Desarrollo de nuevos sistemas de depuración de aguas mediante Filtros Verdes Flotantes (FVFs) y de producción de Bioetanol 2G de bajo coste y huella positiva de carbono

Las principales fuentes de agua para uso humano son lagos, ríos, la humedad del suelo y las aguas subterráneas poco profundas. La calidad del agua está sometida a la degradación natural, a procesos de eutrofización y al impacto de la actividad humana. Sin embargo, los problemas de calidad del agua pueden llegar a ser muy severos, como por ejemplo en aguas con contaminación difusa, aguas eutrofizadas, y en efluentes agro-industriales de alta carga orgánica procedente de explotaciones rurales aisladas. Estas aguas requieren la implantación de soluciones de depuración eficientes, de fácil mantenimiento y de bajo coste. En la actualidad, se están investigando diferentes formas sostenibles para mitigar la degradación de la calidad del agua, por ejemplo, con la fitodepuración y la fitorremediación.

La fitodepuración, uso de macrófitas acuáticas para reducir la contaminación de aguas residuales, es un tema ampliamente estudiado en el ámbito de los tratamientos extensivos del agua. Se trata de especies que contribuyen a la remoción de nutrientes en aguas eutrofizadas, que influyen de forma indirecta en la retención de metales absorbiendo iones, o de forma directa como bioacumuladores. También favorecen la sedimentación de partículas en suspensión ralentizando la corriente de agua, y reducen la re-suspensión al ofrecer protección contra el viento. En especial, Typha domingensis es una especie vegetal idónea tanto para su uso en humedales artificiales y filtros verdes, como para el aprovechamiento de su biomasa, debido a su alto contenido en carbohidratos: almidón en sus rizomas, y carbohidratos estructurales en la biomasa aérea, que pueden ser convertidos en azúcares fermentables de 2ª generación, para ser usados como materia prima para la producción de bioetanol u otros bioproductos de interés. Para abordar de forma eficiente estos procesos de transformación de la biomasa, la mejor solución es la aplicación del concepto de biorrefinería integrada, la cual permite el diseño de nuevos bioprocesos para llevar a cabo la síntesis de biocombustibles, productos químicos renovables y otros productos intermedios.

El Proyecto LIFE Biomass C+ (LIFE16 CCM/GR/000044) tiene como objetivo demostrar mejoras en las estrategias de mitigación del clima a través de la producción de biocombustibles sostenibles. Se utiliza infraestructura preexistente e infrautilizada y diversos tipos de masas de agua (canales y estanques de riego, lagos…) para producir biomasa con alto contenido de almidón que luego se convertirá en bioetanol. Para ello, el proyecto propone una innovadora tecnología verde, los Filtros Verdes Flotantes (FVFs) para cultivar T. domingensis en diversos cuerpos de agua. En la naturaleza está enraizada en el fango del fondo de masas de agua poco profundas, de curso lento, y en medios eutrofizados es altamente productiva. El hecho de que esté enraizada en el fondo dificulta el aprovechamiento de la biomasa subterránea (rizomas ricos en almidón y raíces). En cambio, en el Proyecto se cultiva en flotación, de manera controlada. La flotación permite una mayor eficiencia en la remoción de nutrientes de aguas eutrofizadas, y facilita la cosecha la biomasa sumergida, adicionalmente a la biomasa emergente. Además, una alta productividad en biomasa conlleva mayor captación de CO₂.

Los objetivos específicos del proyecto incluyen: (1) proporcionar un balance energético positivo en carbono, un ahorro en emisiones de GEI, y una mejora la calidad del agua y la biodiversidad local gracias a la acción de filtrado y descontaminación que tienen los FVFs; (2) desarrollar un método limpio y responsable para producir biocombustible a partir de biomasa acuática, evitando el uso de tierras agrícolas, y con un rendimiento potencial de almidón igual o superior al del trigo; (3) demostrar la aplicabilidad del proyecto a escala industrial, implementando los FVFs en diferentes cuerpos de agua para el cultivo y procesamiento de la biomasa generada a gran escala; (4) Demostrar su potencial de mercado y rentabilidad futura, contribuyendo a una economía de baja emisión de carbono y resiliente al clima. El Consorcio del Proyecto está formado actualmente por cinco instituciones: en Grecia CERTH (Coordinador del Proyecto) y HELPE; y en España UPM, CARTIF y VOLTERRA.

El Grupo de Agroenergética de la UPM es miembro fundador de BIOPLAT y participa como socio del Proyecto en todas las acciones del Proyecto Life Biomass C+, teniendo especial dedicación a las tareas de diseño de la estrategia de producción de biomasa, y de desarrollo y diseminación de la tecnología de FVFs en España. Entre los logros alcanzados por este Grupo en el marco del Proyecto, se destaca la organización del curso de formación y capacitación en la tecnología de FVFs, la producción de más de 70.000 plantas de T. domingensis, la implantación de FVFs en El Arenal y Madrid (con un área de influencia de cerca de 6.000 m²), y la producción, cosecha y entrega de 1 tonelada seca de biomasa sumergida (rizomas+raíces) a CARTIF para su procesado.

Por otro lado, CARTIF participa como socio en las tareas de desarrollo y escalado a nivel semi-industrial del procesamiento de la biomasa recolectada y del proceso de fermentación y purificación de bioetanol. El procesamiento consta de 4 etapas: homogeneización (secado y molido), hidrólisis enzimática del almidón, hidrólisis ácida diluida, e hidrólisis enzimática de la celulosa. Se han optimizado las condiciones de las distintas operaciones para maximizar la producción de azúcares, la fermentación anaerobia de los monosacáridos, y la destilación y deshidratación del bioetanol, llegando a obtener un producto final de una pureza entre el 97-99%. Estos procesos serán validados próximamente en un biorreactor piloto multi-propósito de 200 L.

El concepto Biomass C + ya se ha demostrado e implementado en muy tipos diferentes de cuerpos de agua (lagos, canales, estanques de riego, efluentes de explotaciones agrarias y agroindustrias), que suman un área de influencia de cerca de 13.000 m² en España y Grecia, y se ha demostrado que T. domingensis en medios eutrofizados mejora la calidad del agua. El Proyecto se ha presentado en 3 conferencias internacionales; asimismo, se han publicado 6 artículos y pósters. Para más información, puede consultarse la página web del Proyecto.

Agradecimientos: Proyecto co-financiado por la Unión Europea a través del programa LIFE (LIFE16 CCM/GR/000044).

Ana M. Lorenzo | Centro Tecnológico CARTIF

Raúl Piñero Hernanz | Centro Tecnológico CARTIF)

Mª Dolores Curt | Universidad Politécnica de Madrid