El proyecto RETOPROSOST-2-CM está estructurado en torno a 5 Objetivos Científico-Tecnológicos (OCTs), cada uno de ellos con una serie de actividades e hitos, que a continuación se describirán con más detalle: 

• OCT‐1. Simbiosis industrial: transformación de materias primas secundarias por vía biológica y enzimática.
• OCT-2. Simbiosis industrial: transformación de materias primas secundarias por vía química.
• OCT-3. Estudio de la aplicación industrial de los productos de la transformación de materias primas secundarias
• OCT-4. Producción sostenible: minimización de los consumos de agua y energía.
• OCT-5. Selección y análisis de viabilidad preliminar de vías de simbiosis industrial y producción sostenible.

OCT‐1. Simbiosis industrial: transformación de materias primas secundarias por vía biológica y enzimática

 

Este OCT se concentra en el estudio de la viabilidad técnica de transformaciones de materias primas secundarias a través de tratamientos enzimáticos y por medio de la acción de cepas de microorganismos: bacterias, microalgas y hongos. Se consideran aquí las corrientes generadas por ESPAFRIMA, en concreto agua de proceso rica en almidón, almidón de decantación, mermas de patata, lodo de depuradora y aceite de fritura. Las actividades incluyen una primera fase de caracterización de los materiales a estudiar, que contienen principalmente polisacáridos y lípidos, por lo que pueden ser utilizados como fuentes de carbono de bajo coste para producir enzimas o compuestos de interés mediante fermentaciones microbianas.

Con la corriente líquida, el grupo del GCP‐UCM tratará de producir celulosa bacteriana de alta pureza y biogás a través de un biorreactor anaerobio de membrana. El agua tratada en la digestión anaerobia, libre de patógenos y rica en nutrientes inorgánicos, se estudiará también como medio de cultivo en la producción de biomasa de microalgas con potencial nutracéutico (Chlorella sp., Haematococus sp.). Con las aguas de proceso y aceites de fritura se estudiará la producción de ácido succínico, directamente con estos microorganismos o tras pretratamientos enzimáticos (entre otros), aunque éstos tratarán de minimizarse para no aumentar costes de cara a una posible implementación industrial.

El equipo del CIB‐CSIC, experto en la aplicación de hongos y sus enzimas, ensayará la síntesis de ácido poliláctico (PLA) con lipasas/esterasas, la producción de etanol a partir de los residuos con almidón (tras tratamiento con amilasas y fermentación de los azúcares libres con Saccharomyces cerevisiae) y la transformación enzimática con las carbohidrolasas, oxidorreductasas y lipasas producidas en su laboratorio. Los monosacáridos liberados podrían emplearse, además de para producir bioetanol, para sintetizar glicoconjugados de alto valor añadido (Nieto‐Domínguez et al., 2016, 2015), ya que muchas de estas enzimas catalizan reacciones tanto de hidrólisis como de síntesis, lo que permite obtener nuevos compuestos. Los aceites de fritura se pueden transformar enzimáticamente en biodiesel de segunda generación utilizando lipasas inmovilizadas (Prieto et al., 2018).

El laboratorio REDLAB nº 317 colabora en la caracterización de las enzimas y los productos obtenidos. El grupo INIA estudiará la producción de enmiendas orgánicas con los materiales sólidos pretratados y los lodos.

Actividades:

• Actividad 1.1 Producción de ácido succínico y láctico y su polimerización.
• Actividad 1.2. Producción de biocombustibles por vía enzimática, metanogénica y fermentación etanólica.
• Actividad 1.3. Producción de enmiendas prebióticas para cultivos por vía fúngica.
• Actividad 1.4. Producción de biomasa de microalgas con medio secundario.
• Actividad 1.5. Polimerización enzimática de precursores y productos de fermentación.
• Actividad 1.6 Producción de celulosa bacteriana de alta pureza.

