Alto valor, cero residuos: los investigadores crean una nueva biorrefinería

¿Qué significa que nuestra economía funcione sin materias primas fósiles como el petróleo y el gas? La respuesta lógica es que tendremos que crear valor casi exclusivamente con recursos biológicos renovables. Esta llamada bioeconomía nos plantea grandes retos, tanto a nivel local como mundial. Investigadores del Instituto Leibniz de Ingeniería Agrícola y Bioeconomía de Potsdam han publicado recientemente un documento conceptual en la revista científica Biofuel Research Journal, que combina modelos comunes de bioeconomía en un concepto global. Describen cómo podría ser una bioeconomía circular y sostenible dentro de los límites planetarios. Las biorrefinerías inteligentes integradas son un componente clave de esta visión.

La biomasa, es decir, las materias primas biológicas cultivadas, es un gran tesoro. La comemos, la alimentamos, la quemamos o la utilizamos. Lo que queda se suele compostar, depositar en vertederos o incinerar. Sin embargo, en cada residuo no utilizado existe un potencial. Una forma de utilizar este potencial es a través de biorrefinerías inteligentes e integradas. A diferencia de las biorrefinerías convencionales, en las que las empresas químicas, por ejemplo, extraen un producto bioquímico especial de un material biológico de partida especial, éstas combinan varios procesos de conversión.

El potencial de las biorrefinerías inteligentes es inmenso

El Dr. Nader Marzban es investigador del Instituto Leibniz de Ingeniería Agrícola y Bioeconomía (ATB) y autor principal del documento conceptual "Smart Integrated Biorefineries in Bioeconomy: A Concept Toward Zero-Waste, Emission Reduction, and Self-Sufficient Energy Production". Lo describe de la siguiente manera "Existen muchas tecnologías de conversión que generan materiales valiosos a partir de la biomasa. Entre ellas están la fermentación microbiana, como la digestión anaerobia, y la pirólisis. La digestión anaerobia, por ejemplo, produce biogás, pero el digestato restante sigue conteniendo compuestos orgánicos valiosos. En lugar de utilizarlo como abono, como se hace tradicionalmente, podemos convertir este digestato en sustancias húmicas artificiales mediante la humificación hidrotérmica. Cuando se introduce en el suelo, estabiliza la diversidad bacteriana y mejora la salud del suelo. Otro enfoque prometedor es la combinación de la fermentación anaerobia con la pirólisis, es decir, la carbonización. En este caso, el biocarbón actúa como catalizador y aumenta la eficacia de la producción de biogás. Al mismo tiempo, el biocarbón se enriquece con nutrientes. Así, puede mantener los nutrientes disponibles en el suelo durante mucho tiempo y -dependiendo de las condiciones del proceso- almacenar carbono durante más de un siglo.

Otro ejemplo es la fermentación. Si se añade biocarbón, se rompen los inhibidores de la fermentación, lo que aumenta significativamente el rendimiento de etanol y ácido láctico. Además, el biocalor y la electricidad generados durante la pirólisis pueden utilizarse para la fermentación, lo que reduce la dependencia de fuentes de energía externas. Las emisiones de CO₂ de la pirólisis pueden capturarse y utilizarse para el cultivo de algas, que a su vez sirven como fuente alternativa de proteínas."

El potencial de las biorrefinerías inteligentes es inmenso, pero también lo es el número de optimizaciones posibles. Procesos industriales como la digestión anaerobia, la fermentación, la pirólisis, la carbonización y la humificación tienen parámetros ajustables y pueden combinarse de diversas maneras. En lugar de basarse en un único tipo de biomasa, los investigadores trabajan con 90 materias primas diferentes que varían regional y estacionalmente. Al definir los objetivos clave y los parámetros ajustables de cada proceso, se crean millones de escenarios potenciales.

El Dr. Marzban señala: "Investigar experimentalmente todos estos escenarios sería extremadamente costoso y llevaría mucho tiempo. Pero el tiempo es un lujo que no nos podemos permitir. Nuestra economía sigue dependiendo en gran medida de las materias primas fósiles. Ya estamos viendo los efectos negativos. Por eso confiamos en las simulaciones basadas en IA para identificar los enfoques más eficientes. Como científicos de procesos, procedemos paso a paso e inicialmente optimizamos subsistemas, que luego unimos gradualmente para combinarlos en un todo mayor".

