Biorefinerías a partir de lodos de EDAR. Gracia Silvestre
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- José Ángel Ortiz de Zárate Castellanos
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1 Biorefinerías a partir de lodos de EDAR Gracia Silvestre
2 BIOREFINERIA BIOECONOMÍA ECONOMÍA CIRCULAR
3 > Qué significa BIOECONOMÍA?. Economía que utiliza recursos biológicos terrestres o marinos, o residuos orgánicos, como base para la producción de alimentos y piensos, bioenergía y otros bioproductos. Sectores: agricultura, pesca, alimentación, papel y pasta de papel, y partes de las industrias química, biotecnológica y energética. Datos: millones de de ventas, 22 mill. de empleos, 9% total empleo en la UE.
4 2. BIOREFINERÍAS Una biorefinería consiste en el procesado sostenible de biomasa en un amplio espectro de productos de interés comercial (International Energy Agency, IEA). BIOMASA PROCESOS Residuos lignocelulósicos Lodos de EDAR FORM Subproductos industria alimentación BIOPRODUCTOS - Alimentos - Piensos - Fertilizantes - Productos químicos: biolubricantes, biopinturas, biorecubrimientos, bioresinas, bioadhesivos, etc. - Biomateriales: bioplásticos, biopolímeros, biocomposites, caucho, etc. - Compuestos bioquímicos carbohidratos, polifenoles, ácidos carboxílicos, esteres y ácidos grasos, proteínas, etc. Biológico Químicos Físicos Bioquímicos BIOENERGÍA - Electricidad - Calor - Biocombustibles: Sólidos: pellets y otros. Líquidos: bioetanol biodiesel biobutanol jet-fuel Gas: syngas biogás biometano biohidrógeno CO2
5 2. BIOREFINERÍAS BIOMASA PETRÓLEO BIOREFINERIA REFINERIA BIOECONOMÍA ECONOMÍA PETRÓLEO
6 2. BIOREFINERÍAS Las industrias tradicionales pueden convertirse en biorefinerías. INDUSTRIA ZUMOS NARANJAS ZUMOS SUBPRODUCTOS GESTIÓN EXTERNA NARANJAS ZUMOS SUBPRODUCTOS LIMONENO BIOGAS PIENSOS
7 Puede ser una EDAR una biorefinería?
8 2. BIOREFINERÍAS BASADA EN EDARS Agua Residual KgC/d KgN/d Agua Depurada KgC/d KgN/d Pretratamiento Decantador primario Reactor Aeróbico Decantador secundario Fango primario KgC/d 380 KgN/d Sedimentador primario Sedimentador secundario Fango secundario KgC/d 306 KgN/d Lodos deshidratados KgC/d 308 KgN/d Deshidratación Digestor anaerobio Biogas KgC/d Bio-productos de alto valor añadido
9 2. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS PLATAFORMA CARBOXILATOS Producción de AGV LODOS DIGERIDOS PLATAFORMA DIGERIDOS Producción microalgas Recuperación nutrientes DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS PLATAFORMA BIOGAS Producción de grafeno Metanol
10 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS PHA PRODUCCIÓN PHA LODOS MIXTOS FERMENTACIÓN ANAEROBIA AGV PRODUCCIÓN AGCM AGCM
11 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: FERMENTACIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS Pretratamientos Condiciones de operación - ph - Temperatura - TRH - SRT - VCO - Aditivos Fermentación anaerobia Ácidos grasos volátiles (AGV) - Concentración - Perfil Cultivos mixtos Subproductos materia prima Aplicaciones - PHA - Ácido capróico - Electricidad - Biogás - Hidrógeno - Lípidos para producción biodiésel - MO eliminación biológica nutrientes
12 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: FERMENTACIÓN ANAERÓBIA Digestión anaerobia como fuente AGVs Lodos Proteínas Carbohidratos Lípidos HIDRÓLISIS Amino ácidos Azúcares AGCL FERMENTACI ÓN NH + 4 VFA ACETATO CO 2, H 2, FÓRMICO ACETOGENESIS CH 4 & CO 2 METANOG ÉNESIS
13 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: FERMENTACIÓN ANAEROBIA Tiempo de retención hidráulico Kh (primer orden) Μ, Ks (crecimiento) S AGV CH 4 S TRH AGV/biogás Concentración AGV Biogás Tiempo de retención hidráulico
14 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: FERMENTACIÓN ANAEROBIA Perfil de ácidos grasos volátiles en función del ph Distribució ón DQO ph Zuhaida Mohd-Zaki et al (2016)
15 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: FERMENTACIÓN ANAEROBIA Perfil de ácidos grasos volátiles en función del ph Mezcla co-digestión (elevado componente fibra) Termófilo; TRH= 10 días; VCO: 14 Kg SV /m 3 d AGV (%) Distrubución 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ph Acético Butírico Propiónico