OCT2. Simbiosis industrial: transformación de materias primas secundarias por vía química

 

En este OCT se pretende obtener productos de valor o sustancias precursoras de interés industrial mediante transformaciones químicas y termoquímicas de las materias primas secundarias (MPS) generadas en las empresas colaboradoras.

El GCP-UCM ha abordado la obtención de derivados nanocelulósicos (nanocristales, nanofibras y derivados) a partir de corrientes residuales, incluidos los residuos de ESPAFRIMA y NATAC, por medio de procesos físicoquímicos de bajo consumo energético y de materiales (reutilización de catalizadores TEMPO). Estos materiales se estudiarán posteriormente como aditivos de refuerzo en papel, composites y como agentes floculantes. El mismo grupo estudiará la modificación del subproducto de almidón puro de ESPAFRIMA para fabricar floculantes biodegradables y la purificación y polimerización catalítica de los monómeros producidos en el OCT-1 por el CIB-CSIC.

El Grupo del CIEMAT lleva a cabo la caracterización físicoquímica y termogravimétrica de las distintas materias primas secundarias y estudia el proceso de pirólisis a escala de laboratorio (modo batch), teniendo en cuenta el efecto de los parámetros de operación en la distribución y composición de productos. Con los productos de pirólisis obtenidos aborda el estudio de las posibles sinergias entre materias primas secundarias para definir las mezclas de entrada al proceso. El grupo realiza ensayos confirmatorios de pirólisis sobre mezclas. Con los sólidos producidos y caracterizados en los ensayos de pirólisis se aborda el estudio de la producción de adsorbentes y de sustratos fertilizantes.

Finalmente, el CIEMAT lleva a cabo el estudio para la producción de biopolímeros, que comprenderá un análisis de requisitos (composición deseable, impurezas a eliminar, etc.), la definición del proceso de upgrading para la transformación de las fracciones de aceites de pirólisis de interés y un experimental a escala de laboratorio de la producción de bioplásticos y biopolímeros a partir de dichas fracciones.

Actividades:

• Actividad 2.1. Producción de nanoderivados celulósicos. 
• Actividad 2.2. Cationización de almidones de patata.
• Actividad 2.3. Producción de precursores químicos, aceite de pirólisis y biochar.
• Actividad 2.4. Producción de biocombustibles gaseosos por vía termoquímica. 
• Actividad 2.5. Polimerización catalítica de precursores y productos de fermentación.
• Actividad 2.6. Producción de adsorbentes a partir de char de pirólisis (biochar).
• Actividad 2.7. Producción de sustrato fertilizante (biochar).
• Actividad 2.8. Estudio de obtención de bioplásticos y biopolímeros a partir de fracciones de aceites de pirólisis. 

OCT3. Estudio de la aplicación industrial de los productos de la transformación de materias primas secundarias

 

En este OCT se estudia la viabilidad técnica de la transferencia de los resultados obtenidos en las tareas de desarrollo de procesos de transformación a las empresas que participan activamente en el programa y que puedan resultar en explotaciones comerciales futuras.

El grupo GCP-UCM aborda junto con la empresa A3D ADDITIVE PRINTER la formulación de hormigones reforzados con derivados nanocelulósicos. Además durante las investigaciones surgió la necesidad de buscar modificadores reológicos alternativos que faciliten la impresión pero que permitan un endurecimiento rápido posteriomente de la mezcla. Este mismo grupo estudia la capacidad floculante de los derivados nanocelulósicos y del almidón cationizado en tratamientos fisicoquímicos destinados a la eliminación de tintas (mermas de bolsas de plástico de ZERMATT y papel reciclado) y de materia disuelta y coloidal de aguas residuales y de proceso (se considerarán las de ECOHISPANICA y ESPAFRIMA). También colaborará con la empresa NATAC en la extracción de nutracéuticos de la biomasa de microalgas producida por este beneficiario.

