MICRO4BIOGAS: Científicos y políticos en busca de los mejores microorganismos productores de biogás

MICRO4BIOGAS: Científicos y políticos en busca de los mejores microorganismos productores de biogás
MICRO4BIOGAS: Científicos y políticos en busca de los mejores microorganismos productores de biogás
17-11-2021

Qué tienen en común el municipio de Aras de los Olmos y un consorcio de microorganismos descomponedores? Que no dependen de nadie para ser autosuficientes.

Este pequeño y pintoresco pueblo valenciano es un vergel de sostenibilidad. En búsqueda del autoabastecimiento energético, sus 380 habitantes convertirán sus residuos ganaderos en un valioso recurso: el biogás.

En búsqueda del autoabastecimiento energético, los 380 habitantes de Aras de los Olmos convertirán sus residuos ganaderos en un valioso recurso: el biogás.

El biogás es un gas de origen microbiológico que la humanidad ha sabido aprovechar como combustible y para generar electricidad. A diferencia del gas natural fósil, este producto es renovable y su industrialización en plantas generadoras ofrece una doble ventaja económica y medioambiental: aporta energía sostenible y ayuda a gestionar la ingente cantidad de residuos orgánicos que generamos.

“Después de finalizar el proceso de producción de biogás, los residuos podrán ser reutilizados como abono agroecológico y el agua sobrante del proceso se usará para riego. Por todo ello, este proyecto se puede considerar como referente de la economía circular”, dice Rafael Giménez, el alcalde de Aras de los Olmos.

Esta iniciativa valenciana fue la génesis del proyecto Micro4Biogas, un consorcio europeo del programa H2020 que reúne 14 instituciones y cuenta con 5,7 millones de euros de la Comisión Europea para optimizar el sistema de la biodigestión, en un plazo de cuatro años. Participan empresas punteras de energía como AEV Energy en Alemania o GasTerra en los Países Bajos, así como centros de investigación punteros en su campo y startups de microbiología como Darwin Bioprospecting Excellence, en Valencia.

Laboratorio de Darwin Bioprospecting Excellence, partner del proyecto. Foto: Karla Corrales - ©Micro4Biogas

 

El gas que nace de la basura

El gas biológico proviene de la fermentación anaerobia de la materia orgánica: residuos agroganaderos y agroindustriales, lodos de depuradora, desechos orgánicos domésticos y otros desperdicios biológicos.

Este proceso ocurre espontáneamente en los sistemas digestivos de los animales, en los pozos negros, en las aguas estancadas y en los vertederos, que ofrecen unas condiciones ambientales y nutricionales idóneas para el desarrollo de los microorganismos que descomponen la materia orgánica –varias especies de bacterias— y los que producen el biogás: las arqueas metanogénicas. Estas poblaciones microbianas necesitan un ambiente sin oxígeno, oscuro y relativamente cálido (la temperatura puede oscilar entre 5 y 60 ºC) y un sustrato alimenticio rico en carbono, nitrógeno y azufre que no contenga contaminantes, patógenos ni metales pesados que inhiban su metabolismo.

Las comunidades de bacterias y arqueas que intervienen en la biodigestión conviven simbióticamente en un consorcio y coparticipan en la degradación biológica de los sustratos orgánicos mediante la hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. A lo largo de este complejo proceso, los microorganismos descomponen la materia orgánica gradualmente: primero, las proteínas, carbohidratos y lípidos se hidrolizan en compuestos solubles más sencillos –aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga–. Luego, los procesos metabólicos generan ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y ácidos orgánicos. Por último, las arqueas metanogénicas son las encargadas de transformar los ácidos orgánicos en biogás, que está compuesto por metano (50-70%), dióxido de carbono (30-45%), hidrógeno (1-3%) y trazas de otros gases.

Como producto secundario, este proceso también genera digestato o bioabono, un material sólido y pastoso que contiene una gran proporción de agua, fracciones de materia orgánica estabilizada, nutrientes, sales solubles de pH neutro y, por supuesto, los microorganismos metanogénicos. A escala industrial, estos lodos de digestión también ofrecen beneficios para la actividad humana, pudiéndose emplear para:

• Fertilizar

• Acondicionar terrenos agrícolas

• Recuperar suelos degradados por actividades extractivas, incendios, etc.

 

Los cuatro retos de la biodigestión

A pesar de sus ventajas, la tecnología que emplean los biodigestores es poco óptima y poco escalable. Con el sistema de producción actual, la energía que proviene de los digestores artificiales es comparablemente inferior al de otras fuentes renovables, como la solar y la eólica. Además, el proceso de generación es lento y poco reproducible, todo lo cual hace que las grandes instalaciones de biogás dependan de las subvenciones públicas para poder funcionar.

Ante este panorama, cabe preguntarse si la biodigestión como fuente de energía tiene sentido. Para que esta tecnología sea realmente útil, es fundamental que tanto el proceso como el producto resultante sean económicamente viables. El biólogo Manuel Porcar, coordinador de Micro4Biogas e investigador del centro I2SysBio (Universidad de Valencia-CSIC), admite que existe mucho margen de mejora. “Hay que reforzar los cuatro pilares del proceso: el rendimiento, la calidad, la rapidez y la robustez”, dice.

Para que la biodigestión sea rentable como fuente de energía es necesario reforzar los cuatro pilares del proceso: el rendimiento, la calidad, la rapidez y la robustez.

