PROCEDIMIENTO DE REVALORIZACIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS

La presente invención se refiere a un procedimiento de revalorización de residuos sólidos urbanos (RSU) en un proceso continuo o discontinuo para convertir en primer lugar dichos residuos en biomasa orgánica y posteriormente extraer y recuperar el máximo posible de los compuestos químicos contenidos en dicha biomasa, como son triglicéridos, azúcares y proteínas. Por tanto, la invención se podría encuadrar en el campo del reciclaje, transformación de residuos sólidos en solidos reutilizables y biocombustibles.

ESTADO DE LA TÉCNICA

De manera tradicional, los RSU se han eliminado mediante disposición en vertedero o incineración. Sin embargo, estos métodos para desechar el producto residual contaminan el suelo, el agua y el aire y requieren uso de un terreno que podría utilizarse para otros fines.

Los RSU comprenden cantidades significativas de material reciclable incluyendo componentes tales como biorresiduos orgánicos celulares (tales como residuos de alimentos, residuos de jardines, madera, papel y cartón), plástico, vidrio, metales ferrosos, y metales no ferrosos (como aluminio). Las operaciones de clasificación de RSU para recuperar los diferentes componentes son conocidos en la materia, pero dichos métodos conocidos son típicamente ineficaces. Las fracciones de biorresiduos de la técnica anterior son típicamente impuras y están contaminadas con varios componentes, tales como inhibidores de la hidrólisis enzimática y de la fermentación, que normalmente convierten estas fracciones de biorresiduos celulósicos en no adecuadas para su conversión en monosacáridos y productos de fermentación opcionales a una tasa y rendimiento comercial aceptable. Por este motivo, los métodos de fraccionamiento de RSU de la técnica anterior generalmente recuperan valor de los biorresiduos orgánicos mediante incineración (recuperación de energía), gasificación (mediante pirólisis), o compostaje.

Estos procedimientos de tratamiento de residuos sólidos urbanos (RSU) mediante vapor a presión han sido una realidad industrial desde hace al menos 120 años. Otro tanto puede decirse de las técnicas extractivas por hidrólisis de subproductos y residuos, desarrolladas antes de la Segunda Guerra Mundial.

Desde entonces los retos y exigencias del aprovechamiento de los RSU siguen siendo esencialmente los mismos: clasificación, higiene y rentabilidad.

De esta manera, con el fin de mejorar estos tres puntos se une el concepto de biorrefinería de biomasa empieza a estar ya estandarizado por varias empresas tecnológicas, no obstante, concepto de biorrefinería de RSU es novedoso.

Tener la capacidad de extraer moléculas de alto valor añadido de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos es un output excepcional. Moléculas, que, por otra parte, podrían sustituir a las mismas moléculas obtenidas por métodos tradicionales, abaratando costes, y lo más importante, obtenidas de una materia prima, que, si bien no es renovable, se puede considerar casi infinita. Puesto que la generación de residuos urbanos va en aumento a nivel global, aunque la tendencia sea la disminución y la generación de tecnologías para el reciclaje minimización de dichos residuos, la población mundial crece y, países en vías de desarrollo, están generando una cantidad ingente de residuos que necesitas ser valorizados y aprovechados para las distintas industrias.

Es en este punto, donde la biorrefinería de RSU, tiene un papel importantísimo para la minimización de residuos y el aprovechamiento de los mismos, entrando de esta manera, en los objetivos de reciclaje impuestos por la unión europea a los estados miembros.

Sin embargo, como problemas a la técnica, se encuentran la falta de investigación en este campo, además, costes energéticos de extracción elevados y el estigma creado en torno al aprovechamiento de la“basura”.

Otro problema de la técnica es la falta de capacidad de aprovechar el 100% de dicha materia orgánica, a pesar de que se comporta como un extracto orgánico excelente. Esto es debido a los costes de operación para el aprovechamiento integral de dicho extracto. Nadie ha obtenido un aprovechamiento integral de las distintas biomasas que actualmente existen y mucho menos en la biomasa de RSU de manera continua en un procedimiento industrial. A pesar del inmenso potencial que tiene esta biomasa, nos encontramos con falta de innovación y desarrollo de este tipo de biorrefinería.

Por otro lado, existe otra valorización energética de la fracción orgánica del residuo sólido urbano, en este caso mediante un proceso de una biometanización, que consiste en la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno para producir un gas rico en metano, biogás, obteniéndose como subproducto un residuo semi-líquido muy rico en materia orgánica y nutrientes, digestato. Normalmente el contenido en sólidos totales de la fracción orgánica del residuo sólido urbano es elevado (superior al 15 %), por lo que se realiza un proceso de biometanización en vía seca. El biogás contiene un poder calorífico específico en el rango 15-25 kWh/Nm ³ , dependiendo de la composición de la fracción orgánica del residuo sólido urbano. El biogás puede ser utilizado para la producción calor y/o electricidad.

El proceso de biometanización comienza con una etapa de pretamiento, en donde se eliminan impurezas (vidrios, inertes, plásticos) con el fin de obtener una cantidad de impropios inferior al 10%. Posteriormente, el material puede ser triturado con el objetivo de homogeneizar y disminuir el tamaño de partícula hasta valores de 2-8 mm. Dependiendo del contenido en sólidos totales, la fracción orgánica se disuelve con agua para alcanzar un contenido en sólidos dentro del rango de la digestión anaeróbica seca (20-30 % en sólidos totales). La fracción orgánica obtenida se utiliza como alimentación (substrato) del digestor.

