DESCRIPCIÓN

Objeto de la invención

La presente invención, de acuerdo con el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un proceso y a los equipos necesarios para la transformación de materia orgánica residual en PHA(Polihidroxialcanoatos) y material compostable para agricultura.

Según el proceso aquí descrito, la materia orgánica residual generada por la actividad humana será utilizada como materia prima del proceso aquí descrito para generar, plástico biodegradable en forma de PHA y material compostable para agricultura, rico en materia orgánica y en nitrógeno, potasio y fósforo.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, la actividad humana genera una gran cantidad de residuos de origen orgánico que son enviados directamente a vertedero de RSU (Residuos Sólidos Urbanos) ó bien son utilizados en la producción de biogás en digestores anaerobios ó al compostaje agrícola.

Existen procesos que reivindican la producción de PHA a partir de residuos orgánicos procedentes de la actividad humana, como las patentes de Genecis Bioindustries Inc, CA3086252, US019360008 ó WO2020/252582 dónde se describe cómo producir PHA a partir de residuos orgánicos, así como la metodología para aislar el PHA generado. La patente 2397730 describe la metodología de la fabricación de PHA a partir de residuos cítricos y la 2061405 especifica qué tipo de bacteria es la más prolífica en la producción de PHA.

En ningún caso se relata cómo generar y separar la fracción compostable para agricultura y la fracción que irá a la fabricación de PHA.

Descripción de la invención La presente invención tiene como objetivo, por tanto, proporcionar un proceso y los reactivos necesarios para transformar los residuos orgánicos generados por la actividad humana (restos orgánicos sólidos y líquidos de supermercados, hoteles y bares, fracción sólida de contenedores marrones, restos orgánicos de ganaderías, restos orgánicos de la actividad agrícola (fruta y poda) y de la industria de transformación agrícola (cáscara de naranja, piel de aguacate, etc..), purines, lodos de depuradora, lactosuero, etc...) en PHA y material compostable para agricultura.

El primer paso en este proceso está en la recepción de las materias primas (antes llamadas residuos) para su posterior transformación en PHA y material compostable.

El primer paso consiste en la separación de las materias primas según sea su origen, de forma que las materias primas sólidas serán recepcionadas y almacenadas separadamente de las materias primas líquidas.

Separaremos diferentes materias primas según su composición, en 4 fracciones:

1.: Materias primas de origen orgánico, sólidas, procedentes de supermercados, hoteles y restauración, junto con la materia orgánica de contenedores marrones (fracción orgánica en la recogida selectiva), restos de poda y de la industria agrícola y agroalimentaria.

2.: Materias primas de origen orgánico líquidas: Lactosuero, leche y derivados lácteos, bebidas azucaradas y alcohólicas, aguas de limpieza de procesos industriales de elaboración de mostos, zumos, etc

3.: Lodos de E.D.A.R. y de salida de digestores anaerobios.

4.: Purines y restos ganaderos.

A partir de las 4 fracciones anteriores, procederemos a su transformación por FASES:

FASE A: HOMOGENIZACIÓN-LIQUEFACCIÓN: Obtención papilla alimentación hidro destilador. FIG 1

Antes de proceder a la homogenización de cada una de las fracciones, se elaborará una receta, dónde se indicará la mezcla de cada una de las fracciones (1 a 4) recepcionadas. Establecida la receta dónde figura la mezcla a realizar de cada una de las fracciones, de la 1 a la 4, todas las materias primas, sólidas y líquidas, serán mezcladas y homogenizadas en un reactor, dónde se homogenizarán-triturarán las materias primas de la receta, obteniendo una mezcla íntima. La trituración de la mezcla generará una papilla con una concentración variable de sólidos, según sea el aporte de cada fracción a la receta, de un tamaño inferior a 100pm. La elaboración de la receta y su posterior homogenización-trituración se corresponde con la FASE A.

FASE B: HIDRODESTILADOR: OBTENCIÓN RHL + RHM + RHP . FIG 2

La mezcla obtenida en la fase A, alimentará a un reactor calefactado, con camisa exterior o interior o ambas y agitador interior, que dispone de mecanismo de reflujo y sistema de ultrasonidos, dónde y mediante la agitación, la adición de reactivos químicos y el aporte de calor mediante camisa calefactada (interior y/o exterior) y los ultrasonidos así como la recirculación del vapor generado y condensado en el reflujo, se procederá a transformar;

• Grasas y aceites serán transformados en ácidos grasos

• Glucógeno y almidón, se transformarán en monómeros de glucosa, fructosa, dextrinas, etc....

