Evaluación de la influencia de condicones de operación y pretratamientos en la digestión anaerobia de microalgas

Resumen

El uso potencial de las microalgas como fuente de biocombustibles y como alternativa para la depuración de aguas residuales, ha generado la necesidad de buscar opciones para aprovechar la biomasa algal generada de modo que se le de un valor agregado a este residuo. Una de las alternativas más prometedoras es la digestión anaerobia del residuo, ya que a través de este proceso se genera metano, se reduce la cantidad de sólidos de la biomasa y se genera un efluente rico en nutrientes (N, P) que luego puede ser usado como fertilizante. En la presente tesis se evaluó la influencia de las condiciones de operación y pretratamientos en la digestión anaerobia de microalgas en ensayos discontinuos y continuos. Durante los ensayos en discontinuo, se evaluaron parámetros clave como la relación sustrato inóculo (RSI), concentración de la microalga y efecto de la co-digestión con lodos de depuradora. Además, parte de las microalgas se sometieron a diferentes pre-tratamientos con el fin de seleccionar una tecnología que permitiera obtener una mayor producción de metano a partir de las microalgas. En la digestión en continuo se evaluó principalmente el efecto de la temperatura de digestión anaerobia y del aumento en la velocidad de carga orgánica (OLR). En el primer estudio se seleccionaron tres microalgas y se evaluó su potencial metanogénico a 35ºC, a tres relaciones sustrato inóculo (RSI) (0.5, 1 y 3 gSValga/gSVinóculo) y tres concentración diferentes (3, 10 y 20 gST/kg). Al tiempo, estas microalgas se sometieron a tres pre-tratamientos: hidrólisis térmica seguida por explosión de vapor, ultrasonidos e hidrólisis enzimática (autohidrólisis). Esta primera evaluación mostró que la RSI óptima para los ensayo en discontinuo era 0.5 gSValga/gSVinóculo y que a menor concentración menor producción específica de metano. La producción final de metano y la biodegradabilidad fueron dependientes de la especie de microalga y mostraron valores entre 141-412 mlCH4/gSV y 20-70%, respectivamente. Los mayores incrementos en la producción de metano se lograron con la hidrólisis térmica y se situaron en 11-62%. En el segundo estudio se evaluó el efecto de la extracción de lípidos en la producción de metano (a 35ºC) de la microalga Nannochloropsis gaditana. Así mismo, esta microalga se sometió a los pre-tratamientos antes mencionados y se realizó un balance energético para determinar la concentración mínima necesaria para que el pre-tratamiento sea autosuficiente energéticamente. Los resultados mostraron que la extracción de lípidos pudo servir como pre-tratamiento para la mejora de la producción de metano. Los aumentos en la producción de metano de la microalga extraída estuvieron entre un 7 y 13% más que la microalga sin extracción de lípidos. El posterior sometimiento de la microalga sin lípidos a pre-tratamientos no generó aumentos significativos en la producción de metano. La hidrólisis térmica fue el pre-tratamiento que generó mayores incrementos en la producción de metano (40 y 15% para la microalga con lípidos y sin lípidos, respectivamente). El balance energético mostró que la concentración mínima requerida para que la hidrólisis térmica de microalgas sea autosuficiente dependerá del potencial metanogénico de la microalga y en el caso específico de la N. gaditana ésta concentración fue de 84 gST/kg Los resultados obtenidos en los ensayos con microalga pre-tratada mostraron que la hidrólisis térmica fue el pre-tratamiento que generó mayores aumentos en la producción de metano. Debido a ello, dos microalgas se sometieron a hidrólisis térmica y se estudió el efecto de la concentración de la microalga (10, 40 y 140 gST/kg), el tiempo de hidrólisis (1, 