El problema asociado a este procedimiento de revalorización es la presencia de contaminantes en los RSU que se introducen en los digestores provocando la inhibición en el crecimiento y la actividad de las bacterias, así como la competencia con otros microorganismos también presentes en los RSU y que también son introducidos en el digestor. Otro problema es la introducción de impropios en la alimentación (substrato). Ello provoca problemas asociados a la acumulación de impropios en el digestor, que conlleva un alto coste de mantenimiento (el digestor tiene que pararse, eliminar impurezas, y ponerlo de nuevo en marcha). DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se trata de un procedimiento en continuo o discontinuo de revalorización, que comprende en primer lugar un pretratamiento físico y químico para la transformación de residuos sólidos urbanos (RSU) en biomasa orgánica y un posterior tratamiento de extracción y recuperación de los compuestos químicos contenidos en dicha biomasa orgánica proveniente de residuos.

En la presente invención, el término“residuos sólidos urbanos o RSU” se refiere a la corriente de mezcla de residuos sólidos que comprende predominantemente una mezcla de residuos urbanos y comerciales. Aunque la composición precisa de los RSU varía con la fuente, y las concentraciones e intervalos descritos a continuación no deben tomarse como una limitación. Dependiendo de la fuente los RSU comprenden al menos uno de los siguientes:

residuos cárnicos de cualquier tipo como, por ejemplo, pero sin limitarse a pollo, cerdo, vaca y carnero;

aceites usados y grasas tanto animales como vegetales;

residuos alimenticios de la industria pesquera desde cualquier tipo de pescado hasta mariscos y cáscaras de los mismos;

residuos agrícolas, así como de poda y jardinería;

restos de frutas, verduras y hortalizas; y

papel y cartón.

Gracias a la heterogeneidad de la fracción orgánica se puede obtener a partir de estos RSU distintas proporciones de distintos compuestos químicos.

En la presente invención se entiende por“revalorización o valorización” a los distintos procesos físicos y químicos que se llevan a cabo a los RSU para la obtención y recuperación de los compuestos químicos contenidos en dichos RSU. Sin embargo, pese a la diversidad de las composiciones de los RSU siempre se obtienen los mismos compuestos, aunque lógicamente, en distintas proporciones dependiendo del material de la entrada a la unidad de higienización y biotermoestabilización. Los rangos de obtención de los compuestos de revalorización en porcentaje en peso son los siguientes: • Ácidos grasos: [ 9-20] % (Triglicéridos)

• Ácido láctico [ 20-40] %

• Levulato de potasio [ 20-45] %

• Sacáridos [5-20] % (fructosa, glucosa y sacarosa)

· Aminoácidos [1-5] % (En mayor proporción Arginina, Alanina, ácido glutámico,

Valina, triptófano y fenilalanina.)

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de revalorización de residuos sólidos urbanos caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

(a) pretratar los residuos sólidos urbanos mediante el método seleccionado de entre cribado, separador óptico, separador Foucault, separadores magnéticos, separadores balísticos, separadores de film, triaje, trituradora y cualquier combinación de los anteriores y separar la fracción orgánica resultante de dicho pretratamiento que presenta un tamaño de partícula promedio de entre 2 mm y

8 mm;

(b) realizar una hidrólisis de la fracción orgánica obtenida en la etapa (a) para descomponer la materia orgánica que presenta un tamaño de partícula promedio de entre 2 mm y 8 mm obtenida en la etapa (a) y formar una biomasa que comprende una fase orgánica sólida húmeda y una fase líquida;

(c) separar mecánicamente los impropios de la biomasa obtenida en la etapa (b) de la fase orgánica sólida húmeda, preferiblemente se realiza en un trommel de separación. En la presente invención se entiende por“impropios” aquellos materiales que no son susceptibles de ser valorizados materialmente ni energéticamente, estos comprenden plásticos, vidrios, cristales, huesos, escombros que comprenden sin limitarse a

- tierras y áridos

- restos de hormigón

- restos de pavimentos asfálticos

- materiales refractarios

- ladrillos

- yesos

- madera

- metal o - persianas.

Una ventaja del procedimiento es que en la etapa (a) se produce una descomposición y no una degradación, puesto que esta descomposición permite recuperar moléculas químicas de interés industrial. Se define degradación como el proceso químico que modifica la composición de un material. Esta modificación lleva consigo un empeoramiento de las propiedades químicas, perdiendo de esta manera gran contenido de materia orgánica, dando como productos finales ácidos húmicos (AH) y ácidos fúlvicos (AF). Otras técnicas de tratamiento de la materia orgánica degradan dicha materia, impidiendo la recuperación de moléculas químicas de alto valor añadido. La descomposición química se identifica con la ruptura de moléculas en un procedimiento que da a lugar a otras moléculas de la misma naturaleza, pero de menor longitud. Esta peculiaridad del proceso nos permite aprovechar compuestos contenidos en la materia orgánica para diversos usos, a diferencia de la degradación total, que solamente permite recuperar los ácidos fúlvicos y húmicos.

Otra ventaja del procedimiento, es que la biomasa, obtenida en la etapa (c), es susceptible de ser utilizada en la obtención de biocombustibles.

Adicionalmente, otra ventaja es que esta biomasa obtenida tras dicha etapa (c) se encuentra libre de agentes patógenos y con características orgánicas excelentes para su revalorización material.

En una realización preferida del procedimiento la hidrólisis de la etapa (b) es una termo hidrólisis a presión. En una realización más preferida la termo hidrólisis a presión se realiza mediante introducción de la fracción orgánica de la etapa (a) en un autoclave e introducir vapor de agua a una temperatura de entre 100 °C y 150 °C, y con una presión de entre 1 ,5 bar y 4 bar. Más preferiblemente una temperatura de entre 130 °C y 140 °C, y con una presión de entre 1 ,8 bar y 2,5 bar.

En estas condiciones se obtienen 4 T/h de biomasa húmeda por cada 6 T/h de RSU de entrada. Las ventajas de la técnica de termo hidrólisis a presión son:

Homogeniza la fracción orgánica.

Higieniza dicha materia.

Estabiliza térmica y biológicamente la materia orgánica.