• Las proteínas serán hidrolizadas en sus componentes básicos; aminoácidos (Aa) y pequeñas cadenas peptídicas.

• Solubilización de sulfatos, carbonates y fosfatos insolubles.

Proteínas, azúcares y grasas de la mezcla obtenida en la fase A, serán hidrolizadas en sus monómeros, por acción del calor+ultrasonidos+agitación+reactivos-químicos+reflujo, en el interior del hidro-destilador (reactor calefactado), además de higienizar-sanitizar la materia orgánica obtenida en la fase A. Los fosfatos, carbonates y sulfatos de alcalinotérreos serán solubilizados por la adición de ácidos inorgánicos i/o orgánicos, ó mezclas de ellos, junto con los coadyuvantes.

El tiempo de residencia de cada mezcla procedente de la fase A en el interior del hidro- destilador, así como la adición de reactivos químicos (mezclas de ácidos orgánicos e inorgánicos+coadyuvantes), dependerá de la propia mezcla de la fase A.

La adición de reactivos químicos va encaminada a facilitar la hidrólisis de proteínas, grasas y azúcares, así como para disolver las sales inorgánicas presentes de la propia mezcla; solubilización de la hidroxiapatita y carbonates cálcicos y magnésicos procedente de residuos óseos de animales y conchas de moluscos, entre otras.

Los reactivos químicos utilizados en las mezclas van desde ácidos inorgánicos como H2SO4, HCI, HNO3, H3PO4 , o mezclas de ellos, junto con ácidos orgánicos como ácidos láctico, ácido glicólico, ácido sulfámico, ó mezclas de ellos, incluyendo fosfonatos ácidos ó sus sales, como HEDP, ATMP.EDTMP, DTPMP, HDTMP.HEMPA o PBCT , homopolimeros del ácido acrilico, polímeros de ácido acrilico y maleico , terpolimeros etc....

La composición final de la mezcla de ácidos y coadyuvantes dependerá de la composición de la mezcla de la fase A y estará encaminada a inhibir la precipitación de sales insolubles de calcio y magnesio, así como en la hidrólisis de las proteínas, grasas y carbohidratos en sus componentes básicos.

El hidro-destilador trabaja por lotes, de forma discontinua. Se introduce la receta de la fase A junto con la mezcla ácida en su interior iniciándose el proceso de hidrólisis-higienización. Este proceso se inicia con la agitación de la mezcla hasta regular el valor del pH del interior a un valor de 1 < pH < 6, según sea la receta, junto con el inicio de la recirculación del aceite térmico por la camisa interior/exterior del hidro-destilador. Una vez alcanzado el valor de pH en la mezcla interior del hidro-destilador, mantenemos la recirculación del aceite térmico por la camisa exterior/interior del reactor hasta alcanzar la temperatura y presión de trabajo en el interior del mismo. Una vez se ha alcanzado el valor consigna de T ^a (Temperatura) y Pr. (Presión) en el interior del reactor, y con la agitación en marcha, el vapor generado en el interior del reactor, en la cámara de vapor del reactor, es recogido en una columna de destilación dónde y mediante recirculación externa de agua (o liquido de la siguiente receta a introducir) a baja temperatura , condensa el vapor que es reintroducido en el interior del hidro- destilador, mediante proceso de reflujo de vapor. El tiempo que la receta se mantiene en agitación-reflujo en el interior del hidro-destilador, el valor del pH, tiempo de agitación, la T ^a y presión de trabajo en el interior del hidro-destilador, son variables que dependen de la receta de la Fase A, con el objetivo de higienizar la mezcla y liberar a la fracción líquida, monómeros de azúcares, aminoácidos y ácidos grasos. El valor del pH de trabajo en el interior del hidro- destilador oscila entre 1 < pH < 6. El tiempo en que se acostumbra a mantener la receta en agitación-calentamiento, tras alcanzar el valor de pH deseado, oscila entre 30 min y 120 min. Las presiones de trabajo en el interior del hidro-destilador oscilan entre 2 bar y 5 bar y la temperatura de trabajo oscila entre 70°C y 110°C.

