Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos por acoplamiento de un sistema de digestión anaerobia y de un sistema de producción de microorganismos fitoplanctónicos.

Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos por acoplamiento de un sistema dedigestión anaerobia y de un sistema de producción de microorganismos fitoplanctónicos,

que comprende lassiguientes etapas:

(a') tratar los microorganismos (105) resultantes de un cultivo fitoplanctónico y los residuos orgánicos (104)en un reactor de hidrólisis (101);

(a") tratar al menos una parte de un efluente líquido (109) que sale de la etapa (a') en un reactor demetanización (102);

(b) tratar una fase líquida (127) y el biogas que se va a purificar (110) que sale de la etapa (a") en unaunidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos (103);

(c) inyectar un efluente gaseoso (113) que contiene CO2 en la unidad de cultivo de microorganismosfitoplanctónicos;

(d) mantener una concentración de NH3 inferior a 0,5 g/l en el reactor de metanización;

(e) recuperar un biogas enriquecido en metano al salir de la unidad de cultivo de microorganismosfitoplanctónicos.

Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos por acoplamiento de un sistema de digestión anaerobia y de un sistema de producción de microorganismos fitoplanctónicos.

Campo de la invención La invención se refiere a un procedimiento combinado de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos que permite tratar diversos residuos orgánicos y, simultáneamente, captar grandes cantidades de CO2, perjudiciales para el medio ambiente, que provienen, entre otros, de efluentes gaseosos industriales, todo ello para producir un biogas purificado rico en metano. Más precisamente, la invención se refiere a un procedimiento que permite, gracias al reciclaje del nitrógeno y de otros nutrientes provenientes de la digestión anaerobia de residuos orgánicos, tratar los flujos importantes de CO2 adicionales, mediante microorganismos fitoplanctónicos, tales como microalgas y/o bacterias fotosintéticas. Por lo tanto, el procedimiento de acuerdo con la invención, permite fijar el CO2 que normalmente es expulsado a la atmósfera, participando entre otros en el efecto invernadero, y valorizarlo en bioenergía.

La invención encuentra aplicación en toda industria que genere residuos orgánicos, y concretamente las industrias agroalimentarias, y las actividades antrópicas emisoras de CO2. La invención encuentra aplicación igualmente en el campo de la producción de biocarburantes, estando los biogases purificados resultantes del procedimiento de acuerdo con la invención enriquecidos en metano, y utilizándose la biomasa concretamente algal para la purificación de los biogases que son una fuente muy importante de lípidos igualmente utilizables como biocarburantes.

Estado de la técnica La metanización se utiliza desde hace mucho tiempo para la transformación de los residuos orgánicos, solubles o sólidos, en biogas. Esta técnica se aplica a la descontaminación de cargas contaminantes, tales como las aguas residuales urbanas o industriales cargadas con materia orgánica biodegradable, o los productos orgánicos se presentan en forma sólida, tales como los lodos de purificación, los residuos domésticos, los bioresiduos, los residuos de las industrias agro-alimentarias, los residuos resultantes de diferentes actividades agrícolas o silvícolas, los cultivos energéticos. La conversión de la materia orgánica en metano por vía biológica ofrece la ventaja de proporcionar una energía que puede utilizarse directamente como carburante en vehículos, o aún convertirse en calor y/o electricidad.

En un procedimiento de la técnica anterior representado por el documento EP-A2-0890388, los residuos orgánicos se tratan por fermentación que implica una hidrólisis seguida de una metanización anaerobia, el metano producido se envía entonces a un primer reactor catalítico para formar hidrógeno, que se pondrá en contacto en un segundo reactor catalítico con el CO2 de un efluente gaseoso que lo contenga, para formar carbono y agua.

El tratamiento de las cargas sólidas por metanización requiere, ya que se realiza en una sola etapa, un tiempo particularmente largo. Por este motivo se sabe cómo Esto es lo que se conoce como proceder en un tratamiento en dos etapas: por un lado, la hidrólisis durante el transcurso de la cual las macromoléculas se transforman en moléculas de bajo peso molecular y solubles, y la acidogénesis, durante el transcurso de la cual las moléculas de bajo peso molecular se transforman en ácidos orgánicos de cadena corta, en alcoholes, en hidrógeno y otros compuestos simples y, por otro lado, la acetogénesis durante el transcurso de la cual los alcoholes y ácidos orgánicos se transforman en ácido acético, y la metanogénesis, durante el transcurso de la cual se forma el metano, ya sea a partir de hidrógeno o a partir de ácido acético.

