¿Cómo aprovechar las emisiones de gases de efecto invernadero?

Imaginar un futuro en el que las emisiones de gases de efecto invernadero (GEIs) pasen a ser corrientes eficazmente empleadas como recursos en la generación de materiales o productos de alto valor se acerca cada vez más a la realidad. La valorización de estas corrientes gaseosas lleva años cobrando fuerza como parte de procesos biológicos sostenibles siendo, por tanto, una alternativa a las tecnologías tradicionales de eliminación de estos. Son las denominadas biorrefinerías de GEIs. Te contamos tipos de biorrefinerías, los bioproductos que pueden obtenerse a través de ellas y, un ejemplo de biorrefinería en la que estamos trabajando.

En este contexto aparecen las biorrefinerías de GEIs, estructuras integradas donde tienen lugar procesos biotecnológicos de transformación de estos gases, mediante el uso de microorganismos, en una biomasa asociada a bioproductos de alto valor añadido con interés en el mercado. Durante las últimas décadas estos tratamientos biológicos se han posicionado como tecnologías prometedoras, no sólo por su eficiencia sino también por su facilidad de integración dentro de modelos de economía circular. Los microorganismos empleados en estos sistemas son, en su mayoría, capaces de trabajar a presión y temperatura ambiente y, por ende, con menores requerimientos energéticos que los tratamientos físico-químicos de eliminación de GEIs.

Sin embargo, el reto de estas tecnologías se encuentra en profundizar el conocimiento de la microbiología de estos procesos, y en desarrollar sistemas que maximicen la transferencia de gases para garantizar altos rendimientos a gran escala.

Bioproductos de valor añadido que pueden obtenerse en estas biorrefinerías

El desarrollo de biotecnologías de bioconversión de gases C1 ha avanzado notoriamente en los últimos años, puesto que resulta sencillo crear valor añadido a partir de la bioconversión directa de corrientes de metano (CH₄) o CO₂ en determinados bioproductos, en industrias del sector alimentación y bebidas, plantas de gestión de residuos, o plantas de biogás o bioetanol.

Algunos de los bioproductos que más se han estudiado en lo referente a biorrefinerías de CH₄ son:

• Los biopolímeros o polihidroxialcanoatos (PHAs), una de las opciones de valorización de CH₄ más estudiadas, principalmente, por tratarse de una alternativa más sostenible a los análogos petroquímicos convencionales (polietileno, polipropileno).
• La ectoína, iminoácido cíclico que estabiliza eficazmente a enzimas, ácidos nucleicos y complejos ADN-proteína. Comercialmente es un bioproducto de alto valor para la industria farmacéutica, siendo la industria cosmética su principal área de aplicación.
• Los compuestos antibacterianos producidos por algunos cultivos metanotróficos (como Methylocystis minimus y Methylobacter luteus), con un alto potencial para luchar frente a la resistencia a los antibióticos.
• La Proteína unicelular microbiana, también conocida como Single Cell protein (SCP), lidera un extenso campo de investigación a nivel industrial y académico. Se trata de uno de los productos más avanzados dentro de las biorrefinerías de metano y cuenta con una excelente aceptación en el mercado de la acuicultura, maricultura y la alimentación animal. Existen productos comerciales producidos con metanótrofos, como la proteína FeedKind™ (Calysta, Estados Unidos) y Uniprotein™ (Unibio A / S, Dinamarca), aprobados por la EU (Directiva 95/33/EC) para su uso en piensos proteicos para salmón y ganado.

Figura 2: Biomasa rica en proteína de Uniprotein®. Fuente: Unibio.

Alternativas para reducir la dependencia del petróleo y el gas fósil para la producción de productos químicos

Respecto a las biorrefinerías de CO₂, existen multitud de tecnologías para su captura y utilización (CCU). Además de las más ampliamente conocidas, que son aquellas cuyos productos finales son los biocombustibles, los procesos de CCU que utilizan CO₂ como materia prima brindan otra alternativa para reducir la dependencia del petróleo y el gas fósil para la producción de productos químicos y otros materiales. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son:

• La producción de biocombustibles: El caso de metanol a partir de CO₂ ha sido ampliamente desarrollada hasta llegar a niveles como el de la planta de Carbon Recycling International. Esta planta se ha desarrollado en un proyecto que aspira a lograr una capacidad de producción anual de 110.000 toneladas (330 toneladas por día). https://www.carbonrecycling.is/news-media/co2-to-methanol-reactor-installed-in-anyang
• Diferentes biopolímeros han sido producidos a partir de tecnologías de CCU y, como ejemplo de esto, resulta interesante el caso de la empresa alemana Covestro que, tras lograr fibras textiles y espumas para colchones, en 2021 reportó la consecución de surfactantes a partir de CO₂ con buenas propiedades de lavado y biodegradabilidad.
• También cabe destacar la obtención de ácidos orgánicos, como el ácido fórmico mediante conversión electroquímica, o el ácido succínico, mediante fermentación bacteriana. Este tipo de bioproducción, que culminan con compuestos de interés para la industria química, se encuadran en las tecnologías Gas2Chemicals.

Figura 3: Esquema de bioconversión del CO2. Fuente: CO2Value.

Gas2Chemicals: NEOSUCCESS

El proyecto de NEOSUCCESS, dentro del programa H2020 de Innovación y Desarrollo de la Unión Europea, tiene el foco en el escalado y la introducción en el mercado de una unidad industrial contenerizada capaz de acometer de forma simultánea los procesos de purificación de biogás a biometano y la producción de ácido biosuccínico de 2ª generación.

AINIA, como entidad subcontratada por IVEM y NORVENTO, actúa como socio estratégico de innovación apoyando en las labores técnicas y de comercialización de la tecnología.

La tecnología en la que se apoya este ambicioso proyecto se basa en el uso de una cepa bacteriana con capacidad para fijar CO₂ de la corriente de biogás, purificándolo así a biometano, y metabolizar azúcares presentes en residuos azucarados por fermentación a una mezcla de ácidos entre los que se encuentra el ácido biosuccínico.

Tras un arranque tardío a causa de la pandemia causada por la COVID-19, el proyecto de NEOSUCCESS continúa alcanzando hitos en su segundo año. Durante 2022, las universidades socias del proyecto, DTU y AUTH, han acelerado su investigación en la tecnología mediante pruebas de laboratorio y optimizaciones enfocadas en intentar conseguir una cepa bacteriana mejorada que permitirá tasas mayores de biometano y ácido biosuccínico. A su vez, el diseño y los parámetros de proceso fueron ajustados, como elemento clave para el posterior pilotaje de la subunidad industrial en las instalaciones de la EDAR de Paterna (Valencia).

Por otro lado, las ingenierías miembros del consorcio, IVEM y NORVENTO, han conseguido finalizar la puesta en marcha del UpStream (USP) y DownStream (DSP). Después de instalar la subunidad DSP en el primer trimestre de 2022, se han ejecutado las primeras pruebas con el residuo azucarado proporcionado por una fábrica de dulces. Tras ellas, se espera que el resto de ensayos arrojen las cifras que consoliden esta tecnología como una potente herramienta de economía circular.

ODS en las biorrefinerías de GEIs

Con las tecnologías de bioconversión de gases, pilar base de estas biorrefinerías, se contribuye a ODS tales como el 7 (Energía asequible y no contaminante), el 9 (Industria, innovación e infraestructura), el 11 (Ciudades y Comunidades Sostenibles) o el 13 (Acción por el clima), entre otros.