Producción de gas de síntesis a partir de pirólisis de residuos inducida por microondas para su utilización en la obtención de bioplásticos

Resumen

En la Unión Europea se generan anualmente hasta 3000 millones de toneladas de residuos. Entre ellos, los residuos sólidos de origen orgánico tienen un gran potencial para satisfacer parcialmente la producción de productos químicos, reduciéndose el impacto medioambiental e incrementándose la sostenibilidad de los procesos. Sin embargo, este tipo de residuos son complejos debido a su alta heterogeneidad, por lo que se requieren nuevos procesos de conversión que permitan reducir su complejidad en compuestos sencillos antes de convertirlos en productos de alto valor como, por ejemplo, plásticos biodegradables. Una de las posibilidades consiste en combinar la gasificación de los residuos para producir moléculas sencillas (principalmente H2 y CO, más conocido como syngas) con la fermentación de dicho gas para producir bioplásticos. El trabajo realizado durante esta Tesis se ha centrado en la optimización del proceso de producción de gas de síntesis (syngas), a partir de diferentes residuos orgánicos, mediante una novedosa tecnología de pirólisis inducida por microondas como alternativa a un proceso convencional de gasificación. La finalidad del syngas producido es ser utilizado como sustrato en un proceso de biocatálisis (fermentación) para la síntesis de bioplásticos; en particular, del biopolímero PHB. Esta memoria se ha estructurado en las tres secciones que se indican a continuación. La primera sección de esta memoria comprende el trabajo experimental consistente en la evaluación de la idoneidad de diferentes residuos sólidos orgánicos para producir syngas mediante la tecnología de pirólisis inducida por microondas. Para ello, se han utilizado residuos sólidos urbanos (tanto la fracción orgánica como la fracción de plásticos), residuos agrícolas, lodo de depuradora y microalgas, habiéndose llevado a cabo una comparativa con la tecnología de pirólisis convencional a diferentes temperaturas. Además, se han estudiado las características de la fracción de aceites obtenida así como las alternativas más apropiadas para la gestión de la fracción sólida resultante del proceso de pirólisis y su composición. La segunda sección de esta Tesis está centrada en la influencia que diferentes parámetros, como son la concentración de material captador de microondas, la humedad de los residuos, el gas portador o las propiedades dieléctricas de los residuos, tienen en la pirólisis inducida por microondas. Por último, la tercera sección aborda el estudio de aplicación de syngas preparado a partir de residuos en el crecimiento de la bacteria Rhodospirillum rubrum y en la producción del biopolímero PHB. La versatilidad del proceso de pirólisis inducida por microondas es especialmente atractiva, ya que se pueden ajustar las condiciones para producir el syngas más apropiado en función de los requerimientos de las bacterias que llevan a cabo el proceso de fermentación. RESUMEN (en Inglés) Up to 3000 million tons of waste are generated in the European Union every year. Of these, organic solid wastes have the potential to partially satisfy the production of chemicals, whilst the environmental impact can be minimized and the sustainability of the processes increased compared to production processes based on fossil resources. However, these wastes are complex due to their high heterogeneity and new conversion processes are necessary before they can be converted into high value products; e.g., biodegradable plastics. One possibility is to combine the gasification of wastes to produce simple molecules (mainly H2 and CO, known as syngas), which could then be easily metabolized by bacteria to produce bioplastics. The work conducted for this Thesis has been focused on optimizing the production process of synthesis gas (syngas) from different organic residues by means of a novel technology, microwave-induced pyrolysis as an alternative to the conventional gasification process. The objective is to produce syngas for use as a substrate in a biocatalytic process (fermentation) for the synthesis of bioplastics; mainly, the biopolymer ‘PHB’. This dissertation is divided into the three sections outlined below.The first section comprises the experimental tests performed to evaluate the suitability of various solid organic wastes for producing syngas by means of microwave-induced pyrolysis. These wastes include municipal solid waste (both the organic fraction as well as the plastic fraction), agricultural waste, sewage sludge and algae. First, a comparison with the production of syngas from conventional pyrolysis at different temperatures was carried out. In addition, the most appropriate alternative for valorizing the solid fraction resulting from pyrolysis and its composition as well as the characteristics of the oil fraction were studied. The second section of this Thesis is focused on the influence of key parameters on microwave-induced pyrolysis, such as the concentration of microwave absorbent materials, the moisture content of the residues, the carrier gas used and the dielectric properties of the wastes. Finally, the third section deals with the application of the syngas prepared from wastes to the growth of the bacterium Rhodospirillum rubrum and PHB production.Microwave-induced pyrolysis has been demonstrated to be a highly versatile process as the operating conditions can be easily tailored to produce the most appropriate syngas depending on the requirements of different syngas-fermenting bacteria.