Sistemas biológicos anaerobios para tratar aguas residuales industriales

Las nuevas tendencias de sustentabilidad están incentivando a que compañías en todo tipo de ramos implementen sistemas de tratamiento de aguas para limpiar sus efluentes industriales.

Los siguientes tipos de empresas pueden sacarle mucho provecho a los sistemas anaerobios con lodos activados:

• Lecheras
• Productores de comida
• Productores de bebidas alcohólicas
• Farmacéuticas
• Papeleras

Los sistemas anaerobios biológicos utilizan reacciones enzimáticas en las que bacterias metanogénicas convierten los componentes orgánicos disueltos en las aguas en metano y en lodos activados.

El biogás, que se produce en estos sistemas, se puede aprovechar para ponerlo en calderas o en generadores eléctricos. Esta energía renovable puede reducir costos de producción. Asimismo, al utilizar este biocombustible se puede aplicar para recibir créditos de carbono que pueden darle al proyecto valor agregado.

Otra ventaja de usar sistemas anaerobios es que se reduce muchísimo el consumo de energía eléctrica a comparación de utilizar sistemas aerobios. Los sistemas aerobios utilizan sopladores de aire para llevar a cabo las reacciones enzimáticas mientras que los sistemas anaerobios se mantienen libres de oxígeno y no requieren esos compresión de aire.

Finalmente, el manejo de lodos en el sistema es mucho más sencillo debido a que se producen el 10% de los que se produciría con un sistema aerobio y los lodos pueden ser utilizados directamente como fertilizante.

El futuro de la BioEnergía: Las Micro-Algas

Hace miles de millones de años la atmósfera de la tierra estaba llena de bióxido de carbono (CO2). Por lo que se pueden imaginar, no había vida en el planeta. La vida en este planeta comenzó con la aparición de bacterias (cyanobacterías http://es.wikipedia.org/wiki/Cyanobacteria) y algas.

Esto tuvo un efecto de reducción del CO2 de la atmósfera y también de la producción de oxígeno. Sin estos dos organismos, difícilmente hubiese sido posible tener vida en la tierra.

Como podemos inducir, amables lectores, tanto las algas como los cultivos de biomasa (e.g. maíz, caña de azúcar, canola, celulosa, etc) toman los rayos ultravioletas irradiados por nuestro sol para producir aceites, carbohidratos y proteínas (http://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis).

Entre más eficiente sea un cultivo en convertir la energía solar en energía química más eficiente será para ser utilizado como materia prima para producir biocombustibles (bioetanol, biodiesel, biogás, biohidrógeno, etc).

Una hectárea de una granja de algas puede producir cerca de 10 a 100 veces más aceite que cualquier otro cultivo concocido (A. Demirbas, Fatih Dermirbas Algae Energy, Springer).

Ahora, no todo es color de rosa, para poder producir cantidades industriales de micro-algas se necesita de tres elementos:

1. Mucha luz solar
2. Fuente constante y concentrada de CO2
3. Agua

Mas sin embargo, estas pueden ser buenas noticias debido a que es posible utilizar los foto-biorreactores de algas (reactores biólogicos diseñados para producir algas y para permitir la entrada de rayos ultravioleta) para limpiar aguas residuales contaminadas con macro-nutrientes como fósforo y nitrógeno. Asimismo, se pueden utilizar los gases de combustión de una fábrica o central eléctrica que utiliza combustibles fósiles para limpiarlos y para convertirlos en bio-combustibles (Carlsson et al, 2007).

Lógicamente, como se deben de estar preguntando, al purgar o limpiar gases de efecto invernadero de la combustión de combustibles fósiles no se está evitando que esto mismos lleguen eventualmente a la atmósfera. Hay gente que argumenta que por lo menos se está haciendo más eficiente esta combustión.

Hay varios retos que se presentan al producir micro-algas:

• Los altos costos de separación cuando se cosechan de la solución acuosa que pueden terminar siendo de entre 20 o 30% del costo de producción (Molina Grima et.al)
• La alta demanda de macro-nutrientes en especial nitrógeno
• La fácil contaminación de los reactores con microorganismos que inhiben la producción de aceite (principalmente en reactores abiertos)
• Las tecnologías de algas para producción masiva están todavía en pañales

Estás tecnologías que parecen un poco futurísticas no están tan lejos de ser tangibles en el mercado energético. Hay varios indicios que las compañías y los gobiernos en el mundo se están convenciendo que la suficiencia energética y la sustentabilidad van a ser unas de las principales preocupaciones de la raza humana en la primera mitad del siglo 21.

