El proceso para implementar las tecnologías electroquímicas microbianas (METs) a escala real  requiere del estudio de nuevos escenarios que superen las limitaciones de los procesos catalíticos en biopelículas electroactivas. En este contexto, los reactores de lecho fluidizado electroquímicos microbianos se presentan como un diseño novedoso para estimular la degradación de la materia orgánica en aguas residuales. El desarrollo de este tipo de configuraciones permitiría operar prototipos sencillos de instalar a gran escala para evaluar tecnologías novedosas como las METs, que, de otro modo, estarían estancadas en escala laboratorio.

 

La electroquímica microbiana o electromicrobiología ha surgido como una nueva subdisciplina de la biotecnología basada en el estudio de las interacciones entre microorganismos y electrodos. Las propiedades catalíticas de estos microorganismos son muy versátiles y una diversidad de campos pueden beneficiarse de ellas a través del desarrollo de las tecnologías electroquímicas microbianas (MET). Los dispositivos empleados en estas tecnologías se han convertido en sistemas novedosos que reflejan perfectamente el nexo agua-energía a causa de sus atractivas aplicaciones en el tratamiento de aguas residuales y la desalinización del agua. Sin embargo, la aplicación de las METs a escala real depende de la resolución de desafíos microbiológicos, tecnológicos y económicos.

 

Hasta el momento, las METs se han entendido como sistemas en los que la catálisis se encuentra localizada en la superficie del electrodo debido a la necesidad de adhesión microbiana formando un biofilm sobre él. La optimización de esta interacción es el principal reto de esta disciplina y se centra principalmente en la mejora tanto del diseño del reactor y de los electrodos como de los mecanismos de transferencia de electrónica extracelulares. El estudio de los fundamentos de la interacción bacteria-electrodo y del proceso catalítico son esenciales para la maximizar del rendimiento de los sistemas bioelectroquímicos. Geobacter sulfurreducens se considera el microorganismo modelo para estudiar la transferencia extracelular directa de electrones a un electrodo y, por tanto, se utiliza ampliamente en los ensayos de prueba de concepto. Esta bacteria forma típicamente biopelículas de múltiples capas sobre los electrodos de las METs. Sin embargo, Geobacter, en su hábitat natural, se encuentra en estado planctónico al respirar aceptores insolubles de electrones como los óxidos de hierro. La configuración de biopelícula limita el rendimiento de este tipo de sistemas debido a la restricción de la reacción a la interfase electrodo-biopelícula y además presenta problemas asociados con la actividad de las células dentro de la biopelícula.

 

Con el objetivo de maximizar el área superficial de electrodo disponible para los microorganismos electroactivos, y de mejorar la cinética de la biocatálisis empleando un entorno con buenas propiedades de mezcla, el equipo de Bioelectrogénesis de la Universidad de Alcalá e Imdea Agua ha diseñado un reactor de lecho fluidizado electroquímico microbiano (del inglés, ME-FBR) (Tejedor-Sanz, 2017). Este prototipo surge de la fusión de un reactor de lecho fluidizado clásico con una MET, de forma que un ánodo fluidizado 3D, compuesto por micropartículas conductoras de la electricidad, sirve como aceptor final de electrones para los microorganismos electroactivos como Geobacter (figura 1). El empleo de un electrodo fluidizado constituye un avance con respecto al uso de electrodos planos y estáticos en los sistemas MET puesto que optimiza el contacto bacteria-electrodo-medio, mejora la transferencia de masa y calor en cada una de estas interfaces y proporciona un alto área superficial de ánodo (aumento de superficie para la catálisis microbiana).

 

 

 

 

Curiosamente, se ha visto que este electrodo fluidizado formado por partículas en suspensión puede estimular la interacción bacteria-electrodo en estado planctónico de ambos elementos (Tejedor-Sanz et al, 2017). Esto supone un nuevo paradigma en la transferencia de electrones directa dentro del campo de las METs, en el cual bacterias electrogénicas de forma individual, están transitoria y directamente conectadas con una partícula de ánodo en suspensión.