El hidro-destilador dispone, además de un agitador, de un sistema de US que nos permite la lisis celular y disgregar la materia orgánica. De esta manera, la agitación, el aporte de calor, el sistema de reflujo de vapor y los US, permiten obtener monómeros de azúcares, ácidos grasos junto con Aa+cadenas polipeptídicas en la solución ácida acuosa del interior del reactor.

Transcurrido el tiempo de agitación-reflujo de la receta de la Fase A en el interior del hidro- destilador, se cierra la válvula de salida del vapor( reflujo), se mantiene durante 1 min a 15 minutos el aporte de calor, con lo que la presión del interior del reactor sube hasta el valor deseado, momento en que despresurizamos el hidro-destilador por apertura de la válvula de salida de vapor, recogiendo la fracción del vapor de salida sobre una trampa de vapor con agua osmotizada.

Tras la despresurización del hidro-destilador, se procede al vaciado del contenido del reactor sobre un tanque de recepción, reactor de homogenización (RH), al que se le añade el agua osmotizada + condensados de la trampa de vapor.

Trabajamos con una mezcla 1 :1 receta fase A - agua osmotizada, pudiendo llegar hasta 1 :10, preferiblemente 1 :3.

La mezcla receta fase A, de salida del hidro-destilador + agua osmotizada en relación 1 :1 a 1 :10, es homogenizada en el interior del reactor de homogenización mediante agitación. Se corrige el pH si es necesario y tras 5 - 10 minutos de agitación-homogenización, la mezcla del reactor de homogenización alimenta a una centrífuga (Tricanter) que separa tres fracciones:

• Aceites: La fracción menos densa - Fracción RHL: Fracción ligera

• Fase acuosa: La fase intermedia - Fracción RHA: Fracción Acuosa

• Sólidos: la fase más densa - Fracción RHS: Fracción Sólida

FASE C: RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO: OBTENCIÓN PRECURSOR BIOESTIMULANTE. FIG 3

De las tres fases obtenidas en la separación del tricanter de la Fase B, tomamos la fracción RHA y la filtramos con la ayuda de membranas de UF con un Corte de peso molecular de 100.000 Daltons, la U FRHA.

El proceso de U FRHA genera dos corrientes:

• Permeado: la fracción que ha atravesado las membranas y correspondiente a un 90- 95% del volumen de entrada en la planta

• Rechazo: la fracción que no ha atravesado la membrana. Esta fracción es recirculada sobre RH, a depósito de alimentación a Tricanter.

La fracción del permeado alimentará a un sistema de resinas de intercambio iónico, formado por resina aniónica débil + resina aniónica fuerte - resina catiónica débil + resina catiónica fuerte. Al pasar el permeado de la U FRHA por las resinas de intercambio iónico, los Aa liberados en el hidro-destilador quedarán retenidos en las resinas junto con las sales orgánicas e inorgánicas presentes en el caldo de cultivo.

El efluente filtrado será entonces una solución líquida rica en azúcares (glucosa, fructosa, lactosa, etc..) estéril y de muy baja conductividad.

Las columnas de intercambio iónico, como sistema de separación físico, deberán regenerarse cada vez que queden saturadas. Para ello se utilizará un ácido y una base para la regeneración de estas. Como ácido se utilizará una solución de ácidos inorgánicos, tales como HCI, H2SO4, HNO3, H3 O4 o mezclas de los mismos, mientras que y como bases utilizaremos KOH, NaOH, NH3, o mezclas de las mismas.

En nuestro caso utilizaremos KOH y H2SO4.

La solución de regeneración será una solución líquida, acuosa, rica en Aa + sales inorgánicas de potasio y sulfatos, que será enviada a un cristalizador por emisión de aerosoles para generar un bioestimulante sólido, rico en nitrógeno (aportado por los propios aminoácidos), potasio y fósforo. Éstos dos últimos cationes provienen del KOH utilizado como regenerador en el caso de las resinas aniónicas y del K ⁺ de origen natural de frutas y verduras, mientras que el fósforo es aportado al hidro-destilador por la hidroxiapatita de la fracción animal y de pescado.