5 y 15 min) y la temperatura de hidrólisis (110, 140 y 170ºC). Parte de los ensayos se realizaron en paralelo a 35 y 55ºC. Los resultados mostraron incrementos en la producción de metano entre un 7-43% cuando la microalga hidrolizada se digirió a 35ºC y entre un 1-10% cuando se digirió a 55ºC. Además, al igual que la producción de metano, la respuesta a la hidrólisis térmica fue dependiente de la especie de microalga. La temperatura óptima de hidrólisis fue 170ºC y el tiempo de hidrólisis tuvo o no efecto en los valores finales de metano dependiendo de la especie de la microalga. La segunda fase de la investigación se realizó siempre a 35 y 55ºC con el fin de comparar el desempeño de la digestión anaerobia a ambas temperaturas. En un primer ensayo, se digirió la microalga Scenedesmus sp. a tres RSI (0.5, 1 y 3 gSValga/gSVinóculo) y tres concentraciones diferentes (10, 40 y 100 gST/kg). Además, se evaluó el efecto de la hidrólisis térmica en la digestión anaerobia a 35 y 55ºC. Las condiciones de tiempo y temperatura de hidrolisis fueron los valores óptimos obtenidos en ensayos previos (170ºC-15min). Los resultados mostraron que la digestión anaerobia a 35ºC mejoró la producción de metano entre un 32-84%, pero a expensas de mayores concentraciones finales de amonio. La hidrólisis térmica mejoró en un 29% la producción de metano a ambas temperaturas de digestión. La co-digestión con lodos de depuradora (lodo primario, secundario y mixto) se llevó a cabo a 35 y 55ºC y a unas relaciones microalga:lodo iguales a 85:15, 70:30 y 50:50 en base a los sólidos volátiles. La comparación de las producciones de metano de los sustratos puros (microalga y lodo) con las diferentes mezclas, mostró que debido a la similitud en la relación C/N de ambos sustratos, no hubo ningún efecto en la producción final de metano al mezclar ambos sustratos; a excepción de la mezcla con lodo secundario digerida a 55ºC, donde se observó un efecto antagónico. Aun así la co-digestión de ambos sustratos resultó ser viable ya que en caso de mezcla, las producciones finales de metano serán proporcionales a la relación de mezcla. La digestión anaerobia a 35 y 55ºC de la microalga Coelastrum sp. concentrada previa adición de policloruro de aluminio (PAC) y un polielectrolito catiónico mostró aumentos en la producción específica de metano entre un 12-21% con respecto a la microalga concentrada sin la adición de dichos productos. De igual modo, la hidrólisis térmica de la microalga suplementada con PAC y polielectrolito mostró entre 16 y 19% más de producción de metano que su homologa concentrada sin adición de PAC y polielectrolito. Por último, se evaluó la digestión anaerobia en continuo a 35 y 55ºC en dos reactores de igual diseño y operación independiente. Los resultados obtenidos mostraron un desempeño estable y continuo en ambos reactores hasta velocidades de carga orgánica (OLR) cercanas a 2.0 gDQOT/LR¿d y tiempos de residencia (HRT) entre 20 y 22d. A estas condiciones la producción de metano a 35 y 55ºC fueron 0.213 y 0.173 LCH4/gSV, respectivamente. Los aumentos posteriores en la OLR estuvieron siempre acompañados por incrementos en las concentraciones finales de los ácidos grasos volátiles (AGVs) y de amonio (N-NH4¿), a su vez, estos aumentos en la OLR no se vieron acompañados por aumentos proporcionales en las producciones diarias de biogás. El reactor operado a 55ºC mostró mayor inestabilidad a los aumentos de carga. Así mismo, se observaron mayores pH, concentraciones de AGVs y N-NH4¿ en el reactor operado a 55ºC. Se evidenció una inhibición por amoníaco (NH3) debido al pH y los valores de N-NH4¿ alcanzados en ambos reactores, esta inhibición fue mayor en el reactor operado a 55ºC. En cuanto a las propiedades del efluente, ambos reactores mostraron ser pobremente deshidratable.