16 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS PHA PRODUCCIÓN PHA LODOS MIXTOS FERMENTACIÓN ANAEROBIA AGV PRODUCCIÓN AGCM AGCM
17 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: PHA Polihidroxialcanoatos - Los PHA pertenecen a la familia de los poliésteres biodegradables termoplásticos. - Se sintetizan mediante un proceso biológico a partir de bacterias que los acumulan en su interior cuando crecen a partir de sustratos ricos en carbono. Acético Polihidroxibutirato Propiónico Polihidroxivalerato Mix AGV Mejores propiedades comercialización
18 3. PLATAFORMA CARBOXILATOS: PHA Polihidroxialcanoatos - Condiciones de crecimiento desequilibradas. - Bajo la limitación de nutrientes. - PHA es almacenado en el interior de las células. - Estado amorfo y formando gránulos - Existen más de 300 especies almacenan PHA. Sequential batch reactor
19 4. PLATAFORMA CARBOXILATOS PHA PRODUCCIÓN PHA LODOS MIXTOS FERMENTACIÓN ANAEROBIA AGV PRODUCCIÓN AGCM AGCM
20 4. PLATAFORMA CARBOXILATOS: ELONGACIÓN Elongación de cadena basada en cultivos mixtos CONDICIONES ANAERÓBICAS Etanol AGV Clostridium kluyveri β-oxidación inversa Ácido Capróico (C6) Ácido Caprílico (C8) 6 Etanol + 4 acetato 5 butírico + H + + 2H 2 + H 2 O 6 Etanol + 5 butírico 1 acético + 5 capróico + H + + 2H 2 +H 2 O
21 4. PLATAFORMA CARBOXILATOS: ELONGACIÓN Elongación de cadena basada en cultivos mixtos - Usos antimicrobianos, inhibidores de la corrosión, precursores producción del biodiesel, producción bioplásticos - Baja solubilidad agua con lo que reduce los costes de separación downstream posterior. - Usos de residuos orgánicos para la producción de AGV. - Usos de etanol diluido procedente de residuos lignocelulósicos.
22 4. PLATAFORMA CARBOXILATOS: ELONGACIÓN Elongación de cadena basada en cultivos mixtos CONDICIONES DE OPERACIÓN Influente - AGV - Etanol -Nutrientes Efluente - AGCM - AGV - Etanol -TRC -TRH -Concentración AGV Clostridium kluyveri -Concentración etanol -Relación AGV/etanol -Temperatura -ph - Perfil AGV
23 3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS PLATAFORMA CARBOXILATOS Producción de AGV LODOS DIGERIDOS PLATAFORMA DIGERIDOS Producción microalgas Recuperación nutrientes DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS PLATAFORMA BIOGAS Producción de grafeno Metanol
24 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS PRODUCCIÓN MICROALGAS LODOS MIXTOS DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS DIGERIDOS NUTRIENTES
25 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Qué son las microalgas? Microorganismos capaces de realizar la fotosíntesis Requieren luz, agua, CO 2, y nutrientes minerales para su crecimiento. O 2 O 2 O 2 CO 2 N, P, K, Alta productividad de biomasa. Composición variable según especie y condiciones de cultivo. Proteína>Carbohidratos>Lípidos (biofertilizantes base aminoácidos, alimentación animal, bioproductos, biofuels )
26 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS LUZ +CO 2 +H 2 O+ NUTRIENTES BIOMASA +O 2 - La luz parámetro más importante en su crecimiento (180% incremento concentración de 6-12 horas) (38) - Temperatura 20-30ºC ALGA VERDE (Chlorphyta) AUTOTRÓFICAS ALGA ROJA (Rhodophyta) HETEROTRÓFICAS DIATOMEAS (Bacillariophyta) MIXTRÓFICAS especies de microalgas especies han sido investigadas y clasificadas
27 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Especie Sistemas de cultivos Productividad biomasa Medio cultivo Chorella vulgaris Fotobioreactor tubular 1,5 g/m 2 h Agua residual artificial Fotobioreactor flat-plate 1 g/l d Artificial Balsas de Raceway 40 mg/m 2 d Agua residual municipal Clorella sorokiniana Fotobioreactor flat-plate 7,7 g/m 2 h Deyecciones Fotobioreactor tubular 1.,47 g/ld Artificial inorgánico Balsas de Raceway 0,35 g/ld - Fotobioreactor flat-plate 2,7g/Ld - Fotobioreactor tubular 1,02g/Ld - Scenedesmus obliquus Fotobioreactor flat-rate 100 mg/m 2 d Agua residual artificial Spirulina platensis Receway balsas g/m 2 d Artificial ESPECIES ADAPTADAS AL MEDIO