Así pues, la regeneración de las resinas de intercambio iónico consigue separar el nitrógeno, el fósforo y el potasio junto con los Aa, que componen el bioestimulante radicular que se obtendrá en forma de polvo seco a la salida del cristalizador por emisión de aerosoles.

La fracción filtrada por las columnas de intercambio iónico, el eluato, es una fracción rica en azúcares y de baja conductividad. Esta fracción líquida será la fracción que alimentará al reactor aireado de fabricación de PHA, junto con la fracción RHL obtenida en el tricanter.

La producción de PHA por parte de las cepas bacterianas superproductoras de PHA es mucho mayor si éstas son alimentadas directamente con glucosa que con almidón u otras materias primas ricas en azúcares. Fabricación de ATP.

FASE D: BIOREACTOR ANEROBIO - FERMENTADOR TERMÓFILO ACIDOGÉNICO: OBTENCIÓN AGV : FIG 4

La fracción RHS obtenida por el tricanter a la salida y descarga del hidro-destilador, alimentará a un Reactor, termentador termófilo acidogénico, dónde y en condiciones anaerobias se obtendrán AGV (Ácidos Grasos Volátiles) a partir de la fracción RHS. El reactor anaerobio será inoculado por fangos activos de E.D.A.R. (Estación Depuradora de Aguas Residuales), de manera qué y con el aporte de materia orgánica de la fracción RHS, se generarán, por fermentación acidogénica anaerobia , AGV(ácidos grasos volátiles), constituidos principalmente por ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico, ácido ¡sobutírico y ácido isovalérico.

El termentador termófilo acidogénico trabajará en unas condiciones de 5,5<pH<6,5 y a una 35<T°<50, con un tiempo de retención hidráulica de 2 días.

En el interior del termentador termófilo acidogénico se generarán AGV a partir de la materia orgánica suministrada en continuo (Fracción RHS). La extracción de los AGV generados por las cepas bacterianas se hará mediante planta de LI FAGV multitubular que permite trabajar hasta 25% v/v de sólidos. Mediante control de los SST así como de AGV/D.Q.0./T7pH por sondas en el interior del termentador termófilo acidogénico, se monitorizará la producción en continuo de la biomasa así como de los AGV.

La planta de U FAGV, en continuo, filtrará el contenido del reactor, generando dos corrientes, una de permeado rica en AGV y libre de bacterias y una segunda fracción de sólidos a una concentración máxima del 25% v/v, que se corresponde con el rechazo. Este rechazo será reenviado nuevamente al termentador acidogénico termófilo, a la vez que se repone el volumen de permeado con más fracción de RHS y agua osmotizada, hasta que la concentración de SST (Sólidos Totales) en el interior del reactor supera en valor de los 25g/l. En ese momento, la fracción del rechazo es enviada a secado térmico, para la obtención de parte de la fracción orgánica del bioestimulante radicular. Este proceso se mantiene hasta que el valor de los sólidos en el interior del reactor descienda por debajo de los 12g/l, momento en que la purga de la U FAGV vuelve a ser enviada, nuevamente, al termentador termófilo acidogénico.

El permeado obtenido por las membranas de U FAGV, se le corregirá el pH, hasta valores de 7 < pH < 12 y será tratado en una planta de O.I .RHA De esta planta se obtendrán dos corrientes:

• Permeado: Agua osmotizada de baja conductividad que será enviada nuevamente al reactor anaerobio de fabricación de AGV

• Rechazo: Corriente líquida de AGV en forma de sales + sales inorgánicas concentradas, que servirán de alimentación al reactor de fabricación de PHA, el RAPHA.

FASE E: BIOREACTOR AEROBIO: OBTENCIÓN PHA. FIG 5. La fracción de azúcares de salida de las columnas de intercambio iónico unida con el permeado de la U FAGV del termentador termófilo acidogénico, rico en AGV, ambas concentradas en la planta de O. I .RHA, junto con la fracción RHL, rica en ácidos grasos, alimentarán a un reactor aerobio de fabricación de PHA, (RAPHA) dónde se ha inoculado una bacteria superproductora de PHA.

La síntesis y acumulación de PHA en el interior de las bacterias superproductoras de PHA se produce durante la limitación de un nutriente esencial y en presencia de una fuente de carbono en exceso.

