Biofilms bacterianos para depurar el agua: una nueva generación de biorreactores de membrana
Los biofilms no son solo “limo” en superficies húmedas: son comunidades microbianas organizadas que pueden diseñarse para resolver problemas reales de calidad del agua. Cuando un biofilm se combina con una etapa de separación por membrana, se obtiene un sistema compacto que puede impulsar conversiones biológicas (como la eliminación de nitrógeno) y, al mismo tiempo, entregar un efluente de claridad muy estable. En 2026, el debate ya no es si los biorreactores de membrana funcionan, sino cómo lograr que los diseños asistidos por biofilm sean más fiables, más fáciles de limpiar y mejor alineados con exigencias de vertido y reutilización cada vez más estrictas.
Por qué los biofilms importan en los biorreactores de membrana modernos
En el tratamiento clásico con lodos activados, la mayoría de los microorganismos se mantiene en suspensión en el licor mezcla. El enfoque con biofilm, en cambio, fija parte de la biomasa sobre superficies: portadores, fibras, gránulos o estructuras próximas a la membrana. Esto es relevante porque el crecimiento adherido puede estabilizar grupos microbianos clave (nitrificantes, desnitrificantes y degradadores especializados) y mejorar la resistencia cuando el afluente cambia en temperatura, carga o disponibilidad de carbono. En la práctica, el operador “retiene” más biología en el reactor sin limitarse a subir la concentración de sólidos.
Las configuraciones asistidas por biofilm se describen con varios términos. En aguas residuales es habitual encontrar híbridos como el biofilm–MBR (BF-MBR), donde los portadores fomentan el crecimiento adherido y la membrana aporta la separación final de sólidos. En agua potable y en etapas de pulido, el reactor de biofilm con membrana de hidrógeno (MBfR) es un concepto distinto: el hidrógeno se aporta a través de membranas permeables al gas para alimentar un biofilm autotrófico que reduce contaminantes como el nitrato en condiciones de bajo carbono.
Desde un punto de vista operativo, estos sistemas atraen porque pueden reducir la producción de lodos en exceso y crear un entorno biológico más controlable. Pero la “ventaja del biofilm” solo se sostiene si se diseña para que el biofilm haga la química prevista sin convertirse en una capa de ensuciamiento que ahogue la filtración o bloquee la transferencia de masa.
MBfR frente a BF-MBR: dos caminos hacia un rendimiento “de nueva generación”
MBfR y BF-MBR resuelven problemas diferentes, y confundirlos lleva a decisiones de diseño equivocadas. En un MBfR, la membrana suele ser una interfaz de transferencia de gas más que una barrera de filtración: el hidrógeno difunde a través de la pared de la membrana hacia un biofilm donde las bacterias lo usan como donante de electrones. Este enfoque es especialmente útil cuando se necesitan reacciones de reducción en aguas con poco carbono orgánico, por ejemplo, para eliminar nitrato sin tener que dosificar una fuente orgánica adicional.
Los BF-MBR, en cambio, son biorreactores de membrana orientados a filtración (a menudo microfiltración o ultrafiltración) que añaden portadores o medios que favorecen el biofilm para mejorar la estabilidad biológica y, en algunos casos, reducir el rendimiento neto de producción de lodos. Aquí, la membrana retiene la biomasa, mientras que la fracción adherida debe mejorar el tratamiento o cambiar la naturaleza de los ensuciantes. En plantas reales, la pregunta práctica es si los portadores reducen de verdad la tendencia al fouling y la frecuencia de limpieza, o si introducen nuevos problemas (desgaste del medio, roturas, mezcla desigual).
En 2026, la etiqueta “nueva generación” solo tiene sentido cuando el sistema aborda tres realidades a la vez: conversión estable de contaminantes objetivo, mantenimiento de membranas predecible y monitorización creíble. Esto implica diseñar la transferencia de masa (oxígeno, hidrógeno, sustratos), escoger materiales y porosidad de membrana adecuados y operar dentro de un rango que tolere cambios estacionales.
Ingeniería del reactor: membranas, portadores y transferencia de masa controlable
Un biorreactor de membrana es un equilibrio entre biología y física. La membrana asegura la calidad del efluente, pero también crea un cuello de botella: si se fuerza el flujo por encima de lo que permite la carga de ensuciantes, sube la presión transmembrana y la instalación entra en un ciclo continuo de limpiezas. Los diseños con biofilm no escapan a esta regla; lo que cambia es el perfil de ensuciantes y la forma en que los sólidos se comportan cerca de la superficie de la membrana.
La elección de la membrana sigue guiándose por fundamentos: calidad final requerida, barrera frente a patógenos, tolerancia química y estrategia de limpieza. Las membranas poliméricas siguen siendo comunes, mientras que las cerámicas aparecen en servicios más exigentes o cuando se busca mayor flexibilidad para limpiezas intensivas. En configuraciones asistidas por biofilm, gana peso la química y textura de superficie (hidrofilicidad, carga, rugosidad) y la hidráulica del módulo, porque el crecimiento de biofilm y las sustancias poliméricas extracelulares pueden intensificar el fouling “adhesivo” si el reactor no se gestiona bien.
