Los seres humanos consumimos recursos —alimentos, combustibles, materiales— a un ritmo acelerado. Cada una de nuestras actividades genera contaminación que, de una u otra forma, afecta al ambiente y a nosotros mismos. Para hacer frente a los desafíos energéticos y ambientales del siglo XXI, la ciencia busca alternativas y cada cierto tiempo surgen nuevas ideas que prometen revolucionar la forma de solucionarlos.
Actualmente, existe interés en aprovechar los residuos orgánicos para obtener nuevos productos valorizables o incluso para su transformación en energía. Para lograrlo, la biotecnología nos ofrece bioprocesos como la digestión anaerobia, que, mediante microorganismos, puede transformar los residuos orgánicos en biogás, que, a su vez, puede utilizarse para la cocción de alimentos o para la producción de electricidad. También existe la fermentación alcohólica, que permite producir bioetanol a partir de residuos lignocelulósicos, mismo que se puede mezclar con gasolina para los automóviles. A partir de los aceites residuales de cocina se puede producir biodiésel, similar al diésel de petróleo para grandes motores de tractores y camiones. Sin embargo, algunos de estos procesos biotecnológicos requieren de adaptación y largos periodos de procesamiento de los residuos orgánicos, que pueden llegar a durar ¡hasta 30 días!, además de generar más residuos, como lodos y aguas residuales.
No obstante, existe un proceso que emplea agua, altas temperaturas y presión, y tiempos de reacción cortos, de hasta 15 minutos, para transformar los residuos orgánicos sólidos a bio-crudo y biocarbón, dos productos de los cuales pueden obtenerse nuevos químicos y hasta energía. Este se conoce como licuefacción hidrotermal (LHT) y es capaz de procesar cualquier tipo de biomasa vegetal —es decir la derivada de organismos fotosintéticos como las plantas y las microalgas—, hasta residuos orgánicos, como los generados en nuestros hogares, municipios o plantas agroindustriales.
¿Los procesos biotecnológicos y la LHT pueden colaborar? La respuesta es: ¡claro que sí! Comúnmente, muchos de los residuos orgánicos de los procesos biotecnológicos son procesados mediante tratamientos aerobios o anaerobios, o enviados a disposición final en vertederos a cielo abierto o en rellenos sanitarios, lo que conlleva costos de manejo, consumo de materiales —como cal (Ca(OH)2 o CaO) para su neutralización— e incluso riesgos ambientales y sanitarios. Adicionalmente, la descomposición natural de la biomasa produce gases contaminantes —principalmente metano y dióxido de carbono— que contribuyen al cambio climático, además de generar lixiviados que pueden filtrarse en las aguas subterráneas. Sin embargo, tanto los residuos orgánicos de cultivos agrícolas (como rastrojo de maíz, paja de trigo o bagazo de caña), los residuos orgánicos de hogares, comercios e industrias, o los residuos orgánicos de los procesos biotecnológicos, pueden servir como materia prima para la LHT y producir más compuestos químicos y energía renovable.
Para lograr el aprovechamiento integral de la biomasa se desarrollan actualmente los esquemas o modelos de biorrefinería, que permiten obtener, entre otros productos, biocombustibles, biopolímeros, fibras, químicos intermediarios, alimento animal y solventes. Para esto, la biomasa se descompone primero en compuestos más simples mediante el uso del calor, ácidos y/o enzimas [1]. En este contexto, la LHT puede integrarse como una etapa adicional, aprovechando los residuos que no son utilizados por los propios procesos biotecnológicos de la biorrefinería y contribuyendo así a un uso más completo y eficiente de la biomasa.
Con esto dicho, te invitamos a dar un recorrido por el presente artículo, reforzando los conceptos mostrados en la Figura 1, para después conocer más a detalle la LHT y saber cómo esta puede ayudar a los procesos biotecnológicos y a las biorrefinerías para aprovechar la biomasa al máximo y avanzar hacia un uso circular y sostenible de los recursos.
¿Qué es la licuefacción hidrotermal?
La LHT se realiza en un reactor que funciona como una “súper olla exprés”, calentando agua y biomasa a temperaturas de entre 250 y 500 °C, lo que vaporiza una fracción del agua y eleva la presión del reactor ¡hasta 300 atmósferas! A esta presión, el agua líquida transforma los componentes de la biomasa en varios cientos de sustancias orgánicas valorizables [2].