Desnaturaliza las proteínas en vez de hidrolizarlas totalmente, nos permite recuperar aminoácidos específicos a voluntad gracias al uso de enzimas específicas.

Monomeriza los polisacáridos, siendo su extracción mucho más efectiva.

Condensa los triglicéridos más voluminosos y elimina los más ligeros obteniéndose mayoritariamente tres ácidos grasos. El oleico, el palmítico y el esteárico.

Descompone la materia orgánica dejando los impropios listos para separarse por tamaños o densidades.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención, además comprende las siguientes etapas:

(d) secar la fase orgánica sólida húmeda obtenida en la etapa (c), preferiblemente mediante un dispositivo de secado industrial; y

(e) separar la fase orgánica sólida seca obtenida en la etapa (d) de los impropios restantes mediante un método seleccionado de entre densimetría, flip flop, densimetría, criba de malla elástica y cualquier combinación de los anteriores.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención además comprende las etapas de

(f) extracción sólido-líquido de fase orgánica sólida seca obtenida en la etapa (e) con un disolvente apolar calentando el disolvente a reflujo de manera continua hasta una temperatura de al menos la temperatura de evaporación del disolvente elegido y 1 bar de presión, para obtener una fracción líquida y una fracción sólida; y

(g) separar el disolvente de la fracción líquida obtenida en (f) para obtener una primera fracción revalorizada, preferiblemente mediante destilación.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención, el disolvente apolar se selecciona de entre heptano, hexano, pentano, ciclohexano, metilciclohexano y cualquier combinación de los anteriores. En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que la fracción revalorizada líquida obtenida en la etapa (g) se transesterifica. Dicha transesterificación se realiza para para obtener ácidos grasos y glicerol.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención además comprende las etapas de

(h) secar la fracción sólida obtenida en la etapa (f);

(i) realizar una extracción sólido-líquido del residuo sólido seco obtenido en la etapa (h), con un disolvente calentando dicho disolvente a reflujo de manera continua hasta al menos la temperatura de evaporación del disolvente elegido y 1 bar de presión, para obtener una fracción líquida y una fracción sólida; y

(j) separar el disolvente de la fracción líquida obtenida en (i). El disolvente utilizado en la etapa (i) será un disolvente más polar que el utilizado en la etapa (f).

La ventaja de la etapa (j) es la obtención de una fracción revalorizada liquida de polihidroxilados de hasta 6 átomos de carbono, como pueden ser: glicerol, bunanodiol, hexanotriol, hexadiol, pentanol, pentanodiol, pentanotriol y mezclas de los mismos.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención en que el disolvente de la etapa (i) se selecciona de entre etanol, propanol, isopropanol, butanol, 1 ,3-propanotriol, 1 ,2-propanodiol, 1 ,2,3-propanotriol y cualquier combinación de los anteriores.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención además comprende las etapas de

(k) secar la fracción sólida obtenida en la etapa (f) o (i);

(I) realizar una extracción sólido-líquido del residuo sólido obtenido en la etapa

(k) con un disolvente polar calentando dicho disolvente a reflujo de manera continua hasta al menos la temperatura de evaporación del disolvente elegido y 1 bar de presión, para obtener una fracción líquida y una fracción sólida; y (m) separar el disolvente de la fracción líquida obtenida en (I) y se seca. La ventaja de la etapa (I) es la obtención de una fracción revalorizada de un buffer de aminoácidos, donde dichos aminoácidos recuperados son lisina, glicina, serina, histidina, ácido aspártico, asparagina, arginina, alanina, ácido glutámico, treonina, trans-4-hidroxiprolina, prolina, valina, metionina, isoleucina, leucina, fenilalanina o triptófano.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención el disolvente de la etapa (I) es agua.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención además comprende las siguientes etapas:

(n) secar el residuo sólido obtenido en la etapa (I), y

(o) realizar una hidrólisis ácida del residuo sólido seco obtenido en la etapa (n).

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención además comprende las siguientes etapas

(p) neutralizar, preferiblemente con KOH, el producto obtenido en la etapa (o) hasta un pH de 7,

(q) se realiza un filtrado del precipitado obtenido en la etapa (p); y

(r) se adiciona una mezcla de metanol y agua 3:1 sobre el sobrenadante crudo restante en la etapa (q) y se seca el producto obtenido.

La ventaja de la etapa (r) es la obtención de levulato de potasio.

En otra realización más preferida del procedimiento de la presente invención en que además comprende la siguiente etapa

(r ^' ) destilar el producto obtenido en la etapa (o) y secar.

La ventaja de la etapa (r ^' ) es la obtención de ácido levulínico.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención las etapas de extracción (I), (i) y/o (f) se realizan en un extractor sólido-líquido seleccionado de entre extractor soxhlet, extractor por percolación, extractor por inmersión, extractor por difusión, reactores agitados por infusión y extractor con destilación. En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención el secado de los pasos (h), (k) y (n) se realiza mediante un dispositivo de secado seleccionado de entre estufa, desolventizador y secador, desolventizador, tostador, estufa eléctrica, rotavapor, agentes desecantes, desecadores de vacío, estufas de vacío, gel de sílice y cualquier combinación de los anteriores.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención comprende una etapa de sacar del extractor la fracción líquida obtenida en las etapas (I), (i) y/o (f) mediante bombeo mediante una bomba de extracto y posterior conducción a separación de disolvente y fracción revalorizada.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención la separación del disolvente de la fracción líquida de las etapas (g), (j) y/o (m) se realiza en un dispositivo separador seleccionado de entre un skimmer, al menos un evaporador de disolvente, un separador industrial líquido-sólido, separadores demoysin, separadores FAN, separadores centrífugos, separadores verticales y cualquier combinación de los anteriores, para la obtención de la fracción revalorizada y el disolvente.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención comprende adicionalmente después de cada separación del disolvente de la fracción líquida una etapa de desorción realizada en un dispositivo seleccionado de entre stripper de disolvente, separadores demoysin, separadores FAN, separadores centrífugos, separadores verticales, desorbedor térmico y cualquier combinación de los anteriores para la recuperación de la fracción revalorizada y de disolvente que es reintroducido en las etapas respectivas de extracción (f), (i) o (I).