Los Grupos del CIEMAT y CIB-CSIC colaboran con ZERMATT para analizar el potencial de los biopolímeros para producir bolsas. Estos mismos grupos, con la colaboración de ECOALF investigarán la viabilidad técnica de fabricar fibras textiles con los biopolímeros producidos. Tanto en el caso de la producción de bolsas como en la de fibras textiles, se valorará la adición de derivados celulósicos (fibras, nanocristales y nanofibras) en colaboración con los Grupos GCP-UCM e INIA, al objeto de mejorar las propiedades mecánicas requeridas en cada aplicación.

Los grupos del INIA y GCP-UCM, junto con PLANTRESPONSE, llevarán a cabo los estudios pertinentes para evaluar la eficacia de las enmiendas prebióticas desarrolladas en la mejora de la resistencia de los cultivos como elicitores de respuesta inmunitaria. Además, realizará ensayos para valorar la eficacia de los sustratos de char como fertilizantes (con el CIEMAT).

El grupo CIB, en colaboración con el GCP-UCM, realizará un estudio de la eficacia de las enzimas producidas como biodispersantes para evitar la formación de biopelículas en los circuitos de agua de proceso de instalaciones industriales.

Por último, el grupo CIEMAT estudiará la capacidad de los adsorbentes producidos con char para la limpieza de gases y la purificación de aguas, este último punto en colaboración con el GC-PUCM.

Actividades:

• Actividad 3.1. Formulación de hormigones para impresión en 3D reforzados con nanoderivados celulósicos y cenizas de pirólisis / combustión con A3D Additive Printer.
• Actividad 3.2. Estudio de nanoderivados celulósicos y almidones cationizados como floculantes biodegradables en el tratamiento de aguas y destintado de papel y plásticos.
• Actividad 3.3. Producción de bolsas de embalaje con los biopolímeros.
• Actividad 3.4. Estudios de la mejora de cultivos agrícolas con enmiendas prebióticas y biofertilizantes.
• Actividad 3.5. Fabricación de fibras textiles alternativas con biopolímeros.
• Actividad 3.6. Extracción de nutracéuticos de microalgas.
• Actividad 3.7. Estudio del empleo de enzimas para evitar la formación de biopelículas.
• Actividad 3.8. Aplicación de adsorbentes del char en depuración de gases y aguas.

OCT4. Producción sostenible: minimización de los consumos de agua y energía

En este OCT se persigue aportar soluciones técnicas a las empresas ESPAFRIMA y ECOHISPANICA que les permitan reducir sus consumos de agua y energía y, con ello, conseguir una producción más sostenible y ahorros en los costes de operación de sus procesos. Los estudios de minimización energética se extenderán a la empresa ZERMATT. El consorcio desde el inicio del Programa ha  incluido a otras empresas, como es el caso de MAXAM, con quién ha desarrollado estudios para reutilizar corrientes de ácido nítrico. Para ello ha desarrollado un tratamiento para eliminar formaldehído de las aguas de proceso en la fabricación de nitrocelulosa y así reutilizarlas y alcanzar vertido cero. Dicho tratamiento ha sido validado por la empresa y se está implantando en la planta en la actualidad; y PRAXAIR-Nippon Gases empresa con la que ya colaboraba el grupo GCP-UCM cuando se requiere implementar tratamientos de oxidación avanzada, basados en ozono.

La empresa ESPAFRIMA tiene en la actualidad unos consumos de agua elevados por la naturaleza de su proceso, en el cual existen numerosos puntos de lavado de la patata como materia prima y una vez cortada. El grupo GCP-UCM ha abordado junto a la empresa ESPAFRIMA la optimización de sus sistemas de gestión del agua, tanto en los circuitos de agua de proceso como en lo tocante a la planta de tratamiento de aguas residuales con que cuenta la empresa. Se valorará, entre otras alternativas, la sustitución de los agentes empleados en su tratamiento físicoquímico por otros de bajo impacto ambiental, la posibilidad de llevar a cabo una digestión anaerobia de sus aguas y lodos de tratamiento aerobio, y se estudian las posibles vías de tratamiento interno que permitan reutilizar una parte del agua de proceso que se emplea en el lavado de las rodajas de patata. El grupo GCP-UCM investigará asimismo las posibilidades de optimización del circuito de agua de la empresa ECOHISPANICA, concentrándose en la posibilidad de reutilizar parte del agua que se emplea para llevar a cabo la higienización de los residuos sólidos urbanos en sus procesos.

