MASTER EN BIOTECNOLOGÍA XXV – EDICIÓN
Eliminación de residuos y biotecnología
Diana Balsells García Lizeth Marquez Ajata Berta Tascón Herrero
Madrid, 26 de marzo de 2014
Índice de contenido 1.
Residuos y su clasificación ......................................................... ..................................................................................................... ............................................ 2
1.1.
Residuos sólidos ......................................................... ................................................................................................................ ....................................................... 4
1.1.1.
Generación de residuos sólidos .............................................................. .................................................................................... ...................... 4
1.1.2.
Tratamiento de residuos .............................................................. ............................................................................................... ................................. 6
1.1.3.
Tiempo de degradación de residuos sólidos ................................................................. 7
1.2.
Residuos líquidos................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 8
1.2.2. 1.3. 2.
Tratamiento de efluentes............................................................. ............................................................................................ ............................... 10 Impacto en el medio ambiente ...................................................................... ....................................................................................... ................. 14
Aplicación de biotecnología .................................................................... ................................................................................................ ............................ 15
2.1.
Compuestos sintéticos .......................................................... .................................................................................................... .......................................... 17
2.2.
Pesticidas ........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................. 19
2.3.
Metales pesados ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 20
2.4.
Petróleo ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 21
2.5.
Otras aplicaciones .................................................................... ........................................................................................................... ....................................... 22
3.
Casos de éxito................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 24
3.1.
Orica-CSIRO ............................................................... ..................................................................................................................... ...................................................... 24
3.2.
Abengoa Bioenergy ............................................................... ......................................................................................................... .......................................... 26
4.
Conclusiones....................................................................................................... Conclusiones................................. ....................................................................................... ................. 28
5.
Bibliografía ..................................................................... .......................................................................................................................... ..................................................... 29
Índice de contenido 1.
Residuos y su clasificación ......................................................... ..................................................................................................... ............................................ 2
1.1.
Residuos sólidos ......................................................... ................................................................................................................ ....................................................... 4
1.1.1.
Generación de residuos sólidos .............................................................. .................................................................................... ...................... 4
1.1.2.
Tratamiento de residuos .............................................................. ............................................................................................... ................................. 6
1.1.3.
Tiempo de degradación de residuos sólidos ................................................................. 7
1.2.
Residuos líquidos................................................................... ............................................................................................................... ............................................ 8
1.2.2. 1.3. 2.
Tratamiento de efluentes............................................................. ............................................................................................ ............................... 10 Impacto en el medio ambiente ...................................................................... ....................................................................................... ................. 14
Aplicación de biotecnología .................................................................... ................................................................................................ ............................ 15
2.1.
Compuestos sintéticos .......................................................... .................................................................................................... .......................................... 17
2.2.
Pesticidas ........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................. 19
2.3.
Metales pesados ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 20
2.4.
Petróleo ...................................................................... ........................................................................................................................... ..................................................... 21
2.5.
Otras aplicaciones .................................................................... ........................................................................................................... ....................................... 22
3.
Casos de éxito................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 24
3.1.
Orica-CSIRO ............................................................... ..................................................................................................................... ...................................................... 24
3.2.
Abengoa Bioenergy ............................................................... ......................................................................................................... .......................................... 26
4.
Conclusiones....................................................................................................... Conclusiones................................. ....................................................................................... ................. 28
5.
Bibliografía ..................................................................... .......................................................................................................................... ..................................................... 29
EL TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS Y LA BIOTECNOLOGÍA El concepto de biotecnología, que se puede definir como toda técnica que utiliza organismos vivos para fabricar o modificar un producto, mejorar plantas o animales u obtener microorganismos para un uso específico, no es nuevo en sí mismo, ya que se practica desde siglos atrás con la producción de pan, vino, cerveza y yogurt. Sin embargo, la biotecnología moderna, basada en la aplicación de nuevos métodos de cultivo de tejidos y las técnicas de ADN recombinante o ingeniería genética, es una ciencia que tiene un potencial enorme. La biotecnología moderna está pasando rápidamente de la etapa de investigación a la de producción comercial, abriendo nuevos caminos en distintos ámbitos, desde el sector manufacturero a la asistencia médica y la descontaminación, desempeñarán un papel cada vez más importante en el desarrollo de los países. Ya en la actualidad, las técnicas biotecnológicas están haciendo un aporte importante a la protección y la descontaminación del medio ambiente. Estas técnicas utilizan la capacidad de ciertos procesos naturales de degradar moléculas orgánicas. Los microorganismos desempeñan un papel protagónico, dado que digieren los compuestos orgánicos y los descomponen en minerales; últimamente se han obtenido variedades muy eficaces, que pueden descomponer la mayoría de las sustancias orgánicas en materia inorgánica. Existen varias maneras por las que la biotecnología puede prevenir o reducir el daño ambiental: los procesos de valor añadido, que permiten convertir un flujo de desechos en productos útiles; los procesos de etapa final, que purifican el flujo de desechos tan eficazmente que los productos resultantes pueden liberarse sin perjuicio al medio ambiente; la obtención de nuevos biomateriales, que permite producir materiales menos nocivos para el medio ambiente; los nuevos procesos biológicos de producción, que generan menos desechos o desechos más fácilmente manejables. El principal uso de la biotecnología es descontaminar o paliar la contaminación. Uno de los primeros usos fue la depuración de aguas residuales, seguida de la depuración de aire y efluentes gaseosos. Sin embargo, la bioremediación está pasando a concentrarse cada vez más en la depuración de los suelos y los desechos sólidos. La biotecnología ya es, hoy en día, la tecnología por excelencia para el tratamiento de las aguas residuales: el tratamiento biológico puede procesar distintos efluentes de manera más eficaz que con métodos químicos o físicos, y se adecua especialmente bien al tratamiento de las aguas residuales contaminadas por los agentes orgánicos más comunes.
1
1.
Residuos y su clasificación
Según la Real Academia de la Lengua Española, se define a los residuos como “material que queda como inservible después de haber realizado un trabajo u operación ” (Real Academia de la Lengua Española, 2001). Por lo tanto el residuo se refiere al material que pierde utilidad tras haber cumplido con su misión o servido para realizar un determinado trabajo. La ley 22/2011 de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados define a un residuo como “cualquier sustancia u objeto que su poseedor deseche o tenga la intención o la obligación de desechar ”.
El concepto se emplea como sinónimo de basura por hacer referencia a los desechos que se han producido. A la hora de hablar de residuo como sinónimo de basura hay que considerar que existen diversas clasificaciones para los residuos. La primera forma de dividir los residuos es según estado de la materia. Existe por lo tanto tres tipos de residuos desde este punto de vista sólidos, líquidos y gaseosos, es importante notar que el alcance real de esta clasificación puede fijarse en términos puramente descriptivos o, como es realizado en la práctica, según la forma de manejo asociado: por ejemplo aceite usado y que es considerado residuo, es intrínsecamente un líquido, pero su manejo va a ser como un sólido pues es transportado en camiones y no por un sistema de conducción hidráulica. Los residuos líquidos que son transportados como líquidos son las aguas residuales, el resto de los residuos que pese a ser líquidos o mezclas gaseosas son transportados como sólidos. Los residuos sólidos a la vez se pueden subdividir
Residuos municipales.- generados por las personas en su día a día y cuya recolección se encarga el municipio, municipalidad o su equivalente según sea el país.
Residuos industriales.- generado por las industrias, la composición varía en función del producto, la tecnología del proceso productivo, calidad de las materias primas o productos intermedios, propiedades físicas y químicas de las materias auxiliares empleadas, combustibles utilizados y los envases y embalajes del proceso.
Residuos mineros.- Los residuos mineros incluyen los materiales que son removidos para ganar acceso a los minerales y todos los residuos provenientes de los procesos mineros.
Residuos hospitalarios.- Aquellos generados en los hospitales ya sean químicos, farmacéuticos y radioactivos, además de los envases de transporte, dosificación y herramientas anexas.
