Producción de biomasa microalgal en exterior utilizando lixiviado como funte de nutrientes

Resumen

Los resultados obtenidos con la ejecución de esta tesis doctoral se enmarcan en el ámbito de la obtención de biomasa microalgal y/o productos de alto valor añadido por medio de un “proceso sostenible” en el que se use agua residual como medio de cultivo de microalgas marinas y gases de combustión como fuente de carbono. Toda la parte experimental se realizó en el seno del Grupo de Investigación “Biotecnología de microalgas marinas” del Departamento de Ingeniería química de la Universidad de Almería. En un modelo a escala piloto se optimizó la producción de biomasa microalgal a través del aprovechamiento de los nutrientes contenidos en los lixiviados de aguas residuales, realizando ensayos a diferentes velocidades de dilución y porcentajes de lixiviado, utilizando gases de combustión como fuente de carbono. Lo anterior fue logrado utilizando tres tipos diferentes de fotobiorreactores para el cultivo de la microalga Nannochloropsis gaditana: a) tubular, b) plano vertical y c) raceway. En cada tipo de reactor se evaluó el efecto de esterilización inicial, velocidad de dilución impuesta y porcentaje de lixiviados utilizado en la producción de biomasa microalgal y el grado final de depuración de las aguas residuales. Atendiendo a lo anterior, este trabajo sienta las bases para el uso de lixiviados de aguas urbanas, gases de combustión y agua de mar natural para la producción de microalgas “en exterior” como una opción viable en el tratamiento de aguas residuales y como beneficio adicional la obtención de productos de valor a partir de la biomasa obtenida. El trabajo se realizó en dos etapas diferentes. La primera etapa recogida en el CAPÍTULO IV, se centró en demostrar la viabilidad de la producción de biomasa de la microalga N. gaditana en exterior. Para lo cual se utilizó agua de mar y distintos porcentajes de lixiviado de aguas residuales, filtradas y esterilizada con ozono, como fuente de nutrientes principal de los medios de cultivo. Se usaron dos tipos de fotobiorreactores uno tipo tubular (340 l) y otro tipo raceway (860 l). Como base del medio de cultivo se utilizó agua de mar natural mezclada con tres porcentajes de lixiviados (15%, 20% y 30%). El modo de operación fue en semicontinuo con una dilución de 0.3 día-1. Se evaluó la productividad de biomasa microalga y el grado de depuración de nitrógeno y fosfato. Los resultados obtenidos, respecto a la producción de biomasa y del grado de depuración, permitieron determinar que las mejores condiciones de operación en ambos tipos de fotobiorreactores fueron aquellas en las que se utilizó un 15% de lixiviado, debido a que se logró alcanzar productividades de 0.48 gbiomasa•l-1•día-1 empleando reactores tubulares, y 0.10 gbiomasa•l-1•día-1 cuando se utilizan reactores raceway. De la misma forma se observó una capacidad máxima de depuración de nitrógeno de un 90.4% para los reactores tubulares y de 49.0% para los raceway, mientras que la eficiencia de depuración de fósforo fue de 94% para ambas tecnologías. La segunda etapa reflejada en los CAPÍTULOS V, VI y VII, se enfocan en la evaluación del uso de lixiviados de aguas residuales urbanas como única fuente de nutrientes, ensayando dos velocidades de dilución (0.2 y 0.3 día-1) y cuatro porcentajes de lixiviado (20%, 30%, 40% y 50%) en cultivos de N. gaditana en externo. La diferencia entre la primera etapa y estos trabajos es que el medio de cultivo final no fue tratado previamente antes de su uso. Lo anterior provocó la proliferación de otras especies microalgales que se mencionan en los siguientes capítulos. En el CAPITULO V el cultivo se realizó utilizando reactores tubulares de 340 l. El uso de lixiviado sin esterilizar en este tipo de fotobiorreactores provocó la proliferación de cuatro especies distintas (Geitlerinema sp., Chlorella sp., Limnothrix sp. y Chaetophorales sp.) además de N. gaditana. El consorcio producido en el interior de los reactores permitió alcanzar productividades por área superficial de hasta 15.62 gbiomasa•m-2•día-1 (0.60 gbiomasa•l-1•día-1) y una eficiencia fotosintética de 2.67% (0.54 gbiomasa•E-1), operando con un valor de velocidad de dilución de 0.3 día-1 y un porcentajes de lixiviados de 20%. Se