En primer lugar, el biogás debe ser de buena calidad (alta proporción de metano) y estar disponible en grandes cantidades para cubrir nuestras necesidades energéticas, de forma complementaria o independiente de otras fuentes renovables. Aunque el biogás es una mezcla de gases, principalmente metano y dióxido de carbono, el primero es el energético; el CO2 no tiene interés porque no se puede quemar.

Por otra parte, la tecnología debe ser rápida y estándar. “Si le preguntas a un fabricante de coches cuántas unidades produce su fábrica cada día, te dará una respuesta exacta y no un «depende, si llueve, 200. Otras veces, 800». El problema con los sistemas biológicos es que tienden a ser de este segundo tipo; hay una gran incertidumbre”.

Cultivo de microorganismos productores de biogás en el laboratorio. Foto: Karla Corrales - ©Micro4Biogas

 

La revolución del bioaumento

Dado que el biogás se genera espontáneamente por la acción microbiana, la producción industrial tradicional suele ser intuitiva y dependiente de las comunidades de microorganismos que aparecen de forma natural en la biomasa, aunque no sean las más eficientes. Por lo tanto, la mayor parte de las productoras de biogás no tienen en cuenta el factor biológico como un área con potencial de mejora.

Aunque ciertas poblaciones microbiológicas sean capaces de producir, por ejemplo, 10 m3 de biogás al día, eso no significa que no haya otras que puedan generar el triple en las mismas condiciones. Existen varias especies y grupos de bacterias acidófilas y de arqueas metanogénicas, cada una con distintos metabolismos.

“No hay nada que nos haga pensar que la composición y proporción de microorganismos que vienen con la basura, los restos de poda, los lodos de depuradora… sea la ideal para producir biogás ¿Por qué confiarías en los microorganismos que hay?”, dice Porcar.

Así, Micro4Biogas busca abordar los cuatro retos de la biodigestión en su origen: emplear sólo las poblaciones microbianas que resulten más óptimas para la metanogénesis y que son las que harán que todas las piezas económico-ambientales de la biodigestión encajen en su sitio.

Aunque ciertas poblaciones microbiológicas sean capaces de producir, por ejemplo, 10 m3 de biogás al día, eso no significa que no haya otras que puedan generar el triple en las mismas condiciones.

Para ello, el proyecto se basará en la estrategia conocida como “bioaumento” o “bioaumentación” (bioaugmentation, en inglés), mediante la que se incrementará significativamente la cantidad de microorganismos generadores de biogás.  Para crear las comunidades microbianas que resulten más óptimas, primero se deberán identificar y seleccionar los mejores consorcios de bacterias y arqueas metanogénicas mediante la técnica de “evolución adaptativa”, realizando múltiples cultivos para obtener varias generaciones de estos microorganismos.

“Las razas de perro, por ejemplo, se han hecho así. Cuando te gustaba un perro que era más largo, lo cruzabas con otro aún más largo y acababas teniendo un perro salchicha”, ejemplifica Porcar.

¿Estamos hablando de ingeniería genética? No, aquí no hay necesidad de que intervenga la biología sintética, ya que la naturaleza nos ofrece una diversidad y potencia metabólica suficientes, si sabemos aprovecharla.

Este proceso selectivo se dirige con una combinación de dos caminos:

1. Induciendo estrés en el medio de cultivo mediante shock térmico, regulación del pH, introducción de ácidos orgánicos o modificación del tiempo de inoculación.

2. Observar lo que ocurre en los digestores de forma espontánea con diversos consorcios y seleccionar los más eficientes.

Personal investigador del proyecto Micro4Biogas en Valencia. Foto: Karla Corrales - ©Micro4Biogas

 

Del laboratorio al digestor

Tras seleccionar los consorcios generadores de biogás más idóneos, estos deberán inocularse en la biomasa del digestor. “Una empresa de yogures no pone la leche a calentar y espera a que pase algo. Si ellos inoculan con bacterias, ¿por qué no hacerlo también con el biogás?”, justifica Porcar.

Esta introducción consciente de microorganismos primero se ensayará en digestores pequeños del laboratorio y, luego, en otros de 15-20 litros. Finalmente, se realizará la prueba de concepto en la nueva planta de biodigestión que se proyecta para Aras de los Olmos, con fecha de construcción entre 2021 y 2022. La instalación de esta planta está cofinanciada por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico y por la Dirección General de la Transición Ecológica de la Generalitat Valenciana.

Si bien esta novedosa biotecnología es prometedora, antes de que pueda aparecer en el mercado en forma de kits de microorganismos metanogénicos, será necesario ampliar el proyecto en una segunda fase para confirmar que la selección de consorcios es la adecuada.

 

Un oasis sostenible

La principal ventaja del biogás es que su producción puede ser tan pequeña como se necesite: se puede aplicar tanto en una ciudad de 5 millones de habitantes como en una aldea de 100.

En Aras de los Olmos, la nueva planta de biodigestión tendrá una capacidad de 925,15 m3 y complementará a las fuentes solar y eólica cuando las condiciones meteorológicas sean desfavorables, convirtiendo a este municipio en el primero de España —y uno de los primeros de Europa— en autoabastecerse con energía 100% renovable.

Gracias a esta facilidad para escalarse hacia abajo y a la tecnología que desarrollará MIicro4Biogas, la prueba de concepto de los areños tiene el potencial para replicarse en el resto del país y contribuir al desarrollo rural.

Mientras tanto, Aras de los Olmos se encuentra en camino de convertirse en un orgulloso remanso de sostenibilidad gracias a la alianza con los microbios de su basura.


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