También se puede clasificar los residuos sólidos según al manejo que debe ser sometido: 2
Residuo peligroso.- son residuos que por su naturaleza son inherentemente peligrosos de manejar y/o disponer y pueden causar muerte, enfermedad; o que son peligrosos para la salud o el medio ambiente cuando son manejados en forma inapropiada.
Residuo inerte.- residuo estable en el tiempo, el cual no producirá efectos ambientales apreciables al interactuar en el medio ambiente.
Residuo no peligroso.- ninguno de los anteriores.
Se puede además clasificas según la composición.
Residuos orgánicos.- son biodegradables (se descomponen naturalmente). Son aquellos que tienen la característica de poder desintegrarse o degradarse rápidamente, transformándose en otro tipo de materia orgánica. Ejemplo: los restos de comida, frutas y verduras, sus cáscaras, carne, huevos.
Residuos no orgánicos (o inorgánicos): son los que por sus características químicas sufren una descomposición natural muy lenta. Muchos de ellos son de origen natural pero no son biodegradables, por ejemplo los envases de plástico. Generalmente se reciclan a través de métodos artificiales y mecánicos, como las latas, vidrios, plásticos, gomas. En muchos casos es imposible su transformación o reciclaje; esto ocurre con las pilas que son peligrosos y estarán sin descomponerse por 4.000 años más.
Los residuales líquidos o aguas residuales se definen como la combinación de agua y residuos procedentes de residencias, instituciones públicas y establecimientos industriales, agropecuarios y comerciales, a los que pueden agregarse de forma eventual determinados volúmenes de aguas subterráneas, superficiales y pluviales. Son esencialmente aquellas aguas de abasto cuya calidad se ha degradado por diferentes usos. De acuerdo con la fuente generadora se clasifican como se detalla.
Domésticos.- Aguas residuales generadas en asentamientos poblacionales, escuelas, instalaciones turísticas, edificios públicos, centros comerciales e instalaciones sanitarias de las industrias, que se componen fundamentalmente de desperdicios humanos.
Industriales.- Aguas residuales resultantes de la actividad manufacturera, la industria extractiva y el procesamiento de los productos de la actividad agropecuaria.
Agropecuarios.- Aguas residuales generadas en las instalaciones agropecuarias (centros porcinos, vaquerías, granjas avícolas, producciones agrícolas).
Al igual que los residuos sólidos, los residuos líquidos pueden ser peligrosos, inertes y no peligrosos. 3
1.1.
Residuos sólidos
1.1.1. Generación de residuos sólidos Una fuente muy importante de producción de residuos son los residuos municipales. A medida que el mundo se precipita hacia su futuro urbano, la cantidad de residuos sólidos urbanos, uno de los más importantes subproductos de un estilo de vida urbano, está creciendo aún más rápido que la tasa de urbanización. Hace diez años había 2.900 millones de residentes urbanos que generan aproximadamente 0,64 kg de residuos por persona al día (680 millones de toneladas por año). Según el Informe “What a waste” elaborado en 2012 por el Banco Mundial, estas cantidades
han aumentado a cerca de 3 mil millones residentes que generan 1,2 kg por persona al día (1,3 mil millones de toneladas por año). En 2025 es probable que esto aumente a 4,3 mil millones de residentes urbanos que generan cerca de 1,42 kg por habitante al día de residuos sólidos urbanos (2,2 mil millones de toneladas por año) (Hoornweg & Bhada-Tata, 2012). Tabla 1. N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Cantidad de residuos domiciliarios recolectados, año 2011
Cantidad [miles de toneladas] Estados Unidos 222.863 China 157.340 Rusia 56.172 Japón 54.367 Brasil 51.432 Alemania 48.101 México 36.088 Francia 34.504 Reino Unido 32.600 Italia 32.500 Egipto 29.306 Turquía 28.006 España 25.090 República de Corea 18.252 India 17.569 Tailandia 13.972 Canadá 13.375 Polonia 12.053 Emiratos Árabes Unidos 10.875 Países Bajos 10.159 Fuente: Elaboración propia en base a UNSD 2011 País
Cantidad per cápita [kg] 736 ... ... 428 ... 587 377 536 529 541 ... 392 547 ... ... ... ... 316 ... 613
Los países de altos ingresos producen una media de 500 kg de desechos urbanos por persona y por año. La cifra más elevada la obtiene sin dudas Estados Unidos con 730 kg por año por habitante. Pero cabe destacar que el origen de los desechos es muy variable según el grado de desarrollo del país. Mientas más rico es el país, mayor es la cantidad de envases importantes 4
para el deterioro de los desechos alimenticios y orgánicos. En los países desarrollados, la proporción de papel y de cartón en los residuos domésticos puede alcanzar el 50%, a lo que hay que sumarle el plástico y los metales, estos motivos justifican completamente la clasificación de la basura (United Nations Statistics Division, 2011). Los residuos peligrosos se generan en menor cantidad que los municipales o domésticos, sin embargo estos residuos pueden generar contaminación con pequeñas cantidades de residuos, por lo tanto requieren un tratamiento y disposición final diferente a los anteriores. No existen muchos países que reporten sus datos sobre generación de residuos peligrosos. Sin embargo de los datos existentes se considera que hubo un crecimiento semejante entre todos los países. Tabla 2.
Cantidad de residuos peligrosos generados [en miles de toneladas]
N°
País
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Estados Unidos Alemania Rusia China Francia India Estonia Italia Kyrgyzstan Filipinas Bulgaria Reino Unido Serbia Bélgica España Portugal Japón Países Bajos Finlandia República de Corea
2004
2005
2006
2007
2008
2009
... 20.000,0
34.788,4 ...
... 21.705,4
... ...
... 22.323,2
... ...
14 276,6
14 249,7
14 001,1
28 765,3
12 288,3
14 101,9
9.950,0 11.620,0 10.840,0 10.790,0 9.616,6 ... 9.621,6 ... ... ... 8.140,0 ... 7.333,3 ... 6.618,8 ... 6.134,4 ... 7.464,7 ... 6.410,9 6.206,2 5.827,0 5.546,3 707,4 1.670,2 11.786,1 1.130,2 527,6 ... 785,0 ... 7.973,0 ... 8.448,5 ... ... ... ... ... 5.197,5 ... 4.039,1 ... 3.116,0 ... 4.028,2 ... 2.263,2 ... 6.063,1 ... ... ... ... ... 1.896,5 ... 4.949,3 ... 2.153,1 ... 2.710,9 ... 1.622,4 2.913,0 ... ... Fuente: Elaboración propia en base a UNSD 2011
13.570,0 10.892,9 ... 7.538,3 6.655,2 5.581,2 16.493,9 13.042,7 7.285,2 8.227,9 5.918,8 3.648,6 3.367,9 ... 4.723,9 2.163,3 ...
14.300,0 ... ... ... ... 5.683,7 1.900,7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Se puede observar que muchos de los países que generaban mayor cantidad de residuos domésticos también se encuentran en la lista de países que generan residuos peligrosos. Además, para estimar la cantidad mundial de residuos peligrosos se considera que continua una tendencia semejante a los residuos normales, donde el 70% de todos los residuos son generados por los primeros 20 países. Por lo tanto existe 252 millones de toneladas generadas al año de residuos peligrosos.
5
1.1.2. Tratamiento de residuos La basura recolectada puede tener diferentes disposiciones finales.
Relleno sanitario.- los desechos o residuos de otros procesos deben ser enviados a un relleno sanitario. Los rellenos sanitarios son un sitio de disposición final de los residuos comunes y deben ser diseñados y operados para proteger el medio ambiente y la salud pública. El gas de vertedero, producido por la descomposición anaeróbica de la materia orgánica, se puede recuperar y el metano (alrededor del 50% del biogás) quemado con o sin recuperación de energía para reducir las emisiones de gas de efecto invernadero (GEI). Es un método adecuado pero insuficiente, especialmente en los países en desarrollo. La basura normalmente pasa de un depósito en vertederos a vertederos abiertos y a rellenos sanitarios.
