El biometano es un gas derivado de la digestión anaerobia de materia orgánica que se ha posicionado como un biocombustible avanzado, capaz de aprovechar las infraestructuras gasistas actuales y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Únicamente en Europa, el biogás tiene un potencial para sustituir cerca de 25.000 millones de metros cúbicos de gas natural, cuyo origen proviene en la actualidad principalmente de países ajenos a la Unión. Conscientes de esta gran oportunidad para afianzar la seguridad energética y proteger el medio ambiente, en el Centro Tecnológico CTC hemos identificado la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías que incrementen el rendimiento de estos procesos para facilitar su implementación a nivel industrial.
Para lograr este salto de eficiencia, trabajamos en la obtención de catalizadores sostenibles basados en carbono mediante el tratamiento térmico (vías de pirólisis e hidrotermales) de diversos materiales biobasados. Es decir, son materiales que se derivan total o parcialmente de de materia orgánica de origen biológico y renovable (como plantas, residuos agrícolas, madera, etc.). En concreto, nuestra investigación se centra en dos grandes familias que destacan por tener una elevada superficie específica: el biochar y los carbon dots.
Mientras que el biochar actúa como un excelente soporte gracias a su estructura porosa rica en grupos funcionales, los carbon dots son nanopartículas de menos de 10 nanómetros que presentan una elevadísima conductividad eléctrica y alta reactividad. Estos materiales innovadores ya se están aplicando con éxito para mejorar la producción de biogás, biometano y de hidrógeno.
Sin embargo, lo verdaderamente disruptivo de esta tecnología es que estos materiales no solo se emplean como recubrimientos, filtros o catalizadores convencionales, sino que tienen la capacidad de interactuar directamente con los sistemas biológicos. Durante el proceso de fermentación anaerobia, existe una simbiosis vital entre diferentes bacterias que dependen del transporte de cargas eléctricas en el medio circundante. Un fenómeno biológico conocido como ‘Transferencia Directa de Electrones entre Especies (DIET por sus siglas en inglés)’. Para entenderlo fácilmente, podríamos imaginar estos materiales como si fueran una red de microcables que conecta físicamente a las bacterias y que facilita y acelera su comunicación eléctrica para que descompongan la materia y produzcan gas de forma mucho más ágil.
Tradicionalmente, este proceso de intercambio electrónico lograba estimularse añadiendo materiales conductores comunes como los óxidos metálicos, pero estos presentan el grave inconveniente de ser tóxicos y mermar el rendimiento de las bacterias cuando se utilizan en concentraciones mayores. Frente a este problema, las estructuras conductoras que planteamos desde CTC son una alternativa totalmente segura que favorece la sinergia entre comunidades bacterianas (acetogénicas, acidogénicas y metanogénicas) sin comprometer su viabilidad.
Además, mediante un control preciso de la alimentación y de las especies inoculadas en el reactor, hemos logrado aplicar estos mismos aditivos para expandir la innovación hacia la producción de hidrógeno en procesos de fermentación oscura, que son los que se producen en ausencia de oxígeno y luz.
Los beneficios ambientales de optimizar estas reacciones biológicas van mucho más allá de la mera obtención de gas. Y es que el subproducto resultante, el digestato, sirve como fertilizante orgánico capaz tanto de sustituir los fertilizantes tradicionales como de ahorrar hasta 13 kg de CO₂ equivalente por tonelada. En ese sentido, el alto grado de novedad tecnológica de estos desarrollos ha cristalizado recientemente en la concreción de una patente europea para nuestro centro.
En paralelo, en CTC estamos dando un paso más allá y estamos aplicando estos mismos nanomateriales modificados en celdas electroquímicas para la electrorreducción directa de CO₂ a metano. Un proceso en el que se aprovecha la electricidad de fuentes renovables para transformar el CO₂ emitido por la propia industria del biogás en biocombustible.
En definitiva, el potencial de esta línea de investigación representa un avance crucial para la sostenibilidad y la innovación industrial. Al dotar a los microorganismos de herramientas nanotecnológicas basadas en carbono para ser más eficientes, no solo multiplicamos la rentabilidad de biocombustibles clave. También fomentamos la creación de empleo en zonas rurales y por completo el ciclo de los nutrientes. El uso de estas avanzadas tecnologías catalíticas demuestra que el camino hacia la ansiada independencia energética europea pasa por comprender y potenciar los procesos más fundamentales de la biología a través de la ciencia de materiales.
Dr. Francisco Aguirre.
Jefe de Proyecto CTC
