Profesor lider de la línea de investigación:

Rocío Sierra - Profesor Asociado
materiales lignocelulosicos - modelos cinéticos - sistemas de optimización - fermentaciones tipo MixAlco® - simulación de “downstream” de fermentaciones MixAlco® - uso y aprovechamiento de residuos orgánicos - uso y aprovechamiento de residuos no bioconvertibles - simulación de proceso, cálculos exergéticos y análisis de ciclo de vida aplicado al procesamiento químico-biológico de residuos.
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“El provecho del desecho”

Valores ambiental, energético y económico derivados del uso y la colocación adecuada de productos residuales. Explicación general del tema y los subtemas de investigación

Uno de los mayores retos a los que se enfrenta la humanidad moderna es la necesidad de un desarrollo sostenible, que satisfaga las demandas por recursos naturales mientras que le deja a las futuras generaciones la oportunidad de alcanzar sus potenciales. Este reto es particularmente importante en el contexto de las industrias químicas, donde la demanda por recursos y por energía son enormes, pero existe en todos los ámbitos. En este contexto, es de particular importancia el uso y disposición adecuada de residuos, basuras y corrientes de desecho.

En los últimos años, la investigación y desarrollo de tecnolgías de reciclaje y uso de desechos, se ha convertido en una de las áreas de mayor crecimiento en la inversión por parte de los países miembros de la Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD). Este hecho ha tenido un impacto social importante puesto que ha retado la creencia generalizada de que la basura no tiene valor. Si estrategias efectivas para el procesamiento de basura llegaran a ser implementadas de manera voluminosa y sistemática, se observarían dos efectos, uno ambiental y uno económico. El impacto ambiental reside en que se daría solución a los problemas de colocación/disposición de los residuos, que se convertirían en materia prima para la producción de los denominados biocombustibles (entre otros productos), que tienen la potencialidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 80%. El impacto económico está en un incremento considerable en la eficiencia de los procesos ocasionada por una mejor utilización de los recursos.

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Figura 1. Sistemas de disposición final de basuras durante el año 2008 en Colombia

En Colombia, de acuerdo con el Sistema Unico de Información y la Superintendencia de Servicios Públicos, la disposición de basuras municipales en el año 2008 se realizó de acuerdo con la distribución presentada en la Figura 1. Se observa que solo cerca del 2.5% de las basuras producidas fueron recicladas y utilizadas.

Mi proyecto de investigación está direccionado al estudio y desarrollo de procesos para el uso de residuos (de cosecha, orgánicos o de otros tipos) en la producción de combustibles, energía y/o otros productos con valor agregado. Este proyecto contempla cinco temas (nomenclados de A hasta E) que se explican de manera general a continuación.


Tema A: Pretratamiento y desarrollo de enzimas para incrementar la reactividad biológica de los residuos lignocelulósicos (En el resto de la sección, se denominará “Pretratamiento”)

Residuos agrícolas, municipales o de otro tipo, tienen la potencialidad de convertirse en combustibles, varias formas de energía, productos químicos, farmacéuticos o algún tipo especial de alimento. Esto se logra a través de rutas químicas, termoquímicas, biológicas (Figura 2), o una combinación de estas opciones. Los productos obtenibles están determinados por la(s) ruta(s) elegida(s). Los procesos que usan la ruta biológica per se o combinada, se caracterizan por tener una etapa de preparación de la materia prima más dispendiosa que las rutas alternas.  Esta preparación se denomina pretratamiento.

       

Figura 2. Rutas alternas para la utilización de residuos en la producción de energía, combustibles y otros productos.

El pretratamiento se caracteriza por: (i) representar, en sí mismo, uno de los mayores costos del proceso. (ii) afectar significativamente y de manera positiva el rendimiento general obtenido (iii) ser determinante en los costos de otras etapas del proceso de producción. Los resultados de investigación y desarrollo en pretratamiento a nivel mundial, favorecen dos tipos sobre otras opciones: el pretratamiento químico y el pretratamiento biológico. Respecto del pretratamiento químico, mi interés gira alrededor del pretratamiento alcalino, preferiblemente con hidróxido de calcio y en presencia de un agente oxidante. El proyecto de investigación consiste en establecer los efectos de este tipo de pretratamiento en diversos residuos lignocelulósicos y obtener modelos cinéticos que permitan entender los mecanismos de reacción y aplicar el conocimiento en el diseño, optimización y control de esta etapa.
Por otra parte, debido al auge de pretratamientos de tipo biológico de materiales lignocelulósicos, dado principalmente por el bajo costo operativo comparado con la alternativa química, y porque las enzimas producidas tienen un alto potencial de uso en otras áreas (por ejemplo tratamiento de aguas y biosensores) he tomado interés en estudios tendientes a establecer los efectos del pretratamiento con hongos de podredumbre blanca sobre diversos tipos de residuos lignocelulósicos.