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención, en que después de cada extracción sólido-líquido de las etapas (I), (i) y/o (f) además comprende una etapa de conducción de los vapores generados en el extractor y posterior separación de la fracción que comprende el disolvente en estado líquido.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención comprende además después de cada separación de la fracción que comprende el disolvente en estado líquido, descrito en la realización anterior, una etapa de separación del disolvente obtenido en un dispositivo separador seleccionado de entre un skimmer, al menos un evaporador de disolvente, un separador industrial líquido- sólido, separadores demoysin, separadores FAN, separadores centrífugos, separadores vericales y cualquier combinación de los anteriores, para la obtención de la fracción revalorizada y el disolvente, para la obtención de la fracción revalorizada y el disolvente.

En una realización más preferida del procedimiento comprende una etapa de recirculación de los disolventes separados mediante unos medios de recirculación configurados para reintroducir el disolvente separado de cada fracción líquida en dicho extractor.

Otra realización preferida del procedimiento de la presente invención que comprende las siguientes etapas

(a) pretratar los residuos sólidos urbanos mediante el método seleccionado de entre cribado, separador óptico, separador Foucault, separadores magnéticos, separadores balísticos, separadores de film, triaje, trituradora y cualquier combinación de los anteriores y separar la fracción orgánica resultante de dicho pretratamiento que presenta un tamaño de partícula promedio de entre 2 mm y 8 mm;

(b) realizar una hidrólisis de la fracción orgánica obtenida en el paso (a)para descomponer la materia orgánica que presenta un tamaño de partícula promedio de entre 2 mm y 8 mm obtenida en la etapa (a) y formar una biomasa que comprende una fase orgánica sólida húmeda y una fase líquida;

(c) separar mecánicamente los impropios de la biomasa obtenida en la etapa (b) de la fase orgánica sólida húmeda y opcionalmente triturar;

(f) extracción sólido-líquido de fase orgánica sólida húmeda obtenida en la etapa (c) con un disolvente polar calentando el disolvente a reflujo de manera continua hasta al menos la temperatura de evaporación del disolvente elegido y 1 bar de presión, para obtener una fracción líquida y una fracción sólida; y (g ^' ) separar el disolvente de la fracción líquida obtenida en (f) para obtener una primera fracción revalorizada.

La ventaja adicional asociada a esta realización es que se realiza directamente la extracción, con el consiguiente ahorro energético necesario para secar la fase orgánica de la biomasa obtenida en la etapa (c). Además, la ventaja de la etapa (f) es la obtención de una fracción revalorizada de polihidroxilados de hasta 6 átomos de carbono, como pueden ser: glicerol, bunanodiol, hexanotriol, hexadiol, pentanol, pentanodiol, pentanotriol y mezclas de los mismos.

Una realización más preferida del procedimiento de la presente invención, en que el disolvente de la fase (f) es agua. En una realización aún más preferida la temperatura de reflujo será de al menos 100 °C.

Una realización más preferida del procedimiento de la presente invención, en que además comprende las etapas de

(h ^' ) secar la fracción sólida obtenida en la etapa (f);

(i ^' ) realizar una extracción sólido-líquido del residuo sólido seco obtenido en la etapa (h ^' ), con un disolvente apolar calentando dicho disolvente a reflujo de manera continua hasta al menos la temperatura de evaporación del disolvente elegido y 1 bar de presión; y

(j ^' ) separar el disolvente de la fracción líquida obtenida en (i ^' ) y destilar.

Una realización aún más preferida en que el disolvente de la etapa (¡’) se selecciona de entre heptano, hexano, pentano, ciclohexano, metilciclohexano y cualquier combinación de los anteriores. En una realización aún más preferida el disolvente es heptano, y la temperatura de reflujo será de al menos 98 °C.

Otra realización más preferida en que además comprende las siguientes etapas:

(k ^' ) una etapa posterior de secado del residuo sólido obtenido en la etapa (i ^' ), (G) realizar una hidrólisis ácida del residuo sólido seco obtenido en la etapa (k ), preferiblemente a pH igual a 1 y con HCI en concentración entre 2 M y 4 M.

La ventaja de la etapa (G) es la obtención de ácido láctico.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención en que además comprende las siguientes etapas:

(m ^' ) neutralizar, preferiblemente con KOH, el producto obtenido en la etapa (G) hasta un pH de 7,

(h ^' ) se realiza un filtrado del precipitado obtenido en la etapa (m ^' ); y (o ^' ) se adiciona una mezcla de metanol y agua 3:1 sobre el crudo restante en la etapa (h ^' ) y secar.

La ventaja de la etapa (o ^' ) es la obtención de levulato de potasio.

En otra realización más preferida del procedimiento de la presente invención en que además comprende la siguiente etapa

(r ^' ) destilar el producto obtenido en la etapa (G) y secar.

La ventaja de la etapa (r ^' ) es la obtención de ácido levulínico.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que las etapas de extracción (f) y/o (i ^' ) se realizan en un extractor sólido-líquido seleccionado de entre extractor soxhlet, extractor por percolación, extractor por inmersión, extractor por difusión, reactores agitados por infusión y extractor con destilación.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que el secado de los pasos (h ^' ) y/o (k ^' ) se realiza mediante un dispositivo de secado seleccionado de entre estufa, desolventizador y secador, desolventizador, tostador, estufa eléctrica, rotavapor, agentes desecantes, desecadores de vacío, estufas de vacío, gel de sílice y cualquier combinación de los anteriores.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que comprende una etapa de sacar del extractor la fracción líquida obtenida en las etapas (f) y/o (i ^' ) mediante bombeo mediante una bomba de extracto y posterior conducción a separación de disolvente y fracción revalorizada (etapas (g’) y/o (j’)).

