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Conversión de aguas residuales en energía: un nuevo proceso de tratamiento c

Investigadores de CABBI Jeremy Guest y Elaine Lee

Foto: Los investigadores Jeremy Guest y Yallen Lee dirigieron un equipo en el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI) que diseñó un nuevo sistema de tratamiento de aguas residuales para biorrefinerías que procesan plantas en combustibles y bioproductos. El sistema puede tratar el agua de manera eficiente y recuperar la valiosa energía del biogás, lo que mejora la sostenibilidad económica y ambiental de la biorrefinería.
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Crédito: Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI)

Las aguas residuales de las biorrefinadoras que convierten las plantas en combustible están llenas de materia orgánica que no se puede tratar de manera eficiente con los sistemas de alcantarillado convencionales, lo que hace que su gestión sea costosa y consuma mucha energía.

Sin embargo, este rico material orgánico es una fuente sin explotar de energía química que puede recuperarse como productos valiosos, incluido el biogás, un combustible renovable de combustión limpia.

Un estudio realizado por investigadores del Centro de Bioenergía Avanzada e Innovación de Bioproductos (CABBI) del Departamento de Energía encuentra que la recuperación de recursos de las aguas residuales puede mejorar significativamente la sostenibilidad económica y ambiental de las biorrefinerías de segunda generación, apoyando la transición hacia biocombustibles sostenibles basados ​​en plantas. . y la industria de bioproductos. El equipo de CABBI diseñó un proceso que trata las aguas residuales y recupera la energía del biogás que puede generar ingresos para las biorrefinerías, al tiempo que reduce los costos y las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los sistemas de tratamiento convencionales.

La obra fue publicada en ACS Química e Ingeniería Sostenible, reunió a investigadores de los tres temas de CABBI (producción, conversión y sostenibilidad de materias primas) que desarrollan alternativas al petróleo basadas en plantas para combustibles y productos químicos. Con el modelo de «plantas como fábricas», pretenden producir biocombustibles, productos bioquímicos y moléculas fundamentales directamente en las hojas y tallos de las plantas; Desarrollar herramientas, levaduras y métodos de procesamiento únicos para convertirlos en bioproductos de alto valor, como biodiesel, ácidos orgánicos, lubricantes y alcoholes; y evaluar la sostenibilidad económica y ambiental de las materias primas, los biocombustibles y los bioproductos de CABBI, desde el campo hasta la biorrefinería y la bioeconomía.

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El estudio de aguas residuales fue dirigido por dos investigadores de sustentabilidad de CABBI en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign: Jeremy Guest, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental (CEE); y la investigadora Yalin Lee del Instituto de Sostenibilidad, Energía y Medio Ambiente (iSEE). Los autores de CABBI incluyeron a Vijay Singh, investigador de conversión, subdirector de ciencia y tecnología y profesor de ingeniería agrícola y biológica (ABE) en Illinois. y el investigador de producción de materia prima Fredy Altpeter, profesor de ingeniería agrícola en el Instituto de Ciencias Agrícolas y Alimentarias de la Universidad de Florida.

Las biorrefinerías de segunda generación que procesan faiza, rastrojo de maíz u otras materias primas no alimentarias tienen el potencial de producir biocombustibles y bioproductos con un impacto ambiental mucho menor que los generados por combustibles fósiles o biorrefinerías de primera generación, que utilizan maíz y otros cultivos viables para comer Pero estos biorrefinadores de segunda generación aún enfrentan obstáculos financieros que impiden su despliegue exitoso en el mundo real.

Si no se gestionan adecuadamente, las biorrefinadoras pueden requerir una cantidad exorbitante de agua y generar una gran corriente de aguas residuales. Para producir combustibles y bioquímicos valiosos a partir de biomasa vegetal, las biorrefinerías pueden usar hasta 10 litros de agua por cada litro de biocombustible producido, según Un estudio anterior de CABBI. Las aguas residuales resultantes contienen altas concentraciones de materia orgánica (azúcares, productos de fermentación sobrantes, subproductos del proceso u otros productos químicos), lo que dificulta su reutilización.

Pero esos análisis anteriores a menudo se basan en tecnologías de tratamiento de aguas residuales convencionales de bajo precio que son costosas, consumen mucha energía y requieren una huella física enorme que, según el tamaño de la planta, podría ser el equivalente a 30 campos de fútbol o más. . . Los sistemas de tratamiento convencionales de bajo precio utilizan grandes reactores aeróbicos, que consumen grandes cantidades de electricidad para la aireación y convierten la materia orgánica de las aguas residuales en dióxido de carbono sin producir productos valiosos.

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El equipo de CABBI diseñó un proceso anaeróbico de aguas residuales de alta velocidad que elimina en gran medida la aireación, ahorra electricidad y, en su lugar, incorporó tecnologías emergentes, que incluyen circulación interna y biorreactores de membrana anaeróbica para recuperar la energía incrustada en la materia orgánica como biogás. Para su diseño, utilizaron datos experimentales de aguas residuales del procesamiento de caña de azúcar y caña de aceite cultivadas por el grupo Altpeter del Proyecto CABBI Feedstocks-to-Fuels. El proceso extrae aceites vegetales y luego genera etanol a partir de azúcares vegetales a través de la fermentación por levaduras. El grupo de Singh proporcionó el caldo de fermentación gastado, luego de la extracción con etanol, y colaboradores de la Pontificia Universidad Católica de Chile determinaron la cantidad de metano que se podría producir a partir de muestras reales.

usando Software de código abierto BioSTEAMA continuación, los investigadores simularon la integración de un nuevo proceso de tratamiento de aguas residuales en siete diseños de biorrefinería, que cubren una amplia gama de materias primas y biocombustibles/bioproductos. A través de un análisis técnico económico y una evaluación del ciclo de vida (TEA-LCA) habilitado por BioSTEAM, descubrieron que el nuevo proceso puede reducir significativamente el costo de capital y el uso de energía de las biorrefinadoras, mejorando su viabilidad financiera y reduciendo su impacto ambiental.

El proceso puede convertir de manera eficiente los contaminantes orgánicos en biorrefinación de aguas residuales en biogás, y realizar la recuperación de energía y el tratamiento de aguas residuales simultáneamente. Reducirá el consumo de energía, los costos operativos y las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los sistemas de tratamiento convencionales.

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“Con procesos de gestión adecuados, las aguas residuales pueden ser una fuente potencial de ingresos para la biorrefinería al tiempo que mejoran la sostenibilidad ambiental de los biocombustibles y los bioproductos”, dijo Lee.

El proceso de tratamiento de aguas residuales diseñado en este estudio puede mejorar significativamente la viabilidad financiera de las biorrefinerías de segunda generación al tiempo que reduce sus impactos ambientales, contribuyendo así a la transición de la sociedad hacia una bioeconomía circular, y la misión de CABBI de apoyar la industria local viable y sostenible de biocombustibles y bioproductos que utilizan plantas biomasa

Otros coautores de CABBI: George Kontos y Thomas Parkinson, CEE en Illinois; y Mothi Viswanathan, ABE en Illinois. Coautores no CABBI: Daniela Cabrera y Rodrigo Labote, Pontificia Universidad Católica de Chile; y Nicholas Avila, CEE en Illinois.


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