Desarrollo y análisis técnico-económico de la gestión de nutrientes residuales en la producción de biomasa de algas para fines agrícolas y ganaderos

Resumen

La pérdida de renta agraria en el sector primario de la Unión Europea está motivada por una progresiva disminución de los ingresos y una tendencia constante en el aumento de los costes de producción: fertilizantes en el caso de la agricultura y materias primas para alimentación en el caso de la ganadería, especialmente en cultivos proteaginosos como la soja. Los productos del sector primario son procesados por la agroindustria y consumidos por los habitantes que moran en los núcleos de población. Tanto la agroindustria como los núcleos de población deben gestionar estos efluentes y aguas residuales derivados, evitando así el impacto en el medio ambiente, como por ejemplo la eutrofización en aguas superficiales. Estas inversiones en sistemas de depuración no son productivas económicamente al no llevar asociado ningún producto que comercializar. Este condicionante en el caso de los núcleos rurales, hace que la depuración de sus aguas residuales sea deficiente por las particularidades del mismo: carencia de recursos técnicos y económicos, y una alta dispersión de los mismos. Desde un punto de vista medioambiental, la agricultura, la ganadería y la agroindustria son emisoras netas de gases de efecto invernadero, contribuyendo en un 10% y un 0,9% de las emisiones totales de la Unión Europea según datos del 2012 de la European Environment Agency (EEA) [1]. El efecto del cambio climático sobre el sector primario, consecuencia directa de la emisión de estos gases de efecto invernadero, se resumen en una pérdida en la capacidad de producción mundial de determinados cultivos que a día de hoy son la base de la alimentación: cereales y soja. Considerando el contexto anterior, esta Tesis Doctoral evalúa técnica y económicamente la inclusión de tecnologías de producción de biomasa de algas que permitan la transformación de estos nutrientes residuales de la agroindustria y los núcleos rurales, en fertilizantes para la agricultura, y en alimentos para ganadería, principalmente como fuente de proteína y ácidos grasos. Este trabajo abarca tanto el diseño, dimensionamiento, construcción y validación de las diferentes tecnologías de producción de biomasa de algas. El primer capítulo aborda la gestión de los residuos de la agroindustria, centrándose en la vitivinícola. El efluente final obtenido de la digestión anaerobia de los residuos orgánicos generados en las bodegas, se destina a la producción microalgas de origen edáfico autóctono en condiciones controladas. Estas microalgas previamente han sido aisladas e identificadas de los suelos de los viñedos ligados a la agroindustria, habiéndose identificado hasta seis especies diferentes mediante el análisis tanto visual como su perfil de pigmentos o su identificación genómica. Para el cultivo de estas especies de microalgas se ha contemplado también el diseño y desarrollo de un sistema de cultivo móvil de 30 m3 de capacidad, donde la autonomía energética del módulo de cultivo se ha suplido con la producción de 860 Wp mediante una instalación fotovoltaica integrada. El análisis y evaluación de costes llevada cabo en esta investigación muestra que el proceso más versátil y económico para eliminar la turbidez del digestato, es mediante electrofloculación, siendo su coste de 0,63 €·L-1. Este análisis también permitirá analizar el tiempo después de la electrofloculación en la evolución de las fases separadas ya que es un factor a tener en cuenta para reducir en consumo energético del proceso. El segundo capítulo contempla la evaluación económica-financiera de la integración del módulo de producción de microalgas autóctonas contemplado en el capítulo anterior en la agroindustria vitivinícola. Esta integración además abarca un módulo de digestión anaerobia previo al de las microalgas, y la elaboración de un silo de raspón de uva para la obtención de sustrato de codigestión. Para ello se evalúa el escenario previo y el posterior a esta integración mediante la puesta en marcha de un prototipo, cuantificando las inversiones asociadas a éste y evaluando la rentabilidad durante la vida útil del mismo. Tomando como base la estructura