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que la separación del disolvente de la fracción líquida de las etapas (g ^' ) y (j ^' ) se realiza en un dispositivo separador seleccionado de entre un un evaporador de disolvente, un separador industrial líquido-sólido, separadores demoysin, separadores FAN, separadores centrífugos, separadores verticales y cualquier combinación de los anteriores, para la obtención de la fracción revalorizada y el disolvente. En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que comprende adicionalmente una etapa de desorción realizada en un dispositivo seleccionado de entre stripper de disolvente, recuperadores de disolvente industriales, destiladores industriales, destilación azeotrópica de vacío y cualquier combinación de los anteriores para la recuperación de la fracción revalorizada y de disolvente que es reintroducido en el dispositivo separador.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que cada extracción sólido-líquido de las etapas (f) y/o (i ^' ) además comprende una etapa de conducción de los vapores generados en el extractor hacia un absorbedor-desorbedor de disolvente configurado para la separación de una fracción que comprende el disolvente en estado líquido.

En una realización más preferida del procedimiento de la presente invención en que además una etapa de separación del disolvente obtenido en un dispositivo separador seleccionado de entre un skimmer, al menos un evaporador de disolvente, un separador industrial líquido-sólido, separadores demoysin, separadores FAN, separadores centrífugos, separadores vericales y cualquier combinación de los anteriores, para la obtención de la fracción revalorizada y el disolvente.

En una realización más preferida del procedimiento comprende una etapa de recirculación de los disolventes separados mediante unos medios de recirculación configurados para reintroducir el disolvente separado de cada fracción líquida en cada extractor.

En otra realización preferida del procedimiento de la presente invención en que comprende las siguientes etapas en continuo

(d ^" ) introducir la biomasa obtenida en la etapa (c) en un digestor industrial, que comprenden microorganismos bacterianos anaerobios, y donde dicho digestor está sellado al aire y con agitación, preferiblemente se realiza mediante un método seleccionado entre agitación continua e inyección de gas en la parte inferior del digestor, manteniendo una temperatura de entre 25 °C y 60 ^a C, un pH de entre 7 y 8,5 y una cantidad de nitrógeno de 33 kg por cada 2000 kg de biomasa; (e ^" ) extraer el digestato obtenido en la etapa (d ^' ’) del interior del digestor y realizar una separación de la fracción líquida y sólida de dicho digestato, preferiblemente en un decantador;

(f ^" ) extraer y enfriar el biogas obtenido en la etapa (d ^" ), preferiblemente en un intercambiador de calor, hasta una temperatura de entre 5 °C y 10 °C; y

(g ^" ) filtrar el biogas enfriado en la etapa (f ^' ).

En la presente invención se entiende por “digestor industrial” a un reactor que comprende bacterias y que se utiliza para procesos de biometanación, consiste en la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno (anaeróbico) para producir un gas rico en metano, biogás, obteniéndose como subproducto un residuo semi-líquido muy rico en materia orgánica y nutrientes, digestato. Los principales parámetros de operación del digestor utilizados en la presente invención se describen a continuación:

- Temperatura, rango de operación es mesofílico 25-40 °C, aunque puede operarse en condiciones termofílicas entre 50-60 °C.

- pH, rango de operación es 7 - 8,5,

- Relación C/N, rango de operación 20:1 - 30:1.

- Tiempo de residencia hidráulico 15 - 25 días.

- Contenido en sólidos totales (20-30 %)

- Carga orgánica óptima es 5-15 kg SV/m ³ .

El proceso de digestión anaeróbica se compone de cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Durante la primera etapa de hidrólisis, los carbohidratos, proteínas y lípidos presentes en la fracción orgánica del residuo son descompuestos en moléculas más sencillas y más accesibles para las bacterias. Durante las fases acidogénesis y acetogenesis, las bacterias se encargan de producir ácido acético, hidrógeno, dióxido de carbono y diferentes componentes intermediarios (ácidos orgánicos, alcoholes...) que son utilizados posteriormente por las bacterias metanogénicas para la producción de metano. Se ha reportado que la hidrólisis es la etapa limitante en la velocidad del proceso de digestión anaeróbica, y que las bacterias involucradas en la fase de metanogénesis son más sensibles a las condiciones de operación y presencias de sustancias tóxicas. El tamaño de partícula de la materia orgánica influencia la fase inicial de hidrólisis. Un tamaño de partícula demasiado grande disminuye la eficiencia de la hidrólisis, disminuyendo la producción de biogás; un tamaño de partícula demasiado pequeño promueve la producción de ácidos orgánicos, acidificando el medio, dificultando la operación del digestor debido a que el pH está por debajo del valor óptimo anteriormente descrito.

El nitrógeno es requerido por las bacterias metanogénicas para la obtención de proteínas durante el proceso de digestión anaeróbica. Una alta relación C/N implica que el nitrógeno se agota rápidamente, por lo que las bacterias metanogénicas no pueden producir más biogás y se reduce la producción de biogás. Una baja relación C/N conlleva un alto contenido en nitrógeno, que resulta en la formación extra de amoníaco (base fuerte), haciendo que los valores excedan el rango óptimo de operación.

En la presente invención se entiende por“biogás” a un gas que está compuesto principalmente de metano (50 - 65 % vol.), dióxido de carbono (50-35 % vol.) y otras impurezas (las principales impurezas en cuanto a cantidad son H ₂ S, NH ₃ , COVs, y vapor de agua) que deben eliminarse parcial o totalmente para la posterior valorización del biogás.