Algunas de estas moléculas orgánicas pueden ser insolubles en el agua —es decir, hidrofóbicas— y se conocen como bio-crudo. Son el principal producto líquido del proceso y, en su conjunto, presentan un aspecto ámbar oscuro y viscoso (Figura 2). También se producen otras moléculas orgánicas, pero están disueltas o mezcladas con el agua remanente de la reacción y que llamaremos aquí como moléculas orgánicas solubles en agua, o MOSA. Esta agua residual y las MOSA presentan un aspecto de color ámbar claro, como se muestra en la Figura 2. También una fracción del material permanece insoluble, pero en forma sólida y de color marrón o negra, la cual se denomina biocarbón por su evidente similitud estructural con la de pequeños granos de carbón. Adicionalmente, se produce una pequeña fracción de compuestos gaseosos, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano, etano, etileno, entre otros.
Residuos orgánicos susceptibles de tratarse con procesos hidrotermales
Una gran variedad de biomasas puede alimentarse a la LHT. La Figura 3 muestra que tanto las microalgas, como los residuos orgánicos, entre los que se encuentran los urbanos o los lignocelulósicos, así como la misma agua residual de la LHT rica en MOSA, pueden aprovecharse por medio de la LHT. Adicionalmente, muchos de estos productos tienen aplicaciones biotecnológicas, que el lector interesado puede ver a más detalle en las referencias [3] y [4].
Por ejemplo, especies microalgales como Nannochloropsis sp., Chlorella pyrenoidosa, Chlorella vulgaris, Botryococcus braunii, Scenedesmus sp., entre otras, se utilizan para tratar aguas residuales, dando como consecuencia un aumento en la biomasa vegetal rica en lípidos aprovechables. Pero la dureza de la pared celular de estas microalgas dificulta y hace costoso extraer sus biocompuestos. También, algunas biomasas vegetales fibrosas provenientes de la agricultura y la agroindustria, como los residuos de maíz, paja de trigo, cáscaras, residuos forestales, entre otros, contienen biomoléculas —celulosa, hemicelulosa, lignina y proteínas— útiles pero difíciles de aprovechar.
En situación similar se encuentran los lodos aerobios y anaerobios de plantas de tratamiento de aguas residuales, que, aunque ricos en materia orgánica fertilizante, contienen compuestos como los metales pesados y dependiendo su origen (doméstico, hospitalario, industrial, etc.) pueden contener patógenos y parásitos (coliformes fecales, salmonella y huevos de helmintos), lo que impide su aprovechamiento sin previa transformación o tratamiento. Sin embargo, la LHT puede transformarlas en compuestos aprovechables, sin grandes inconvenientes, incluso en cuestión de minutos o de unas pocas horas, dependiendo de las temperaturas, presiones, tipo y carga de biomasa procesada (Figura 3).
Esta capacidad de procesar prácticamente cualquier tipo de biomasa permite que la LHT pueda integrarse a los modelos de biorrefinerías como un pretratamiento [3] —a temperaturas de 140 a 230 °C y presiones de 10 a 40 atmósferas, por hasta 2 horas—, o como proceso final para la conversión de las fracciones más recalcitrantes o difíciles de procesar [4]. En el marco de biorrefinerías, los pretratamientos de biomasa son esenciales para mejorar su transformación. Dentro de los pretratamientos para residuos lignocelulósicos, pueden agruparse en 4 categorías principales. Los tratamientos “físicos” que son representados en acciones mecánicas o energéticas, como la molienda, microondas o ultrasonido. Los fisicoquímicos, son aquellos que combinan el calor y reacciones químicas, como ocurre con el uso de agua caliente y la explosión de vapor, oxidación húmeda, entre otros.
Entonces, la LHT puede considerarse un pretratamiento fisicoquímico, ya que se emplea agua a altas temperaturas y se producen cambios químicos en la composición de la biomasa. Por otro lado, los tratamientos químicos emplean sustancias como ácidos o bases a bajas concentraciones para modificar los componentes de la biomasa. Finalmente, los tratamientos biológicos se basan en la acción de microorganismos y enzimas —como hongos y bacterias— capaces de descomponer de manera natural los materiales vegetales, facilitando así su posterior transformación [5]. La Figura 4 muestra un esquema del aprovechamiento de la biomasa por medio de su pretratamiento hidrotermal y su uso en biorrefinerías para la obtención de productos valorizables.