Incineración.- La incineración de residuos (con recuperación de energía) puede reducir el volumen de residuos eliminados hasta en un 90%. Estas reducciones de alto volumen se ven sólo en las corrientes de desechos con cantidades muy elevadas de materiales de embalaje, papel, cartón, plásticos y residuos hortícolas. La recuperación del valor energético integrado de los residuos antes de su disposición final, se considera preferible que el vertido directo - suponiendo que los requisitos de control de la contaminación y los costes se aborden adecuadamente. Por lo general, la incineración sin recuperación de energía (o de combustión no autógeno, la necesidad de agregar regularmente combustible) no es una opción debido a los costos y la contaminación. La quema abierta de los residuos está particularmente prohibida debido a la contaminación atmosférica grave asociada con la combustión a baja temperatura.
Reciclaje.- Las principales ventajas del reciclaje y la recuperación se reducen las cantidades de residuos eliminados y la devolución de los materiales a la economía. En muchos países en desarrollo, los recicladores informales en los puntos de recogida y vertederos recuperan una parte significativa de los descartes. En China, por ejemplo, alrededor del 20% de los descartes son recuperados para su reciclado, en gran parte atribuible a la recolección informal de residuos. Las emisiones de GEI también se incrementan debido a la generación de dióxido de carbono asociado con el consumo de electricidad para el funcionamiento de las instalaciones de recuperación de materiales. El reciclaje informal de los recicladores tendrán pocas emisiones de gases de efecto invernadero, excepto para el procesamiento de los materiales para la venta
6
o reutilización, que puede ser relativamente alto si quema incorrectamente, por ejemplo, la recuperación de metales a partir de los desechos electrónicos.
Compostaje.- El compostaje en hileras o vasos cerrados tiene la intención de ser una operación aeróbica (con oxígeno), que evita la formación de metano asociada con condiciones anaeróbicas (sin oxígeno). Cuando se utiliza un proceso de digestión anaeróbica, los residuos orgánicos son tratados en recipientes cerrados. A menudo se asocia con las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, la digestión anaeróbica genera metano que puede ser ya sea quemado o usado para generar calor y electricidad. En términos generales, el compostaje es menos complejo, más indulgente y menos costoso que la digestión anaeróbica. El metano es un subproducto de la digestión anaerobia y se puede recolectar y utilizar. Tabla 3.
N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
País
Basura colectada
Disposición final de residuos Disposición final de los residuos recolectados [%] Rellenos sanitarios 54,3 56,6
Incinerada
Estados Unidos 222.863 13,6 China 157.340 12,9 Rusia Japón 54.367 3,4 74,0 Brasil Alemania 48.101 0,4 32,3 México 36.088 96,7 0,0 Francia 34.504 32,3 33,9 Reino Unido 32.600 49,1 11,1 Italia 32.500 49,2 12,7 Egipto Turquía 28.006 84,8 0,0 España 25.090 52,0 8,8 República de Corea 18.252 36,4 14,4 India Tailandia 13.972 ... 0,8 Canadá 13.375 ... ... Polonia 12.053 65,2 0,8 Emiratos Árabes Unidos Países Bajos 10.159 0,7 33,1 Fuente: Elaboración propia en base a UNSD 2011
Reciclaje
Compostaje
23,8 ...
8,4 1,1
16,8
...
46,6 3,3 18,2 26,9 12,4
16,9 0,0 15,6 14,7 35,4
0,0 14,7 49,2
1,1 24,5 0,0
14,3 26,8 11,8
... 12,5 5,6
27,2
23,4
Como se observa en la Tabla 3 la mayoría de los países aun optar por disponer la basura en vertederos y rellenos sanitarios. 1.1.3. Tiempo de degradación de residuos sólidos La descomposición química es un proceso que experimentan algunos compuestos químicos en el que, de modo espontáneo o provocado por algún agente externo, a partir de una sustancia 7
compuesta se originan dos o más sustancias de estructura química más simple. En el caso de los residuos sólidos la descomposición es también conocida como degradación, ya que los residuos se transforman en moléculas pequeñas que pueden ser utilizados por el ecosistema. Por lo tanto la degradación de los residuos sólidos se realiza mediante una serie de reacciones químicas cuyos productos pueden ser reutilizados. En la Tabla 4 se muestra el tiempo de algunos materiales comunes. Tabla 4.
Tiempo de degradación de algunos materiales comunes Producto
Tiempo de degradación
Residuos orgánicos 1 mes Papel y cartón 1 año Colillas de cigarro 2 años Chicle 5 años Latas de refresco 10 años Envases tetrabrik (celulosa, polietileno y aluminio) 30 años Aerosoles (recipientes) 30 años Encendedor de acero y plástico 100 años Pañales 100 años Botella de PET Entre 100 y 1.000 años Tapones de plástico (polipropileno) Más de 100 años Bolsas de plástico 150 años Juguetes de plástico 300 años Pilas y baterías Más de 1.000 años Botellas y frascos de vidrio 4.000 años Fuente: Elaboración propia en base a Ecoplaneta
Debido a la cantidad de residuos sólidos generados y los tiempos de degradación de dichos residuos, existe una problemática mundial en el tema de residuos. 1.2.
Residuos líquidos
Un residuo líquido es un efluente residual evacuado desde las instalaciones de un establecimiento productivo o de servicios de carácter público o privado, cuyo destino directo o indirecto son los cuerpos de agua receptores (Glosario, 2014). Aquellos otros residuos que son líquidos y no se eliminan por esta vía, se encuentran incluidos en residuos sólidos, por el tratamiento que reciben. Los países con mayor consumo de agua per cápita se detallan en la Tabla 5.
8
Tabla 5.
Consumo per cápita de agua [litros/persona-día] N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
País Turkmenistán Iraq Uzbekistán Kazakstán Guyana Estados Unidos Canadá Azerbaiyán Surinam Estonia Irán Ecuador Nueva Zelanda Australia Uruguay Afganistán Pakistán Sudan Arabia Saudí Vietnam
Consumo 14726 6918 6425 6066 5929 4247 4022 3877 3816 3663 3529 3310 3288 3148 3014 2890 2841 2795 2628 2610
Fuente: Elaboración propia en base a datos de ChartsBin, 2013
Consumo por país de agua dulce [km 3/año]
Tabla 6. N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
País India China Estados Unidos Pakistán Indonesia Irán Vietnam Filipinas México Egipto Rusia Uzbekistán Brasil Canadá Italia Turquía Ucrania Sudan Kazakstán Argentina
Consumo 761,0 554,0 478,4 183,5 113,3 93,3 82,0 81,6 79,8 68,3 66,2 59,6 58,1 45,9 45,4 40,0 38,5 37,4 33,1 32,6
Fuente: Elaboración propia en base a datos de ChartsBin, 2011
9
Se puede observar que, salvo algunos países de Europa, América Latina y Austria el mayor consumo per cápita de agua se encuentra en Canadá, Estados Unidos y los países árabes. Considerando la cantidad de población en cada país se puede definir aquellos que consumen la mayor cantidad del agua dulce del mundo. Pese a que se encuentran presente muchos países árabes los mayores consumidores de agua son India, China y Estados Unidos. Toda el agua que se utiliza es recolectada como residuos líquidos y debe ser tratado por ciertos mecanismos para volver a ser utilizada o vertida en ríos o lagos. Para el 2008 se utilizaba el 54% de agua dulce disponible, considerando el crecimiento de la población, para el 2025 se utilizará el 70% y considerando la tendencia del incremento de agua per cápita en el 2025 se utilizará el 90% del total (Universidad Autónoma de Madrid, 2008). La escasez de agua es un fenómeno no solo natural sino también causado por la acción del ser humano. Hay suficiente agua potable en el planeta para abastecer a los 7.000 millones de personas, pero ésta está distribuida de forma irregular, se desperdicia, está contaminada y se gestiona de forma insostenible (Naciones Unidas, 2013). En 2025, 1.800 millones de personas vivirán en países o regiones con escasez absoluta de agua y dos terceras partes de la población mundial podrían hacerlo en condiciones de estrés hídrico. Bajo el contexto actual de cambio climático, en el 2030, casi la mitad de la población mundial vivirá en áreas de estrés hídrico, incluidos entre 75 y 250 millones de personas de África. Además, la escasez de agua en áreas áridas o semiáridas provocará el desplazamiento de entre 24 y 700 millones de personas. 1.2.2. Tratamiento de efluentes Se puede definir un efluente como la combinación de los residuos líquidos procedentes tanto de residencias como de instituciones públicas y establecimientos industriales y comerciales a los que pueden agregarse, eventualmente, aguas subterráneas, superficiales y pluviales. En la medida en que se vaya presentando acumulación y estancamiento del agua residual pueden generarse gases de mal olor debido a la descomposición orgánica que ésta posee; además es importante anotar que en el agua residual hay existencia de numerosos microorganismos patógenos y causantes de enfermedades que habitan en el aparato intestinal humano o que pueden estar en ciertos residuos industriales. Pero no todo es negativo, las aguas residuales contienen nutrientes que en gran parte ayudan al crecimiento de plantas acuáticas. 10
Aquellos métodos de tratamiento en los que predominan los fenómenos físicos se conocen como operaciones unitarias, mientras que aquellos métodos en los que la eliminación de los contaminantes se realiza con base en procesos químicos o biológicos se conocen como procesos unitarios. Al referirse a operaciones y procesos unitarios es porque se agrupan entre sí para constituir los tratamientos primario, secundario y terciario.
