> 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: 2.000.000 millones de € de ventas, 22 mill. de empleos,
9% total empleo en la UE.
Production
systems
Ecosystem
services
Policies
and Rural
Devel.
Consumers
Nutrition
Food industry
BioIndustries
Biorefinery
Market for bioproducts
Food
Fisheries
Aquaculture
Marine
Biotech. Forestry
BioIndustries Marine
Resources Agriculture & Forestry
Climate Change
Marine Resources
Cross-cutting technologies
Marine & maritime
Oceans of Tomorrow
SC2 - BIOECONOMY – Structure and Contents
Bioeconomy under H2020
2. BIOREFINERÍAS
Una biorefinería consiste en el procesado sostenible de biomasa en un amplio
espectro de productos de interés comercial (International Energy Agency, IEA).
Residuos lignocelulósicos
Lodos de EDAR
FORM
Subproductos industria alimentación
Biológico
Químicos
Físicos
Bioquímicos
- 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.
- Electricidad - Calor - Biocombustibles: Sólidos: pellets y otros. Líquidos: bioetanol
biodiesel biobutanol jet-fuel
Gas: syngas
biogás biometano biohidrógeno
CO2
BIOMASA PROCESOS
BIOPRODUCTOS BIOENERGÍA
BIOREFINERIA
BIOECONOMÍA
BIOMASA BIOMASA
BIOREFINERIA
BIOMASA
BIOREFINERIA
BIOMASA
BIOECONOMÍA
BIOREFINERIA
BIOMASA
BIOECONOMÍA
BIOREFINERIA
BIOMASA
BIOECONOMÍA
BIOREFINERIA
BIOMASA
REFINERIA
ECONOMÍA PETRÓLEO
PETRÓLEO
2. BIOREFINERÍAS
Las industrias tradicionales pueden convertirse en biorefinerías….
INDUSTRIA ZUMOS
SUBPRODUCTOS
LIMONENO BIOGAS PIENSOS
GESTIÓN EXTERNA
NARANJAS ZUMOS
NARANJAS ZUMOS
SUBPRODUCTOS
1. ANTECEDENTES
EDQO:70-90% EDBO:70-90% ENT: 30-70%
CONSUMO ENERGÍA 0,3-0,6 Kwh/m3
Decantadorprimario Reactor
Aeróbico
Decantadorsecundario
Pre-tratamiento
Sedimentadorprimario
Sedimentadorsecundario
Digestoranaerobio
Deshidratación
Agua residual Agua
depurada
LODOS DESHIDRATADOS
BIOGAS
Fangoprimario
Fangosecundario
Decantadorprimario Reactor
Aeróbico
Decantadorsecundario
Pre-tratamiento
Sedimentadorprimario
Sedimentadorsecundario
Digestoranaerobio
Deshidratación
Agua residual Agua
depurada
LODOS DESHIDRATADOS
BIOGAS
Fangoprimario
Fangosecundario
Silvestre et al., 2014
%EE: 30-70%
2. BIOREFINERÍAS BASADA EN EDARS
Decantador primario Reactor
Aeróbico
Decantador secundario
Pre- tratamiento
Sedimentador primario
Sedimentador secundario
Digestor anaerobio
Deshidratación
Agua Residual 7.427 KgC/d 1.967 KgN/d
Fango primario 2.251 KgC/d 380 KgN/d
Fango secundario 1.207 KgC/d 306 KgN/d
Lodos deshidratados 1.632 KgC/d 308 KgN/d
Agua Depurada 1.439 KgC/d 1.419 KgN/d
Biogas 1.839 KgC/d
“Bio-productos de alto valor añadido”
DIGESTIÓN ANAEROBIA
LODOS MIXTOS
3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Producción de AGV
PLATAFORMA CARBOXILATOS
BIOGAS
PLATAFORMA BIOGAS
Producción de grafeno Metanol
LODOS DIGERIDOS
PLATAFORMA DIGERIDOS
Producción microalgas Recuperación nutrientes
Proyecto Clamber de lodos: aprovechamiento del digerido
Digestión anaerobia
Spouted Bed Drying
Separación
sólido/líquidoCultivo de microalgas
CalderaBIOGAS
DIGERIDO
FRACCIÓN LÍQUIDA
FRACCIÓN SÓLIDA
BIOFERTILIZANTEgranulado MICROALGAS granulado
BIOMASA ALGAL
CO2
FANGOS EDAR
URBANA EIND. ALIM.
