Biorrefinería de microalgas: una solución sostenible para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial y la valorización energética de la biomasa obtenida

Abstract

La sociedad de hoy en día ha crecido considerablemente y tiene como objetivo la mejora de la calidad de vida. Este crecimiento también ha traído como consecuencia un incremento en la demanda energética basada principalmente en el uso de fuentes no renovables de energía de origen fósil. Sin embargo, el impacto a nivel ambiental que ha tenido lugar ha obligado a idear e investigar otras fuentes energéticas más limpias para mitigar los impactos ambientales que la producción energética implica. Desde hace más de 50 años se empezó a investigar en el uso de combustibles más verdes que presentasen la misma eficiencia de los combustibles de origen fósil, pero empleando materias primas de origen biológico para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera; es así como se pensó en el biodiésel como una posible alternativa que con el paso de los años ha demostrado su potencialidad a nivel automotor y ambiental. Sin embargo, siguen siendo escasos los países que verdaderamente han cambiado su matriz energética y que han alcanzado a cubrir las metas de los Objetivos de Desarrollo Sostenibles (ODS) previstas para el 2030. En la intensa búsqueda de materias primas para la obtención de biocombustibles, los microorganismos, y en especial las microalgas, se presentan como una alternativa de materia prima interesante por las múltiples ventajas asociadas a su fácil crecimiento en diferentes cuerpos de agua y condiciones climáticas; sin embargo, a escala industrial, las biorrefinerías basadas en microalgas presentan problemas en las diferentes etapas de la producción para obtener volúmenes de biocombustibles que puedan reemplazar la demanda que hoy en día se cubre con los combustibles de origen fósil. Además, los balances energéticos y económicos de las biorrefinerías basadas en microalgas presentan problemas en las diversas etapas implicadas que requieren de mucha energía y que globalmente, hacen que resulte un proceso más costoso en comparación con la refinería tradicional del petróleo. La etapa de cultivo representa una fase crucial para la obtención de biomasa de microalgas; sin embargo, el uso de grandes volúmenes de agua potable ha hecho que se busquen alternativas de menor impacto ambiental. Este inconveniente ha sido parcialmente subsanado con el uso de aguas residuales que permite, además, abordar la biorremediación del agua empleada, lo que constituye por sí mismo un objetivo fundamental de sostenibilidad ambiental. Por otra parte, el secado constituye una etapa importante para la obtención de la biomasa de microalgas y la posterior extracción de productos de mayor valor añadido, pero su elevado requerimiento energético afecta el balance energético de toda la biorrefinería. Pese a la búsqueda de opciones que limiten o sustituyan por completo la etapa de secado, las alternativas planteadas (secado solar, rotatorio, de flujo cruzado, por frío, asistido por microondas, etc.) siguen siendo costosas para la producción a escala industrial. Otras investigaciones han estudiado la opción de trabajar con la biomasa húmeda para evitar las etapas de secado; y, aunque a escala piloto han tenido buenos resultados, a escala industrial sigue siendo una opción que afecta el rendimiento de los productos de interés. En el caso estudiado de una biorrefinería para la obtención de biocombustibles líquidos como el biodiésel, será necesario la extracción de los lípidos; otro de los cuellos de botella en las biorrefinerías de microalgas se encuentra en el uso de disolventes orgánicos que son tóxicos para el hombre y el ambiente; por lo que se ha trabajado en la búsqueda de disolventes más respetuosos con el medioambiente e igualmente efectivos para la extracción de los lípidos. En general, para que una biorrefinería de microalgas sea eficiente, se requiere de la obtención de la mayor cantidad posible de bioproductos de alto valor añadido para tratar de igualar en eficiencia, energía y coste a la refinería del petróleo; por ello el uso de la biomasa microalgal debe ser integral y orientado al aprovechamiento de toda la biomasa, y así reducir o eliminar por completo la generación de residuos con miras a la economía circular en este tipo de instalaciones. Varios países de la Unión Europea y América del Norte han participado activamente en la investigación y desarrollo de las actuales biorrefinerías del mundo; sin embargo, en Latinoamérica la realidad es que el desarrollo de las biorrefinerías es incipiente, basado en el uso de biomasa de segunda y tercera generación. En Ecuador, la producción de energía a partir de fuentes renovables no convencionales se centra en el uso de bagazo de caña de azúcar, leña, palma aceitera y piñón, que representan tan solo el 2 % de la energía generada en el país. El objetivo principal de este trabajo doctoral es desarrollar una biorrefinería basada en el uso de microalgas para el tratamiento de tres tipos de aguas residuales de origen industrial y la producción de biomasa de dos especies de microalgas en fotobiorreactores expuestos a la intemperie. Conectado con este objetivo, otro propósito fundamental del presente trabajo es la obtención de biodiésel a partir de los lípidos y ácidos grasos libres (AGL) extraídos de la biomasa algal para la valorización de dicha biomasa....