BIOURBNA


El proyecto Biorrefinería Urbana diseña un nuevo concepto valorización integral y en cascada de las distintas fracciones que componen la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU) para la obtención de bioproductos con mayor valor añadido. Por tanto, este planteamiento se alinea con la estrategia de implementación de Economía Circular en la UE, proponiendo alternativas a los procesos de compostaje y digestión anaerobia (biogás). En concreto la valorización se centra en la materia orgánica doméstica separada ya en origen, libre de impropios, lo cual permite contar con una materia de mayor calidad para los procesos de conversión. Dentro de las fracciones a valorizar se considerarán los carbohidratos (glucanos, hemicelulosa, almidón), proteínas, lípidos, lignina y cenizas. ver más

El objetivo general del proyecto es la validación de procesos de valorización del FORSU, para la obtención de diferentes bioproductos, tanto técnica como económicamente, aplicando el concepto de economía circular. Los objetivos específicos de este proyecto incluyen:
• Evaluación y selección de los procesos y sus condiciones para la valorización del FORSU mediante pruebas de concepto.
• Optimización de los procesos seleccionados a escala laboratorio.
• Realización de ensayos en planta piloto para validación y toma de datos.
• Definición del diagrama de flujo de la Biorrefinería Urbana y balance de masas.
• Evaluación de la viabilidad de los procesos seleccionados.
• Análisis de viabilidad industrial: escalado del proceso, balances de masa y energía, especificación de equipos y estudio de costes.

Por tanto, en este proyecto se sentarán las bases para el desarrollo de procesos de valorización de las distintas fracciones que componen la FORSU. Esto permitiría desarrollar plenamente el concepto de biorrefinería urbana, realizando un aprovechamiento integral de la fracción procedente del que va más allá del meramente energético (producción de biogás) y agrario (producción de abono), y dando lugar a productos de alto valor añadido.

Durante esta primera anualidad se ha realizado un estudio de prospección sobre la obtención de bioproductos a partir de la FORSU complementado con un estudio sobre el potencial, limitaciones y reglamentación del uso de las fracciones residuales del proceso de Biorefinería Urbana para este proyecto. De este estudio se desprende que la obtención de bioplásticos mediante fermentación de azucares de la FORSU no está descrita, sin embargo, se han tomado como referencia los métodos de obtención de PHA mediante digestión anaerobia de FORSU y los métodos de hidrólisis de material lignocelulosico y otras fuentes renovables tanto para la producción de PHA como de ácido succínico.

Este estudio ha permitido definir las técnicas de caracterización y de extracción de las distintas fracciones de la FORSU: los lípidos, proteínas y la lignina; así como los métodos de transformación necesarios para obtener los ácidos grasos, aminoácidos, y demás compuestos correspondientes, que encuentran aplicaciones interesantes como biosurfactantes, biofertilizantes, bioestimulantes o precursores químicos, entre otras. Además, el estudio contempla la comparación de las plantas de biorrefinería en cascada con otros sistemas de tratamiento de estas fracciones basados en la digestión anaérobica así como el uso de subproductos sólidos (“cenizas”) como fertilizantes y enmendantes agrícolas, y la gestión de las corrientes líquidas. Además, se evalúa el potencial y las posibles limitaciones de su aplicación así como la legislación y normativa vigente en relación a la gestión de la fracción FORSU y los fertilizantes de diferentes tipos.

El Servicio de Recogida de Residuos de la Mancomunidad Comarcal de Pamplona suministró las muestras de FORSU obtenidas tras la separación manual, de los residuos contenidos en el quinto contenedor. La caracterización de las muestras consiste en métodos estandarizados del NREL que incluyen la determinación del contenido de extractivos, carbohidratos, proteínas, lípidos y cenizas, etc. Se analizaron un total de 5 muestras más un lote de 25 kg generado a partir de 5 muestras de 5 kg de FORSU. Esta muestra se ha generado mediante molienda en húmedo a 3-5 mm en molino de discos y ha servido para caracterizar una muestra representativa del material y, a su vez, realizar ensayaos preliminares de hidrolisis enzimática.

Las muestras se han recibido sin ningún pretratamiento, muy heterogéneas y diferentes entre sí. Por lo tanto, se han definido protocolos de acondicionamiento previo a la caracterización que incluyen la estabilización e higienización de los lotes de muestras a caracterizar y protocolos de de manipulación y de seguridad en el laboratorio.