En la presente invención se entiende por“digestato” al subproducto sólido y líquido resultante de la digestión anaerobia y tiene un uso potencial como fertilizante orgánico. Las ventajas del tratamiento térmico de hidrólisis sobre el proceso de biometanización son

- disminuir la presencia de contaminantes y componentes tóxicos en el substrato utilizado en el proceso de digestión anaeróbica. Durante el tratamiento térmico, aldehidos y gases ácidos (HCI, HF, S0 ₂ , NH ₃ ) son eliminados como parte de los incondensables contenidos en el efluente gaseoso (aire) de la hidrólisis térmica. Ello hace que se disminuya la presencia de contaminantes de biogás obtenido, y los costes de operación asociados al postratamiento antes de la aplicación final del biogás;

- disminuir la presencia desinfectantes, pesticidas o disolventes orgánicos en la biomasa utilizado como alimentación del digestor. Durante el tratamiento térmico son eliminados como condensables disueltos en el efluente líquido proveniente de la hidrólisis térmica. Ello hace que se evite la introducción de contaminantes tóxicos para bacterias metanogénicas;

- mejora las propiedades físicas del digestato: separación sólido-líquido y viscosidad. Se mejora la separación sólido-líquido del digestato, reduciendo el volumen de la fracción sólida en un 20-40%. Ello implica una disminución del volumen de la fracción sólida, disminuyendo la superficie requerida para el proceso de compostaje. El digestato presenta una viscosidad menor, lo que supone una reducción de los gastos asociados a la mezcla del substrato en el digestor, y los gastos asociados a la impulsión del digestato tras el proceso de biometanización;

- acelerar el proceso de compostaje del digestato, reduciendo el tiempo requerido entre un 20-30 %;

- disgregar la materia orgánica del residuo sólido urbano a tamaño de partícula entre 2-4 mm sin necesidad de un proceso de trituración. Ello implica que, durante la separación de impropios, la materia orgánica presenta un tamaño de partícula pequeño y se eliminan prácticamente la totalidad de impropios. De esta manera se introducen menos impropios en el digestor, mejorando la operación del biodigestor, y reduciendo las tareas de postratamiento del digestato/compost. Adicionalmente, al tener menos impropios, el sustrato puede contener más sustrato digerible, incrementando la producción específica de biogás por tonelada tratada;

- incrementar la ratio C/N, dentro de los valores óptimos, previniendo la formación extra de amoníaco, que conllevaría el incremento del pH por encima de los valores de operación;

- evitar introducir agentes patógenos y otras bacterias que pudiesen competir o afectar la microbiología del proceso;

- obtener un substrato con una densidad superior, por lo que está más compacto y presenta menos aire ocluido que puede afectar negativamente a las bacterias metanogénicas;

- facilitar la etapa de hidrólisis del proceso de digestión anaeróbica, por lo que los organismos pueden acceder más fácilmente a la materia orgánica que está parcialmente hidrolizada. Ello incrementa la tasa de producción de biogás entre un 20- 35 %, e incrementa la producción específica de biogás por kg sólidos volátiles entre un 20-30%. El incremento en la generación de metano incrementa la rentabilidad del proceso ya que se cubre la demanda de la propia instalación y se genera un mayor excedente energético. En una realización más preferida del procedimiento, en que adicionalmente comprende una etapa anterior a la etapa (d ^" ) y posterior a la etapa (c) de triturar la biomasa obtenida en la etapa (c) hasta un tamaño de partícula de 2 mm y diluir en agua hasta un porcentaje de humedad de entre 55% y 65%.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Fig. 1. Cromatograma de ácidos grasos.

Fig. 2. Espectro de RMN ¹ H del ácido láctico.

Fig. 3. Espectro de RMN ¹ H del ácido levulínico.

Fig. 4. Diagrama de flujo del procedimiento industrial en vía húmeda.

EJEMPLOS

A continuación, se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la viabilidad industrial de la invención.

Ejemplo 1

El pretratamiento del residuo sólido urbano consiste en una serie de operaciones de separación cuyo objetivo es el de recuperar la mayor parte de los materiales reciclables, como pueden ser bricks, plásticos, metales férricos y no férricos y vidrios. Después de dicho pretratamiento, el residuo queda más concentrado en la fracción orgánica y dispone del tamaño de partícula adecuado para su posterior tratamiento, mediante el tratamiento de termo hidrólisis a presión. Una vez que la materia orgánica está preseleccionada, se introduce en el sistema de autoclave, el cual opera, introduciendo vapor de agua (135 °C) en condiciones de presión (3 bar) con el fin de homogeneizar, descomponer e higienizar los residuos sólidos urbanos.

En el proceso se producen transformaciones físico químicas con la consiguiente descomposición de la materia orgánica. Esta descomposición (que no degradación) es una cualidad importante del sistema, puesto que esta descomposición permite recuperar moléculas químicas de interés industrial. Otras técnicas de tratamiento de la materia orgánica degradan dicha materia, impidiendo la recuperación de moléculas químicas de alto valor añadido.

Una vez terminado el proceso de termo hidrólisis a presión, la biomasa húmeda se trata en la etapa de postratamiento. Al final de este último proceso, obtenemos una biomasa biotermoestabilizada con un contenido de materia orgánica superior al 98%.

Esta biomasa se encuentra libre de agentes patógenos y con características orgánicas excelentes para su revalorización material. Ejemplo 2

La valoración química comienza con una serie de extracciones de la biomasa obtenida de la fracción orgánica del residuo sólido urbano. Usando para ello un equipo de extracción soxhlet y disolventes de menor a mayor polaridad.

