El aumento de los gases de efecto invernadero, como el CO2 y el metano, plantea retos urgentes para la sostenibilidad global. Sin embargo, también abren la puerta a innovaciones en captura y valorización, permitiendo convertir estos gases en recursos valiosos. En este contexto, el proyecto COMBOI trabaja en soluciones pioneras para transformar el CO2 y el metano en bioproductos como bioplásticos, proteínas alternativas y biometanol, contribuyendo a la reducción de emisiones y al desarrollo de una economía circular.
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Según el último boletín de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) acerca de los gases de efecto invernadero (GEI) publicado en octubre de 2024, los niveles de estos gases en la atmósfera alcanzaron un nuevo récord en 2023, contribuyendo a un aumento de la temperatura media del planeta y, por ende, al cambio climático. En sólo 20 años, se ha producido un incremento del 11,4% de CO2 en la atmósfera. Mientras continúen las emisiones, los GEI seguirán acumulándose y el problema se agrava debido a que estos gases, especialmente el CO2, se acumulan y permanecen en la atmósfera durante períodos extremadamente prolongados, de manera que, aunque las emisiones disminuyeran drásticamente, los efectos de estos gases en el planeta perdurarían durante decenas e, incluso, cientos de años.
Entre los diversos GEI, el CO2 y el metano destacan por ser de los más abundantes en la atmósfera. Las fuentes de emisión de estos gases se relacionan principalmente con la actividad humana, destacando la quema de combustibles fósiles, industrias como las cementeras, actividades agrícolas y ganaderas, y el tratamiento de residuos. Estos gases, además, son de especial interés debido que son los principales componentes del biogás, potente vector energético derivado de procesos de digestión anaerobia.
Ante esta emergencia climática, hay una necesidad real de mitigar los niveles de los GEI y un reclamo de incorporar nuevos bioprocesos sostenibles en las industrias que conduzcan a la reducción de estos gases para seguir el modelo de economía circular. El proyecto COMBOI surge como solución prometedora para el desarrollo de nuevas estrategias de captura y transformación de estos gases a bioproductos de alto valor.
Tecnología innovadora para la captura de CO2 aplicada a corrientes de gases reales
Las tecnologías de captura y utilización de carbono (Carbon Capture and Utilisation, CCU) y de captura y almacenamiento de carbono (Carbon Capture and Storage, CCS) desempeñan un papel cada vez más importante en la descarbonización industrial. La eficiencia de los procesos de captura disponibles está ligada a dos parámetros: la presencia de interferentes en el método de captura y la concentración del CO2 en la corriente a tratar.
Tradicionalmente, la mitigación del CO2 se ha enfocado en aquellas industrias que emiten grandes cantidades y concentraciones de este gas, como las cementeras. Sin embargo, existen otros muchos procesos que generan corrientes gaseosas con CO2 y cuya mitigación no ha sido abordada debido, principalmente, a su baja concentración comparado con otras fuentes. En las corrientes diluidas, la captura de carbono supone un reto tecnológico debido a la baja concentración del gas de interés y al mayor peso de interferentes.
Actualmente, se está poniendo énfasis en dos tecnologías destinadas al tratamiento de corrientes diluidas de CO2: adsorción electro-swing y adsorción con zeolitas. Ambas se encuentran poco desarrolladas y es con el empleo de las zeolitas donde se han observado resultados más prometedores hasta la fecha. Las zeolitas pueden ser naturales o modificadas sintéticamente y estas últimas, a pesar tener un coste superior a las naturales, presentan una mayor capacidad de adsorción. En el proyecto COMBOI se evalúa experimentalmente el proceso de captura de CO2 con zeolitas sintéticas en corrientes de gases reales en los que el CO2 no es el gas predominante, como es el caso del biogás. Una vez capturado, las zeolitas se someten a tratamientos de desorción del CO2 con el fin de evaluar el rendimiento en la recuperación de este gas y la capacidad de regeneración de las zeolitas.