El biogas producido durante el transcurso de la metanización está compuesto esencialmente por una mezcla del 50 al 70 % de metano y del 30 al 50 % de dióxido de carbono. Sin embargo, en función de las condiciones operativas del reactor, pero también de la naturaleza del o los sustratos, pueden estar presentes otros compuestos (sulfuro de hidrógeno, amoniaco, siloxanos...) a concentraciones más o menos importantes. Incluso a nivel de trazas en el biogas, estos últimos pueden resultar perjudiciales para los procesos de valorización energética aguas abajo (corrosión de las piezas mecánicas, ensuciamiento de motores/turbinas...) .

Por lo tanto, la conversión en energía mecánica o eléctrica necesita en la mayor parte de los casos una etapa previa de filtración/purificación para una explotación sostenible.

Actualmente, numerosas investigaciones se centran en la producción en masa de microalgas con fines energéticos. En efecto, como las plantas superiores, las microalgas necesitan para su crecimiento una fuente de carbono (inorgánico - CO2 o HCO3- u orgánico - acetato, glucosa…) , aportes de elementos nutritivos (nitrógeno, fósforo, etc. pero también oligo-elementos, en ocasiones vitaminas, etc.) y energía luminosa. En condiciones de estrés en elementos nutritivos, ciertas especies de microalgas son capaces de acumular una gran cantidad de carbono en forma de lípidos. La capacidad de producción lipídica de ciertas especies es bastante superior a la observada para las especies oleaginosas terrestres, haciendo a las microalgas particularmente interesantes para el sector de los biocarburantes.

Sin embargo, la producción de estos microorganismos a gran escala necesita movilizar una cantidad muy importante de elementos nutritivos. En efecto, considerando la relación de Redfield (C/N/P: 106/16/1) para una tonelada de CO2 fijada (que corresponde a 600 kg de biomasa seca producida) , hace falta movilizar aproximadamente 50 kg de nitrógeno y 3, 1 kg de fósforo. Sabiendo que para un estanque abierto de una hectárea de superficie, es posible fijar una tonelada de CO2 por día, los aportes requeridos de nitrógeno y fósforo son consecuentes y sobrepasan las necesidades de los cultivos de oleaginosas terrestres.

Por otro lado, los recursos de carbono - en forma de CO2 - son el factor limitante del crecimiento de las microalgas. Un aporte continuo de CO2 durante el transcurso de la fase luminosa de la fotosíntesis permite conseguir niveles de productividad elevados en términos de biomasa y favorece también (en ciertas condiciones) una acumulación más grande de lípidos. Sin embargo, la adición de CO2 en el medio de cultivo supone una caída del pH que puede ser perjudicial para ciertas especies. Esta toxicidad por una acidez demasiado fuerte necesita el control preciso del flujo de CO2 en función del pH del medio. Por lo tanto, conviene someter la inyección en el medio del gas rico en CO2 al pH de manera que se mantenga el pH a un valor de consigna.

El cultivo en sistemas cerrados (fotobiorreactores) permite conseguir niveles de productividad muy elevados en términos de fijación de CO2 y de producción de biomasa. En cambio, los costes asociados a tal tecnología (construcción, funcionamiento, mantenimiento) hacen por el momento a esta tecnología difícilmente compatible con una producción en masa. Por el contrario, los sistemas abiertos, bastante más interesantes desde el punto de vista económico, son extremadamente sensibles a las contaminaciones de diversas naturalezas (microalgas indígenas, bacterias, depredadores) .

Además, las operaciones de cosecha de microalgas (separación de las células del medio de cultivo) además de la extracción de los lípidos de la célula resultan ser costosas energéticamente y afectan considerablemente al balance energético de la producción de la biomasa. Esto puede suponer, en efecto, el 50% de los costes de producción.

La valorización energética de esta biomasa supone una utilización del conjunto de la célula (extracción de los lípidos, conversión termoquímica, licuefacción, combustión, metanización) . La extracción de los ácidos grasos genera, por otro lado, un residuo rico en elementos nutritivos (concretamente nitrógeno y fósforo) que es necesario reciclar.

Descripción de la invención La presente invención propone proporcionar un procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de los residuos orgánicos que permite la producción de bioenergía en forma de metano, por asociación de la técnica de tratamiento de residuos por metanización a la técnica de purificación gaseosa por los microorganismos fitoplanctónicos, tales como las microalgas y las bacterias fotosintéticas (tales como cianobacterias) , de manera que se optimizan sus ventajas técnicas respectivas a la vez que se suprimen todos o parte de los inconvenientes de cada una de estas técnicas en solitario.