Los portadores y medios para biofilm pueden ser útiles, pero solo cuando su función se define con claridad. Pueden aportar microambientes protegidos para microbios de crecimiento lento, sostener la nitrificación con edades de lodo más bajas o amortiguar choques de carga. A la vez, pueden aumentar exigencias de cizallamiento, modificar la distribución de tamaños de flóculo y cambiar productos microbianos solubles: cada factor puede mejorar o empeorar la filtración. El diseño debe tratar los portadores como una variable de proceso, no como un añadido comercial.
Control del ensuciamiento: lo que de verdad funciona en operación diaria
En planta, el ensuciamiento se vive como pérdida de permeabilidad, aumento de presión transmembrana y menos tiempo entre limpiezas. Un enfoque útil es pensar en capas: una fracción reversible que se elimina con métodos físicos (aireación de barrido, retrolavado, periodos de relajación) y una fracción más persistente que exige limpieza química. Los MBR asistidos por biofilm siguen afrontando ambos mecanismos; la diferencia es que la dinámica del biofilm y de los portadores puede mover el equilibrio entre “torta” reversible y bloqueos más tenaces.
Las medidas más fiables siguen siendo sencillas: mantener una aireación estable (o burbujeo de gas en sistemas anaerobios), evitar saltos bruscos de flujo y controlar las características del fango desde la biología en lugar de reaccionar tarde ante picos de presión. Cuando se usan portadores, el régimen de mezcla debe ajustarse para que no “muelan” los flóculos hasta volverlos coloidales y más difíciles de filtrar. La temperatura también pesa: en frío aumenta la viscosidad y bajan las cinéticas, elevando el riesgo si se mantienen objetivos de flujo idénticos todo el año.
En 2026, la monitorización se entiende cada vez más como parte del control del fouling. Las instalaciones que mejor operan suelen seguir tendencias de permeabilidad, recuperación tras limpieza e indicadores que correlacionan con ensuciantes adhesivos (por ejemplo, señales asociadas a productos microbianos solubles y a polímeros extracelulares). El objetivo no es saturar al operador con datos, sino anticipar cuándo la biología está derivando hacia un estado más propenso a ensuciar.
Dónde encajan en 2026: cumplimiento, microcontaminantes y reutilización de agua
En Europa, el endurecimiento de expectativas sobre eliminación de nutrientes y control de microcontaminantes está influyendo en la elección tecnológica. La refundición de la Directiva europea sobre tratamiento de aguas residuales urbanas (Directiva (UE) 2024/3019) entró en vigor el 1 de enero de 2025, con mayores exigencias y un impulso más claro hacia tratamiento avanzado para determinadas sustancias, además de una cobertura más amplia por tamaños de aglomeración.
Los sistemas de membrana asistidos por biofilm pueden aportar valor en varios escenarios. En nutrientes, una nitrificación y desnitrificación estables se sostienen mejor cuando los microorganismos adecuados disponen de zonas de adhesión protegidas. En corrientes de bajo carbono, los MBfR son relevantes porque entregan el donante de electrones a través de una membrana en lugar de dosificar carbono orgánico, lo que puede reducir efectos secundarios no deseados y simplificar el pulido posterior.
En esquemas de reutilización, la membrana es un paso habilitador porque elimina sólidos en suspensión y una parte importante de microorganismos, creando una alimentación robusta para el pulido posterior (carbón activo, ozonización u oxidación avanzada, según el objetivo). La parte de biofilm resulta valiosa cuando reduce la variabilidad que, de otro modo, tensionaría el tren de pulido.
Límites y riesgos reales: seguridad del hidrógeno, subproductos y mantenibilidad
No existe un “reactor de nueva generación” sin compromisos. Los MBfR utilizan hidrógeno, un donante de electrones limpio, pero requieren ingeniería de seguridad seria: gestión de fugas, ventilación, control de fuentes de ignición y procedimientos claros. No se trata de dramatizar, sino de tratar el hidrógeno como cualquier gas industrial con riesgos bien conocidos y controlables.
Los subproductos y la química del agua deben abordarse con rigor. Cualquier proceso biológico de reducción puede cambiar alcalinidad, influir en el pH y modificar perfiles de gases disueltos. En eliminación de nitrato, controlar intermedios y asegurar productos finales estables forma parte del diseño responsable. En BF-MBR, el riesgo suele ser menos “un contaminante nuevo” y más un cambio en la naturaleza de orgánicos disueltos que puede afectar procesos posteriores o la desinfección.
La mantenibilidad suele decidir el éxito a escala. Las plantas deben diseñarse para acceso cómodo a módulos, rutinas realistas de limpieza in situ y criterios claros para saber cuándo la limpieza física deja de ser suficiente. Si un diseño exige intervención experta constante, no encaja con la realidad de personal de la mayoría de operadores. Las mejores soluciones en 2026 son las que degradan de forma gradual, avisan antes de colapsar y se recuperan con herramientas operativas estándar.