Fotobiodepuración de aguas residualesoptimización de la producción de microalgas con elevado contenido lipídico

Resumen

Los cultivos masivos de microalgas se están postulando como futuras fuentes de materia prima para usos tan diversos como, por ejemplo, la nutrición humana, la ganadería, la fertilización agrícola, la acuicultura, así como para la producción de biocombustibles. Así pues, científicos de todo el mundo están actualmente estudiando y desarrollando la integración de las microalgas en nuestra realidad cotidiana. Una de las ventajas principales en el uso de microalgas como biomasa para biocombustible es que éstas tienen potencial para producir por unidad de superficie entre 15 y 300 veces más aceite para biodiesel que los cultivos tradicionales. Por otro lado, hay una fuente de agua y nutrientes para el cultivo de microalgas en las aguas residuales municipales, agrícolas o industriales, asi pues, estos efluentes deben ser aprovechados para sostenibilizar el proceso de producción de microalgas. El principal objetivo de la presente tesis es el estudio del potencial de utilización de cultivos de microalgas para la eliminación de nitrógeno y fósforo de aguas residuales urbanas, conjuntamente con la producción de biomasa de elevado contenido lipídico como materia prima para la producción de biocombustibles. En el primer capítulo se estudia la influencia de los co-cultivos de microalgas y del medio de cultivo en la producción de biomasa en aguas residuales. Así pues, bajo un diseño experimental factorial se procede cultivando dos especies de microalgas seleccionadas en base a sus diferentes características: Chlorella vulgaris, la cual presenta una elevada retirada de nutrientes de las aguas residuales, y Botryococcus braunii, especie conocida por su elevado contenido lipídico. Los experimentos incluyeron tanto cultivos monoespecíficos como cultivos mixtos de ambas especies en agua residual real y en medio sintético. Los resultados permiten discriminar la mejor metodología de cultivo para conseguir alcanzar un objetivo de retirada de nutrientes así como de producción de biomasa y fijación de CO2. El segundo capítulo se centra en la aplicación de factores de stress ambiental en la fase estacionaria de Ankistrodesmus falcatus, especie de elevado contenido en lípidos. En concreto se aplicaron factores como la presencia o ausencia de nutrientes esenciales como nitrógeno, fósforo y luz sobre la biomasa en fase estacionaria y se estudió el contenido lipídico de la biomasa resultante. Los resultados apuntan a que es posible aplicar estrategias de operación a la hora de cultivar microalgas con el objetivo de aumentar el contenido en lípidos de la biomasa. El tercer capítulo se centra en el estudio de la aptitud de diferentes medios de cultivo de abundante disponibilidad y bajo costo, como son las aguas residuales y las aguas de río, para la producción de 4 especies de microalgas, dos de agua dulce y dos de agua marina. Se estudia también la opción de enriquecer con nitrógeno y fósforo dichos medios de cultivo para optimizar la producción de biomasa. En este estudio se hace una comparación exhaustiva de la cinética de eliminación de nutrientes de cada una de las especies de microalgas seleccionadas en los diferentes medios. Los resultados obtenidos arrojan información acerca de la idoneidad de estos medios de bajo costo y del enriquecimiento con nutrientes sintéticos de los mismos con objeto de producir microalgas y fijar dióxido de carbono. El cuarto capítulo se centra en la selección de una especie de microalga que satisfaga el doble objetivo de retirada de nutrientes de aguas residuales simultáneo a la producción de lípidos. Se realiza un estudio comparativo entre diferentes especies cultivadas en aguas residuales y medio de cultivo sintético para finalmente seleccionar, en base a la velocidad de eliminación de nutrientes y de productividad lipídica, la especie que será utilizada en la siguiente etapa experimental (capítulo 5). El quinto capítulo se centra en la optimización del proceso de depuración de aguas residuales mediante el incremento de la cantidad de lípidos de la biomasa de microalgas. Así pues, se somete a la especie de microalga a un proceso de crecimiento en aguas residuales