Elaborando la sostenibilidad

Cada día, las fábricas de cerveza y las bodegas producen miles de galones de aguas residuales, que se vierten por el desagüe o se envían a las instalaciones de tratamiento a un alto costo para las empresas.

Ahora, Cambrian Innovation, spin-out del MIT, está comercializando un novedoso sistema de tratamiento, llamado EcoVolt, que utiliza microbios cargados eléctricamente para tratar y generar energía a partir de las aguas residuales. La compañía, que tiene como objetivo aprovechar la biotecnología como una forma de resolver problemas ambientales, también está modificando su sistema para generar valor a partir de aguas residuales en campos agrícolas y militares, y convertir dióxido de carbono en combustibles para aplicaciones en la Tierra y en el espacio.

Imagen cortesía de Cambrian Innovation

La infraestructura industrial actual administra los recursos básicos de manera lineal, lo que aumenta el costo de la eliminación de desechos y causa daños ambientales. Pero un enfoque más cíclico, donde los desechos se utilizan como fuente de energía, podría proporcionar mayores rendimientos de ganancias y eliminar la tensión entre el medio ambiente y la economía, dice el CEO Matt Silver SM '05, PhD '10, quien cofundó Cambrian con Justin Buck. PhD '12, ahora director de tecnología de la empresa.

El tratamiento de aguas residuales, por ejemplo, consume más del 3 por ciento de la electricidad en los Estados Unidos, sin embargo, los orgánicos en las aguas residuales tienen energía que se puede extraer y usar localmente, dice Silver. Y ese es el caso de muchos productos de desecho en general.

El sistema EcoVolt modular y automatizado de Cambrian, entregado en una plataforma e instalado en un día, consta de una unidad de trabajo principal, que alberga computadoras para automatización y control, y unidades de tratamiento expandibles de 20,000 galones. En estas unidades, los microbios llamados exoelectrógenos ejecutan un proceso único, la electrometanogénesis, que se utiliza por primera vez en el tratamiento de aguas residuales.

Los exoelectrógenos, recubiertos de ánodos, consumen los contaminantes orgánicos restantes de las aguas residuales y, en el proceso, generan electricidad. Esta electricidad viaja a través de un circuito y hacia cátodos recubiertos con microbios separados que consumen esa electricidad, junto con dióxido de carbono, para producir biogás a una velocidad de hasta 100 pies cúbicos por minuto. Este proceso mejora la digestión anaeróbica que ocurre naturalmente en las aguas residuales, dice Silver, ya que estabiliza el tratamiento, mejora la calidad del biogás y permite un mayor grado de automatización.

El biogás ingresa a un sistema de cogeneración conectado para la conversión de energía. Dependiendo de varios factores del sitio, esto produce entre 30 y 400 kilovatios por hora de electricidad. Las aguas residuales tratadas salen del reactor con un 80 a 90 por ciento de los contaminantes eliminados, por lo que pueden usarse para riego, lavado de equipos y otras cosas.

El sistema puede tratar de 10,000 a 1 millón de galones de aguas residuales al día. A ese ritmo, una bodega eliminaría alrededor de 2 libras de CO2 por caja de su huella de carbono, mediante la generación de energía libre de carbono y evitando el tratamiento de aguas residuales municipales, plantando efectivamente más de 4,400 acres de árboles en un año, dice Silver.

Desde enero, las cervecerías Bear Republic y Lagunitas, ambas en California afectada por la sequía, han comprado sistemas EcoVolt. Con las tasas de uso actuales, Cambrian estima que el sistema generará suficiente electricidad para satisfacer entre el 25 y el 50 por ciento de las necesidades de estas cervecerías y permitir la reutilización de aproximadamente el 25 por ciento de su agua. También podría eliminar 10 camiones de envío de aguas residuales por día para Lagunitas.

Todo en el diseño

Cada vez más, la industria de las bebidas ha empleado procesos de tratamiento de aguas residuales aeróbicos y anaeróbicos, pero estos son costosos y difíciles de adoptar, dice Silver.

Los procesos aeróbicos, que disuelven el aire en aguas residuales, donde los microorganismos aeróbicos degradan los contaminantes, consumen mucha energía y generan biosólidos (materiales orgánicos) que se gestionan al costo. Los procesos en los que los microbios anaeróbicos comen contaminantes, mientras producen pequeñas cantidades de metano quemable, han ganado popularidad en las últimas décadas, pero tales sistemas solo funcionan en circunstancias específicas, son propensos a fallar y son difíciles de operar.

EcoVolt, por otro lado, es aplicable a una variedad de sitios y ha demostrado un proceso de tratamiento más robusto, lo que significa una mejor generación de energía y mayores rendimientos para los clientes y, por lo tanto, es más económico, dice Buck. Pero el sistema también es modular, lo que significa que los clientes pueden agregar componentes de manera incremental, como unidades de tratamiento más grandes o generadores de conversión.

