales como recurso

Nuestras aguas residuales no sólo contienen suciedad y excrementos. También contienen valiosas materias primas, como compuestos de nitrógeno y carbono orgánico. Se pueden utilizar métodos químicos, biológicos y físicos para recuperar de ellas hidrógeno, amonio y polihidroxialcanoatos (PHA). El amonio recuperado puede utilizarse como fertilizante nitrogenado para la agricultura, y los PHA son la materia prima de los bioplásticos. Estos procesos son el objeto de estudio de los investigadores que trabajan en el proyecto KoalAplan. El trabajo de investigación interdisciplinar de los socios del proyecto tiene lugar en el centro de investigación sobre tratamiento de aguas residuales de la Universidad de Stuttgart, en Büsnau. Trabajando en condiciones reales, los socios están probando cómo se pueden recuperar las materias primas de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Para ello, se ha creado una biorrefinería como planta piloto. Funcionó durante más de seis meses en 2024.

Evitar la eliminación biológica del nitrógeno

Uno de los métodos establecidos en el proyecto, el de la corriente primaria, consiste en tratar las aguas residuales tras una separación previa de los sólidos durante la clarificación primaria. En una depuradora tradicional, el nitrógeno de las aguas residuales se elimina biológicamente. Los microorganismos convierten los compuestos nitrogenados en nitrógeno gaseoso (gases de efecto invernadero), que escapa a la atmósfera sin ser utilizado. En el proyecto KoalAplan, en cambio, el nitrógeno no se pierde. Al contrario, se recupera como materia prima eliminando físicamente el amonio mediante un filtro de zeolita o un sistema de intercambio iónico. Después, el nitrógeno se recupera regenerando el filtro de zeolita, produciendo una solución concentrada de amonio que puede utilizarse en agricultura como fertilizante nitrogenado.

Recuperación del carbono orgánico de los sólidos presentes en las aguas residuales

En una depuradora municipal tradicional, una gran parte de los sólidos presentes en las aguas residuales se separa mediante sedimentación durante la clarificación primaria. Estos "lodos primarios" se fermentan en una torre de digestión, produciendo metano. En el concepto de biorrefinería, en cambio, se somete a fermentación oscura, deteniéndose el proceso de degradación en la etapa de producción de ácidos orgánicos de cadena corta. Tras una separación sólida en dos etapas, se produce un hidrolizado libre de partículas. Este hidrolizado es rico en ácidos orgánicos de cadena corta y puede utilizarse para diversos fines. El proyecto KoalAplan explora estos potenciales, por ejemplo, la electrólisis microbiana para la producción de hidrógeno y la producción microbiana de PHA. "Nuestro trabajo en el Fraunhofer IGB consistía en utilizar la fermentación para convertir el hidrolizado en PHA, un biopolímero bacteriano termoplástico biodegradable", explica Pravesh Tamang, científico jefe de PHA e investigador del Fraunhofer IGB.

Hidrolizado ácido convertido en PHAs

Los PHA se producen generalmente utilizando microorganismos, que pueden crecer en una amplia gama de sustratos diferentes. Los microorganismos utilizan el hidrolizado, rico en ácidos orgánicos como el acético, el propiónico y el butírico, como fuente de carbono y energía. "Las bacterias necesitan los ácidos orgánicos para crecer y producir los PHA", explica Tamang. ¿Dónde está el problema? Si estos ácidos orgánicos están presentes en concentraciones demasiado elevadas, tienen efectos tóxicos para los microorganismos. Por eso, el primer paso para Tamang y su equipo fue identificar cepas adecuadas de bacterias que pudieran utilizar los ácidos tanto para su propio crecimiento como para producir PHAs. "En comparación con las otras bacterias que probamos, Cupriavidus necator resultó ser la bacteria más tolerante en contacto con los ácidos orgánicos", afirma Tamang.

Para evitar que los ácidos impidieran el crecimiento de los microorganismos, los investigadores también desarrollaron un método de perfusión con retención celular en el biorreactor. La retención celular tiene lugar mediante un filtro especial que garantiza que las células o microorganismos permanezcan en el reactor, lo que permite una alta densidad celular y un mayor tiempo de cultivo. Tamang explica el proceso: "Pasamos el caldo de fermentación del biorreactor a través de un filtro de flujo cruzado y, a continuación, introducimos de nuevo en el reactor las células con los gránulos de PHA retenidos en el filtro. Esta retención celular nos permitió alimentar con concentraciones variables de ácido. El biopolímero se extrae de las células bacterianas al final de la fermentación".

Un codiciado copolímero de PHA para diversas aplicaciones

Los investigadores del Fraunhofer IGB pudieron utilizar su método de perfusión para evitar que se inhibiera el crecimiento bacteriano. Demostraron que el 97% del carbono de los ácidos orgánicos era utilizado por los microorganismos y convertido en biomasa y PHA. "Nuestro producto PHA es un copolímero de poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato), o PHBV, especialmente ajustado. Comparado con un homopolímero, tiene mejores propiedades mecánicas. Esto se debe a que contiene alrededor de un diez por ciento de 3-hidroxivalerato, que reduce la cristalinidad y hace que el material sea más flexible, más fácil de moldear y más versátil", explica Tamang.

Como siguiente paso, Tamang y su equipo planean optimizar el proceso de fermentación para producir PHBV con una concentración aún mayor de 3-hidroxivalerato (del 40 al 70 por ciento). Estos copolímeros de PHBV especialmente ajustados podrán ser utilizados por químicos especializados en polímeros y expertos en aplicaciones de la industria como muestras para probar las propiedades materiales del biopolímero y descubrir nuevos campos potenciales de aplicación. La materia prima respetuosa con el medio ambiente que se produce mediante este proceso puede utilizarse de diversas formas: como envase de un solo uso, película de acolchado en agricultura, en la industria farmacéutica, o incluso para implantes médicos o revestimientos textiles de base biológica.

La recuperación de materias primas contribuye a la neutralidad climática

Normalmente, el dióxido de carbono se produce cuando se elimina el carbono orgánico a través de una planta de tratamiento de aguas residuales. El método desarrollado en el marco del proyecto reduce las emisiones de este gas causante del calentamiento global. "Al mismo tiempo, también producimos materias primas que ayudan a sustituir los productos derivados del petróleo. De este modo, las depuradoras del futuro pueden contribuir de forma importante a la neutralidad climática", explica Tamang.

Socios del proyecto:
- Asociación Técnica y Científica Alemana del Gas y el Agua (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, DVGW) centro de investigación del Engler-Bunte-Institut del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) (coordinación, producción del hidrolizado ácido sin partículas, producción de hidrógeno mediante electrólisis microbiana)
- Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB (producción de PHA)
- CUTEC Centro de Investigación de Clausthal para Tecnologías Medioambientales de la Universidad Tecnológica de Clausthal, Departamento de Ingeniería de Procesos de Aguas Residuales (apoyo científico y huella de carbono)
- Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH), Instituto de Microbiología Técnica (producción de hidrógeno mediante electrólisis microbiana)
- Umwelttechnik BW GmbH, agencia estatal de tecnología medioambiental y eficiencia de recursos de Baden-Württemberg (relaciones públicas y utilización de resultados)
- Universidad de Stuttgart, Instituto de Ingeniería Sanitaria, Calidad del Agua y Gestión de Residuos Sólidos - planta de tratamiento de aguas residuales de enseñanza e investigación (recuperación de amonio)