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l biocarbón es un material con un desempeño prometedor en el tratamiento de aguas residuales, remediación de suelos contaminados y almacenamiento de gases con alto potencial energético. Este material es obtenido a partir de diversas fuentes ricas en carbono, por ejemplo, biomasa animal, materiales residuales maderables y residuos lignocelulósicos generados en la agricultura; sin embargo, dado que los residuos agrícolas pueden usarse en procesos de conservación y mejoramiento de suelos, así como para la producción de biomateriales de alto valor comercial, se ha explorado la conversión a biocarbón a partir de material lignocelulósico de origen no convencional i.e., plantas ociosas sin valor comercial y de alta tasa de regeneración, con mínimos requerimientos en el cuidado y mantenimiento; tal es el caso de la higuerilla (Ricinus communis) (Fig. 1), que se distribuye vastamente en las zonas tropicales alrededor del mundo. Aunque es originaria de África, esta planta arbustiva puede encontrarse en América Latina, y por supuesto, en México.
La higuerilla o ricino, tiene propiedades medicinales y ha servido para extraer aceite de sus semillas, contribuyendo importantemente con la sustentabilidad. Además, se ha reportado que su presencia incide en el cuidado y conservación del suelo reduciendo la erosión por aire o lluvia.
Los residuos generados a partir de su aprovechamiento en el sector energético representan un reto en términos de la disposición y aportación elevada de nutrientes a los cuerpos ambientales receptores, por lo que en nuestro grupo de trabajo hemos planteado la estrategia de usarlos como materia prima para la manufactura de biocarbón cuyo destino sea la remoción de contaminantes en agua residual.
La manufactura del biocarbón implica la pirólisis de la biomasa, purificación y activación (física o química) del material para su uso final. El material obtenido tiene una gran área superficial, fuerte capacidad de adsorción y gran número de grupos funcionales disponibles en la superficie que podrían ser compatibles con un número importante de contaminantes orgánicos e inorgánicos.
Dentro de los contaminantes con mayor relevancia debido a la dificultad de identificación por su presencia en concentraciones bajas, pero que impactan negativamente al ambiente y a la salud humana, se encuentran los llamados contaminantes emergentes.
Los contaminantes emergentes están cada vez más presentes en el medio ambiente, como consecuencia directa de actividades humanas. En la gran mayoría de los casos, estos contaminantes aparecen en aguas residuales, ríos y acuíferos, siendo los más comunes los medicamentos en forma de pastilla, los cuales al caducar son desechados de forma inadecuada en lavabos y excusados, incluso en basura doméstica; productos farmacéuticos de aplicación cutánea, los cuales, al no ser absorbidos completamente, pueden depositarse en agua doméstica y alcanzar cuerpos de agua; drogas como la cocaína y heroína, las cuales son desechadas vía orina, alcanzando las aguas transportadas por el drenaje, disruptores endócrinos u hormonales y microplásticos, los cuales ya se han identificado dentro de organismos marinos y en algunos alimentos de nuestra dieta.
Como podemos imaginar, el volumen de contaminantes emergentes de origen farmacéutico se ha incrementado de manera considerable debido al aumento en su consumo durante la emergencia sanitaria generada por el COVID-19. Este incremento en el consumo de medicamento para el tratamiento de la enfermedad, así como para sus secuelas, facilitó la liberación de grandes volúmenes de compuestos farmacéuticos, muchos de ellos altamente persistentes en el ambiente y con pocos estudios sobre su impacto en los organismos vivos que lo recibieron de manera residual.
La llegada de estos contaminantes a las plantas de tratamiento de agua residual municipal representa un problema técnico y normativo, dado que estas plantas no cuentan con la tecnología adecuada para la remoción de los contaminantes emergentes ni normas específicas aplicables que determinen los límites máximos permisibles, resultando en la liberación de éstos al ambiente a concentraciones potencialmente tóxicas y limitando la reusabilidad del agua tratada.
Los resultados de estudios cinéticos de degradación concluyen que no es recomendable tratar de manera destructiva a estos contaminantes, dado que podría darse lugar a subproductos aún más tóxicos para los organismos vivos en el ambiente, por lo que una alternativa sostenible se fundamenta en procesos físicos de remoción, tal como la adsorción.
La propuesta del uso de biocarbón es sólida debido a la posibilidad de ser usado en diferentes etapas del tratamiento de agua y de esta manera no solo mejorar la eficiencia del tratamiento de adsorción sino de recuperar subproductos de alto valor agregado.