Tema B: El proceso MixAlco®: producción de biocombustibles y productos químicos a partir de desechos bioconvertibles (En el resto de la sección, se denominará “MixAlco®”)

MixAlco® es una tecnología de avanzada, en la que desechos de todo tipo, pero preferiblemente los materiales lignocelulósicos, se convierten en productos químicos tales como ácidos orgánicos volátiles, cetonas, ésteres y alcoholes secundarios. Estos últimos a su vez pueden ser transformados en gasolina (bio-gasolina) y combustible para avión (http://www.terrabon.com/mixalco_technology.html). La tecnología ha sido objeto de estudio, desarrollo e investigación, por aproximadamente dos décadas. El proyecto ha sido liderado por el PhD Mark Holtzapple, profesor de la Universidad de Texas A&M que fué mi asesor de tesis doctoral. En la actualidad, MixAlco® cuenta un gran número de aliados internacionales trabajando en desarrollo y transferencia de tecnología. Mi grupo de investigación se ha convertido en el principal aliado de MixAlco® en Colombia. 

Tema C: Uso y aprovechamiento de residuos orgánicos (En el resto de la sección, se denominará “Orgánicos”)
Residuos orgánicos son aquellos que resultan durante la preparación de alimentos, los que quedan sin consumir después de la comida, y el estiércol. Los residuos orgánicos tienen una naturaleza distinta de la de los residuos lignocelulósicos y una estructura composicional distinta. En términos generales, se caracterizan por ser mucho más fáciles de atacar biológicamente, por tanto el pretratamiento requerido no es tan demandante (aunque muchas veces requieren esterilización), y son muy ricos en compuestos necesarios para el funcionamiento celular (por ejemplo proteinas, ácidos grasos, conenzimas, vitaminas y minerales), lo que los hace ideales como material prima en procesos biológicos que pueden resultar en la obtención de una amplia gama de productos con alto valor agregado. He tomado interés en el estudio de dichos procesos. 
Tema D: Uso y aprovechamiento de residuos no bioconvertibles (En el resto de la sección, se denominará “Otros residuos”)
La conversión biológica de residuos no es siempre posible. En estos casos (por ejemplo, para caucho de llantas usadas) es necesario utilizar una de las rutas alternas, establecidas en la Figura 2. Si los residuos se caracterizan por tener una composición próxima y última similar a la del carbón y/o un alto valor calorífico, se usa la conversión termoquímica. Esta ruta tiene tres posibilidades: (i) combustión, que es la más eficiente para la producción de energía térmica a un costo ambiental relativamente severo por la emisión no neutral de gases de efecto invernadero (ii) pirólisis que resulta en la obtención de productos sólidos (char que es un carbón que puede activarse químicamente), líquidos (tar que es normalmente calificado como un petróleo por estar principalmente compuesto por alquitrán) y gaseosos (principalmente constituidos por H2, CO, CO2 y CH4) y (iii) gasificación que además de ser una fuente generadora de energía térmica a eficiencias menores que la combustión, permite la obtención del denominado syngas (mezcla de H2 y CO) que tiene un uso potencial importante, ya que esta mezcla puede ser transformada en hidrocarburo a través del proceso Fisher-Tropsch. El foco de este tema está en las estrategias de control de los proceso que permitan obtener el(los) productos deseados.

Tema E: Simulación de proceso, cálculos exergéticos y análisis de ciclo de vida aplicado al procesamiento químico-biológico de residuos (En el resto de la sección, se denominará “Simulaciones”)
Para enfrentar efectivamente el reto del tratamiento sostenible de residuos, es necesario trabajar con el concepto de diseño sostenible, el cual tiene sus bases en simulaciones del proceso, a partir de las que es posible identificar oportunidades de mejoramiento e incremento de las eficiencias, lo que normalmente está ligado a la implementación de técnicas de optimización y de integración másica y energética. Este tipo de análisis se complementa excelentemente con el denominado análisis de ciclo de vida y los cálculos de balances exergéticos del proceso. A partir de estos estudios, es posible establecer indicadores como la eficiencia exergética, la renovabilidad, el ínidice de sostenibilidad, el potencial de mejoramiento exergético, y el porcentaje de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero con respecto a casos de comparación. La comparación es importante, pues es la base para la selección. Consecuentemente, este tema es de vital importancia en mi proyecto de investigación.