Ante el imparable crecimiento poblacional (para 2050 la población mundial se acercará a los nueve mil 500 millones de habitantes), el inminente agotamiento de combustibles fósiles, la generación y acumulación creciente de residuos y el cambio climático, son muchos los científicos, ambientalistas y tecnólogos que proponen un modelo de economía circular que ofrece una visión alternativa en la que los productos tengan mayor duración, se reutilicen y se reciclen.
Una de las maneras más innovadoras para avanzar hacia una forma circular de la economía es la creación de biorrefinerías. Esta opción tecnológica permite producir combustibles, químicos, y generar electricidad a partir de fuentes renovables como residuos sólidos o materiales orgánicos (biomasa).
Estas biorrefinerías, en contraposición a las refinerías petroquímicas convencionales, se caracterizan por llevar a cabo procesos ecoeficientes, de baja huella ambiental, con base en el uso de fuentes renovables de diferente tipología y preferentemente que no compitan con materias primas alimentarias. El fin de estas es la obtención de bioproductos que pueden ser tanto finales como intermedios, ya existentes o con funcionalidades diferentes o mejoradas.
Germán Buitrón Méndez, investigador de la UNAM, estudia desde hace muchos años el tratamiento de aguas residuales, así como los efluentes de desechos industriales, y se interesa en la recuperación de productos de valor agregado. Actor central en el Instituto de Ingeniería, unidad Juriquilla, Querétaro, pone atención en dos importantes agroindustrias regionales: la del vino y la del queso, que no solamente generan productos de alta calidad, empleos y ganancias económicas, sino también residuos industriales.
A partir de dichos residuos el ingeniero químico y un grupo de investigadores obtuvieron hidrógeno y metano, biocombustibles gaseosos útiles para producir electricidad. Los universitarios recuperaron el mosto o zumo de las uvas, así como su cáscara, además del suero de la leche resultante de la industrialización del queso, para en ambos casos darles valor agregado.
El efluente vitivinícola lo recogen durante la vendimia (de junio a noviembre) entre Tequisquiapan y Ezequiel Montes, zona donde se concentran las bodegas y viñedos, mientras que el resto del año extraen el suero de la leche para trabajar en el laboratorio y generar biogás que a su vez produce electricidad.
Buitrón Méndez explica en entrevista con Vértigo su innovador concepto, que va más allá de la convencional depuración de aguas: el suyo es el de la biorrefinería. “La planta de tratamiento se transforma en una biorrefinería y los efluentes de residuos son la materia prima con la que podemos obtener varios productos de valor agregado, sin abandonar la transformación del agua sucia en agua limpia. Pero no nada más agua limpia sino otras cosas. En nuestro caso es la generación de biocombustible gaseoso para la producción de electricidad”.
Cuenta el especialista que los efluentes agroindustriales de las empresas productoras de vino y queso tienen la característica particular de una alta concentración de materia orgánica apta para producir la mayor cantidad posible de biocombustibles y otros productos con valor agregado.
De igual forma indica que ya colectados los residuos se llevan al laboratorio del instituto, donde se procesan con microorganismos (bacterias y arqueas) en varios reactores y una planta piloto o biorrefinería. Los efluentes vitivinícolas vienen con un pH ácido, lo que es ideal para iniciar la labor en dos etapas: “En la primera producimos hidrógeno en condiciones ácidas en un reactor y ácidos grasos volátiles. El material viene también con mucho etanol, parte del cual se oxida y se forma ácido acético, propiónico y butírico e hidrógeno. Se cosecha el hidrógeno y los ácidos grasos se pasan al reactor formador de metano, donde la materia orgánica ya está más fácilmente asimilable”.
Productos con valor agregado
La innovadora idea de Buitrón Méndez es utilizar los biocombustibles gaseosos en las propias productoras de vino y queso para hacerlas autosuficientes en su producción de electricidad. Así los residuos industriales se aprovechan por medio de un proceso limpio y se les da valor agregado. Piensa el experto en tratamiento y gestión de desechos que en los próximos años en esta región productora de vinos y quesos se instale una biorrefinería que dé servicio a las distintas empresas vitivinícolas y queseras para el aprovechamiento de sus desechos industriales visualizados como biomasa y no como materia desechable.
