Biotecnología para convertir residuos en energía y productos de alto valor
El grupo de investigación TEP-105 de la Universidad de Cádiz apuesta por la biotecnología y la economía circular para transformar residuos y subproductos industriales en nuevos recursos. Sus investigaciones abarcan desde la depuración y valorización del biogás hasta la producción de biometano a partir de hidrógeno y CO2, proteínas y compuestos activos biodegradables (herbicidas), con tecnologías que ya han alcanzado aplicaciones a escala piloto. Uno de sus principales retos es llevar estos procesos al ámbito industrial y avanzar hacia una gestión más sostenible de los recursos.
Martín Ramírez, responsable del grupo de investigación TEP-105 Reactores biológicos y enzimáticos, nos explica las líneas que desarrollan, los datos obtenidos más relevantes y la importancia de pertenecer al Campus de Excelencia Internacional Agroalimentario ceiA3.
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¿Qué líneas de investigación realiza su grupo?
Nuestro grupo desarrolla históricamente cuatro líneas principales de investigación.
La primera “Biodesulfurización y biofiltración de efluentes gaseosos”, es la línea más activa actualmente e incluye el desarrollo, optimización y escalado de tecnologías biológicas para la eliminación de contaminantes gaseosos (especialmente H₂S en biogás), con especial experiencia en biofiltros percoladores, bioscrubbers y operación en condiciones anóxicas/aerobias, así como estrategias de control y seguimiento microbiológico. Actualmente, estamos trabajando en la biometanización de biogás con hidrógeno verde.
La segunda “Producción de compuestos de valor añadido mediante procesos biológicos”, se centra en el diseño y uso de biocatalizadores celulares para la producción de productos de valor añadido abarcando desde la síntesis celular hasta el escalamiento de la biorreacción y la purificación del producto. Por una parte, se investiga en la valorización de subproductos industriales (glicerina, biomasa, microalgas, bagazo, etc.) para la obtención de hidrógeno, etanol y otros compuestos esenciales (málico, succínico…) y, por otro, en la producción de compuestos más específicos como proteínas, aminoácidos, AGV y compuestos bioactivos/herbicidas biodegradables (benzoxazinonas).
La tercera línea “Biorremediación de suelos y/o lodos contaminados con metales pesados”, aunque tiene menor actividad relativa en los últimos años, sigue siendo una línea relevante en el grupo, especialmente en enfoques de biolixiviación y biorrecuperación de metales. Actualmente estamos trabajando en la biodegradación de microplásticos.
Y, por último, la “Optimización del proceso de fermentación acética”, una línea histórica con aportaciones muy relevantes del grupo (incluyendo planta piloto y escalado), pero actualmente se encuentra inactiva.
¿Qué proyectos querrían destacar como ejemplos en los que haya participado el grupo?
En cuanto a proyectos destacables en los que ha participado el grupo, a nivel europeo/internacional resaltamos iniciativas centradas en el tratamiento del biogás, como LIFE BIOGASNET (2019–2024), orientado a la implantación de un sistema sostenible de biodesulfuración biológica de biogás en condiciones anóxicas, integrado con la nitrificación de efluentes ricos en amonio (p. ej., lixiviados o corrientes de extracción de procesos de compostaje), y NoO2 (2013–2018), centrado en el desarrollo de una tecnología eficiente para reducir/eliminar el oxígeno y el sulfuro de hidrógeno del biogás de vertedero.
En el ámbito nacional, destacan proyectos que reflejan nuestras líneas más activas, como MICROBIOFIN (2013–2015), BIOINTEGRA3 (2016–2019), que integran la desulfuración del biogás con enfoques de economía circular, y el proyecto más reciente del Plan Nacional, BioToProtein (2023–2026), orientado a la biometanización de biogás con H₂ y a la obtención de proteína microbiana para su uso en acuicultura.
En la línea de compuestos de valor añadido, destacan los siguientes proyectos BIO-DIBOA (2022–2025) y P12-TEP-725 (2014–2019), centrados en el escalado y mejora de la producción biotecnológica de compuestos bioactivos/herbicidas biodegradables mediante biocatálisis con E. coli. Complementariamente, el grupo ha participado en proyectos de biorrecuperación/biolixiviación de metales (p. ej., recuperación de metales del grupo del platino a partir de catalizadores agotados) y, más recientemente, en iniciativas enfocadas en la degradación biológica de (bio)plásticos/microplásticos y su integración con procesos avanzados como la fotocatálisis, la eliminación de productos intermedios mediante bioaumentación, o la producción de APO (herbicida natural) con cepas de E. coli modificadas genéticamente.
¿Qué datos obtenidos consideran que son los más relevantes?
En esos proyectos, los datos más relevantes que solemos destacar se relacionan con la demostración de viabilidad y robustez del proceso y con su optimización para aplicación a escala piloto con efluentes reales. En la línea de biogás, se han obtenido resultados que evidencian que la biodesulfuración biológica en condiciones anóxicas puede operar de forma estable, con altos rendimientos de desulfuración, e integrarse de manera efectiva con la nitrificación de efluentes ricos en amonio. El desarrollo de esta tecnología por parte del grupo ha permitido avanzar desde TRL 2–3 hasta un TRL 8, llegando a tratar hasta 50 m³/h de biogás. Asimismo, en el ámbito del tratamiento del biogás, cabe destacar los resultados que estamos obteniendo en biometanización en condiciones termofílicas, empleando como fuente de nutrientes efluentes residuales ricos en amonio. En la línea de bioproducción de compuestos de valor añadido, los resultados más relevantes incluyen la obtención biotecnológica de compuestos bioactivos/herbicidas biodegradables (D-DIBOA) mediante biocatálisis con E. coli (incluyendo mejoras de rendimiento y productividad, así como avances en escalado y downstream), habiéndose logrado el escalamiento de la producción biológica del compuesto (x43) y su purificación final con rendimientos cercanos al 100%.
¿Qué importancia cree que tiene pertenecer al ceiA3 y qué oportunidades de investigación puede aportarles?
Pertenecer al ceiA3 es especialmente importante para nuestro grupo porque nos integra en un ecosistema científico-técnico con masa crítica y una orientación clara hacia la bioeconomía y la sostenibilidad, facilitando sinergias con otros grupos.
¿Retos de cara al futuro?
De cara al futuro, nuestros retos principales se centran en tres aspectos. En primer lugar, aumentar la masa crítica del grupo, ya que actualmente contamos con un número reducido de miembros; además, este año se jubila Domingo Cantero, quien ha liderado el grupo desde sus inicios, y en esta etapa hemos iniciado un relevo en la dirección, asumiendo yo esa responsabilidad.
En segundo lugar, resulta clave mantener la financiación competitiva en convocatorias nacionales, en un contexto en el que la ratio de concesión disminuye año tras año, y donde disponer de proyectos activos es esencial para la continuidad, el sostenimiento del personal y la actividad investigadora.
Por último, queremos dar un salto cualitativo en la captación de financiación europea: contamos con experiencia previa, ideas con alto potencial y una red de contactos que ya es significativa, pero que pretendemos ampliar y consolidar para impulsar consorcios competitivos y aumentar el impacto e internacionalización de la investigación del grupo. Además, nos gustaría ver implantada una planta de desulfuración biológica de biogás a escala industrial, y estoy convencido de que podremos hacerlo realidad a corto plazo.