28 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Parámetros Unidades Digerido EDAR Óptimo Sólidos totales g/l 28 ± 3 2,1 ± 0,1 Sólidos volátiles g/l 15 ± 3. DQO gdqo/l 18 ± 4 - Nitrógeno total mgn/l 2750 ± ± 5 Amonio mgn/l 1450 ± ± 5 Fósforo total mgp/l 480 ± ± 15 Ortofosfato mgp/l 31 ± ± 15 CaCO3 mg/l 3780 ± ± 18 ph - 7,9 ± 0,2 6,9 ± 0,1 Conductividad ms/cm 5,4 ± 0,9 3,2 ± 0,1 Densidad óptica 440 nm - 0,459 ± 0,02 0,002 ± 0,01 Concentración de nutrientes (NPK, microelementos) N orgánico N amoniacal Estabilización materia orgánica Sólidos en suspensión, turbidez Necesidad de dilución Biomasa microbiana
29 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Canales por donde circula microalgas, nutrientes y agua Rueda agitación Simplicidad, menores costes de operación, construcción m largo 1-10 m ancho 0,25-0,30 m profundidad - Dilución lluvias, evaporación calor - Contaminación especies externas - La densidad celular es baja Eliminación nutrieres aguas residuales- producción algas fines energéticos -Mejoras diseño zonas muertas -Reducción coste energético de la rueda
30 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Tubos transparente de vidrio o plásticos Mejor control de parámetros Menor contaminación otras especies Homogenización radiación solar - Más elevados costes de operación, construcción - Problemas ensuciamiento de los tubos Aplicaciones de alto valor añadido- farmacéutico, cosmético o alimenticio - Diseño de fotobioreactores
31 5. PLATAFORMAS DIGERIDOS: MICROALGAS Lodos mixtos DIGESTOR ANAEROBIO S/L CH 4 CO 2 Microalgas Especie Producción CH 4 (m 3 /Kg) Dunaliella slina 0,5 Ulva sp. 0,200 Eglena gracilis 0,48 Gracilaria sp. 0,28-0,40 Chamydomanas 0,58 Chlorella vulgaris 0,24 Laminaria sp 0,28 Scenedesmus sp. 0,22 Arthrospira platensis 0,48 Chlorella sp. 0,41 Scenedemus obliquus 0,28 FS FL NECESIDAD DE PRETRATAR LAS MICROALGAS (TÉRMICO, ULTRASONIDOS, ETC.)
32 3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS PLATAFORMA CARBOXILATOS Producción de AGV LODOS DIGERIDOS PLATAFORMA DIGERIDOS Producción microalgas Recuperación nutrientes DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS PLATAFORMA BIOGAS Producción de grafeno Metanol
33 6. PLATAFORMAS BIOGÁS El metano del biogás puede ser empleado como plataforma para la obtención de compuestos bioquímicos CH 4 GRAFENO PHA METANOL Aún queda mucho que investigar en el campo de la química del metano para hacerlo de modo económicamente favorable.
34 6. PLATAFORMAS BIOGÁS: METANOL METANOL químico básico; éter dimetil y biodiesel Síntesis gas (CO+H 2 ) (elevados consumos energéticos, baja conversión; elevados costes inversión) METANOL VÍA BIOLÓGICA: No necesidad de purificar el biogás Estrategia almacenar y transportar el biogás METANOTRÓFICAS (bacteria aeróbica) aislada en suelos, campos de gas natural, instalaciones de tratamiento de residuos, DA con elevadas concentración H 2 S Adición de inhibidores para evitar la oxidación biológica del metanol a CO 2 (NaCl, fosfato, ácido fórmico) Methylosinus trichosporium OB3b alta concentración de fosfato; Conversión del 60% del metano; 0,95 g/l de metanol; Reactor aeróbico de membrana DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS CONVERSIÓN BIOLÓGICA METANOL DA H 2 S stress Zhang et al. (2016) Process Biochemistry
35 6. PLATAFORMAS BIOGÁS: GRAFENO Cristal de carbono en el que los átomos están dispuestos en un plano de forma hexagonal. Los materiales basados en grafeno tienen múltiples aplicaciones: Electrónica, Almacenamiento de energía Componentes aeronáutica Catálisis Adsorción, separación y detección de gases.
36 6. PLATAFORMAS BIOGÁS: PHA El microorganismo Methylosinus trichosporium OB3b muestra un potencial prometedor como plataforma para obtención de polihidroxialcanoatos (PHAs) a partir de metano gas o metanol. Nielsen and Miller (2014)
37 3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS LODOS DIGERIDOS DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS
38 3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA LODOS MIXTOS CAPRÓICO FERMENTACIÓN ANAEROBIA AGV L SEPARACIÓN S/L S L CH 4 PHA METANOL LODOS DIGERIDOS DIGESTIÓN ANAEROBIA BIOGAS SEPARACIÓN CH 4 /CO 2 CH 4 SEPARACIÓN S/L S L MICROALGAS CO 2 GRAFENO COMPOST
39 Muchas gracias por su atención Gracia Silvestre
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