Un objetivo de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos por acoplamiento de un sistema de digestión anaerobia y de un sistema de producción de microorganismos fitoplanctónicos, que comprende las siguientes etapas:

(a') tratar los microorganismos (105) resultantes de un cultivo fitoplanctónico y los residuos orgánicos (104) en un reactor de hidrólisis (101) ;

(a") tratar al menos una parte de un efluente líquido (109) que sale de la etapa (a') en un reactor de metanización (102) ;

(b) tratar una fase líquida (127) y el biogas que se va a purificar (110) que sale de la etapa (a") en una unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos (103) ;

(c) inyectar un efluente gaseoso (113) que contiene CO2 en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos;

(d) mantener una concentración de NH3 inferior a 0, 5 g/l en el reactor de metanización;

(e) recuperar un biogas enriquecido en metano al salir de la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos.

2. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 1, en el que, para mantener una concentración de NH3 inferior a 0, 5 g/l en el reactor de metanización se procede según la siguiente etapa adicional:

(f) inyectar un efluente gaseoso (125) que contiene CO2 en el reactor de metanización.

3. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 1, en el que, para mantener una concentración de NH3 inferior a 0, 5 g/l en el reactor de metanización, se mantiene una relación media carbono/nitrógeno (C/N) en el reactor de hidrólisis entre 10 y 35.

4. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 3, en el que, para mantener una relación media C/N en el reactor de hidrólisis entre 10 y 35, se modula la fracción de residuos orgánicos introducida en dicho reactor de hidrólisis en la etapa (a') .

5. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 3 a 4, en el que, para mantener una relación media C/N en el reactor de hidrólisis entre 10 y 35, se utilizan en dicho reactor de hidrólisis residuos orgánicos que presentan una relación C/N superior a 25.

6. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 1, en el que, para mantener una concentración de NH3 inferior a 0, 5 g/l en el reactor de metanización, se mantiene una relación media carbono/nitrógeno (C/N) en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos entre 10 y 35.

7. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 6, en el que, para mantener una relación media C/N en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos entre 10 y 35, se utilizan como microorganismos para la etapa (b) especies autótrofas que tienen una relación C/N superior a 10.

8. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 6 a 7, en el que, para mantener una relación media C/N en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos entre 10 y 35, se modula la cantidad de efluente líquido que sale de la etapa (a") introducida en la etapa (b) , de manera que se induce una limitación nutritiva apropiada para modificar la composición de los microorganismos de la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos para favorecer la acumulación de lípidos y glúcidos en dichos microorganismos.

9. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que, para mantener una relación media C/N en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos entre 10 y 35, se modula el caudal entrante del biogas que sale de la etapa (a") en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos, de manera que se controla el pH de dicha unidad de cultivo y se crean las condiciones apropiadas para aumentar la relación C/N.

10. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 6 a 9, en el que, para mantener una relación media C/N en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos entre 10 y 35, se modula el caudal entrante de efluente gaseoso que contiene CO2 de la etapa (c) en la unidad de cultivo de microorganismos, de manera que se mantiene un flujo de carbono al menos 10 veces superior al flujo de nitrógeno.

11. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según la reivindicación 10, en el que se

impone una tasa de dilución del cultivo de microorganismos fitoplanctónicos inferior a la tasa de crecimiento máxima de dichos microorganismos, de manera que se induce una limitación por un elemento nutritivo.

12. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 1 a

11, en el que se utilizan en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos especies acidófilas o basófilas 5 para limitar las contaminaciones en dicha unidad.

13. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende la siguiente etapa adicional:

(g) filtrar el biogas enriquecido en metano resultante de la etapa (a") en una columna de intercambio (124) antes de la etapa (b) .

14. Procedimiento de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos según una de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende la siguiente etapa adicional:

(h) inyectar una fracción (108) del efluente líquido que sale de la etapa (a') directamente en la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos.

15. Sistema acoplado de fijación de CO2 y de tratamiento de residuos orgánicos (100) que comprende un reactor de hidrólisis/acidogénesis (101) acoplado a un reactor de metanización (102) , y una unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos (103) , un primer conducto de alimentación adecuado para dirigir un biogas (110) que se va a purificar desde el reactor de metanización hasta la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos, un segundo conducto de alimentación adecuado para dirigir una fase líquida (108, 127) rica en nutrientes desde el reactor de hidrólisis y/o el reactor de metanización hasta la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos, un tercer conducto de alimentación adecuado para dirigir un efluente gaseoso (113) exterior al sistema y que contiene CO2 hasta la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos y un conducto de evacuación y de recuperación de biogas (114) purificado enriquecido en metano al salir de la unidad de cultivo de microorganismos fitoplanctónicos.