Es una arquitectura influenciada por los años de posgrado de Silver en la División de Sistemas de Ingeniería del MIT, que enfatiza la confiabilidad, escalabilidad y flexibilidad en el diseño de sistemas complejos a gran escala. EcoVolt les da más flexibilidad con la forma en que implementan los sistemas de tratamiento, dice. La idea general es minimizar los costos operativos y de ingeniería no recurrentes, al tiempo que brinda a los clientes la opción de expandirse a bajo costo a través de una arquitectura modular.

Sin embargo, además, EcoVolt está automatizado, monitoreado de forma remota y proporciona datos en tiempo real, gracias al uso de exoelectrógenos como sensores. Estos errores están generando electricidad, y eso es algo que podemos sentir y leer, en tiempo real, para ver qué tan bien está funcionando el reactor, explica Buck, quien inventó las tecnologías de sensores de Cambrian.

Con EcoVolt, dice Silver, Cambrian tiene como objetivo hacer que el tratamiento y la reutilización del agua sea más fácil y asequible, a medida que aumenta la dependencia de Estados Unidos del agua, junto con la contaminación del agua.

Casi todos los productos que fabricamos tienen una huella de agua, dice Silver. A medida que crece nuestra economía, los niveles freáticos disminuyen y la contaminación de las aguas residuales aumenta, lo que hace que muchas empresas consideren el riesgo del agua en su estrategia general. La necesidad de soluciones más rentables es cada vez más aguda en el mundo desarrollado y también crítica en el [mundo] en desarrollo. Aprovechamos la biotecnología para proporcionar el mayor retorno de la inversión para la gestión del agua.

Con ese fin, Cambrian está trabajando en otros proyectos que aprovechan los microbios exoelectrogénicos para tratar las aguas residuales. Un proyecto, llamado BioVolt, es un sistema de tratamiento de agua autoamplificado para las bases de operaciones avanzadas del Ejército de los EE. UU. Que trata las aguas residuales y genera electricidad para funcionar. Otro proyecto, financiado por la National Science Foundation, utiliza exoelectrógenos para detectar nitratos en aguas residuales, de forma económica y con una especificidad muy alta, para la industria agrícola.

La tierra como nave espacial

EcoVolt es valioso hoy como solución a los problemas del agua en la Tierra. Pero la tecnología central comenzó como un poco de ingenio aeroespacial, y desde entonces ha encontrado su camino de regreso al espacio.

En una reunión en el MIT en 2006 sobre una afición compartida por la biotecnología, Silver, entonces científico investigador en el Laboratorio de Sistemas Espaciales del MIT, y Buck, un estudiante graduado de ingeniería biológica, ganó una subvención del programa del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA para crear un soporte vital. sistema que podría tratar los desechos y generar electricidad para los astronautas. Pronto, se encontraron con exoelectrógenos; un estudio de 1999 había revelado que los exoelectrógenos podían, de hecho, generar más amperios por centímetro cuadrado de lo que se pensaba anteriormente.

Esto convirtió a los exoelectrógenos en un tercer candidato, y en gran medida mejor, para el tratamiento de aguas residuales, sobre los métodos aeróbicos o anaeróbicos. Con el lanzamiento de Cambrian con una subvención del Departamento de Agricultura para centrarse en las aguas residuales agrícolas, el equipo pronto se trasladó a su sede actual en Boston. Para cuando participaron en la competencia Cleantech Open de 2010, y ganaron, se habían centrado en la industria de alimentos y bebidas.

Cambrian puso a prueba con éxito su primer sistema en 2010 y luego, durante 14 meses, de 2011 a 2012, demostró su sistema a escala industrial en el Cerrado madera lagar en California.

En 2012, la NASA comenzó a financiar un proyecto cámbrico, llamado ExoGen, que utiliza la electrometanogénesis para extraer de manera más eficiente oxígeno o combustible del CO2 para vuelos espaciales de larga duración. Actualmente, la NASA lleva a cabo la recuperación de oxígeno del CO2 en un proceso químico de varios pasos; ExoGen lo convertirá en un proceso simplificado de un solo paso.

Sorprendentemente, pasar de las aplicaciones aeroespaciales a las terrestres, y viceversa, ha sido una transición fácil, dice Silver. El desafío de apoyar a los astronautas en el espacio es muy similar a la sostenibilidad en la Tierra, dice. Lo que busca hacer en el espacio es maximizar la reutilización, mientras minimiza la energía. Si miramos a la Tierra como una nave espacial, es el mismo problema.

Con EcoVolt y sus otros proyectos en curso, el objetivo general de Cambrian, dice Silver, es aprovechar la biotecnología para promover una ecología industrial sostenible, donde los desechos de la industria se reciclan para crear energía y valor, al igual que en los ecosistemas naturales.

En un ecosistema natural, realmente no existe el desperdicio, dice Silver. Es solo otro recurso.

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