El grupo CIEMAT realiza la caracterización de los biocombustibles obtenidos a partir de materias primas secundarias para determinar el potencial de estos vectores energéticos para sustituir total o parcialmente los combustibles fósiles empleados actualmente por las empresas para tal fin. Estos estudios se centran en determinar los requisitos de tratamiento y upgrading de los biocombustibles para hacerlos utilizables en las instalaciones de generación de energía (electricidad/calor) que actualmente poseen las empresas participantes. Los mencionados requisitos se tendrán en cuenta en el estudio de las condiciones de operación de los procesos de pirólisis del OCT-2.

Durante el periodo del estado de alarma se han cambiado los objetivos y las prioridades para ayudar en lo posible al control del COVID-19. Para ello,los conocimientos de tratamiento de aguas residuales con ozono se han trasferido a la limpieza de superficies.. De este modo, el Grupo de la UCM, junto con Nippon Gases, ASP Ozono y HM Madrid han desarrollado un proyecto para extender la vida util de los EPIs mediante su desinfección con ozono en cámaras cerradas para su reutilización en condiciones más seguras para el personal sanitario. Este proyecto se incluyó en el Hackatón Vencealvirus organizado por la Comunidad de Madrid y ha permitido determinar el potencial del ozono y estimar las dosis requeridas para distintos casos. Se ha asesorado a las empresas que lo han requerido (hospitales, Médicos sin Fronteras, restaurantes, lavanderías, etc.) sobre el potencial y las limitaciones del uso de ozono. También se ha colaborado con ANQUE en la difusión de noticias informativas sobre la correcta utilización del ozono.

Actividades:

• Actividad 4.1. Optimización del circuito de agua de ESPAFRIMA.
• Actividad 4.2. Optimización del circuito de agua de ECOHISPANICA.
• Activdad 4.3. Análisis de aplicación de los bioaceites de pirólisis y gases de conversión termoquímica como combustible sostenible para uso térmico, energía, transporte. 
• Actividad Adicional 4.4. Estudio del potencial del ozono contra el Covid-19.

OCT5. Selección y análisis de viabilidad preliminar de vías de simbiosis industrial y producción sostenible

 

Este objetivo científico tecnológico se concentra en seleccionar aquellas vías de transformación de materias primas secundarias o enfoques de optimización de los sistemas de aguas de las fábricas que tienen potencial para producir beneficios o ahorros económicos en cuatro empresas de las que colaboraran activamente en el programa. Idealmente, cada empresa seleccionará una de las vías de transformación u optimización consideradas en el Programa con el asesoramiento de los respectivos grupos de investigación.

En base a los flujos de materiales y capacidad productiva de la empresa, el grupo de análisis del ciclo de vida perteneciente al CIEMAT llevará a cabo un estudio de viabilidad a preliminar con el propósito de dilucidar las mejoras medioambientales y los costes de inversión y operación asociados a la implementación industrial de las vías de transformación u optimización previamente seleccionadas. Los datos obtenidos por medio de este enfoque permitirán a las empresas participantes en el programa tener una idea cercana a la realidad de las posibilidades de mejora de su negocio desde el punto de vista medioambiental y técnico, así como de los costes asociados a dichas mejoras.

Actividades:

• Actividad 5.1. Selección de las vías de simbiosis más relevantes.
• Actividad 5.2. Análisis preliminar del ciclo de vida de las vías seleccionadas.