Tratamientos preliminares
Aunque no reflejan un proceso en sí, sirven para aumentar la efectividad de los tratamientos primarios, secundarios y terciarios. Las aguas residuales que fluyen desde los alcantarillados a las plantas de tratamiento de aguas residuales, son muy variables en su flujo y contienen gran cantidad de objetos, en muchos casos voluminosos y abrasivos, que por ningún motivo deben llegar a las diferentes unidades donde se realizan los tratamientos y deben ser removidos. Para esto son utilizado los tamices, las rejas, los microfiltros, etc. Dentro de este proceso se tiene el tamizado, la utilización de rejas y la microfiltración.
Tratamientos primarios
El principal objetivo es el de remover aquellos contaminantes que pueden sedimentar, como por ejemplo los sólidos sedimentables y algunos suspendidos o aquellos que pueden flotar como las grasas. El tratamiento primario presenta diferentes alternativas según la configuración general y el tipo de tratamiento que se haya adoptado. Se puede hablar de una sedimentación primaria como último tratamiento o precediendo un tratamiento biológico, de una precipitación química cuando se opta por tratamientos de tipo físico-químico.
Tratamientos secundarios
El objetivo de este tratamiento es remover la demanda biológica de oxígeno (DBO) soluble que escapa a un tratamiento primario, además de remover cantidades adicionales de sólidos sedimentables. El tratamiento secundario intenta reproducir los fenómenos naturales de estabilización de la materia orgánica, que ocurre en el cuerpo receptor. La ventaja es que en ese proceso el fenómeno se realiza con más velocidad para facilitar la descomposición de los contaminantes orgánicos
en
períodos
cortos
de
tiempo. Un
tratamiento
secundario
remueve
aproximadamente 85% de la DBO y los Sólidos suspendido aunque no remueve cantidades
11
significativas de nitrógeno, fósforo, metales pesados, demanda química de oxígeno (DQO) y bacterias patógenas. Además de la materia orgánica se va a presentar gran cantidad de microorganismos como bacterias, hongos, protozoos, rotíferos, etc, que entran en estrecho contacto con la materia orgánica la cual es utilizada como su alimento. Los microorganismos convierten la materia orgánica biológicamente degradable en CO2 y H2O y nuevo material celular. Además de estos dos ingredientes básicos microorganismos – materia orgánica biodegradable, se necesita un buen contacto entre ellos, la presencia de un buen suministro de oxígeno, aparte de la temperatura, pH y un adecuado tiempo de contacto. Para llevar a efecto el proceso anterior se usan varios mecanismos tales como: lodos activados, biodisco, lagunaje, filtro biológico. LODOS ACTIVADOS: es un tratamiento de tipo biológico en el cual una mezcla de agua residual y lodos biológicos es agitada y aireada. Los lodos biológicos producidos son separados y un porcentaje de ellos devueltos al tanque de aireación en la cantidad que sea necesaria. En este sistema las bacterias utilizan el oxígeno suministrado artificialmente para desdoblar los compuestos orgánicos que a su vez son utilizados para su crecimiento. A medida que los microorganismos van creciendo se aglutinan formando los lodos activados; éstos más el agua residual fluyen a un tanque de sedimentación secundaria en donde sedimentan los lodos. Los efluentes del sedimentador pueden ser descargados a una corriente receptora; parte de los lodos son devueltos al tanque con el fin de mantener una alta población bacterial para permitir una oxidación rápida de la materia orgánica.
Tratamientos terciarios
Tiene el objetivo de remover contaminantes específicos, usualmente tóxicos o compuestos no biodegradables o aún la remoción complementaria de contaminantes no suficientemente removidos en el tratamiento secundario. Como medio de filtración se puede emplear arena, grava antracita o una combinación de ellas. El pulido de efluentes de tratamiento biológico se suele hacer con capas de granulometría creciente, duales o multimedia, filtrando en arena fina trabajando en superficie. Los filtros de arena fina son preferibles cuando hay que filtrar flóculos formados químicamente y aunque su ciclo sea más corto pueden limpiarse con menos agua. La adsorción con carbón activo se utiliza para eliminar la materia orgánica residual que ha pasado el tratamiento biológico. 12
Dependiendo de los contaminantes que se tenga, este proceso difiere (Metcalf, 2005). Los países miembros de la OCDE, realizan dichos tratamientos según la composición de las aguas a tratar. Muchas veces no es necesario realizar tratamientos terciarios. Tabla 7.
Porcentaje de agua tratada en países OCDE durante año 2011
Porcentaje de Tratamiento Tratamiento agua tratada secundario terciario Australia .. .. .. Austria 94 1 93 Bélgica 73 9 63 Canadá 84 53 15 Chile 91 4 63 Republica Checa 78 8 70 Dinamarca 90 2 86 Estonia 82 13 68 Finlandia 83 0 83 Francia .. .. .. Alemania 96 3 93 Grecia 92 6 86 Hungría 72 34 37 Islandia 59 1 1 Irlanda 75 60 11 Israel 96 40 50 Italia 82 .. .. Japón 76 55 20 Corea 90 36 54 Luxemburgo 96 62 29 México 47 .. .. Países Bajos 99 1 98 Nueva Zelanda 82 .. .. Noruega 80 2 60 Polonia 66 13 52 Portugal 71 46 19 República Eslovaca 60 .. … Eslovenia 56 37 19 España 94 33 60 Suecia 87 4 83 Suiza 97 20 78 Turquía 52 20 18 Reino Unido 97 49 47 Estados Unidos 74 32 40 OCDE 76 31 42 Fuente: Elaboración propia en base a OCDE 2012 País
Para los países miembros de la OCDE, sólo el 76% de los efluentes son tratados ya sea con tratamientos secundarios o hasta terciarios, el restante es liberado al medio ambiente.
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1.3.