Dos ejemplos muy concretos de esto son:

1. El vuelo de United (Houston - Chicago) de otoño del 2011 el cual utilizo una mezcla de turbosina y de combustible para jets producido a base de aceite de algas (http://money.cnn.com/2011/11/07/news/companies/airline_united_biofuel/index.htm)
2. El anuncio de la marina de EE.UU. que planea utilizar bio-combustibles para tener independencia energética de combustibles fósiles extranjeros (http://cleantechnica.com/2011/11/29/u-s-navy-conducts-its-largest-algae-biofuel-test-ever/ )

Para concluir, mis valientes lectores (más bien pacientes :)), me parece fascinante el potencial de estas tecnologías de micro-algas (de biocombustibles de tercera generación) para producir bio-energía y productos bio-químicos de alto valor agregado.

Ing. Rafael V. Monroy

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Prácticas sustentables - Digestión de desechos sólidos de supermercados para producir biogás

Los supermercados generan grandes cantidades de desperdicio. Los alimentos perecederos que terminan sin venderse, se mandan a tiraderos de basura y a rellenos sanitarios. En la mayor parte de los casos estos tiraderos no aprovechan su metano y terminan emitiéndolo a la atmósfera (el CH4 es 21 veces peor para el cambio climático que el CO2).

Sin embargo, en muchos casos como Inglaterra y los EE.UU. (caso de Sainsbury), se están considerando otras opciones para estas fuentes de biomasa.

Estos desechos orgánicos pueden ser triturados y luego digeridos por lodos anaerobios (mesofílicos o termofílicos) en reactores anaerobios de baja tasa o reactores de membranas para producir biogás que es típicamente 65% rico en gas metano. Este metano es utilizado en sistemas de aprovechamiento para producir calor o energía (se quema en calderas o en generadores de electricidad). Los lodos anaerobios de desecho que se producen tienen un crecimiento muy moderado, a comparación de los sistemas de tratamiento aerobios, y pueden ser utilizados como fertilizante rico en nutrientes.

Con prácticas de este tipo, se pueden emplear una parte importante de los desechos de nuestras cadenas productivas para producir energías renovables y reducir nuestro impacto al ambiente.

Producción de biodiesel y captura de CO2 de una planta eléctrica convencional.

Durante el debate sobre la reducción de gases carbónicos de efecto invernadero se han propuesto diversas teorías y tecnologías que pueden llegar a reducir el impacto de los combustibles fósiles.

Un ejemplo de esto es la propuesta de secuestrar los gases de combustión de estaciones termoeléctricas. Se ha propuesto que el CO₂ que normalmente es emitido a la atmósfera sea inyectado en los mantos subterráneos del fondo de los océanos.

En el periodo de transición que probablemente veremos entre las energías del futuro (renovables, fusión, etc) y las tecnologías con las que contamos actualmente, quizás podemos proponer soluciones que nos permitan eficientar y optimizar las tecnologías con las que contamos actualmente.

Una de estas soluciones es utilizar biorreactores de algas que pueden depurar una parte importante del CO₂ de las plantas termoeléctricas para producir los aceites que son la materia prima para fabricar biocombustibles como el biodiesel.

Estos biocombustibles generalmente no contribuyen significativamente a añadir más carbono al ciclo de carbono si su producción está bien gestionada.[1]

Biorreactores con configuraciones similares han sido utilizados satisfactoriamente de forma comercial para la producción de lípidos de algas que se usan en la industria de los alimentos.

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[1] Ejemplos para no seguir: El bioetanol que se produce en EE.UU. a base de maíz con un balance energético muy pobre y la deforestación en Indonesia durante la producción de aceite de palma para la producción de biodiesel

Wastewater treatment in the food industry and mitigating climate change

All across the world, in every kind of environment and region known to man, increasingly dangerous weather patterns and devastating storms are abruptly putting an end to the long-running debate over whether or not climate change is real. Not only is it real, it's here, and its effects are giving rise to a frighteningly new global phenomenon: the man-made natural disaster.

President Barack Obama

Wastewater treatment in the food industry and mitigating climate change

Consumers have driven the food market to produce higher quality products, get rid of dangerous pesticides such as DDT, and produce organic and naturally grown foods. As this proactive trend continues well into the 21^st century, it is becoming the norm that companies will have to be carbon neutral. An entire new corporate culture regarding the mitigation and off-set of greenhouse gas net emissions is becoming a reality.