financiera de esta inversión, se obtiene que el coste de la unidad fertilizante de nitrógeno de las enmiendas fertilizantes orgánicas obtenidas mediante este proceso: digestato (19,69 €·Kg-1), biomasa de algas (11,43 €·Kg-1) y silo de raspón como semi-compost (0,00 €·Kg-1), frente al mismo valor de los fertilizantes minerales (1,8 €·Kg-1). Finalmente se plantea como propuesta de negocio viable un modelo participativo para la inversión y gestión del prototipo, donde la agroindustria asuma los costes evitados y la agricultura asuma parte del subsidio agrícola de la política agraria común, mostrándose una rentabilidad: TIR 5,27% para ambos, además con 15.263 € y 10.570 € de VAN respectivamente. En el tercer capítulo aborda la recolección de la biomasa de algas a través de electrofloculación, con el objetivo de reducir el consumo energético, disminuir el coste del proceso y recuperar el medio de cultivo para ciclos de producción siguientes, reduciendo así la huella hídrica del proceso. Para ello se ensayaron la adicción de cuatro inertes junto con el medio de cultivo a flocular: sepiolita, cal viva, arena y suelo calizo, con el objetivo de incrementar la conductividad eléctrica y así obtener un rendimiento de recuperación de biomasa mayor. Con los cuatro inertes ensayados se obtuvieron recuperaciones de biomasa cercanas al 100%, pero en el caso del empleo de la cal viva la turbidez del medio se vio incrementada, lo que imposibilita la reutilización del medio de cultivo. Por otro lado, se analizó la integración de este proceso de electrofloculación de 379 m3, resultando una instalación fotovoltaica de 3.770 Wp, obteniéndose con esta instalación un coste por biomasa recolectada un 12,10% menor que si el proceso de desarrollase conectado a red. Por último, en el capítulo cuarto se afronta la gestión de las aguas residuales de los núcleos rurales, donde se plantea utilizar esas aguas residuales regeneradas para producir biomasa de algas mediante un sistema de cultivo algas filamentosas sobre soporte sólido. Estas algas han sido aisladas de un entorno agrario, monitorizando su productividad durante un año, obteniendo una relación entre ésta y la integral térmica acumulada. Esta relación ha sido utilizada para la interpolación de los datos de temperatura media diaria en Castilla y León, con objeto de estimar la producción anual potencial en los 5.006 núcleos rurales, considerando el volumen de aguas residuales generadas en cada uno de ellos. De forma paralela, se caracterizó la biomasa de algas producida obteniendo unos contenidos medios de un 8% de lípidos totales, de los cuales 1,06% son omega-3 y 0,50% omega-6, y con un contenido proteico del 34,61%. En Castilla y Léon, con un potencial productivo de biomasa de algas estimado de 6.100 toneladas de biomasa seca anual, se definió mediante un sistema de información geográfica la ubicación óptima de la industria procesadora de esta biomasa para obtener ácidos grasos y proteína. Con estos condicionantes se definieron la inversión, los costes asociados a la gestión de aguas residuales y de transformación. Para abordar la inversión y gestión de las estaciones de tratamiento de aguas residuales se planteó un modelo participativo de negocio entre la industria y las administraciones de los núcleos rurales. Del análisis de sensibilidad en los diferentes escenarios de participación de la industria y las administraciones en la estructura financiera, se desprende que el modelo tiene una rentabilidad entre el 10,28% y 24,77%, correspondiendo un precio equivalente de esta biomasa seca producida de 3,31-5,79 €·Kg-1. Con esta tesis doctoral se demuestra que sistemas de producción de biomasa de algas son sistemas viables técnica y económicamente para la depuración de efluentes residuales, que además constituyen una forma de inversión productiva, recuperando los nutrientes residuales en forma de enmiendas fertilizantes y biomasa para alimentación ganadera. También se demuestra que el modelo de inversión y gestión participativa es una herramienta financiera para mejorar la competitividad del proceso mediante la implicación de todos sus actores. Este modelo puede ser extrapolable en la evaluación de cualquier tecnología innovadora aplicada a la recuperación de los nutrientes residuales.