Usaremos el heptano, el etanol y por último el agua (pero pueden ser otros disolventes de naturaleza similar... )

• Extracción con hexano:

Se introducen 60 g de biomasa de RSU en un equipo de extracción soxhlet provisto de un refrigerante, un matraz de litro y una manta calefactora. En el balón se introducen 600 mi de heptano (P.eb. 78 C). con este disolvente extraemos los compuestos más apolares de todos. Las grasas. Después de 24-48 horas de reflujo se detiene la reacción.

Se elimina el disolvente en un rotavapor a presión reducida, obteniéndose el extracto de sustancias lipófilas, cómo ácidos grasos, mayoritariamente el palmítico C16:0 y ácido oleico C18 con un rendimiento del 10 % en peso respecto al peso inicial introducido de biomasa, es decir, por cada 100 kg de biomasa se obtienen 10 kg de ácidos grasos.

Después de la purificación se caracteriza dicho extracto mediante pruebas de cromatograma. En el espectro se identifica mayoritariamente un triglicérido con un centro quiral (Fig. 1)

Dicho triglicérido se hidroliza usando el ácido clorhídrico como catalizador obteniéndose:

esteres de ácidos grasos y a partir de los cuales se puede obtener biodiesel; y glicerol.

• Extracción con etanol

Para esta segunda extracción se usa como disolvente el etanol (P. eb. 78°C).

Con el etanol se extraen compuestos polares, se realiza esta extracción con el objetivo de extraer y caracterizar los compuestos poli hidroxilados (glicósidos).

Para ello, siguiendo el procedimiento anterior, dejamos la reacción a reflujo en un equipo soxhlet entre 12 y 48 horas. Esperamos a que la recuperación se haga efectiva y paramos la reacción.

Eliminamos el disolvente a presión reducida en un rotavapor (que recuperamos para posteriores extracciones), en el crudo están contenidos los compuestos solubles en este disolvente y con un rendimiento de aproximadamente un 10 % en peso respecto al peso inicial introducido de biomasa, es decir, por cada 100 kg de biomasa se obtienen 10 kg de ácidos grasos.

El espectro ¹ H RMN del extracto de etanol muestra las señales típicas de compuestos poli hidroxilados (señales anchas a entre 3 y 6 ppm) características de dichos compuestos.

Extracción con agua

Por último, para terminar esta batería de extracciones usamos agua como disolvente (p.eb. 100°C), en el equipo de extracción soxhlet. Dejamos a reflujo la reacción durante 12-36 horas y transcurrido ese tiempo eliminamos el disolvente en el rotavapor, con el objetivo de recuperar los compuestos más polares de todos (hidratos de carbono y proteínas), con un rendimiento cercano al 10 % en peso respecto al peso inicial introducido de biomasa, es decir, por cada 100 kg de biomasa se obtienen 10 kg de ácidos grasos.

Una particularidad importante del proceso de higienización del RSU es, que no fragmenta las proteínas, simplemente las desnaturaliza, permitiendo de este modo aislar con relativa facilidad los aminoácidos que conforman las proteínas.

La caracterización de este extracto de agua por resonancia RMN ¹ H, da señales típicas de proteína e hidratos de carbono monomerizados, es decir, en forma de monosacáridos.

A continuación, se exponen las cantidades obtenidas de cada uno de los extractos a modo de resumen aclaratorio. Tabla 1. Cuadro resumen de extracciones, rendimientos y disolvente para RMN

Un 27 % se recupera de la biomasa con las distintas extracciones, obteniendo de estos extractos, triglicéridos, sacáridos, polialcoholes, aminoácidos y proteínas. Ejemplo 3

TRATAMIENTO QUÍMICO DEL RESIDUO SÓLIDO DE LA EXTRACCION CON AGUA DEL EJEMPLO 2. Se trata el 73 % de la biomasa no extraída mediante las extracciones sólida-liquidas (técnica soxhlet).

Para ello usamos HCI (4M). hidrolizamos esta fracción con el objetivo de reducir al máximo la cantidad de residuo total. En este caso el HCI actúa como catalizador.

Con el producto obtenido de la hidrólisis ácida, se realiza una neutralización con K(OH) hasta pH=7.

Precipitan sales de KCI propias de la neutralización de un ácido y una base, que son necesarias de eliminar mediante filtración.

Al crudo (después de eliminar las sales) se le adicionan una mezcla de metanol/agua (3:1) con el objetivo de purificar el crudo.

A este crudo se le realiza un RMN ¹ H (fig. 2) dando una señal de un compuesto mayoritario, el ácido láctico.

Ejemplo 4

Después de la hidrólisis al residuo no extraído de la fracción de heptano, se procede a destilar la muestra con un equipo de destilación simple, con el objetivo de eliminar el exceso de HCI procedente de la hidrólisis. De este modo evitamos la formación de sales de KCI.

Obtenemos un aceite de color oscuro, el cual se caracteriza mediante resonancia magnética:

Los desplazamientos que arroja el espectro (fig. 3)

1- CCH3-CO: 2.1 ppm

2- HOOC-CH2: 2.5 ppm

3- 0-CH3: 2.69 ppm

Señales características del ácido levulínico

Se realizan, además de RMN ¹ H (Fig. 3), pruebas similares ¹³ C-RMN y HBMC.

Confirmando la presencia de dicho ácido.

Ejemplo 5

Ejemplo de proceso industrial de extracción y posterior hidrólisis de la biomasa obtenida de la fracción orgánica de residuo sólido urbano en vía húmeda. El proceso descrito en este ejemplo 5 comienza a continuación del ejemplo 1 , es decir con la biomasa a la salida del trómel después de la termohidrólisis.

La biomasa húmeda, a la salida del trómel, puede ser sometida a una etapa posterior de trituración o molienda para favorecer el posterior contacto entre las fases en el sistema extractor industrial.

Una vez acabado el proceso de trituración (de ser necesario), se procede a la extracción de los componentes contenidos en la biomasa.