Aplicaciones y usos de los productos de licuefacción hidrotermal
Los componentes del bio-crudo y de MOSA se pueden utilizar en la industria química para producir adhesivos, aromatizantes, saborizantes, entre otros. Al ser moléculas orgánicas, estos también pueden utilizados como biocombustibles, pues incluso el bio-crudo se ha destilado en conjunto con crudo convencional y se ha logrado obtener gasolinas a partir de ellos.
Adicionalmente, las MOSA con átomos de nitrógeno se han usado como fertilizantes, pero también tienen aplicación como sustrato en procesos biotecnológicos, como las fermentaciones microbianas y la digestión anaerobia, la producción de bioplásticos o el cultivo de microalgas. El dióxido de carbono presente en los gases del proceso puede incluso servir como fuente de carbono para el cultivo de microalgas. Por otro lado, el biocarbón también tiene aplicaciones relacionadas con la biotecnología, como mejorador de suelos, soporte de microorganismos, biocombustible y en áreas de biorremediación, debido a sus propiedades de adsorción de contaminantes [4].
Historia de la licuefacción hidrotermal y su validación comercial
Desde que surgió la idea de utilizar agua caliente y catalizadores para transformar la biomasa en aceites con alto valor energético, hasta la actualidad, la licuefacción hidrotermal (LHT) ha experimentado una notable maduración tecnológica, tal y como se muestra en la Figura 5. Al igual que sucede con muchas tecnologías emergentes, su desarrollo no fue lineal y enfrentó distintos obstáculos, incluyendo periodos de estancamiento y la interrupción de investigaciones tras la década de 1980, en gran medida debido a las crisis económicas que redujeron la inversión en este tipo de procesos y debido a la competencia de procesos más rentables que usan recursos no renovables [2].
No obstante, la creciente preocupación por el abastecimiento y la disminución de las reservas de petróleo, junto con los problemas ambientales y la necesidad de aprovechar mejor los residuos orgánicos, impulsaron un renovado interés en la LHT. Gracias a ello, esta tecnología ha sido retomada y fortalecida por numerosas organizaciones en todo el mundo, consolidándose nuevamente como una alternativa prometedora para la valorización de la biomasa y la producción de energía sostenible (Figura 5).
Al día de hoy, existen ejemplos de plantas de LHT distribuidas en el mundo, como las de Steeper Energy (Dinamarca/Cánada), Genifuel (EE. UU.), Licella Holdings (Australia), Sea6Energy (India) y Altaca Energy (Turquía) [2]. En México se ha dado un paso gigante al adoptar una tecnología similar: la carbonización hidrotermal (Figura 6). Se trata de una planta que se ubica en el Bordo Poniente de la Ciudad de México para tratar 72 toneladas de materia orgánica húmeda al día y 25 toneladas de materia orgánica seca para producir 8.7 toneladas diarias de hidrocarbón, que puede usarse para la generación de electricidad [6]. Desde el punto de vista de un biotecnólogo, resulta valioso conocer y acercarse a esta tecnología para poder encaminar los esfuerzos de investigación aplicada hacia esquemas como el de la biorrefinación, que cumplan con criterios de economía circular y sostenibilidad.
Un futuro promisorio compartido
La unión de procesos hidrotermales y biotecnológicos bajo el enfoque de las biorrefinerías debe seguir explorándose. Aún quedan aspectos por resolver, principalmente los relacionados con la mejora energética del proceso y su integración con otras áreas productivas de la sociedad. También se debe reconocer que, ante la inmensa variedad de biomasas y de posibles configuraciones de bioprocesos y bioproductos, se requiere un planeamiento estratégico para obtener el mejor provecho de las tecnologías involucradas. Adicionalmente, se debe seguir validando la tecnología mediante análisis de ciclo de vida, evaluaciones tecnoeconómicas y criterios de sostenibilidad y circularidad. Uno de los más recientes avances en la materia, a escala comercial, es el de la empresa Arbios Biotech en Canadá [7], que utiliza residuos forestales, obteniendo bio-crudo para su refinación, y que ha sido aprobada como una estrategia hacia las emisiones cero de carbono.
Este texto se obtuvo desde: https://biotecmov.ibt.unam.mx/numeros/43/10.html.
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