ENERGÍA TÉRMICA
X
DIGESTIÓN ANAEROBIA
LODOS MIXTOS
3. BIOREFINERIAS BASADAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Producción de AGV
PLATAFORMA CARBOXILATOS
BIOGAS
PLATAFORMA BIOGAS
Producción de grafeno Metanol
LODOS DIGERIDOS
PLATAFORMA DIGERIDOS
Producción microalgas Recuperación nutrientes
LODOS MIXTOS
FERMENTACIÓN ANAEROBIA
PRODUCCIÓN PHA
PRODUCCIÓN AGCM
AGV
PHA
AGCM
4 . PLATAFORMA CARBOXILATOS
3. PLATAFORMA CARBOXILATOS
VENTAJAS DESVENTAJAS
- No es necesaria la esterilización
- No uso de enzimas específicas
- Uso de materia prima sin coste
- Usos de cultivos inespecíficos
- Bajo coste de reactores
- Mayor versatilidad cambios operacionales
- Baja selectividad del producto
- Bajas velocidades de producción
- Más complejo los procesos de separación y purificación
ESTRATÉGIAS DE OPERACIÓN
Cultivos mixtos vs. Cultivos puros
LODOS MIXTOS
Aplicaciones
- PHA
- Ácido capróico
- Electricidad
- Biogás
- Hidrógeno
- Lípidos para producción biodiésel
- MO eliminación biológica nutrientes
Pretratamientos
Fermentación anaerobia
Ácidos grasos volátiles (AGV)
- Concentración
- Perfil (C2-C4)
Condiciones de operación
- pH
- Temperatura
- TRH
- SRT
- VCO
- Aditivos
4 . PLATAFORMA CARBOXILATOS
Cultivos mixtos Subproductos materia prima
Digestión anaerobia como fuente AGVs
4 . PLATAFORMA CARBOXILATOS
CH 4
& CO 2
METANOG É NESIS
Prote í nas Carbohidratos L í pidos
Amino á cidos Az ú cares AGCL
VFA
ACETATO CO
2 , H
2 ,
F Ó RMICO
NH 4 +
HIDR Ó LISIS
FERMENTACI Ó N
ACETOGENESIS
Lodos
CH 4
& CO 2
METANOG É NESIS
Prote í nas Carbohidratos L í pidos
Amino á cidos Az ú cares AGCL
VFA
ACETATO CO
2 , H
2 ,
F Ó RMICO
NH 4 +
HIDR Ó LISIS
FERMENTACI Ó N
ACETOGENESIS
Lodos
Prote í nas Carbohidratos L í pidos
Amino á cidos Az ú cares AGCL
VFA
ACETATO CO
2 , H
2 ,
F Ó RMICO
NH 4 +
HIDR Ó LISIS
FERMENTACI Ó N
ACETOGENESIS
Lodos
3. PLATAFORMA CARBOXILATOS
Tiempo de retención hidráulico C
on
cen
tració
n A
GV
/b
iog
ás
Tiempo de retención hidráulico
TRH
S
S
S AGV CH4 Kh (primer orden) Μ, Ks (crecimiento)
AGV Biogás
3. PLATAFORMA CARBOXILATOS C
on
cen
tració
n A
GV
Velocidad de carga orgánica (KgSV/m3d)
AGV
VCO
Velocidad de carga orgánica
4. PLATAFORMA CARBOXILATOS
Otros Parámetros de operación
pH Rangos entre 4-11; Dependiente de la composición sustratos; Lodos de EDAR mejores rendimientos en pH básicos.
Temperatura - Psicrofílico (4-20ºC) - Mesofílico (20-50ºC) - Termofílico (50-60ºC) - Hipertermófilo (60-80ºC)
Mesofílico > psicrofílico // Termofílico/Hipertermófico >Mesófilico ??
