Biofiltro de quitina y celulosa para microplásticos, con análisis de ciclo de vida

Una tecnología que limpia el agua también consume energía, solventes y materiales. Este proyecto, del curso Sostenibilidad de Polímeros, desarrolló un filtro de biomasa para microplásticos y evaluó con un análisis de ciclo de vida si su beneficio compensa su propia huella. Fue el proyecto en el que más aprendí de ACV: cómo plantear un objetivo y una unidad funcional defendibles, construir un inventario a partir de literatura y de mediciones propias, y leer los resultados para tomar decisiones de diseño.

Microplásticos en el agua potable

En los cuerpos de agua dulce de Colombia ya se han reportado microplásticos: fibras, polietileno, PET y poliestireno, por ejemplo en el embalse de Betania (Huila) y en la ciénaga de Luruaco. En una encuesta que hicimos a estudiantes de Uniandes y a sus familias, los microplásticos salieron entre las principales preocupaciones sobre la calidad del agua potable.

Concepto técnico

Una espuma adsorbente y reutilizable de quitina y celulosa (Ct-Cel). La quitina se extrae de exoesqueletos de camarón, un residuo que hoy termina en el océano o en rellenos sanitarios: en Colombia se producen cerca de 5 000 t de camarón al año, de las que hasta el 70 % es residuo con un contenido de quitina del 12 al 24 %. Las dos fibras se unen por puentes de hidrógeno, sin entrecruzantes sintéticos.

La espuma se fabrica por dispersión en ácido acético, homogenización, congelación y liofilización (48 h), y se regenera con DMF (dimetilformamida), enjuague y una nueva liofilización. Su capacidad de adsorción promedio es de 309,86 mg de microplásticos por gramo de espuma. Los microplásticos recuperados podrían revalorizarse como modificadores en mezclas asfálticas o por vía termoquímica (pirólisis).

La quitina sale de un residuo: los caparazones de camarón.

La ruta ácido-base para extraer quitina, paso a paso.

Análisis de ciclo de vida

Me encargué del ACV completo en openLCA, siguiendo la estructura de las normas ISO 14040/14044.

Objetivo y alcance. El estudio tuvo dos objetivos: determinar si el impacto neto del filtro es positivo, usando normalización y ponderación para comparar categorías entre sí, y comparar dos rutas de extracción de quitina: ácido-base (desmineralización con HCl y desproteinización con NaOH) y fermentación. La frontera del sistema es cradle-to-gate e incluye la regeneración: materias primas, fabricación de la espuma, transporte y uso con sus ciclos de regeneración. Los equipos de laboratorio, como bienes de capital, quedaron fuera de la frontera.

Unidad funcional. El primer planteamiento fue “1 m³ de agua tratada”, pero lo corregimos a la remoción de 1,0 g de microplásticos, con una remoción objetivo mínima del 95 %. Así la unidad funcional depende directamente del desempeño del filtro (su capacidad de adsorción) y no de una concentración de entrada incierta: a partir de los 309,86 mg/g se calcula cuánta espuma hay que fabricar y regenerar por cada gramo removido.

Inventario (ICV). Para la ruta ácido-base usamos el inventario de laboratorio de Bashiri et al. (2025) y para la fermentación, el de Liu et al. La electricidad la modelé con la potencia y el tiempo de operación medidos de los equipos del laboratorio ML416 de Uniandes: horno (64,8 kWh), plancha de agitación (4,4 kWh), licuadora (0,5 kWh) y liofilizador (47,5 kWh en fabricación y 31,7 kWh en regeneración).

Evaluación de impacto (EICV). Método ReCiPe 2016 Midpoint (H), con normalización y ponderación World (2010) H.

La liofilización: el punto crítico del impacto.

Resultados e interpretación

• Puntos críticos (hotspots). La mayor parte del impacto proviene del consumo eléctrico de los equipos, sobre todo del horno y del liofilizador, seguido del uso de DMF en la regeneración.
• Magnitudes a escala de laboratorio. Para remover 1 g de microplásticos, el proceso tiene un potencial de calentamiento global (GWP) de 239,49 kg CO₂-eq, con impactos relevantes en ecotoxicidad de agua dulce y marina. Son valores altos, típicos de un inventario de laboratorio sin economías de escala.
• Comparación de rutas. La ruta ácido-base tiene mayores impactos que la fermentación en todas las categorías, por los reactivos y por la energía del proceso. Para un escalamiento industrial se recomienda la fermentación.
• Limitación metodológica. Los factores de caracterización de ReCiPe no reconocen el beneficio de retirar microplásticos del agua. Según Salieri et al., puede asumirse un factor de caracterización interino de 3 231 PAF·m³·d/g de microplásticos removidos. La evaluación del beneficio neto requiere factores de caracterización específicos para microplásticos.

Impactos normalizados por categoría: ruta ácido-base (azul) contra fermentación (naranja).

La conclusión de diseño es que el siguiente paso no es cambiar la química del filtro, sino reducir la energía del secado y sustituir el solvente de regeneración. Esa es la utilidad de un ACV en etapas tempranas: señalar dónde vale la pena invertir el esfuerzo de ingeniería.

Modelo de negocio

La propuesta de valor es un filtro doméstico como servicio: el usuario no compra un filtro desechable, sino una suscripción en la que la empresa instala un acople reutilizable de PLA, recoge el filtro, lo regenera y lo devuelve. Es un modelo de economía circular con ingresos recurrentes:

• Fuentes de ingreso: instalación del kit (COP 269 000), visita mensual de mantenimiento (COP 197 000) y reposición del filtro cada cinco ciclos (COP 86 000).
• Estructura de costos: costos fijos mensuales de unos COP 3,5 millones, concentrados en nómina y en el alquiler del proceso de liofilización, más logística y reactivos variables por cliente.
• Proyección financiera: con una adquisición de 1,5 clientes nuevos al mes, el flujo de caja acumulado se vuelve positivo en el mes 16, con unos 29 clientes.

El principal riesgo a validar es la disposición a pagar del segmento objetivo por una suscripción mensual y su percepción del beneficio ambiental frente al precio.

Lienzo del modelo de negocio (Business Model Canvas).

Proyecto del curso Sostenibilidad de Polímeros, en equipo de tres. Es parte del capítulo Universidad.