Impacto en el medio ambiente
La generación de residuos sólidos y líquidos ocasiona impactos importantes al medio ambiente y a la salud humana. Los impactos ambientales y sociales generados por el manejo, el tratamiento y disposición final de los residuos son dependientes de las características particulares de la zona geográfica que se analice. Los principales problemas ambientales que generan un inadecuado manejo de los residuos son: el deterioro estético de los centros urbanos y del paisaje natural, y los efectos adversos a la salud humana, en especial por la proliferación de vectores de enfermedades. Lo anterior se agrava considerando que en la gran mayoría de los países, la disposición final se hace en forma indiscriminada e incontrolada; en la gran mayoría de sitos de disposición final se arrojan residuos industriales, hospitalarios y domésticos sin ningún control, a esto se adiciona la presencia de personas de todas las edades que se dedican a labores de recuperación de materiales en dichos sitios. Impactos sobre cuerpos hídricos superficiales Uno de los efectos ambientales más serios provocados por el manejo inadecuado de los residuos en especial líquidos, es la contaminación de las aguas superficiales por el vertimiento de ésos en los ríos, quebradas y otros cuerpos de agua. Estos residuos, de una parte, pueden contener metales pesados que tienen una connotación muy especial en el ambiente y en la salud de las personas y de otro lado, incrementan considerablemente la carga orgánica, disminuye él oxígeno disuelto presente en el agua y aumentan los nutrientes (Nitrógeno y Fósforo) ocasionando un crecimiento descontrolado de algas y generando procesos de eutrofización. Esta situación provoca, no solo la pérdida del recurso agua, sino que implica altas inversiones en hacerla útil para consumo humano. Impacto sobre las aguas subterráneas Los acuíferos, al igual que las aguas superficiales son contaminadas por la inadecuada disposición de los residuos sólidos; situación que se conoce pero que es poco atendida en forma preventiva. En la actualidad no existe un cuantificación de los terrenos con problemas de contaminación de aguas subterráneas con plomo, cromo, mercurio y otros metales pesados. Impacto sobre el suelo La inadecuada disposición de los residuos sólidos (domésticos, industriales, hospitalarios y peligrosos) en sitios a cielo abierto, o enterrados sin control contamina el recurso suelo. En la 14
actualidad, no hay una evaluación que permita conocer el total de área contaminada por los residuos sólidos y el impacto que se está presentando, ya que éstos son diferentes dependiendo de la ubicación y la mayoría de ellos se sitúa en países en desarrollo. Estos sitios, terminaron como botaderos de residuos tanto domésticos como industriales de manera indiscriminada y sin ningún control o prevención de efectos contaminantes sobre el suelo. Impacto sobre el aire En los botaderos a cielo abierto es evidente la contaminación atmosférica, especialmente por la generación de olores ofensivos, gases y partículas en suspensión, producto de las quemas o arrastre de los vientos. (Caicedo Rivera). 2.
Aplicación de biotecnología
Según el análisis anteriormente desarrollado sobre la generación y tratamiento de residuos líquidos y sólidos, se observa que la situación actual no es sostenible en el tiempo. Por lo tanto se debe buscar alternativas de producción, gestión y disposición sostenibles que no comprometan la capacidad de las personas a futuro de realizar dichas actividades. El principal problema de la generación de residuos es que los compuestos de los residuos sólidos y líquidos no son biodegradables por la gran estabilidad química de las moléculas.
Compuestos sintéticos.- Los organismos encargados de degradar los residuos han evolucionado para degradar compuestos naturales. Por lo tanto los compuestos sintéticos son desconocidos por los microorganismos y tardan bastante tiempo en degradar estos compuestos y porque los organismos que lo realizan se encuentran en bajas concentraciones.
Pesticidas.- Existen muchos pesticidas con diferente estructura molecular, algunos biodegradables y otros no. Naciones Unidas firmó en 2001 el Convenio de Estocolmo prohibiendo el uso de doce compuesto por considerarlos altamente dañinos para la salud: “La docena sucia”, esta docena de compuestos además de ser toxicas de forma
inmediata, son acumulables en el organismo y estables en el tiempo, por lo que tardarán más de 100 años en biodegradarse. En el 2005 se incluyó nueve nuevos compuestos a la “docena sucia”.
El diclorodifeniltricloroetano (conocido como DDT) es uno de ellos. Después de su uso para erradicar la malaria, fue prohibido en el 2001 con el Convenio de Estocolmo. La empresa Montecinca ubicada en Huesca, Aragón la utilizó hasta el 2008, según un reporte de GreenPeace esta contaminó el río Cinca con DDT (GreenPeace, 2003).
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Metales pesados.- Los metales pesados no son biodegradables, A diferencia de otros tipos de compuestos que contaminan el medio, la dificultad para eliminar los metales pesados de lugares contaminados estriba en la imposibilidad última de su destrucción o biodegradación, debido a su naturaleza química. La contaminación ambiental por metales y metaloides pesados originada por la actividad industrial supera con creces la suma de todos los otros tipos de contaminación química de los ecosistemas acuáticos y terrestres de la biosfera, incluyendo los de origen químico y radioactivo.
Petróleo.- El petróleo no es biodegradable debido a la presencia elevada de carbono y azufre y baja concentración de fósforo y nitrógeno, además posee compuestos como benceno y xileno altamente tóxicos para los seres vivos. La biodegradación de petróleo en suelos contaminados es relativamente eficiente en utilizando extensas áreas superficiales, en la que hay oxígeno, pero es muy lenta en capas más internas, donde el oxígeno escasea. Aunque existen microorganismos capaces de degradar hidrocarburos en ausencia de oxígeno (anaeróbicamente), crecen más lentamente que los microorganismos aeróbicos, y el proceso biodegradativo es menos eficiente.
En la actualidad, la biotecnología ofrece novedosas técnicas que permiten resolver el problema de la contaminación ambiental, utilizando diversos microorganismos para el tratamiento y control de la contaminación química de distintos ecosistemas. Por ejemplo, microorganismos recombinantes y ciertos tipos de bacterias se emplean para eliminar metales pesados de alto grado de contaminación, como el mercurio, el zinc, el cobre, el plomo, el níquel y el manganeso. También se emplean bacterias que digieren los hidrocarburos que constituyen el petróleo y los transforman en sustancias químicas, menos contaminantes o casi nada. Esto permite controlar las mareas negras producidas por el derrame de miles de toneladas de petróleo crudo, debido a accidentes durante su transporte en grandes barcos, cuyas consecuencias son sumamente negativas para los ecosistemas. Es posible generar energía no contaminante, como el gas metano, en cuya producción se emplean, como materias primas, aguas residuales, algas y bacterias. Las aguas residuales se acumulan en charcos poco profundos, donde crecen las algas. Las algas se cosechan de vez en cuando y se colocan en un contenedor, llamado digestor, dentro del cual las bacterias se alimentan de algas y producen metano. Otras aplicaciones de la biotecnología para la mejora del ambiente son: el tratamiento de los residuos urbanos e industriales; el tratamiento de la contaminación producida por herbicidas, pesticidas e insecticidas; la degradación de aceites; los ensayos sobre la toxicidad de diversos
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compuestos en la naturaleza y el tratamiento de diferentes tipos de contaminación asociados a la industria del petróleo. Por lo tanto la biotecnología representa el arma contra la contaminación y los residuos que se tiene en la actualidad. 2.1.
Compuestos sintéticos
Durante el siglo XX se ha entrado en la era del consumismo, una corriente que tomó mayor fuerza en el siglo XXI. Para pensar en desarrollo sostenible se debe potenciar el uso de los bioplásticos de fácil biodegradación y para contrarrestar el daño anterior la degradación de los materiales utilizando la biotecnología. Bioplásticos Los bioplásticos con una alternativa “verde” y sostenible a los plásticos tradicionales y se crean
utilizando recursos renovables como el maíz, la tapioca, las patatas, el azúcar, las algas y a partir de microorganismos. Al contrario que los plásticos tradicionales, que se fabrican utilizando petróleo y otros combustibles fósiles, los bioplásticos apoyan a la tierra ya que reducen su huella de carbono y se reduce el uso de recursos fósiles. Los bioplásticos son 100% biodegradables, convertibles en abono vegetal o reciclables en procesos cortos de tiempo. El coste de los bioplásticos no depende de la volatilidad e incremento de los precios del petróleo crudo, por lo que los bioplásticos se están convirtiendo rápidamente en una alternativa popular y rentable a los plásticos tradicionales. Biodegradación de residuos Sin duda, la palabra “basura” ha significado y para mucha gente aún significa algo despectivo,
algo que carece de valor y de lo que hay que deshacerse, sin embargo, la conversión de los desechos urbanos en energía es posible con el uso de nuevas tecnologías como la digestión anaerobia. Esta tecnología, llevada a cabo en plantas de metanización, permite aprovechar el potencial energético de los residuos y contribuye a la reducción significativa de la cantidad de materia orgánica llevada a los vertederos, que se traduce en una menor emisión incontrolada de metano. La digestión anaerobia es un proceso biológico complejo en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno y mediante la acción de distintos grupos de microorganismos, se descompone en biogás (55-80% de metano, 20-45% de dióxido de carbono, 0-5% de 17
hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y otros gases) y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (nitrógeno, fósforo, potasio y calcio, entre otros) y compuestos de difícil degradación. En la digestión anaerobia de la materia orgánica se distinguen cuatro fases: hidrólisis, o acidogénesis), acetogénesis y metanogénesis.