para posteriormente estudiar, bajo un diseño experimental factorial, el efecto de varios factores de stress ambiental sobre la producción de lípidos de la especie. Se seleccionaron como factores de stress la ausencia o presencia de CO2, luz e incremento de la salinidad. Los resultados ofrecen información acerca del incremento de la producción de lípidos en respuesta a los factores utilizados en la segunda etapa del proceso. Las principales conclusiones de la tesis son: 1) No resulta efectivo utilizar co-cultivos de diferentes especies de microalgas, con objeto de aumentar la producción de lípidos a la vez que se depuran aguas residuales, puesto que se produce dominancia de la especie más competitiva. En el caso particular de la competencia ente Chlorella vulgaris y Botryococcus braunii, la primera especie resulta beneficiada aun siendo la menos productiva. 2) Es posible aumentar el contenido en lípidos y por tanto el contenido energético, de la especie Ankistrodesmus falcatus cultivada en medio sintético, sometiéndola a una segunda etapa de cultivo basada en la aplicación de factores de stress como la restricción de nutrientes y luz. En concreto destacan dos estrategias para incrementar el contenido en lípidos: por un lado, mantener al cultivo iluminado en fase estacionaria añadiendo todos los nutrientes de un medio de cultivo sintético con excepción del fósforo; y por otro lado, mantener el cultivo en oscuridad añadiendo todos los nutrientes de un medio sintético con excepción del nitrógeno y del fósforo. 3) Los medios de cultivo de bajo coste, agua residual y agua de río, han demostrado ser viables para cultivos masivos de las microalgas de agua dulce como C. sorokiniana y S. obliquus, presentando las aguas residuales mejores resultados en términos de productividad de biomasa, agotamiento de los nutrientes y fijación de CO2. Aunque la concentración de fósforo resultó escasa en ambos medios, especialmente en agua de río, el enriquecimiento de estos medios de cultivo con nitrógeno y fósforo y el ajuste de la relación N/P hasta alcanzar la de un medio de cultivo sintético implica incrementos en la productividad de biomasa, agotamiento de los nutrientes y fijación de CO2 que compensan al CO2-equivalente emitido en el proceso de fabricación de los fertilizantes sintéticos. 4) Scenedesmus obliquus fue la especie que mejor alcanzó el doble objetivo de eliminación de nutrientes de aguas residuales a la vez que presentó la mayor productividad lipídica. Por otro lado, las especies Neochloris oleoabundans y Botryococcus braunii no presentaron un crecimiento satisfactorio en aguas residuales. 5) La concentración de lípidos en Scenedesmus obliquus aumenta al ser sometida a una segunda etapa de stress ambiental posterior a la etapa de crecimiento y eliminación de nutrientes de aguas residuales. Los lípidos aumentaron cuando los tres factores estudiados ¿CO2, luz e incremento de la salinidad¿ estaban presentes simultáneamente en la etapa, a nivel individual, todos los factores presentaron efectos positivos sobre la producción de lípidos. 6) El sometimiento a una etapa de estrés a un cultivo de Scenedesmus obliquus en agua residual tiene consecuencias en el perfil de ácidos grasos lo que a su vez modifica las propiedades del biodiesel que se derivaría de éstos, si bien, para todos los casos estudiados se cumplieron los requisitos de la normativa europea relativa a las propiedades del biodiesel, con la excepción del límite del 1% de ácido graso ¿-3 eicosapentaenoico. Se recomienda para su utilización como materia prima para producir biodiesel, mezclar este aceite con otro de diferente origen o realizar una previa extracción selectiva de los ¿-3. 7) En una primera aproximación, la inclusión en el diagrama de flujo de una EDAR convencional con digestión anaerobia de lodos, de un tratamiento terciario consistente en un reactor HRAP de microalgas, presenta mayores beneficios energéticos globales cuando se combina la producción de biodiesel con la de biogás, frente a la sola producción de biogás o a la utilización de procesos biológicos de eliminación de nutrientes convencionales. No obstante, estos datos deberían ser corroborados con trabajos de investigación empleando plantas a escala preindustrial.