Anaerobic digestion of microalgae biomass for volatile fatty acids production. Digestion anaerobia de microalgas para la producción de ácidos grasos volátiles

Resumen

La digestión anaerobia (DA) puede reducirse tras las etapas fermentativas para producir ácidos grasos volátiles (AGVs). El principal interés de estos compuestos (ácido acético, propiónico, (iso)butírico, (iso)valérico y caproico), actualmente obtenidos petroquímicamente, radica en su valor añadido con respecto al biogás y sus aplicaciones en la industria química. Las condiciones operacionales y el microbioma para obtener AGVs a partir de microalgas son aún desconocidos. La novedad de este trabajo, además del uso de microalgas como sustrato, es la optimización de las condiciones operacionales del reactor. Además se requiere la inhibición de los microorganismos metanogénicos. Durante la metanogénesis, las arqueas contribuyen a la degradación de los AGVs y por lo tanto, han de ser evitados. El objetivo principal fue el uso de Chlorella sp pretratada con proteasas para producir AGVs. Se siguieron dos estrategias; acondicionar el fango anaerobio mediante pretratamientos y optimizar las condiciones operacionales a implementar en los digestores. Primero se realizaron fermentaciones en modo discontinuo (BCPs) para posteriormente, confirmar los resultados en modo semicontinuo. El acondicionamiento del inóculo en BCPs dio lugar a altos rendimientos con pretratamiento térmico). Sin embargo, al implementar esta estrategia en modo semicontinuo los resultados no evidenciaron mejoras con respecto al control. La segunda estrategia se centró en la optimización de las condiciones operacionales: temperatura, pH, carga orgánica (CO), tiempo de retención hidráulica (TRH) y configuración del reactor (de mezcla completa (CSTR) y de flujo ascendente (UASB)). Además, se analizó el microbioma anaerobio para obtener información sobre las especies involucradas en la producción de AGVs. En BCPs, los mejores rendimientos fueron a temperaturas mesófilas y psicrófilas y valores de pH neutro y ácido. Sin embargo, en modo semicontinuo los resultados obtenidos demostraron que a 25ºC se alcanzó una mayor conversión con respecto a 35ºC. Del mismo modo, se evaluó el efecto del TRH, demostrando que un TRH de 8 días fue adecuado para mantener el rendimiento de conversión. Posteriormente, se identificó la CO que no debería sobrepasarse para no desequilibrar el sistema y causar una disminución en la conversión. La conversión se mantuvo hasta 9 y 12 g DQO/Ld. Sin embargo, un nuevo aumento afectó negativamente al proceso. Con el objetivo de desacoplar TRH y SRT, se evaluó la operación de un reactor UASB a 25ºC. A baja CO y TRH se obtuvo alta biometanización. Por el contrario, a mayor CO la conversión a AGVs alcanzó niveles similares a los mostrados en el CSTR. El análisis microbiano mostró que el filo Firmicutes fue el más abundante (CSTR y UASB), seguido de Bacteroidetes/Actinobacteria, que presentaron redundancia funcional. La diversidad de especies en el proceso para producción de AGVs fue menor que para reactores que producen biogás. Además, el uso de un mismo inóculo en reactores con diferente configuración (CSTR vs UASB) resultó en un desarrollo de diferentes poblaciones microbianas. La vía hidrogenotrófica destacó en los CSTRs y UASB, mientras que la vía acetoclástica dominó a bajas cargas orgánicas en el UASB.Para concluir, las microalgas se confirmaron como un sustrato competitivo para obtener AGVs, alcanzando rendimientos de conversión similares a otros sustratos. El uso de TRHs bajos (6 y 8 días), temperaturas psicrófilas (25ºC) y COs altas (9 g DQO/Ld) en reactores CSTR y UASB favorecen la conversión a AGVs. La presencia de Firmicutes destacó en ambos reactores, jugando un papel fundamental en la fermentación anaerobia para la producción de AGVs.