The key to offset and mitigate climate change is to reduce our dependency on fossil fuels and to use renewable energy alternatives that will not contribute greenhouse gases to the carbon cycle. This can be achieved with cost-effective technologies and it is where anaerobic wastewater treatment comes into play.

The core advantage of using anaerobic wastewater treatment is that it allows us to produce biogas (typically 65% methane). In many food industry applications, biogas is burnt and utilized to produce heat or electricity that will not increase greenhouse gas net emissions, and reduces operating costs at the wastewater treatment plant and at the production facility.

The biorefinery concept

There is a great deal of talk about renewable energy production. And, as in many other production processes efficiency is a key parameter to success.

Many have proposed the idea of biofuel production in the context of a biorefinery.

Within a biorefinery biomass feedstocks and their valuable byproducts can be processed efficiently through physical, biological and chemical unit operations.

It is comparable to an oil refinery where many petrochemical products are recovered. These products could range from basic cattle feed to complex chemicals for industry.

Production processes used to produce biofuels such as bioethanol, biohydrogen, biodiesel, biogas can help produce byproducts such as glycerol, citric acid, lactic acid, isopropanol, vitamins, fibers and adhesives.

Many third generation biofuels like bioethanol from lignocellulosic feedstock could be theoretically produce more economically if those byproducts are also thrown to the mix.

The key is to produce the renewable energy that we need in a sustainable way. An almost zero-emission goal should be implemented where waste streams, water, and heat from one process can be utilize as feed streams or energy for the next.

In conclusion, the biorefinery concept can help us reach a zero emission biofuel production and it can also help the economics of the projects by commercializing valuable byproducts and by integrating productions streams to make them more efficient.

(1) Image from http://www.iea-bioenergy.task42-biorefineries.com/

Producción de etanol en México

Los biocombustibles se están convirtiendo en una opción viable de autosuficiencia energética. Su contribución a la economía global cada día se hace más presente. Muchos gobiernos están patrocinando y fomentando proyectos con energías renovables que puedan sustituir a las energías convencionales que en su mayoría provienen de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural entre otros). Estos combustibles reducen la contribución de gases de efecto invernadero (CO2, CH4 entre otros) a la atmósfera ya que contribuyen de forma mínima a añadir más carbono al ciclo de carbono y ayudan a mitigar el cambio climático.

Países como Brasil y EE.UU. están invirtiendo fuertemente en la producción de bio-etanol. La tecnología que se utiliza para el proceso de producción es relativamente convencional. Los principales procesos de producción son los siguientes:

1.Preparación de la biomasa y extracción de azúcares (materia prima; caña de azúcar, maíz, sorgo dulce entre muchas otras) para la fermentación
2.Utilización del bagazo (desecho celulósico de producción) para producir energía en calderas o generadores eléctricos
3.Fermentación de los azucares extraídos para producir una solución con etanol, otros hidrocarburos y agua
4.Destilación y pervaporación del producto de la fermentación para producir una concentración de 99.9% etanol considerada como anhidra
5.Procesamiento de vinaza residual en lagunas facultativas o reactores anaerobios para el tratamiento de aguas residuales y para producir biogás

Brasil ha aprovechado sus amplios territorios y su clima tropical para la cosecha de caña de azúcar, que es la base de la producción de su bio-etanol. Este país ha logrado convertirse en la primera economía de energía sustentable basada en bio-combustibles. Con 378 plantas que producen alcohol etílico a 99.9% de fortitud. Brasil ha logrado crear un sector bio-energético de $13,000 millones de dólares anuales.

Los modelos económicos a seguir por un país con las condiciones climáticas y con la cantidad de tierra arable disponible como México nos hacen pensar que la caña de azúcar o el sorgo dulce serían las materias primas ideales para iniciar un proyecto de esta envergadura. Por el contrario, el utilizar una materia prima como el maíz amarillo o blanco no sería conveniente, como es el caso de los EE. UU., debido a que se podría afectar la carestía de los alimentos y porque el balance energético usando está materia prima es muy pobre (1.3 Energía Producida/Energía en el Procesamiento para el maíz a comparación de 10-8 Energía Producida/Energía en el Procesamiento para la caña).

Los mejores márgenes económicos vendrían del aprovechamiento de las condiciones climáticas privilegiadas de México y de nuestra amplia experiencia produciendo caña de azúcar. El sorgo dulce podría ser una opción viable para mitigar el riesgo de las fluctuaciones en el precio de la caña.