observó que la eficiencia de depuración de nitrógeno fue de más del 99% cuando se utilizaron porcentajes de lixiviados de 20 y 30% con las dos velocidades de dilución ensayadas. La máxima eficiencia de depuración de fósforo fue del 99% solo cuando se fijó una dilución de 20%. Por otra parte, se observó que el carbono fue depurado solamente hasta un máximo de 63% usando un porcentaje de lixiviados de 40% y una dilución de 0.2 día-1. Se observó que el carbono orgánico fue acumulado hasta en un 362% lo cual se atribuyó, principalmente a que las microalgas sintetizaron compuestos orgánicos que quedaron disueltos en el medio de cultivo; mientras que el carbono inorgánico tuvo un comportamiento contrario, mostrando una capacidad de depuración de hasta 77% cuando el lixiviado represento el 20% para todas las diluciones ensayadas. Por otra parte, la biomasa obtenida mostró casi un 30% de contenido lipídico y hasta un 50% de proteína. En el CAPITULO VI se presenta el uso de reactores planos verticales; operados siguiendo la misma metodología mencionada en el CAPITULO V. A diferencia de los trabajos realizados en reactores tubulares (CAPITULO V) y raceway (CAPITULO VII), los resultados obtenidos en este capítulo muestran un mayor rendimiento en la producción de biomasa respecto al área superficial ocupada por los tres tipos de reactores. En estos ensayos se usaron dos sets de tres reactores, dispuestos en dos orientaciones; norte-sur y este-oeste. Cada reactor consistió en una estructura metálica que servía de soporte a una bolsa de polietileno que contenía un volumen de cultivo de 400 l. Los resultados mostraron que no existieron diferencia entre las orientaciones ensayadas en los diferentes reactores. El uso de lixiviado sin esterilizar en este tipo de reactor provocó la proliferación de una especie diferente a N. gaditana (Geitlerinema sp.). Operando con una dilución de 0.3 día-1 y con un porcentaje de lixiviados de 20% se obtuvieron los mejores resultados de productividad por área superficial; de 47.69 gbiomasa•m-2•día-1 (0.327 gbiomasa•l-1•día-1), y una eficiencia fotosintética de 2.79% (0.45 gbiomasa•E-1). Con respecto a la eficiencia de depuración, se obtuvo una capacidad máxima de depuración de nitrógeno de 87 %, y una depuración total del fósforo cuando se fijó una dilución de 0.2 día-1 y un porcentaje de lixiviados de 20%. En estas condiciones la máxima capacidad de depuración de carbono total y carbono inorgánico mostró valores de 82 y 93% de depuración respectivamente, sin embargo, se produjo una acumulación de hasta un 194% de carbono orgánico por la liberación al medio de compuestos orgánicos por parte de las microalgas. Por otra parte, el contenido bioquímico de la biomasa obtenida mostró hasta un 35% de proteína y hasta 30% de contenido lipídico. Por último, en el CAPITULO VII se trata el uso fotobioreactores raceway de una capacidad de 855 l y una profundidad de 0.15 m. El uso de lixiviados sin tratar produjo consorcios de tres cepas de microalgas (Pseudanabaena sp., Halamphora sp. y Geitlerinema sp.) diferentes a N. gaditana. Cuando se utilizó una dilución de 0.3 día-1 y un porcentajes de lixiviados de 20% se obtuvieron los mejores valores de productividad por área superficial (32.42 gbiomasa•m-2•día-1 [0.27 gbiomasa•l-1•día-1]) y eficiencia fotosintética (3.66% [0.74 gbiomasa•E-1]). En cuanto a la eficiencia de depuración, los datos mostraron que más del 80% del nitrógeno y del fósforo fueron depurados en la mayoría de los casos. Por otra parte, los datos obtenidos del carbono muestran una acumulación del carbono orgánico de hasta el 200%, mientras que el carbono inorgánico mostró una eficiencia de depuración de hasta un 83%. Así mismo, se mostraron valores de contenido proteico de más de 50% y un porcentaje de lípidos totales de 25%. Estos resultados demuestran que se puede lograr un sistema de producción de biomasa microalgal utilizando lixiviados procedentes del tratamiento primario de aguas residuales y usando gases de combustión. Además, que es posible controlar el contenido bioquímico de las células variando la velocidad de dilución y el porcentaje de lixiviados. Por otra parte, se puede lograr un alto grado de depuración de aguas residuales y además contribuir a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.