Trabajando en estas condiciones, la cepa bacteriana superproductora de PHA crecerá almacenando PHA en su interior. El seguimiento de la D.Q.O. del caldo de cultivo y la concentración de OD (oxígeno disuelto) en el interior del reactor aerobio, junto con la concentración celular en g/l, serán los factores principales del control del crecimiento bacteriano y de acumulación de PHA en su interior. Un aumento de la concentración de OD coincide con una disminución del valor de la D.Q.O. en el interior del RAPHA, así pues, el control de la dosificación de las tres fracciones de las que se alimenta el RAPHA vendrán condicionadas por el aporte de OD, momento en el que la bacteria generará PHA. El control del TN(Nitrógeno Total) y TP(Fósforo Total) nos permitirán visualizar la fuente de Nitrógeno y Fósforo respectivamente como fuentes limitantes de nutrientes esenciales, especialmente el nitrógeno en nuestro caso, teniendo en cuenta su separación en forma de Aa en las columnas de intercambio iónico. La limitación de un nutriente esencial como N ó P, el aporte en exceso de fuente de carbono(D.Q.O.) y el suministro de oxígeno, permiten que la bacteria superproductora de PHA acumule en su interior gránulos de PHA. El crecimiento y purga del PHA serán monitorizados por seguimiento del valor de SST.

La Fase E dispone, junto con el reactor aerobio de fabricación de PHA (RAPHA), de una planta de ultrafiltración en configuración multitubular, igual que en el caso del reactor anaerobio de generación de AGV, La U FRAPHA, que nos permite separar la fracción celular del interior del reactor.

La planta de U FRAPHA del reactor aerobio filtrará el contenido del reactor aerobio cada vez que el contenido en sólidos en suspensión, SST, supere los valores de consigna. La superación de los valores consigna indican que tenemos una población bacteriana suficientemente grande y con suficiente acumulación de PHA en su interior como para realizar una purga/extracción de PHA. La lectura de los valores de D.Q.O., AGV y OD, nos permiten regular la dosificación sobre el RAPHA de fuente de carbono, mientras que la lectura de los SST nos permite determinar la concentración de bacteria existente en el interior del reactor. Cuando los valores de lectura de SST en el interior del reactor superen los 25g/l, la planta de U FRAPHA se pondrá en marcha.

La planta de U FRAPHA genera dos corrientes, una de permeado rica en azúcares/AGV y libre de bacterias y una segunda fracción de sólidos, a una concentración máxima del 25% v/v, que se corresponde con el rechazo. El permeado será reenviado nuevamente al reactor aerobio de fabricación de PHA, el RAPHA, mientras que el rechazo, a una concentración final del 25% v/v, alimentará a un hidro-destilador idéntico al de la FASE B, dónde y trabajando a 110°C y 5 bar, por lotes, se producirá la lisis celular, liberación de gránulos de PHA y la redisolución de azúcares y proteínas bacterianos, junto con la liberación de los ácidos grasos que han formado parte de las membranas celulares de las bacterias. Para la redisolución de la materia orgánica que forma la pared celular de las bacterias, a la corriente del rechazo de la UF que se introduce en el hidro-destilador, se le dosificará una mezcla de hidróxido sódico/hidróxido potásico.

La descarga del hidro-destilador, tras el proceso de lisis celular a 110°C y 5 bar, alimentará a un filtro NUCHA dónde todos los sólidos, junto con el PHA en forma de gránulos, serán retenidos en la parte inferior del mismo, filtrándose la corriente acuosa. La corriente acuosa se unirá a la carga del hidro-destilador de la fase B, que alimenta al tricanter, generando RHA, RHS y RHL.

El sólido retenido en el filtro NUCHA será lavado con una solución acuosa de NaOH/KOH, recirculándola sobre el propio filtro NUCHA, para separar la materia orgánica adherida a los gránulos de PHA. La corriente de lavado filtrada se unirá a la carga del hidro-destilador de la fase B.

El proceso de lavado con recirculación se alargará hasta que los gránulos de PHA estén bien limpios de materia orgánica. En este momento, una corriente de aire caliente y seco procedente de un generador secará el PHA hasta contenidos de humedad < 10% p/p. En ese momento se procederá a la descarga del filtro NUCHA sobre sacos de recogida de PHA seco.