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo (días)
AG
V (
g/
L)
AGV
Ácido acético
Ácido propiónico
4. PLATAFORMA CARBOXILATOS
4. PLATAFORMA CARBOXILATOS
Zuhaida Mohd-Zaki et al (2016)
Perfil de ácidos grasos volátiles en función del pH
Dis
trib
ució
n D
QO
pH
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
3.07 3.35 3.37 3.44 3.55 3.59 3.67 4.05 4.98
pH
Dis
tru
bu
ció
n A
GV
(%
)
Acético
Butírico
Propiónico
3. PLATAFORMA CARBOXILATOS
Perfil de ácidos grasos volátiles en función del pH
Mezcla co-digestión (elevado componente fibra) Termófilo; TRH= 10 días; VCO: 14 KgSV/m3d
LODOS MIXTOS
FERMENTACIÓN ANAEROBIA
PRODUCCIÓN PHA
PRODUCCIÓN AGCM
AGV
PHA
AGCM
4 . PLATAFORMA CARBOXILATOS
• Se producen alrededor de 206 Mt de plásticos anualmente en el mundo. • Se estima un consumo de 100 Kg por año y cápita en Europa • La mayor parte terminan en los vertederos, océanos y en el medio ambiente en general, con consecuencias nefastas para el medio ambiente. • Versátiles, ligeros, baratos, resistentes al agua, durables (100 años).
“El parche basura del pacífico”
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Antecedentes
• Bioplásticos: - Plásticos producidos a partir de materiales renovables y son biodegradables - Poliamida: producido a partir de materiales renovables pero no es biodegradable - Policaprolactona: producido a partir de fuentes fósiles pero que es biodegradable • Tipos: - Materiales a partir de almidón - Materiales a partir de celulosa “cellophone” - Ácido poliláctico
- PHA: alta resistencia al calor y humedad; Baja penetración mercado
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Antecedentes
- 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.
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Polihidroxialcanoatos
Polihidroxibutirato
Polihidroxivalerato
Acético
Propiónico
Mix AGV Mejores propiedades comercialización
“Rastonia eutropha” - 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.
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Polihidroxialcanoatos
- Se fabrican a nivel industrial:
• Cultivos puros a partir de bacterias modificadas genéticamente. • Sustratos puros. • Producción de PHA de 100 g/L en 40h con un contenido del 90% PHA. • Elevados precios de mercado, entre 20-80% más altos que los obtenidos de fuentes no renovables, dificultando su penetración en el mercado
- Factores que influyen en su coste de producción:
• La energía necesaria para la esterilización del proceso. • El rendimiento del PHA por sustrato. • La eficiencia del proceso de “downstream”. • Coste de la materia prima .
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Polihidroxialcanoatos
Producción de PHA a partir de cultivos mixtos y corrientes residuales
Fermentación anaerobia
Enriquecimiento biomasa
Producción PHA
“downstream”
Obtención fuente de carbono
fácilmente biodegradable
AGV
Biomasa acumuladora PHA
Acumulación PHA Interior bacterias
Extracción-separación PHA interior células
Materia prima
Biomasa Biomasa PHA
PHA
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Enriquecimiento de biomasa
- Periodos intermitentes aerobios/anaerobios - Condiciones aerobios utilizan el C para crecer - Condiciones anaerobias utilizan el C para almacenarlo en forma de PHA - Periodos intermitentes de fuente C “saciedad-hambruna”
- “Saciedad” utilizan C crecer y acumular PHA - “Hambruna” utilizan PHA para crecer
Estrategias de operación “aplicación presión de selección”
Sequential batch reactor
Parámetros de operación -TRH -TRC -Tiempo del ciclo -Concentración carbono -Temperatura: 20-30 ºC -pH:6.5-7
Fango activo
120 240 0 60 180 30 90 150 210
14
0
2
4
6
8
10
12
Ac [
