Tratamiento de aguas residuales de la industria agroalimentaria mediante consorcios de microalgas-bacterias. Valorización de la biomasa algal mediante la obtención de monosacáridos, lípidos y biogás

Zusammenfassung

Durante las últimas décadas se ha producido un incremento exponencial en la generación de aguas residuales agroalimentarias como consecuencia del incremento de la producción industrial. Por ello, en la actualidad se pueden encontrar aguas residuales de elevada carga orgánica y una mayor concentración de nutrientes y productos tóxicos, por lo que deben ser tratadas previamente a su vertido para no incurrir en daños medioambientales graves. En este contexto, a día de hoy existen diversas tecnologías que se emplean para tratar las aguas residuales agroalimentarias, como son los tratamientos físico-químicos y los procesos biológicos (aerobios, anóxicos, anaerobios y sus combinaciones). Estas tecnologías conllevan, en muchos casos, costes energéticos y de operación elevados y no permiten valorizar los nutrientes presentes en el agua residual. Una alternativa a los tratamientos biológicos más convencionales es el uso de consorcios de microalgas y bacterias en simbiosis, donde las bacterias oxidan la materia orgánica, liberando CO2, amonio, nitratos, nitritos y fósforo soluble y mediante la fotosíntesis oxigénica las microalgas asimilan estos compuestos en forma de biomasa, liberando O2. Una vez llevado a cabo el tratamiento del agua, las microalgas producidas pueden ser valorizadas en forma de biocombustibles (biodiesel, bioetanol, biogás, etc.) y otros compuestos de alto valor añadido, mejorando la viabilidad económica del proceso global. En esta tesis se ha estudiado el tratamiento de cuatro aguas residuales agroalimentarias diferentes, tanto en origen como en composición, mediante consorcios de microalgas y bacterias y el aprovechamiento de la biomasa resultante para obtener distintos biocombustibles. En el Capítulo 3 se llevó a cabo el pretratamiento físico, químico e hidrólisis enzimática de las microalgas Chlorella sorokiniana, Nannochloropsis gaditana y Scenedesmus almeriensis a fin de identificar aquellos pretratamientos más eficientes y si la combinación de los mismos provoca un incremento en la liberación de azúcares fermentables. Los pretratamientos que conducen a una mayor liberación de monosacáridos fueron aquellos en los que se realizó un pretratamiento ácido en primer lugar y una posterior hidrólisis enzimática. En el Capítulo 4 se realizó un estudio comparativo para identificar aquellos procesos de extracción de lípidos más eficientes en las microalgas Isochrysis T-ISO, Nannochloropsis gaditana, Scenedesmus almeriensis y Tetraselmis sp. El proceso de extracción que permitió alcanzar los mejores rendimientos fue el MSE, que consiste en el tratamiento con microondas y posterior extracción con CO2 supercrítico, independientemente del tipo de microalga empleada. En este proceso la biomasa se somete inicialmente a un pretratamiento con microondas y posteriormente a una etapa de extracción con CO2 supercrítico. De esta forma, el rendimiento de recuperación de lípidos se incrementa en un 15-25%. Con el objetivo de determinar la influencia del proceso de extracción de lípidos sobre la producción de metano a partir de una misma biomasa, se llevó a cabo su digestión anaerobia con y sin extracción MSE. Los resultados demuestran un considerable incremento de la producción de metano (15-60%) en aquellas muestras sin lípidos como consecuencia de una mayor biodegradabilidad provocada por la aplicación previa del proceso MSE, por lo que la rentabilidad económica del proceso puede verse aumentada en un 30%. Posteriormente, en los Capítulos 5 y 6 se llevó a cabo el tratamiento de aguas residuales procedentes de: i) la industria de fritura de patatas, ii) el tratamiento biológico de purines, iii) un matadero industrial de cerdos y iv) una industria de procesado de pescado mediante consorcios de microalgas y bacterias. Durante la operación de los fotobiorreactores se observó que al disminuir el tiempo de retención hidráulico se alcanzaban mejores rendimientos de eliminación de materia orgánica y nutrientes y mayores productividades de biomasa. De los resultados presentados en estos capítulos se desprende que el tratamiento biológico con consorcios microalgas-bacterias es eficaz para reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes de las aguas residuales agro-industriales. En todos los ensayos realizados se obtuvieron eficacias de eliminación de DQO del 62-85%. La eliminación de nitrógeno en todos los casos fue del 80-95% mientras que la eliminación de fósforo total osciló entre el 58-90%. En el Capítulo 5 se optimizó la relación substrato/inóculo para optimizar la producción de metano, de forma que éste se incrementó en más de un 40%. Las algas producidas durante la operación de los fotobiorreactores alimentados con aguas de matadero (Capítulo 6) fueron valorizadas mediante extracción de lípidos empleando el proceso MSE y posterior digestión anaerobia de la biomasa resultante. Estos ensayos confirmaron los resultados obtenidos en el Capítulo 4 donde se evidenció un incremento de la biodegradabilidad de las algas sometidas a una extracción previa de lípidos, con el consecuente incremento de la producción de metano. Con ello se demuestra que la producción de biocombustibles a partir de microalgas sería más rentable cuando se plantea la obtención de varios bioproductos de manera conjunta, en el marco de una biorrefinería.