Hidrólisis
Los compuestos orgánicos complejos, no pueden ser utilizados directamente por los microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles que puedan atravesar la membrana celular. La hidrólisis es, por tanto, el primer paso necesario para la degradación anaerobia de substratos orgánicos complejos.
Los glúcidos son hidrolizados a azúcares.
Las proteínas son hidrolizadas a aminoácidos.
Los lípidos son degradados a ácidos grasos de cadena larga y glicerol.
Fermentación acidogénica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgánica disuelta, originando una gran variedad de productos de fermentación. Los productos finales son principalmente ácidos grasos volátiles (acetato, propionato, butirato, succinato), así como pequeñas cantidades de ácido láctico, etanol, dióxido de carbono e hidrógeno.
Acetogénesis
Mientras que algunos productos de la fermentación acidogénica pueden ser metabolizados directamente por los microorganismos metanogénicos (hidrógeno y acetato), otros (valeriato, butirato, propionato, algunos aminoácidos, etc.) necesitan ser transformados por las bacterias acetogénicas en productos más sencillos (acetato, dióxido de carbono e hidrógeno), para que sirvan de sustrato a las metanogénicas.
Metanogénesis
Es la etapa final del tratamiento, que implica dos tipos de reacciones, aquellas en las que el dióxido de carbono y el hidrógeno se combinan para producir metano y agua, y las que convierten el acetato en metano y dióxido de carbono. Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización.
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La digestión anaerobia se produce de forma natural cuando se dan las condiciones adecuadas. A nivel industrial se puede controlar la reacción para optimizar el proceso y aprovechar el biogás desde el punto de vista energético: debido a su alto contenido en metano, tiene un poder calorífico alto (entre 4500 y 6500 kcal/m 3), por lo que salvo por el contenido en H 2S, es un combustible ideal. Las aplicaciones energéticas principales del uso del biogás son las eléctricas y las térmicas, aunque se pueden dar las dos conjuntamente en instalaciones de cogeneración, siendo ésta una de las aplicaciones más racionales que se puede hacer del biogás. Por lo general, la electricidad se vende a la red y el calor se emplea en el propio ciclo industrial para el calentamiento de los digestores o en otros procesos que requieran calor. El biogás se emplea con menos frecuencia para la iluminación (mediante lámparas especiales), para la obtención de trabajo mecánico (a través de motores) y para la calefacción (mediante quemadores y estufas adaptadas). Por otra parte, el uso del biogás para vehículos es posible, pero se encuentra muy limitado por una serie de problemas técnicos, logísticos y de seguridad. Actualmente las principales limitaciones del proceso, es decir, los elevados costes y la baja productividad, impulsan la necesidad de futuras investigaciones encaminadas a mejorar el proceso de digestión anaerobia contribuyendo no solo a la disminución de contaminantes como el metano, sino también a la producción de fuentes de energía renovables como el biogás. (García, 2011) 2.2.
Pesticidas
Dos características de los pesticidas clorados que conducen a un gran perjuicio son su resistencia a la biodegradación y su hidrofobia. Esta última significa una fuerte afinidad a materia orgánica del suelo y tejidos grasos. Los pesticidas clorados son captados y concentrados por el plancton. Posteriormente se concentran en el tejido graso de los peces que comen el plancton y se concentran finalmente en pájaros y otros carnívoros, como el ser humano. Esta tendencia a acumular biológicamente propulsa sus impactos negativos en organismos superiores. La tendencia de los pesticidas clorados a su gran reparto entre el suelo y tejidos grasos fue anteriormente reconocida como uno de los aspectos de su resistencia a la biodegradación por microorganismos. La estructura química de los pesticidas clorados los convierte además, en escasamente susceptibles a reacciones de trasformación biológica, especialmente en condiciones aerobias. 19
Los sustituyentes clorados y la gran ramificación bloquean los lugares de ataque de las enzimas. Los pesticidas clorados son muy resistentes a la trasformación en condiciones aerobias, pero no tanto a las condiciones anaerobias. Realmente, todos los pesticidas más comunes, excepto el heptacloro epóxido, se transformaban en condiciones de metanogénesis anaerobias. Una observación interesante en el caso del DDT es que era rápidamente deshalogenado por reducción a DDD y que el DDD desaparecía también, pero más lentamente. En la actualidad se reconoce corrientemente que la deshalogenación reductora se produce en condiciones anaerobias fuertemente reductoras para todos los compuestos aromáticos y alifáticos clorados. Aunque esta observación es interesante, y a veces importante, las condiciones de reducción fuerte no se producen en todas partes en el medio ambiente, por lo que no puede contarse con ellas, en general, para llevar a cabo la eliminación de toxicidad de compuestos clorados. El otro aspecto es que la halogenación reductora no produce necesariamente la total destrucción del producto químico. De ello es un ejemplo la formación de DDD a partir de DDT. Los pesticidas basados en fósforo son en general muy tóxicos, pero expuestos al agua se hidrolizan bastante rápido de forma química o mediante enzimas. Los pesticidas de carbamato se transforman rápidamente en el medio ambiente mediante hidrólisis. Los pesticidas de s-triacina son biodegradables. La atracina es uno de los miembros de las striacinas que más corrientemente se encuentran por ser uno de los herbicidas más utilizado. La biodegradación de la atracina implica la eliminación en etapas de cadenas laterales alquílicas, seguida de desaminación, deshalogenación y escisión del anillo. 2.3.
Metales pesados
La biorremediación es una tecnología emergente que utiliza organismos vivos (plantas, algas, hongos y bacterias) para absorber, degradar o transformar los contaminantes y retirarlos, inactivarlos o atenuar su efecto en suelo, agua y aire. Para trabajar con metales pesados la biorremediación se fundamenta en la acción de distintas especies microbianas capacitadas para alterar el estado oxidativo de determinados metales pesados. Dicha actuación provoca, en numerosas ocasiones, una disminución en el grado de toxicidad de tales elementos o un incremento de la capacidad acumulativa de los
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microorganismos, ya sea en superficie o intracelularmente. Su aplicación es posible tanto en sistemas acuáticos como edáficos, ya sea a nivel superficial o en profundidad. La eficacia de los procesos de biorremediación se encuentra condicionada por diversos factores dependientes de los distintos actores implicados en el proceso: microorganismo o microorganismos, metal o metales y propiedades físico-químicas y nutricionales del entorno de actuación. Así, condicionantes genéticos, fenómenos de metabolismo, naturaleza del metal, biodisponibilidad del contaminante, disponibilidad de nutrientes, pH, temperatura, contenido en agua o características geológicas del ambiente contaminado. Los mecanismos de actuación a través de los cuales los microorganismos pueden reducir el grado de toxicidad de los metales pesados o su concentración incluyen biosorción (adsorción del metal a la superficie celular por mecanismos físico-químicos, donde los principales grupos funcionales son: carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo), biolixiviación (movilización de metales pesados a través de la excreción de ácidos orgánicos o reacciones de metilación), biomineralización (inmovilización de metales pesados mediante la formación de sulfuros insolubles o complejos poliméricos o bien la precipitación como carbonatos e hidróxidos mediante un mecanismo de resistencia codificado en plásmidos,), acumulación intracelular, mediada por un sistema de transporte de membrana, o la transformación catalizada por enzimas (reacciones redox, en las cuales se suelen obtener compuestos volátiles o poco solubles y que suelen ser más tóxicos que el propio metal). 2.4.