Cm
mo
l];
X[1
0C
mm
ol]
; O
2[m
g/
L]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
PH
B [
Cm
ol/
Cm
ol]
; NH
3 [
mm
ol]
Tiempo (min)
Acético
Biomasa
PHB
N-NH4+
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Enriquecimiento de biomasa
Saciedad Hambruna
O2
Enriquecimiento de biomasa
AGV 1L
Biomasa 333 mL
Efluente 700 mL
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
FASE INFLUENTE: 5 min FASE REACCIÓN: 45 min FASE INICIAL: 10 min
1L
FASE EXTR. BIOMASA: 10 min FASE SEDIMENTACIÓN: 15 min
TRC > TRH
FASE EFLUENTE: 10 min
CICLOS 4 h TRH: 8 h; TRC: 24 h “Saciedad- Hambruna”
AGV
Biomasa
N-NH4+
Biomasa PHA
- Productividad de PHA (%PHA SSML) - Rendimiento de almacenamiento PHA YPHA/S (mgDQO/mgDQO) - Velocidad de producción PHA qPHA (mgDQO/mgX/h)
5. PRODUCCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS
Producción PHA
LODOS MIXTOS
FERMENTACIÓN ANAEROBIA
PRODUCCIÓN PHA
PRODUCCIÓN AGCM
AGV
PHA
AGCM
4 . PLATAFORMA CARBOXILATOS
5. PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA MEDIA
Elongación de cadena basada en cultivos mixtos
6 Etanol + 4 acetato 5 butírico + H+ + 2H2 + H2O
6 Etanol + 5 butírico 1 acético + 5 capróico + H+ + 2H2 +H2O
Etanol AGV (C2-C5)
Ácido Capróico (C6) Ácido Caprílico (C8)
β-oxidación inversa
Clostridium kluyveri
CONDICIONES ANAERÓBICAS
4. PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA MEDIA
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. - Los AGCM son menos solubles que el etanol, por lo que transformando el etanol en AGCM se mantiene su valor, y se reducen los costes de destilación.
Fermentación anaerobia
Elongación de cadena
“downstream”
Obtención fuente de carbono
fácilmente biodegradable
AGV
Elongar cadenes Separar agua
Materia prima
Efluente
AGCM
ETANOL
4. PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA MEDIA
Elongación de cadena basada en cultivos mixtos
CONDICIONES DE OPERACIÓN
-TRC -TRH -Concentración AGV -Concentración etanol -Relación AGV/etanol -Temperatura -pH - Perfil AGV
5. PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA MEDIA
Elongación de cadena basada en cultivos mixtos
Influente - AGV - Etanol -Nutrientes
Efluente - AGCM - AGV - Etanol
Clostridium kluyveri
5. PRODUCCIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA MEDIA
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo (días)
Co
ncen
tració
n (
pp
m)
5.50
6.00
6.50
7.00
7.50
8.00
8.50
9.00
9.50
pH
Capróico
Acético
pH influente
pH efluente
Decantador primario Reactor
Aeróbico
Decantador secundario
Pre- tratamiento
Sedimentador primario
Sedimentador secundario
Deshidratación
Agua Residual 20.000 m3/d
Fango primario 210 m3/d
Fango secundario 90 m3/d
Agua Depurada 20.000 m3/d
Biogas
Metanogénico Producción
PHA Enriquecimiento
biomasa
Purificación
Fermentador anaerobio
AGV
300 m3/d
20 g/L
PHA 2700 Kg/d
Lodos deshidratados S/L
Decantador primario Reactor
Aeróbico
Decantador secundario
Pre- tratamiento
Sedimentador primario
Sedimentador secundario
Fermentador anaerobio
Deshidratación
Agua Residual 20.000 m3/d
Fango primario 210 m3/d
Fango secundario 90 m3/d
Agua Depurada 20.000 m3/d
Biogas
Metanogénico Elongación
cadena
S/L
Purificación
AGV
300 m3/d
20 g/L AGCM
7000 Kg/d
Lodos deshidratados
Etanol
“Biorefinerías a partir de lodos de EDAR”
Conclusiones
• Proceso de digestión anaerobia en 2 fases para aprovechamiento de los
lodos de EDAR
• Importancia de las condiciones de operación y de procesos de extracción
o no para jugar con el espectro de productos.
• Reducir costes de recuperación y de downstream.
• Múltiples productos objetivo: sales de carboxilatos, PHA, ácido
capróico…
• Importancia de las condiciones de mercado en cada momento