Por otro lado, la actividad microbiana durante la digestión anaerobia produce compuestos, como el H2S, en el biogás y que pueden interferir en el proceso de captura de CO2. En este contexto, los bacteriófagos (virus que infectan bacterias) son de gran potencial como herramienta de biocontrol bacteriano. El proyecto COMBOI aborda esta estrategia de biocontrol en el proceso de digestión anaerobia. La coexistencia de estos microorganismos productores de interferentes y bacteriófagos puede mejorar del proceso de purificación (upgrading) in situ de biogás y, en consecuencia, facilitar la posterior captura de CO2.
Estrategias para la valorización biológica del CO2 y del metano a productos biobasados
De entre las diversas vías de valorización del CO2 y del metano, las estrategias microbiológicas están cobrando más relevancia por su gran potencial en la obtención de diversos productos biobasados, lo que, además de contribuir a mitigar el efecto de estos gases, promueve un ecosistema sostenible.
El proyecto COMBOI investiga vías alternativas y/o complementarias al uso del biogás como vector energético a través del aprovechamiento integral tanto del CO2 y del metano, como del H2 que se genera en pequeñas cantidades cuando la digestión anaerobia se configura en dos fases (acidogénica y metanogénica). La valorización de estos gases está enfocada a la obtención de tres productos biobasados de elevado valor en la industria:
- Polihidroxialcanoato (PHA), como alternativa biodegradable al plástico. Ciertos microorganismos son capaces de acumular gránulos de estos biopolímeros en su interior como fuente de energía almacenada. Uno de los microorganismos más destacados es Cupriavidus necator, bacteria oxidante del H2 (hydrogen-oxidizing bacteria, HOB) capaz de fijar CO2 siempre que en el medio esté presente el H2 y de acumular este tipo de biopolímeros. Una vez acumulados, en el proyecto se estudian diferentes metodologías de extracción de PHAs, entre las que se encuentra el uso de green-solvents como alternativa sostenible.
- Proteína microbiana (o single-cell proteins, SCPs), como fuente de proteína alternativa. Las SCPs derivadas de bacterias se usan extensamente en la alimentación animal, presentando ventajas frente a las proteínas derivadas de hongos, levaduras y algas debido a su mayor contenido proteico y a su mejor digestibilidad. En COMBOI se investigan dos estrategias innovadoras para su producción:
- La primera estrategia implica el empleo de bacterias como Cupriavidus necator capaces de acumular proteína a partir de CO2 e H2.
- La segunda estrategia implica el cultivo de cianobacterias para la conversión del CO2 y su uso combinado en con bacterias metanótrofas para la conversón conjunta del CO2 y del metano a proteína.
Ambas estrategias serán validadas con corrientes derivadas de un entorno real, es decir, a partir de los gases derivados de la digestión anaerobia en dos fases: acidogénesis (CO2 e H2) y metanogénesis (biogás: CO2 y metano).
- Biometanol, como alternativa sostenible al metanol convencional. El metanol es un potencial biocarburante debido, entre otras razones, a su elevado octanaje. Además, es un precursor de químicos como el ácido acético, el dimetil éter, la monometilamina o la olefina, químicos con alto valor añadido en un amplio abanico de industrias. En los últimos años, se ha acentuado el estudio de tecnologías biológicas gas-to-liquid como vías prometedoras en la conversión de metano a metanol. Esto se debe a que el proceso convencional, basado en reacciones termoquímicas catalíticas, es mucho menos sostenible. La alternativa biológica conlleva el uso de microorganismos específicos, como Methylococcus capsulatus, que utilizan el metano como única fuente de carbono y energía. En COMBOI se investiga la viabilidad de este proceso biológico y en condiciones de trabajo reales trabajando en modo de alimentación semicontinuo.
Por todo ello, el proyecto COMBOI contribuye a reducir el impacto medioambiental de los GEI y a potenciar la economía circular. Además, los avances en este campo permitirán el desarrollo e implementación de tecnologías innovadoras en distintos sectores industriales, haciéndolos más sostenibles y menos contaminantes, lo que favorecerá el posicionamiento de la Comunidad Valenciana como referente innovador en la reducción y valorización de los GEI.