Una bioeconomía sostenible con cero residuos y dentro de los límites planetarios

La experiencia de la industria mundial y los amplios resultados de la investigación -incluida la de ATB- proporcionan una rica base de datos para seguir desarrollando los actuales procesos de conversión de la biomasa. Las tecnologías clave son los sensores que miden directamente en los procesos y ayudan a comprender mejor las interacciones producto-proceso, así como la inteligencia artificial, los gemelos digitales y las técnicas avanzadas de modelización. Aprovechando los datos, las capacidades de procesamiento y los algoritmos, pueden desarrollarse biorrefinerías integradas inteligentes que sean adaptables y escalables y puedan procesar miles, si no millones, de escenarios.

La profesora Barbara Sturm, Directora Científica del ATB y autora del artículo, explica: "Las biorrefinerías inteligentes integradas pueden desarrollarse utilizando redes y diálogos entre diferentes sistemas modelizados y luego validarse en la realidad. Este proceso de validación permite identificar lagunas y descubrir oportunidades ocultas, que pueden abordarse reutilizando tecnologías y sistemas existentes o introduciendo soluciones innovadoras como sustancias húmicas artificiales. En este enfoque sistémico, cada componente de la biorrefinería busca activamente conexiones con otros, formando redes más amplias e integradas. Este sistema simularía constantemente los siguientes pasos para encontrar la mejor manera de alcanzar los objetivos definidos. Esto mejorará la sostenibilidad y la circularidad dentro de los modelos bioeconómicos, creando puestos de trabajo y apoyando a los responsables políticos. Nuestra visión es lograr una bioeconomía más resistente, eficiente y preparada para el futuro a través de esta integración sistémica."

El enfoque integrado podría permitirnos crear una bioeconomía verdaderamente sostenible con cero residuos y permaneciendo dentro de nuestros límites planetarios. Aumenta la rentabilidad y la competitividad, algo que se necesita urgentemente dado el menor coste de los productos fósiles. No obstante, el apoyo gubernamental y las intervenciones políticas son cruciales para facilitar y acelerar la transición a las tecnologías verdes. A largo plazo, las biorrefinerías integradas inteligentes serán sin duda más rentables que los sistemas centrados en un único proceso. También reducirán la necesidad de importar materias primas y aumentarán así la resistencia de nuestros sistemas económicos.

La hora de la verdad

Con el documento conceptual, el equipo de ATB, junto con sus socios de la Universidad de Potsdam y la Universidad Técnica de Berlín, ha dado el primer paso. Ahora es el momento de probarlo y ponerlo en práctica. El próximo mes de marzo, ATB iniciará la construcción de una biorrefinería con fines de investigación en Groß Kreutz (Brandemburgo, Alemania). Esta planta complementará las plantas piloto e instalaciones existentes en la sede de Potsdam y el laboratorio de campo de agricultura digital de Potsdam-Marquardt. Como parte de la Granja de Innovación Leibniz para la Bioeconomía Sostenible (InnoHof®), se está creando una instalación que no sólo unirá la investigación y la práctica de forma co-creativa, sino que también demostrará la viabilidad de tales conceptos.

Además, el ATB está en proceso de solicitar una ampliación del instituto con el fin de integrar estos enfoques sistémicos de forma aún más coherente en su investigación. En un nombramiento conjunto con la Universidad de Osnabrück, ATB cubre actualmente una cátedra de ciencia de sistemas en bioeconomía. El profesor Sturm subraya: "Tenemos que pensar conjuntamente en innovaciones sistémicas, técnicas, sociales y económicas. Sólo si entendemos un sistema como un todo podremos optimizar los subsistemas de tal manera que sirvan eficazmente a la sostenibilidad. Con nuestro concepto, intensificaremos aún más la investigación interdisciplinar sobre bioeconomía con responsables políticos, líderes industriales y el sector de la alimentación y la nutrición con el objetivo de aumentar la resiliencia de nuestro sistema económico, hacer más sostenible nuestra economía y apoyar la soberanía tecnológica de Alemania y Europa."