Las aguas residuales generan problemas ambientales si no se tratan adecuadamente. Tratarlas ya nos proporciona una ganancia ambiental, pues se produce agua que puede ser reutilizada, sin embargo, esto tiene un costo.
Desde hace algunos años existe un nuevo esquema llamado economía circular. La economía circular es un concepto económico que se interrelaciona con la sostenibilidad; está basada en el principio de cerrar el ciclo de vida de los productos, los residuos, los materiales, el agua y la energía. Su objetivo es mantener el valor de los productos, los materiales y los recursos durante el mayor tiempo posible, y que se reduzca al mínimo la generación de residuos.
Visto desde este punto de vista, los efluentes son materia prima de la cual se puede obtener no sólo agua limpia, sino otros productos de valor agregado. Esto es así por el contenido de materia orgánica que puede ser transformada en biocombustibles y otros productos químicos. Cuando el contenido de nitrógeno o fósforo es elevado, estos se pueden recuperar como fertilizantes. Es decir, en los nuevos enfoques de tratamiento no sólo se busca tratar el agua, sino también utilizar el material contaminante contenido en ella. El agua residual es materia prima que entra, ya no a la tradicional planta de tratamiento, sino a un proceso de biorrefinería. Aquí la materia prima se transforma en químicos, biocombustibles y, por supuesto, agua limpia que puede ser reutilizada.
El concepto de biorrefinería lo hemos aplicado en nuestro grupo de trabajo para tratar las aguas residuales de las industrias vitivinícola y láctea, muy importantes en el estado de Querétaro. Por ejemplo, el proceso de producción de vino genera alrededor de 4 litros de efluentes por litro de vino producido. Estos efluentes tienen una alta concentración de materia orgánica, debido principalmente al contenido de azúcares, alcoholes, levaduras y ácidos residuales del procesamiento de la uva.
Una de las propuestas consiste en tratar el agua de la industria vitivinícola para, además, producir plásticos biodegradables. En este caso, los plásticos biodegradables son conocidos como polihidróxialcanoatos (PHA). Estos PHA son biopolímeros sintetizados intracelularmente por los microorganismos como reservorios de energía bajo condiciones de estrés ambiental o nutricional. A la fecha, alrededor de 90 géneros de bacterias han sido identificadas por su capacidad para acumular PHA bajo condiciones aerobias y anaerobias.
Dentro de las bacterias productoras de PHA se encuentran las bacterias púrpuras. Estos organismos llaman la atención por su extraordinaria flexibilidad metabólica, pudiendo consumir una amplia gama de sustratos y transformarlos en varios productos de interés comercial. Pueden vivir en ambiente aerobio, anaerobio, en condiciones de luz (fototróficas) o de oscuridad, consumir carbono orgánico (heterótrofas) o bióxido de carbono (autótrofas). Además, son ubicuas en el ambiente. Como ejemplo de las bacterias púrpuras están Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter sphaeroides, Rhodospirillum rubrum y Rhodopseudomonas palustris.
En la literatura hay antecedentes de que estas bacterias pueden acumular hasta 90 % en peso de PHA, lo que las hace bastante atractivas. Además, también son capaces de producir de forma simultánea otros compuestos de valor agregado, como el ácido 5-aminolevulínico (factor de crecimiento para plantas), la coenzima Q10, así como hidrógeno, pigmentos y aminoácidos. Todo ello utilizando la materia orgánica presente en las aguas residuales.
De esta forma, estamos investigando los factores que afectan la degradación de materia orgánica para tratar en agua, por un lado, y cómo influyen las condiciones del proceso en la acumulación de PHA, ácido 5-aminolevulínico, coenzima Q10 y pigmentos. Para ello utilizamos las bacterias púrpuras en fototrofía, es decir, el proceso funcionará con la luz solar. Se seleccionó un consorcio natural adaptado de organismos de una planta de tratamiento de aguas municipales. La caracterización por secuenciación masiva indicó que nuestro consorcio está constituido mayormente por Rhodopseudomonas palustris. Entre los factores que se estudian se encuentra la intensidad de radiación luminosa, el pH del medio, el tipo de fuente de nitrógeno, así como la configuración del reactor.
Una cuestión muy importante en el tratamiento de aguas es la separación de la biomasa. Efectivamente, no sólo hay que remover la materia orgánica, sino que también es necesario separar a las bacterias del sistema. Para ello, se han evaluado dos aproximaciones. La primera es colocar una membrana al sistema para filtrar el agua y que se concentre la biomasa generada. Este proceso, aunque muy práctico, a la larga puede resultar costoso. La otra estrategia, mucho más práctica, es formar agregados y gránulos que resultan mucho más densos que las bacterias y pueden separarse fácilmente por sedimentación. Esta metodología para la granulación de la biomasa ya la hemos aplicado con éxito a bacterias aerobias y a sistemas con microalga-bacteria.
A la fecha, los resultados son muy prometedores, pues se ha optimizado el sistema para maximizar la producción de PHA y ácido 5-aminolevulínico. Se ha generado conocimiento en cuanto a la cantidad de radiación necesaria y tiempos de los fotoperiodos adecuados. Se han evaluado tanto los efluentes vitivinícolas como los de la fabricación de queso. Por otro lado, ya se han generados los agregados de fácil separación y se evalúa el proceso de tratamiento de aguas.
El doctor Germán Buitrón Méndez es investigador titular C en la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la UNAM. Es investigador nacional nivel 3 del SNII. Su línea de investigación se enfoca al tratamiento biológico de aguas residuales y producción simultánea de biocombustibles gaseosos (hidrógeno y metano) y químicos de valor agregado.
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