Los resultados de la caracterización muestran unos contenidos en lípidos totales y de proteínas por encima del 10-15% (w/w), por lo que son fracciones importantes a recuperar y valorizar. Por su parte, la lignina puede alcanzar hasta un 10% (w/w) de la composición, siendo un 90% acido insoluble. En cuanto a los carbohidratos, se han observado cantidades de glucanos (en forma de almidón) entre el 15 y el 30% (w/w) de la composición. Por lo tanto, el azúcar potencial de este residuo es adecuado como fuente de carbono para la producción de bioplástico y sus precursores. Finalmente, hay que señalar que este material contiene una cantidad de extractivos elevada, no se han detectado inhibidores y que contiene un porcentaje de azucares solubles de entre un 10-20% (w/w), por lo que es importante incidir en los métodos de estabilización y conservación.

En este periodo se ha avanzado en el screening de micoorgansmos productores de biopolimeros y sus precurosores seleccionados a partir del estudio de prospección, en este caso polihidroxialcanoatos (PHA) y succinato respectivamente. Se han realizado ensayos de producción de PHA empleando como fuente de carbono para la fermentación glucosa y fructosa, ya que son los monosacáridos que se prevé se presentarán en forma mayoritaria en la fracción rica en hidratos de carbono de la FORSU una vez que esta sea hidrolizada enzimáticamente. Los microorganismos estudiados son: Cupriavidus necator Pseudomonas putida, Pseudomonas oleovorans, Burkholderia cepacia y Paraburkholderia sacchari. Se ha estudiado el crecimiento de todas las cepas en medio mineral con glucosa y fructosa, respectivamente. A partir de las curvas de crecimiento obtenidas mediante recuento de microorganismos a distintos intervalos de tiempo, se observó que las cepas pueden crecer empleando como fuente de carbono tanto glucosa como fructosa a excepción de una de las cepas de C. necator, que no crece a partir de glucosa.

Por otro lado, mediante un método rápido de detección de PHA por tinción celular fluorescente específica e inspección al microscopio se han detectado las bacterias productoras de los bioplásticos. Finalmente, se cuantificó empleando cromatografía GC-FID la producción de PHB, un bioplástico representativo del grupo de los PHAs. Se encontró que algunas cepas, que inclyen P. sacchari, B. cepacia y C. necator son los mayores productores del monómero que compone los PHB cuando son crecidos con glucosa, mientras que a partir de fructosa los mayores productores son P. sacchari, y otras dos cepas de C. necator. Actualmente se encuentran en marcha los ensayos de tolerancia al hidrolizado de la FORSU, los resultados obtenidos hasta ahora muestran que las cepas candidatas para continuar avanzando con las tareas son P. sacchari y una de las cepas de C. necator.
A finales de año se realizaron las primeras pruebas de hidrolisis de la FORSU cuyos resultados han permitido establecer y mejorar los protocolos de trabajo para evitar contaminaciones microbianas y para elaborar la planificación de los ensayos de optimización de la hidrolisis enzimática en cuanto a selección de actividades enzimáticas adecuadas, dosificación y condiciones del proceso. En ese sentido, se contactaron distintos proveedores de enzimas para solicitar muestras de distintas actividades enzimáticas (amilasas, celulasas, proteasas, lipasas, etc.), para testarlas tanto durante el fraccionamiento de carbohidratos como en los fraccionamientos de la fracción proteica y la fracción lipídica.

Este proyecto constituye una vía innovadora de aprovechamiento de residuos dentro de la Comunidad Foral de Navarra, lo que además está reflejado en el grado de implicación y de colaboración entre los participantes del proyecto y de la Mancomunidad de la Comarca de Pamplona. El estudio de prospección combinado con la caracterización de la FORSU, considerando su complejidad y variabilidad, está permitiendo plantear procesos innovadores de aprovechamiento de la FORSU para incrementar su rentabilidad puesto que se trata de un material residual que genera problemas de gestión.

  • Año: 2018
  • Sector estratégico: #EnergíasRenovablesyRecursos
  • Líder del proyecto: CENER
  • Socios del proyecto: CNTA y UPNA