Para ello:

Se introduce en continuo mediante una tolva de alimentación (1) la biomasa húmeda en un extractor industrial (2) (como ejemplo valdría un equipo de extracción por percolación o inmersión). Usaremos agua como disolvente. El objetivo de esta primera operación es aprovechar el contenido de ácido láctico de la biomasa.

Una vez terminado el proceso de extracción con agua se hace pasar la fracción orgánica con disolvente (21) por un equipo desolventizador/secador (3), en dicho desolventizador/secador se introduce por uno de los pisos intermedios aire caliente y por el piso inferior aire frío. De esta manera se consigue eliminar de dicha fracción orgánica el disolvente en estado vapor que se traslada a un absorbedor/desorbedor de disolvente (5), donde los vapores de extracción y del secado, son limpiados con la inyección de vapor industrial (26), mientras que la fracción orgánica sin disolvente (24) es obtenida de dicho desolventizador/secador (3). Además, el sistema, tiene un evaporador de disolvente con stripper (4), también con inyección de vapor industrial (25) para obtener el producto a revalorizar con la menor fracción de disolvente posible y por otro lado recuperar el disolvente usado, que junto con el obtenido en el absorbedor/desorbedor de disolvente (5), se reutilizado en el proceso de extracción de nuevo, evitando de esta manera, un gasto desorbitado de disolvente.

Por último, dicho producto obtenido del evaporador de disolvente con stripper (4) y del absorbedor/desorbedor de disolvente (5) se separa del disolvente en un separador sólido-líquido (6) usado para tal fin, obteniendo así el producto revalorizado libre de disolventes (27), y pudiendo recircular el disolvente en el extractor (2).

La biomasa seca (24) se hace pasar por un sistema parecido.

La biomasa resultante del proceso anterior alimenta a un segundo extractor (8) a través de una tolva de alimentación (7). Esta vez usaremos heptano como disolvente. El objetivo es recuperar los ácidos grasos que contiene la biomasa para su posterior valorización. Una vez que la biomasa está libre de dichos ácidos se procede de igual manera que el caso anterior, es decir, recuperación del disolvente con desolventizador/secador (9), purificación del mismo en un evaporador de disolvente con stripper (10), recirculación de nuevo al sistema con un absorbedor/desorbedor de disolvente (11) con las inyecciones de vapor (35 y 36) y, por último, la separación líquido-líquido (12) para la obtención del producto revalorizado de esta extracción (37) que son ácidos grasos y glicerol propia de esta extracción.

Una vez terminada la batería de extracciones, la biomasa limpia de ácidos grasos y ácido láctico (34) es llevado a un reactor industrial para comenzar la hidrólisis ácida de la materia orgánica. Como ejemplo usaremos un reactor industrial vitrificado por lotes con capacidad de 2 toneladas en cada unidad. En este punto se agrega HCI 4 M hasta acidez pH=1 y posteriormente neutralizamos con una base fuerte tipo Na(OH) o K(OH) ( se eligen estas bases por disponibilidad y precio.

Una vez terminada la hidrólisis recogemos el precipitado. El producto obtenido es el Levulato de Na o K (según la base que hayamos usado para neutralizar). En la fracción acuosa se encuentran los aminoácidos.

Dichos aminoácidos se purifican mediante destilación fraccionada para su posterior valorización.

Los rendimientos industriales partiendo de 2000 kg de material son:

1- Ácido láctico: 400 Kg

2- Ácido levulínico: 800 kg

3- Ácidos grasos: 8 % -> 160 Kg

4- Aminoácidos:

Es decir 1420 kg recuperados sobre 2000 kg iniciales.

Ejemplo 6

El proceso industrial descrito en este ejemplo 6 (Figura 4), comienza a continuación del ejempld , es decir comienza con la salida de la biomasa obtenida a salida del trómel del proceso de hidrólisis térmica a presión. La biomasa húmeda, a la salida del trómel, puede ser sometida a un proceso trituración en caso de ser necesario garantizar un tamaño de partícula óptimo de 2 mm. Adicionalmente, la biomasa puede ser diluida con agua con el objetivo de ajustar el contenido en solidos totales.

La biomasa húmeda se alimenta de forma continua mediante una cinta de transporte al digestor industrial (un digestor de mezcla completa). El digestor está totalmente sellado para evitar la entrada de aire, e incorporar un sistema de calentamiento con el objetivo de mantener la temperatura del proceso a 35 °C. La biomasa húmeda se mezcla gracias a la continua acción mecánica de un agitador, facilitando el contacto entre la materia orgánica y las bacterias. La materia orgánica es inicialmente hidrolizada, y posteriormente degradada produciéndose biogás como producto final. El material que ha sido digerido por las bacterias, digestato, se bombea fuera del digestor.

El biogás obtenido está saturado a una temperatura de 35 °C, y contiene impurezas (principalmente H ₂ S) que deben ser eliminadas antes de su utilización en ciclos combinados. En primer lugar, se reduce el punto de rocío del biogás hasta 5 °C en un intercambiador de calor, para reducir el contenido en agua. Posteriormente, el biogás se somete a un proceso de filtrado en un filtro de carbón activo para eliminar el H ₂ S. El biogás se introduce en una unidad de ciclo combinado, en donde se produce electricidad y calor con unas eficiencias de entre un 40% y 60%. El calor se utiliza para la operación de la planta de biometanización. La electricidad se utiliza para autoconsumo, y en el caso de sobrar, se puede verte a la red.

El digestato se somete a un proceso de separación (como ejemplo valdría un decantador) para separar la fracción líquida de la sólida. La fracción líquida puede ser recirculada al digestor o utilizada directamente como agua de riego. La fracción sólida se somete a un proceso de compostaje durante un periodo 1 semanas.

Los rendimientos industriales partiendo de 2000 kg de material son:

1. Biogás = 180 Nm ³ /h

2. Digestato = 950 kg/h