Optimización de la digestión anaerobia de microrganismos fotosintéticospretratamiento térmico y uso de cianobacterias

Abstract

Debido al precio creciente del petróleo y a la importancia de la independencia energética, la obtención de biocombustibles sostenibles es una de las prioridades de las políticas energéticas en países desarrollados. El biogás, producido por digestión anaerobia (DA) de la materia orgánica, es un biocombustible gaseoso similar al gas natural. El empleo de microalgas y cianobacterias como sustrato para la DA presenta múltiples ventajas, como es el consumo de CO2 durante la fotosíntesis, no compiten por tierras de cultivo y pueden crecer en aguas residuales. Sin embargo, la producción de CH4 en microalgas se ve limitada por una pared celular recalcitrante al ataque de las bacterias hidrolíticas en la DA. Para aumentar su biodegradabilidad es necesaria una fase de pretratamiento que facilite su ruptura, haciendo la materia orgánica más accesible. Las cianobacterias poseen una pared celular compuesta de peptidoglicano, menos recalcitrante a la degradación, facilitando el proceso de DA. Esta Tesis tiene como objetivo el estudio de microalgas y cianobacterias como sustratos para el proceso de DA. En las microalgas se evaluó el efecto de distintos pretratamientos para aumentar su biodegradabilidad, analizando condiciones térmicas y termoquímicas en BMP. Aunque los pretratamientos termoquímicos produjeron un aumento de la solubilización de carbohidratos y proteínas, no se observó incremento paralelo en la producción de CH4, lo cual se atribuyó a la formación de compuestos inhibidores o recalcitrantes. La mayor producción de CH4 se obtuvo utilizando pretratamiento térmico a 120 ºC, 40 min. Con el fin de disminuir el coste energético del pretratamiento por unidad de biomasa algal, se estudió el efecto de la carga de sustrato. La posibilidad de emplear altas cargas puede reducir el coste sobre el precio final que supone el uso del pretratamiento. En ensayos de DA en semicontinuo, el pretratamiento de la biomasa aumentó la producción de CH4. Sin embargo fue inferior a la obtenida en BMP aunque no se observó inhibición por AGVs, NH4+ o NH3. Para elucidar la causa de la baja producción de CH4, se analizó la evolución de las poblaciones bacterianas de los fangos anaerobios por pirosecuenciación. Se obtuvieron un gran número de secuencias pertenecientes a microorganismos no cultivables, por lo que fue difícil realizar un análisis en profundidad de la relación entre el microbioma y los resultados de producción de CH4. Debido al alto contenido en proteínas del sustrato (50-60%), se observó una elevada proporción de microorganismos proteolíticos en comparación con sacarolíticos. Posteriormente se evaluó la producción de CH4 utilizando cianobacterias como sustrato con el fin de evitar el pretratamiento. Utilizando biomasa sin pretratar se observó mayor producción de CH4 con cianobacterias que con C. vulgaris. En cuanto a la producción de CH4 por litro de cultivo, las especies más productivas fueron A. ovalisporum y A. planctonica. Fueron cultivadas en aguas residuales urbanas para evaluar su crecimiento y capacidad para eliminar NH4+ y PO43-, obteniéndose resultados similares respecto a C. vulgaris. La producción de CH4 fue 1,2-1,4 veces mayor en cianobacterias. De esta Tesis Doctoral puede concluirse la importancia del pretratamiento en DA de microalgas. No obstante, en procesos semicontinuo, la disminución observada no pudo ser explicada por los fenómenos habituales de inhibición. Es necesario seguir investigando en la identificación de sus causas, y el análisis poblacional de los fangos puede ser clave aunque la información sobre los microorganismos que se desarrollan en estos reactores es todavía escasa. También es factible el uso de cianobacterias para la depuración de aguas residuales y su posterior empleo en DA sin pretratamiento. Bajo las condiciones empleadas, las cianobacterias se presentan como microorganismos comparativamente similares a las microalgas para la eliminación de contaminantes y con buenas perspectivas como sustrato en DA.