1 Departamento de Ingenierías Química, Electrónica y Biomédica. Universidad de Guanajuato.
2 Bioprocess and Bioeconomy Group. Universidad de Guanajuato
éxico es uno de los principales productores de hortalizas, siendo una de las más cultivadas la Brassica oleracea L., var. Italica, mejor conocida como brócoli. El estado de Guanajuato es el principal productor de este cultivo, con 320,628 toneladas para el año 2017, representando el 65% de la producción nacional (Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera, 2017). Además de México, otros países también cultivan el brócoli en grandes cantidades, siendo el primero China, seguido de la India, Estados Unidos, España, México e Italia (Nagraj, Chouksey, Jaiswal, & Jaiswal, 2020). También, México es el segundo exportador de este cultivo en el mundo, siendo el principal destino de exportación los Estados Unidos. El cultivo de brócoli representa, económicamente, gran importancia para el estado mexicano debido a que es uno de los principales productos agroalimentario más exportados y, de acuerdo con el Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera (SIAP), en 2020, generó ingresos por 770 millones de dólares en conjunto con otros cultivos como la col y la coliflor (Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera, 2021).
El brócoli es una planta altamente nutritiva de color verdoso compuesta por cuatro partes como son raíz, tallo, hojas y floreta. Sin embargo, sólo se comercializa esta última (floreta) dejando en el campo residuos compuestos por tallo y hoja, los cuales son ricos en compuestos altamente nutritivos y fibras como celulosa y hemicelulosa. Los residuos de brócoli representan al menos 3 veces más masa de la que se comercializa, por lo que puede estimarse al menos 1.5 millones de toneladas de residuo por año para todo el país.
Se ha reportado que la planta de brócoli contiene en tallos, hojas y floreta, importantes niveles de compuestos antioxidantes, anticancerígenos y vitaminas. Además, contiene polifenoles, flavonoides, carotenoides, sulfonatos, glucosinolatos, entre otros, por lo que los residuos podrían aprovecharse para extraer estos compuestos en beneficio de la población (Nagraj et al., 2020). Para resaltar la importancia de estas moléculas, describamos a los polifenoles. Los polifenoles son cuatro clases de fitoquímicos: ácidos fenólicos, flavonoides, estilbenos y lignanos (Chen, 2016). De acuerdo con diferentes autores(as), estos compuestos tienen actividades benéficas para la salud.
Son antioxidantes, anticancerígenos, anti-inflamatorios, neuroprotectores, antimicrobianos, antivirales, entre otros. Por lo que podrían ser utilizados para crear productos que incrementen la salud y el bienestar nutrimental de la población, al proporcionar moléculas naturales que podrían actuar ante amenazas virales como la vivida actualmente por el Covid-19.
Listeria monocytogenes, Pseudomonas fluorescens, Salmonella enteric demostrando un alto poder antibacteriano (Chen, 2016). Además, este compuesto presenta un potente poder antioxidante y antimutagénico (Ni, 2014).
Por otro lado, las fibras de la planta de brócoli también podrían ser transformadas en azúcares fermentables por métodos convencionales, como ha sido reportada antes para otros cultivos, como la paja de trigo (Molina-Guerrero et al., 2018). Los azúcares fermentables pueden ser utilizados para la obtención de combustibles como el bioetanol, butanol o biogás, los cuales han sido poco evaluados con residuos de brócoli, por lo que podrían representar una importante fuente de fibras para la obtención de biocombustibles un área de creciente interés debido a los altos costos de los combustibles fósiles y a la alta contaminación generada por la quema de estos. Por lo que una alternativa interesante para sustituir a los derivados del petróleo son los residuos de plantas que, a su vez, son capaces de capturar el CO2 atmosférico y utilizarlo para su crecimiento creando así un círculo virtuoso donde el principal beneficiado es el ser humano.
Actualmente, el grupo de Bioprocesos y Bioeconomía (Bioprocess and Bioeconomy Research Group), desarrolla estrategias de aprovechamiento de residuos de brócoli para la obtención de moléculas de alto valor agregado, así como biocombustibles, como el biohidrógeno (BioH2) desde el laboratorio y hasta la simulación de procesos, que permitan en un futuro, contar con tecnologías económicamente rentables capaces de proveer a la industria alimentaria, farmacéutica y energética, rutas de rápido aprovechamiento y comercialización de residuos de brócoli y otros residuos generados en el bajío mexicano y en el país.
Referencias