 

 

Una de las principales aplicaciones que tiene el ME-FBR es el tratamiento de la materia orgánica de las aguas residuales de la industria agroalimentaria. Entre ellas, las aguas residuales de la industria cervecera han recibido mucha atención ya que los componentes orgánicos de estos efluentes (principalmente azúcares, almidón soluble, etanol y ácidos grasos volátiles) son generalmente fácilmente biodegradables. La digestión anaerobia es típicamente la tecnología utilizada por las fábricas de cerveza para eliminar la materia orgánica, mientras que los nutrientes se eliminan generalmente en un tanque aireado. Tanto la digestión anaerobia como los procesos de electrogénesis microbiana comparten ventajas comunes: baja producción de biomasa, bajo consumo de energía y la posible recuperación de ésta en forma de corriente u otros vectores como el hidrógeno o el metano. Sin embargo, un factor problemático de los digestores anaerobios es la baja estabilidad del proceso biológico.

 

La presencia de compuestos inhibidores en las aguas residuales y lodos (amoníaco, sulfuro, metales pesados, compuestos orgánicos halogenados), el lento crecimiento y la alta sensibilidad de los metanógenos a diferentes agentes externos pueden producir una acumulación de los ácidos grasos volátiles y una caída del pH (Chen et al., 2008). Todas estas vulnerabilidades pueden producir que bajo perturbaciones tales como un cambio en la carga todo el proceso de digestión anaerobia falle y por lo tanto el reactor necesite ser detenido. En este contexto las METs y, concretamente, los sistemas bioelectroquímicos de lecho fluidizado, pretenden ser una alternativa o complemento a los sistemas de digestión anaerobia para degradar la materia orgánica de este tipo de efluentes. Por otra parte, las METs ofrecen la posibilidad de recuperar y reutilizar subproductos generados en el proceso, como por ejemplo el hidrógeno producido en los cátodos a partir de la hidrólisis del agua.

 

Las METs han demostrado que la biodegradación de la materia orgánica puede ser estimulada cuando los microorganismos electroactivos encuentran un ánodo como aceptor terminal de electrones. Sin embargo, para tratar aguas residuales de forma completa es necesario apoyar estos sistemas con una tecnología complementaria capaz de eliminar los nutrientes y/o materia en suspensión. Una de las estrategias que pueden complementar las METs es la integración de las mismas con un pre-tratamiento de electrocoagulación (EC) con el fin de eliminar los nutrientes y la materia insoluble (figura 2). De esta forma se separa de la fase de biodegradación de materia orgánica soluble con la de la materia en suspensión que muchos tratamiento biológicos son incapaces de eliminar. En la etapa de electrocoagulación se puede controlar la concentración de nutrientes en el efluente mediante la variación de parámetros como la densidad de corriente aplicada o el tiempo de reacción en la EC. La integración de estos dos tipos de técnicas electroquímicas (EC y un ME-FBR) resulta en una estrategia eficaz para el tratamiento completo de aguas residuales industriales (Tejedor Sanz, 2017).

 

 

 

 

 

 

Actualmente a través del proyecto europeo ANSWER (Advanced Nutrient Solutions With Electrochemical Recovery) (LIFE15ENV/ES/000591) del programa LIFE Environment and Resource Efficiency, se está desarrollando a escala piloto un sistema de tratamiento de aguas de la industria cervecera basado en la integración de la EC con un ME-FBR. Este proyecto cuenta como socios con la cervecera Mahou (coordinadora), la empresa de aguas FCC Aqualia, la Universidad de Alcalá y la empresa de reciclado de metal Recuperaciones Tolón. El objetivo del proyecto ANSWER es la demostración técnica y la viabilidad económica de un sistema para el tratamiento del agua residual de la industria cervecera con recuperación de recursos. El proyecto se desarrollará en una de las plantas cerveceras más grandes de Europa (Alovera, MAHOU), en un sistema de demostración que tratará agua real de dicha planta. Uno de los aspectos más atractivos del ANSWER es la vinculación del tándem electrocoagulación-MET con el nexo agua-energía y con el concepto de energía circular, uno de los pilares centrales de la estrategia económica europea.

 

Si bien la electrocoagulación es una técnica conocida desde hace más de un siglo, el campo de la electroquímica microbiana se lleva explorando desde hace apenas unos años. Y es, por primera vez, en el proyecto ANSWER donde estas dos tecnologías confluyen, asociándose para crear un concepto innovador en el tratamiento de las aguas residuales industriales minimizando el consumo de energía y maximizando la recuperación de recursos.