“En la etapa acidogénica, donde generamos hidrógeno, usamos bacterias que gustan de pH ácidos, que es como viene el efluente. En el reactor metanogénico están las arqueas, que también son microorganismos y les gusta el pH neutro. En el reactor podemos darles esas condiciones”, comparte.
Lo de los microorganismos trabajando en los reactores está automatizado y controlado con un modelo matemático que sabe alimentar del primer reactor lo que necesita el segundo, con el objetivo de maximizar la producción de metano.
El proceso del hidrógeno es más rápido y con pH ácido, mientras el del metano es más lento y con pH neutro.
La aportación de Buitrón Méndez y su grupo fue automatizarlo y aprovechar al máximo la consecución de ambos gases.
El estudioso considera que hasta este momento se logró resolver de manera creativa el tratamiento más adecuado de los efluentes de vino y queso que debían neutralizarse, pero este proceso presentó muchas dificultades que felizmente se superaron. “De manera asertiva dividimos en dos etapas el procesamiento de toda la materia orgánica y los ácidos grasos. Al final alcanzamos la ventaja de que con este proceso se pueden operar altas concentraciones de biomasa presente en los efluentes y así maximizar la cantidad producida de biocombustible”.
Los expertos de la UNAM descubrieron en el transcurso de la investigación que en el primer reactor se logran también ácidos grasos a muy alta concentración y dentro de ellos hay unos ácidos de cadena media, como el caproico y caprílico, que tienen un valor agregado mucho mayor que los combustibles gaseosos.
Doctorado por el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Toulouse, Francia, puntualiza que para producir los ácidos caproico y caprílico se requieren ácido acético y etanol, elementos presentes en los efluentes vitivinícolas, porque los residuos continúan su proceso de fermentación. “Tenemos la materia prima para formar estos dos ácidos grasos de cadena media que tienen un alto valor agregado: sirven como complementos o suplementos de alimentación animal. Así las cosas, no solo tratamos el agua y obtenemos biogás, sino que también vamos a conseguir compuestos con un valor agregado más significativo. Es una realidad que estos productos se pueden vender a un valioso precio”.
Seguro de la viabilidad económica de la biorrefinería, afirma que varias empresas vitivinícolas y productoras de queso de la región se manifiestan interesadas en esta opción “cuyo propósito es el optimizar el uso de los recursos y minimizar el desperdicio, lo cual maximizaría los beneficios y la rentabilidad de la industria”.
Agrega que a nivel mundial las biorrefinerías no se pueden considerar tecnología emergente: su evolución tecnológica las convierte en una opción inmejorable de aprovechamiento energético de residuos por medio del cual se genera energía en forma de electricidad, calor o combustible. Tal proceso es fundamental para ser menos dependientes de los combustibles fósiles y reducir emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI).
Residuos, biomasa, gases y electricidad
En México una persona promedio genera basura equivalente a su peso corporal en dos meses (Semarnat).
Las entidades federativas que más residuos sólidos urbanos generan son Ciudad de México, Estado de México, Michoacán, Puebla y Chihuahua.
Se generan 104 millones 734 mil 930 kilos de residuos sólidos urbanos diarios en los 32 estados de la nación.
La degradación ambiental por residuos sólidos costó al país alrededor de 70 mil millones de pesos en 2018 (INEGI).
El potencial de generación eléctrica con biomasa de México es de casi cuatro mil MW, de los que 40% se pueden generar a partir de residuos durante los próximos diez años (Sener).
Se espera que para 2040, 40% de la inversión en gas esté concentrada en procesos renovables.
Los pronósticos indican que la instalación de biorrefinerías se incrementará 25% hacia 2025, particularmente en China, Estados Unidos y Brasil. En México, apenas arrancamos.