Valorización de residuo alimentario mediante la integración de procesos de carbonización hidrotermal y fermentación acidogénica.
En el marco del proyecto BIVALIA-CM, financiado por la Comunidad de Madrid centrado en el desarrollo de estrategias sostenibles para la gestión y valorización de residuos de la industria agroalimentaria bajo el concepto de biorrefinería, el grupo de investigación WASTE2VALUE del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Madrid ha investigado una estrategia integrada para la valorización de residuos alimentarios basada en la carbonización hidrotermal (HTC) y la fermentación acidogénica del agua de proceso generada. Esta aproximación tiene como objetivo maximizar el aprovechamiento de la materia orgánica soluble presente en dicha corriente líquida, transformándola en productos de valor añadido, al tiempo que se favorece la recuperación energética y material del residuo de partida.
La aplicación de la carbonización hidrotermal al residuo alimentario (180 ºC, 1 h) permitió obtener dos corrientes diferenciadas: un hidrochar, con potencial aplicación como biocombustible sólido o enmienda orgánica para suelos, y un agua de proceso caracterizada por una elevada concentración de materia orgánica (60,7 gDQO/L), compuesta principalmente por carbohidratos y proteínas (59,7 y 14,1%, respectivamente, en términos de demanda química de oxígeno; DQO).
La valorización biológica de esta corriente líquida se llevó a cabo mediante fermentación acidogénica en un reactor continuo de mezcla completa (CSTR), con el fin de identificar las condiciones óptimas de operación para maximizar tanto la recuperación energética, asociada a la producción biológica de hidrógeno (H₂), como la recuperación material mediante la generación de ácidos grasos volátiles (AGV), compuestos plataforma de elevado interés para numerosas aplicaciones industriales.
Los ensayos mesofílicos (36 ºC) se realizaron empleando como inóculo un digestato procedente de una estación depuradora de aguas residuales previamente sometido a pretratamiento térmico (105 ºC, 1 h), para inhibir la actividad de microorganismos consumidores de hidrógeno. Por su parte, en los experimentos termofílicos (55 ºC) se utilizó un lodo mixto previamente adaptado a dicha temperatura. El rendimiento de la fermentación acidogénica estuvo condicionado por diversas variables de operación, entre ellas la temperatura (36-55 ºC), el pH (4,8–6,0), la velocidad de carga orgánica (2,5–7,5 gDQO/L·d) y el tiempo de retención hidráulico (3,5–5 d).
En condiciones mesofílicas, los mejores resultados se alcanzaron a pH 4,8, una velocidad de carga orgánica de 5 gDQO/L·d y un tiempo de retención hidráulico de 5 d, obteniéndose una producción de hidrógeno de 39,5 mL/gDQO y una concentración de AGV de 4,6 gDQO/L, compuesta principalmente por ácido acético (36%) y ácido butírico (31%). El análisis de la comunidad microbiana reveló el predominio de bacterias pertenecientes al género Clostridium, ampliamente reconocidas por su capacidad para producir hidrógeno a través de rutas fermentativas. Sin embargo, los mejores resultados globales se obtuvieron en condiciones termofílicas. A pH 5,5, con una velocidad de carga orgánica de 5 gDQO/L·d y un tiempo de retención hidráulico de 5 d, se alcanzó una producción de hidrógeno de 57 mL /gDQO y una concentración de AGV de 7,8 gDQO/L, constituida principalmente por ácido acético (33%) y ácido butírico (51%). Este comportamiento puede atribuirse a la mayor actividad metabólica e hidrolítica de la biomasa termofílica, así como a operar en unas condiciones adecuadas para favorecer la degradación eficiente de la materia orgánica, evitando simultáneamente la acumulación de compuestos inhibidores. Asimismo, el tiempo de retención hidráulico aplicado permitió minimizar el lavado de biomasa y limitar el desarrollo de microorganismos competidores. El análisis microbiológico reveló que, bajo condiciones termofílicas óptimas, la comunidad microbiana estuvo dominada por miembros de Thermoanaerobacterales Family III, junto con representantes de las familias Clostridiaceae y Lactobacillaceae. La interacción metabólica entre bacterias productoras de hidrógeno y bacterias acidolácticas favoreció la conversión de la materia orgánica soluble en hidrógeno y ácidos grasos volátiles, contribuyendo a la mejora del rendimiento global del proceso.
Los resultados obtenidos muestran que la integración de los procesos de carbonización hidrotermal y fermentación acidogénica constituye una estrategia prometedora para la valorización integral de residuos alimentarios, permitiendo la obtención simultánea de materiales carbonosos, hidrógeno renovable y ácidos grasos volátiles de interés industrial. Esta aproximación maximiza el aprovechamiento del residuo, reduce la generación de corrientes de desecho y se alinea plenamente con los principios de la economía circular, la descarbonización y el desarrollo de una bioeconomía sostenible basada en el aprovechamiento eficiente de residuos orgánicos.
Más información: doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.09.289; doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153494
