Nuevos avances en digestión anaerobia: uso de nanomateriales para aumentar la producción de biogás Eudald Casals 1, Raquel Barrera 2, Xavier Font 2, Víctor Puntes 1, Antoni Sánchez 2 1) Institut Català de Nanotecnologia (ICN) 2) Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
Precedentes En la actualidad, existen ya muchos trabajos publicados sobre los posibles efectos adversos de los nanomateriales en dos grandes ámbitos: 1) Salud humana 2) Impacto general sobre el medio ambiente
Precedentes El trabajo actual se engloba dentro del proyecto NANOCLEAN (ya finalizado), en el que uno de los objetivos principales es la evaluación de la toxicidad de las nanopartículas inorgánicas y sus derivados, y tuvo su continuación con un proyecto de la Fundación Bill&Melinda Gates (Increasing the production of biogas from sludge and other organic solid wastes using low cost iron oxide biocompatible nanoparticles).
Precedentes En estos proyectos, se intentaba investigar la toxicidad de distintas nanopartículas usadas en remediación ambiental, utilizando tests (más o menos) estandarizados: Microtox, Daphnia magna, etc. y ensayos específicos en poblaciones microbianas típicamente presentes en EDARs. En concreto se trabajó con respirometrías para poblaciones aerobias y tests BMP en consorcios anaerobios.
Metodología En los tests de tipo BMP, se utilizaron inóculos extraídos de depuradoras próximas, celulosa como substrato conocido que implique todas las etapas de la degradación anaerobia de la materia orgánica, y la presencia o no de nanopartículas de distinta formulación química: Au, Ag, TiO 2, Fe 3 O 4, CeO 2, etc.
Metodología Las nanopartículas fueron seleccionadas por su interés comercial y aplicaciones conocidas, ya que se suponía que uno de sus posibles destinos serían las aguas residuales. En todos los casos, las nanopartículas fueron sintetizadas en el momento de su uso (se tienen bastantes dudas de la reproducibilidad de las nanopartículas comerciales vendidas en forma sólida).
Metodología Ejemplo: nanopartículas de óxido de hierro una vez sintetizadas
Metodología Ejemplo: nanopartículas de Au en contacto con microorganismos anaerobios
Metodología Condiciones de los ensayos BMP: 1) Condiciones mesófilas. 2) Experimentos en cámara termostatizada en reactores estáticos y discontinuos con agitación diaria. 3) Seguimiento diario de la producción de biogás y cada 3 4 días de la proporción de metano en biogás. 4) Caracterización del digestato final.
Resultados Los resultados obtenidos para las distintas nanopartículas dependían fuertemente de su naturaleza, desde no observarse ningún efecto a tener un carácter claramente inhibitorio, como se observa en el siguiente gráfico:
Resultados Biogas production (NmL/g VS) 600 500 400 300 200 100 Mesophilic Thermophilic 0 Control CeO2 Ag Au TiO2 Nanoparticle
Resultados En cambio, y sorprendentemente, en el caso de las NPs de óxido de hierro (Fe 3 O 4, magnetita) se observó un incremento muy destacado de la producción de biogás (alrededor del 200%). Estos experimentos fueron replicados 3 veces con nanopartículas de nueva síntesis (1 triplicado en cada experimento), con resultados muy parecidos.
Resultados
Resultados En las siguientes figuras, se presentan algunos datos que pueden explicar este fenómeno, relacionadas básicamente con el comportamiento y características de las nanopartículas en condiciones estrictamente anaerobias.
Resultados Se estudió la disolución de NPs en diferentes ambientes. De los resultados se deduce que un ambiente anaerobio preserva el tamaño y la existencia de NP de 7 nm. La concentración de NPs es un factor crítico, actualmente se está trabajando en reducir estos márgenes tan acotados, con resultados positivos. El tamaño de las NPs aparece como parámetro decisivo para su efectividad, factor que apoya la importancia del efecto de dilución de los iones de hierro.
Resultados Otro punto importante es observar como las NPs no cambian de tamaño (distribución) en el digestor, cosa muy poco probable en NPs comerciales, que sufren graves problemas de agregación.
Resultados Existe más información de caracterización química de las nanopartículas, utilizando técnicas avanzadas, para lo que trabajaron distintos Grupos. Para aquel que quiera consultarla, se encuentra disponible en: Programmed Iron Oxide Nanoparticles Disintegration in Anaerobic Digesters Boost Biogas Production. Casals, E., Barrena, R., García, A., González, E., Delgado, L., Busquets Fité, M., Font, X., Arbiol, J., Glatzel, P., Kvashina, K., Sánchez, A., Puntes, V. Small. 14, 10, 2801 2808 (2014).
Resultados Como otros resultados cabe remarcar que: 1) La proporción de biogás en los experimentos con NPs superó en todos los casos el 60%, ligeramente superior a los experimentos tipo control, aunque las diferencias no eran estadísticamente significativas. 2) El digestato tenía unas propiedades parecidas en ambos casos, destacando la elevada estabilidad del digestato obtenido con NPs.
Conclusiones Se ha podido demostrar que: 1) La presencia de nanopartículas de óxido de hierro aumentan significativamente la producción de biogás utilizando celulosa como substrato. 2) Una posible hipótesis es el hecho de que la lenta disolución de las nanopartículas permite un suministro continuo de hierro a los microorganismos. 3) La mejora en substratos complejos como lodos de depuradora está actualmente en estudio, así como su posible recuperación dado su carácter magnético. 4) Evidentemente, el punto clave del desarrollo final de la tecnología será un balance económico.
Situación actual Los resultados obtenidos han permitido la creación de una spin off UAB ICN, basada en un patente: Applied Nanoparticles S.L.: http://www.appliednanoparticles.eu/ Actualmente, esta empresa está trabajando con empresas del sector para el desarrollo industrial de la tecnología, y fue seleccionada en 2014 por el Fondo de Emprendedores de la Fundación Repsol.
Muchas gracias por su atención. antoni.sanchez@uab.cat