Petróleo
En este contexto, hoy día se exploran soluciones tecnológicas a través de la llamada bioremediación en tres niveles de creciente complejidad para los problemas con el petróleo. El primero es el uso "simple", de la flora natural existente –in situ- en los sitios donde se producen las perforaciones, o los derrames de crudo o de sus derivados hidrocarbonados. En este nivel, se buscan e identifican bacterias o comunidades (consorcios) bacterianos que puedan digerir petróleo en condiciones de bajo o cero oxígeno, y las condiciones óptimas para que esas bacterias puedan alimentarse bien y hacer su trabajo; igualmente, se estudian otros importantes aspectos como el transporte de los microorganismos por distintos tipos de lechos; y todas las implicaciones ecológicas y de ingeniería que este tipo de tratamiento conlleva. Luego, hay un segundo nivel, en el cual en lugar de buscar microorganismos se estudian y utilizan algunos de sus productos como emulsificadores o biosurfactantes, producidos en forma natural por las bacterias, como los rhamnolípidos, que además de sus especiales propiedades fisicoquímicas, son biodegradables. En un tercer nivel de complejidad, mucho más 21
básico y fundamental, se procuran, más bien, determinados genes que puedan ser ensamblados en un microorganismo para hacerlo un "super-remediador" del petróleo, o un potenciador de la viscosidad de petróleos pesados, por ejemplo. Algo similar ocurre con el empleo de la biotecnología para desulfurizar algunos derivados del petróleo. 2.5.
Otras aplicaciones
Biosensores Un biosensor es un dispositivo analítico construido con un componente de naturaleza biológica (una enzima, un anticuerpo o un microorganismo) capaz de convertir una señal química generada por la presencia o ausencia de un cierto compuesto en una señal cuantificable electrónicamente. Este dispositivo permite detectar y cuantificar de forma precisa un determinado compuesto químico o un parámetro físico-químico de una sustancia o mezcla de sustancias (analitos). Cuando el componente de naturaleza biológica del biosensor interacciona con el analito se genera una respuesta que se transforma en una señal física o química mediante un sistema que se denomina transductor. Los transductores pueden ser, por ejemplo, de tipo electroquímico, óptico, o térmico. Los biosensores proporcionan una medida específica, rápida y fácil de realizar, que evita el uso de instrumentos analíticos complejos y costosos. Para que un microorganismo pueda utilizarse como biosensor debe ser capaz de transformar el compuesto a detectar en otra molécula fácil de medir, o debe responder a su presencia activando la expresión de algún gen. Actualmente existen diversos biosensores para detectar compuestos como amonio, contaminantes ambientales, etc. Depuradoras La biotecnología permite optimizar las condiciones de los procesos en los que intervienen microorganismos, como ocurre en el reactor biológico de las depuradoras. Para optimizar los procesos en los que intervienen microorganismos se debe conocer sus características y cuáles son los parámetros que afectan a las reacciones que realizan. Modificando adecuadamente estos parámetros podrá optimizarse el proceso y conseguir una biodegradación más eficaz. Por ejemplo, es importante regular la disponibilidad de oxígeno, la acidez (pH) del medio, y la concentración de determinados productos finales del proceso de degradación que pueden llegar a ser tóxicos para los microorganismos que llevan a cabo el proceso (por ejemplo, el amonio). Cuando se quiere depurar aguas con altas concentraciones de un compuesto tóxico
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determinado, puede diseñarse un proceso específico. Por ejemplo, pueden buscarse microorganismos concretos que degraden ese compuesto eficientemente ciertos compuestos. Biofiltros Los biofiltros son dispositivos que utilizan microorganismos para eliminar o retener sustancias contaminantes de medios acuosos o gaseosos. Suelen consistir en recipientes (biorreactores) en los que los microorganismos se mantienen confinados, bien en medio líquidos o bien sobre soportes sólidos. Los microorganismos se seleccionan por su capacidad para degradar o retener de forma específica los compuestos que se pretende eliminar. El medio contaminado, acuoso o gaseoso, se hace pasar por el biofiltro, obteniéndose un efluente con menor contenido en el compuesto contaminante. Este efluente puede someterse a nuevas rondas de filtrado hasta la eliminación del contaminante. Se han diseñado biofiltros para la eliminación de pesticidas (pentaclorofenol, organofosfatos), disolventes (tolueno, benceno) o residuos industriales y agrícolas (nitratos, fosfatos). También es posible diseñar biofiltros para la inmovilización de contaminantes que no se pueden degradar, como los metales (cadmio, mercurio, o uranio). Biolixiviación En un sentido amplio, la biolixiviación es un proceso de solubilización de metales promovido por microorganismos. La biolixiviación es un proceso natural que tiene connotaciones medioambientales positivas en su uso para la biominería (extracción de minerales mediante el uso de microorganismos) y negativas por la formación de aguas ácidas de minas y por la contaminación de acuíferos con metales pesados. En un sentido restringido, el término de biolixiviación se aplica a los procesos biotecnológicos basados en los mecanismos de obtención de energía de algunos microorganismos capaces de oxidar sulfuros metálicos, facilitando la solubilización de metales y permitiendo el desarrollo de la biominería. OGM modificados Los organismos genéticamente modificados (OGM) pueden diseñarse para descontaminar distintos ecosistemas. Las capacidades degradativas de los organismos se han utilizado con frecuencia para eliminar compuestos contaminantes presentes en el medio ambiente. Sin embargo, en muchos casos es necesario optimizar estas capacidades degradativas para que el proceso sea más eficaz y económicamente rentable. Por otro lado, ciertos compuestos contaminantes que no se encuentran de forma natural en el medio ambiente y son el resultado de la actividad industrial (compuestos xenobióticos), requieren el diseño de nuevos mecanismos que permitan su eliminación o su transformación en compuestos menos 23
contaminantes. En estos casos, la ingeniería genética permite acelerar el desarrollo de OGMs, fundamentalmente microorganismos y plantas, para descontaminar el medio ambiente. Así, se han desarrollado OGMs capaces de eliminar compuestos orgánicos altamente contaminantes tales como los policlorobifenilos (PCBs), dioxinas, compuestos nitroaromáticos, etc. 3.
Casos de éxito
La biotecnología productiva opera, como en todas las ramas de la tecnología, a través de empresas. Los tipos de empresas de biotecnología son sin embargo propias de dicha tecnología. Las empresas asociadas a la innovación en biotecnología son empresas que desarrollan patentes, que publican y que generan conocimiento, no necesariamente están asociadas a una Institución Educativa. Normalmente este tipo de firmas, esperan el desarrollo intensivo, activo de tecnología, desarrollan Tecnología y la transfieren. Se distinguen por su valiosa capacidad de detección de nichos de oportunidad en investigación y desarrollo. Sin embargo, una buena parte de las empresas de innovación en biotecnología el mundo surgieron a partir de grupos académicos asociadas a Universidades o Institutos. Los programas Nacionales y Sectoriales de Biotecnología en el mundo impulsan de manera decidida a este tipo de empresas, principalmente los llamados spin&outs o spin&offs que son empresas derivadas de grupos de investigación e innovación de las Universidades e Institutos educativos. Crecientemente se desarrollan en biotecnología innovaciones al margen de los grupos académicos y se generan empresas orientadas exclusivamente a la innovación. Si bien, en la actualidad no existen estadísticas sobre las empresas que utilizan la biotecnología en las diferentes actividades citadas anteriormente se puede dar algunos ejemplos de empresas exitosas en estas áreas de trabajo. 3.1.
Orica-CSIRO
Orica es una de las compañías más importantes con base en Australia y operaciones en alrededor de 50 países. Cuenta con una probada tradición de liderazgo, innovación, calidad y seguridad, que se manifiesta en las 15.000 personas que trabajan en ella a lo largo de los seis continentes. Orica transforma ciencia en soluciones para satisfacer las necesidades básicas humanas. Nuestros productos, marcas y servicios son altamente confiables gracias a su buen desempeño, nivel y calidad.
