Investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) han desarrollado un floculante funcionalizado y de base biológica para tratar eficientemente aguas residuales complejas. Además, los fenoles tóxicos se eliminan del agua mediante la enzima lacasa en una matriz de quitosano. El floculante funcionalizado y degradable LaChiPur se presentará por primera vez en la IFAT de Múnich que se celebrará del 13 al 17 de mayo de 2024.
Mediante la floculación se eliminan las impurezas sólidas más finas durante la purificación y el tratamiento de aguas residuales. Los floculantes hacen que los sólidos suspendidos se aglomeren en flóculos más grandes, que se hunden hasta el fondo o pueden filtrarse:el agua vuelve a ser clara.
Las sales metálicas inorgánicas, como los sulfatos y cloruros de hierro o aluminio, se utilizan con frecuencia para eliminar sustancias húmicas en el tratamiento de agua potable, para tratar el agua de proceso durante la producción de papel o para precipitar fósforo en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. En algunos casos, se incluyen adicionalmente floculantes poliméricos, polímeros sintéticos elaborados a partir de recursos fósiles.
La desventaja obvia de los métodos convencionales:debido a los productos químicos o polímeros añadidos, el lodo resultante no se puede reutilizar y debe eliminarse con un coste elevado.
Por este motivo, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) recurrieron al quitosano natural y completamente biodegradable. Se obtiene a partir de quitina renovable, que está contenida como componente estructural en los caparazones de los crustáceos, los caparazones y la piel de los insectos y en los hongos, lo que convierte a la quitina en uno de los polímeros naturales más comunes en la Tierra, solo superado por la celulosa de origen vegetal.
Ya se encuentran disponibles productos químicos para el tratamiento del agua a base de quitosano para purificar piscinas y estanques. Sin embargo, los investigadores de Fraunhofer van un paso más allá funcionalizando adicionalmente el quitosano con la enzima lacasa. La enzima se encuentra en varias plantas, hongos y bacterias.
En la naturaleza, las lacasas participan tanto en la conexión de monómeros aromáticos para formar lignina como en su eliminación. Debido a su capacidad para oxidar fenoles y otras sustancias fenólicas, tienen una gran demanda para diversas aplicaciones industriales, ya sea durante la eliminación de fenoles tóxicos en jugos de frutas, la decoloración de aguas residuales textiles o la eliminación de contaminantes en el agua y el suelo.
"Nuestra idea era que la lacasa, unida como matriz al quitosano, también podría ser adecuada para aguas residuales complejas, como las que se generan durante la producción de vino o aceite de oliva", afirma el Dr. Thomas Hahn, cuya investigación en Fraunhofer IGB abarca la purificación de quitina de una amplia variedad de flujos de desechos y su posterior conversión en quitosano.
Después de la cosecha de uvas, las depuradoras municipales alcanzan rápidamente sus límites cuando tres o cuatro veces el volumen normal de aguas residuales llega a las depuradoras, predominantemente pequeñas, de las zonas vitivinícolas rurales.
"Los fenoles de las aguas residuales tienen un efecto tóxico sobre las bacterias del tanque de aireación. Por eso es necesario aumentar la aireación, lo que aumenta considerablemente las necesidades energéticas de la depuradora", afirma Marc Beckett, experto en gestión del agua. y tratamiento de agua en el IGB.
En las almazaras, las aguas residuales del lavado y la extracción del aceite suelen almacenarse en grandes estanques colectores, donde el agua se evapora con el tiempo y deja un lodo tóxico para la flora y la fauna.
La idea se convirtió en un proyecto de investigación de dos años de duración de Fraunhofer. El equipo del IGB se asoció con el Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros IAP en Potsdam, que trabajó en la funcionalización del quitosano con lacasa.
Para poder probar el efecto del quitosano funcionalizado con lacasa utilizando aguas residuales reales, los investigadores del IGB primero establecieron la metodología y los análisis correspondientes. "Uno de los desafíos era disolver el quitosano polimérico, para poder dosificarlo como floculante y desarrollar su efecto de unión de polifenoles y taninos", recuerda Hahn.
"Dado que un entorno ligeramente ácido es ideal para la casa, conseguimos inmediatamente resultados muy prometedores para las aguas residuales típicas de la producción de vino o aceite de oliva", afirma el químico.
"Nuestra tecnología logra un rendimiento de floculación para aguas residuales agroindustriales complejas comparable al de los coagulantes utilizados convencionalmente que contienen sales metálicas o floculantes de polímeros sintéticos. Sin embargo, LaChiPur, como llamamos a nuestro producto funcionalizado, tiene una base completamente biológica y, por lo tanto, es biodegradable", resume Beckett, biólogo y científico ambiental.
La combinación con lacasa resultó ser una verdadera ventaja en estas aguas residuales, ya que el quitosano funcionalizado se puede utilizar como floculante y al mismo tiempo oxida y polimeriza fenoles.
Otras ventajas de la nueva tecnología respetuosa con el medio ambiente:la quitina, la materia prima, se produce localmente en grandes cantidades como residuo en la industria alimentaria o biotecnológica. Esto garantiza una producción económica y la seguridad del suministro, sin la dependencia de cadenas de suministro internacionales entrelazadas. Si el lodo degradable resultante de la floculación se fermenta en plantas de tratamiento de aguas residuales, esto puede incluso aumentar significativamente el rendimiento de biogás.
"Gracias a nuestra experiencia interdisciplinaria, ahora podemos examinar en nuestro laboratorio las aguas residuales y de proceso producidas en las empresas industriales y ver cómo se purifica el agua tratada con LaChiPur", afirman Hahn y Beckett.
Basándose en los prometedores resultados iniciales, los investigadores también quieren optimizar aún más su tecnología con pequeñas y medianas empresas que venden o fabrican floculantes, transferirla a mayor escala y llevarla a aplicaciones industriales.
"Además, LaChiPur es adecuado como material filtrante y tiene propiedades de precipitante. También pretendemos seguir desarrollando nuestro producto para su uso en la precipitación de fósforo. Debido a sus propiedades, también es interesante para la purificación de aguas residuales textiles o para su uso en la bebida. tratamiento del agua", están convencidos los científicos del IGB.
Del 13 al 17 de mayo de 2024 presentarán LaChiPur en el stand conjunto de Fraunhofer Water Systems Alliance (SysWasser) en el pabellón B2, stand 338 de la IFAT de Múnich.
Proporcionado por el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB