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Esta empresa australiana ha desarrollado enzimas capaces de limpiar la contaminación debido al uso de pesticidas en la agricultura. Problema Debido a que los pesticidas son ampliamente utilizados para proteger las cosechas, sus efectos en el medio ambiente y la salud deben ser seriamente contrarrestados. Los pesticidas han producido la desaparición del 50% de las abejas en Galicia y más del 98% de los pesticidas alcanzan otro destino lejos de donde fueron aplicados, incluyendo otras especies, suelos, aire y agua. El uso persistente de pesticidas reduce la calidad del suelo, y éste debe ser descontaminado para su reutilización. Solución Para poder resolver dicho problema en España y el mundo se unieron la Agencia Científica Nacional de Australia (CSIRO) y la empresa Orica, donde CSIRO desarrollo enzimas para la bioremediación de los suelos afectados por los pesticidas (investigación y desarrollo) y Orica la innovación para poner en el mercado este producto. Para el 2009 se tuvo en el mercado LandGuard para la limpieza de pesticidas a través de enzimas desarrolladas. La inversión de capital en desarrollar de 10 millones de euros, de los cuales CSIRO invirtió 3,5 millones y el restante Orica, este producto desarrollado tuvo éxito en el mercado y se espera recuperar el capital invertido en el 2014. LandGuardTM Landguard ofrece una solución rápida, práctica y económica para la gestión de los residuos de plaguicidas. La tecnología Landguard implica el uso de enzimas de hidrólisis que destruyen rápidamente pesticidas en la presencia de agua por la ruptura de enlaces en la molécula de plaguicidas. Es importante destacar que los subproductos son significativamente menos tóxicos y, a diferencia del compuesto pesticida original y persistente, la biodegradación rápida de los subproductos. La colaboración entre CSIRO y Orica ha dado lugar a que el producto Landguard ™, que elimina
los residuos de plaguicidas en el agua.
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El equipo de biorremediación de CSIRO y Orica han trabajado juntos con éxito durante muchos años y Landguard es la culminación de esta colaboración. En el 2006 este producto ganó el premio DuPont Innovation Award, un concurso desarrollado en Australia y Nueva Zelanda diseñado para reconocer la innovación y los avances en la industria, la ciencia y la agricultura. (CSIRO, 2006) 3.2.
Abengoa Bioenergy
Abengoa Bioenergía se mantiene como un referente en el desarrollo de nuevas tecnologías para la producción de biocombustibles y bioproductos químicos y la sostenibilidad de las materias primas, dedicando gran cantidad de recursos en investigación para ello. Pero también, el área de trading le posiciona como una empresa de servicios que aporta soluciones globales, con gran capacidad de comercialización y gestión de commodities, siempre apoyada en una capacidad de producción global y en el aprovisionamiento de materia prima, y la eficiencia en las operaciones, pilares básicos que aportan fiabilidad y masa crítica, claves para el óptimo desarrollo de la actividad. La combinación de las capacidades de comercialización internacional y de tecnología de bioetanol celulósico de Abengoa Bioenergía, con las capacidades agrícolas, productivas y de comercialización local da lugar a sinergias muy importantes que permitirán alcanzar crecimientos importantes en el mercado mundial del bioetanol y disponer de la tecnología que permitirá obtener menores costes por litro de etanol. Abengoa Bioenergía contribuye al desarrollo sostenible mediante la puesta en el mercado de compuestos combustibles obtenidos a partir de recursos renovables (biocombustibles) mediante la adopción de tecnologías respetuosas con el medio ambiente que favorezcan la reducción neta de emisiones contaminantes, para su uso en vehículos para el transporte público y privado. Abengoa Bioenergía desarrolla innovadoras soluciones tecnológicas a través de la continua inversión en I+D para ser incorporadas a los procesos de producción que permitan equiparar los costes de producción con los de los carburantes convencionales de origen fósil y diversificar en nuevos bioproductos químicos Abengoa Bioenergía cumple con el compromiso de creación de valor con los accionistas. Y contribuye al desarrollo personal y profesional de sus empleados mediante la formación continua y el establecimiento y seguimiento de planes individualizados.
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Abengoa Bioenergía crea nuevas oportunidades de desarrollo rural sostenible, incentivando los cultivos energéticos y la creación de agroindustrias, contribuyendo así a mantener niveles de trabajo y renta en el ámbito rural. El bioetanol y el biodiesel son fuentes de energía renovable y limpia que, desde hace tiempo, sustituyen de forma fiable y creíble a la gasolina y el gasóleo en el motor de los vehículos y contribuyen a la seguridad y diversificación del abastecimiento energético. Su utilización en estado puro o en mezclas con combustibles fósiles disminuye las emisiones de CO2, impide el avance del cambio climático y reduce la emisión de agentes contaminantes al medio ambiente. Durante el año 2012 han producido 2.950 millones de litros de bioetanol y 225 millones de litros de biodiesel, como principales productos. Sus ingresos durante esa gestión fueron de 2.138 millones de € (Abengoa bioenergia, 2012). Oportunidad La producción energética a partir de la biomasa es actualmente una alternativa real al uso de fuentes fósiles, y es la fuente de energía renovable más utilizada. En 2006, más del 85% de la energía mundial aún era producida a partir de fuentes fósiles (petróleo, carbón y gas natural). La combustión de fuentes fósiles produce 21.300 millones de toneladas de CO2 al año, y el ambiente sólo puede absorber la mitad de esa cantidad Existe una fuerte tendencia hacia la producción de energías renovables y menos contaminantes. Solución Para Abengoa la solución fue desarrollar conocimiento biotecnológico para la producción de bioetanol a partir de fermentación de biomasa. Las tecnologías aplicadas fueron la hidrólisis enzimática de biomasa, la captura de dioxido de carbono a partir de microalgas y la biorefinería. Como resultado se tuvo la rápida apertura de mercados de bioetanol ya que la eficiencia de conversión de la remolacha en bioetanol fue de 95%, 5% mayor que la competencia. Se realizó una inversión inicial de 400 millones de € para la investigación y desarrollo y la construcción de plantas. Sus ingresos durante el 2012 fueron de 2.138 millones de €, la mayoría provenientes del bioetanol.
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Conclusiones
En la actualidad se vive en un mundo globalizado, pero dicha globalización ha llegado también a los problemas medio ambientales, donde el problema de un país o una ciudad puede repercutir en otros países o ciudades alrededor del mundo; por lo tanto cuidar el medio ambiente debería ser compromiso de todas las personas que habitan el planeta tierra.
Los residuos generados ya sean sólidos, líquidos o gaseosos son un problema para la actual sociedad. Si no se busca la forma de reducirlos y tratarlos estos problemas comprometerán el desarrollo de las futuras generaciones en un corto periodo de tiempo. No hay espacio suficiente para dejar que se descompongan de forma natural los residuos sólidos, no existe agua dulce disponible para abastecer a la futura población. Estos problemas deben ser solucionados en un corto periodo de tiempo si se quiere tener un futuro esperanzador para la humanidad.
La biotecnología ofrece herramientas de trabajo para contrarrestar el daño ambiental causado durante la era del consumismo, se puede optimizar el tratamiento de los residuos mediante la utilización de seres vivos con capacidades especiales ya sea para degradar plásticos, pesticidas o petróleo. Además la biotecnología ofrece nuevos materiales con menor tiempo de degradación capaces de cumplir los requisitos de los usuarios como del medio ambiente.
Existen empresas biotecnológicas dedicadas al sector ambiental, que han tenido éxito en esta área de trabajo: Orica-CSIRO en el ámbito internacional y Abengoa Bioenergy empresa española con expansión de mercados a nivel internacional. Estas empresas han demostrado que trabajar para el medio ambiente en el área biotecnológica es altamente rentable.
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