Bioproductos, bioenergía y regeneración de aguas mediante cultivos de microalgas

La agricultura es el sector económico que más agua utiliza a nivel mundial, alcanzando consumos de más de un 70% del agua disponible en la región Mediterránea. La agricultura actual se basa en la aplicación de grandes cantidades de fertilizantes y plaguicidas en los cultivos y suelo agrícola, que pueden alcanzar finalmente cuerpos de agua superficial y subterránea. La eutrofización por drenaje agrícola es actualmente un problema de escala mundial y los plaguicidas se han erigido como contaminantes orgánicos de alto impacto ecotoxicológico. Sin embargo, este grave problema de contaminación puede representar una oportunidad en el contexto de la economía circular. Los nutrientes presentes en las aguas de drenaje agrícola se pueden aprovechar para producir microalgas, y a partir de éstas diferentes bioproductos y bioenergía. Dentro de este campo, las investigaciones realizadas por el grupo de Ingeniería y Microbiología del Medio Ambiente (GEMMA) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) se han materializado con la construcción de una planta demostrativa en 2017 dentro del marco del proyecto INCOVER, financiado por la Comisión Europea mediante el programa H2020 (INCOVER, GA 689242).

Cultivo de microalgas, tratamiento de agua y reutilización

El proceso de cultivo de microalgas tiene lugar en 3 fotobiorreactores tubulares de 11,7 m3 que reciben un caudal de entre 2,3 y 6,9 m3/d provenientes de drenaje agrícola (85%) y agua residual doméstica parcialmente tratada en una fosa séptica (15%), para aumentar así la cantidad de nutrientes (Figuras 1 y 2). Los fotobiorreactores son sistemas de aprovechamiento de la energía solar a través de la fotosíntesis de las microalgas que crecen en ellos. La biomasa producida se emplea en procesos posteriores.

La separación y recolección de la biomasa de microalgas se realiza en un decantador lamelar de 0,675 m3, y posteriormente en dos espesadores gravitatorios de 0,2 m2 cada uno. Para mejorar el proceso de sedimentación, se añaden dosis minúsculas de policloruro de aluminio (2-5 mg Al3+/L) con objeto de que al final la biomasa espesada tenga una concentración mínima de 20 g/L. El agua clarificada (turbidez< 5 UNT) a su vez se envía a un proceso de filtración solar que incluye un prefiltro de anillas, un filtro de arena a presión, un cartucho de membranas de ultrafiltración y desinfección por radiación UV. Todo este proceso funciona exclusivamente con energía fotovoltaica. El efluente de la filtración solar es agua de calidad casi potable con una turbidez de menos de 1 UNT (Figura 3). Dicha agua pasa a continuación por unas columnas de adsorción para eliminar fósforo, reteniéndolo en un medio específico adsorbente del que se podrá recuperar posteriormente. El agua efluente de estas  columnas tiene concentración indetectable de fósforo. Finalmente, el agua se usa para regar 250 m2 de tierra de cultivo plantada con colza y girasoles. El riego se controla de forma automática e inteligente mediante sensores de temperatura y humedad, y una plataforma de toma de decisiones. De esta forma, la planta permite aprovechar aguas de drenaje agrícola y nutrientes para producir biomasa de microalgas a partir de la cual se obtienen bioproductos (biofertilizante y bioplástico), bioenergía (biometano), fósforo y agua regenerada. Se espera que este proyecto represente un paradigma para promover e impulsar la economía circular, al poner de manifiesto la posibilidad de crear un mercado de productos derivados de materiales residuales.

Digestión de microalgas, purificación de biogás y secado del digestado

La digestión anaeróbica permite transformar la energía solar fijada por las microalgas en energía química (biogás). Cada día se bombean 20-40 L de microalgas desde el espesador a un tanque de pretratamiento, donde se calientan a 75 °C durante 10 horas para solubilizar la biomasa. Posteriormente pasan a un digestor de 800 L de capacidad, produciendo hasta 250 L/d de biogás. Este biogás se purifica en una columna de absorción de 4,5 m de alto, en la que se hace pasar agua de uno de los fotobiorreactores durante el día.  El aumento de pH durante las horas de sol (debido a la actividad fotosintética de la biomasa) permite que el CO2 del biogás se solubilice mejor, obteniendo así un biogás enriquecido en metano al 99%.

El digestato se bombea a un humedal artificial de 6 m2 para su secado. La reducción de la humedad del digestato tiene lugar por percolación del agua a través del medio granular y por la evapotranspiración de las plantas (macrófitos). 

Bioproductos: biofertilizante y bioplástico

La biomasa de microalgas producida en los fotobiorreactores es también la fuente para obtener otros bioproductos como biofertilizantes o bioplásticos.  El biofertilizante se obtiene en el humedal artificial, tras el secado del digestato. Tiene un aspecto similar a un compost pero es de una calidad muy superior, dado su contenido elevado en fitohormonas como las auxinas y las citoquininas, y en bioplaguicidas. Se trata por tanto de un producto que se puede comercializar como bioestimulante con un precio elevado de mercado. En la planta del proyecto INCOVER se consiguen 175 kg de biofertilizante al año, aplicables en unas 30 ha.

La producción de bioplástico a partir de biomasa supone un reto científico y técnico de gran envergadura. En primer lugar, es necesario seleccionar en los fotobiorreactores microalgas procariotas denominadas cianobacterias, las únicas con esta capacidad de síntesis. Para ello, las concentraciones de nitrógeno y fósforo y su relación másica se controlan estrictamente. En segundo lugar, hay que enriquecer los fotobiorreactores con carbono para que las cianobacterias puedan acumular polihidroxibutirato (PHB). Este polímero posee propiedades plásticas similares a las del plástico tradicional, representando una alternativa cada vez más sólida a éste y posibilitando también la creación de nuevas vías de mercado. Su utilización incluye desde envases y embalajes, hasta otras piezas plásticas cotidianas (carcasas de móviles, piezas de automóviles, etc.). Actualmente, la producción de bioplástico está limitada a cultivos puros de cianobacterias en medios estériles, por lo que los costes de producción son elevados y aún no suficientemente competitivos. En el proyecto INCOVER se está desarrollando un método de producción de PHB más sostenible mediante la utilización de aguas de drenaje agrícola.

Bioenergía: biometano

El origen de la bioenergía es la energía solar captada y fijada por las microalgas, que la almacenan en su biomasa en forma de energía química. El biogás producido por la digestión anaeróbica de las microalgas se puede utilizar de diversas maneras: en un motor de generación de energía eléctrica, en una caldera para la producción de calor o como combustible en vehículos o cocinas.

En la planta INCOVER se producen unos 160 L de biogás cada día, siendo sus usos potenciales estimados los siguientes:

• Su conversión en electricidad permitiría mantener encendidas 10 bombillas (de 5 W cada una) durante 8 horas cada día.

• Mediante una caldera, se podrían calentar aproximadamente 45 litros de agua al día, desde temperatura de red (unos 15 ° C) hasta agua caliente sanitaria (unos 35 ° C).

• La utilización directa como combustible gaseoso permitiría suministrar energía a un coche para hacerlo recorrer aproximadamente 3 km. También se podría hacer funcionar una cocina durante aproximadamente 50 minutos al día.

La producción energética del proceso global planteado en el proyecto INCOVER es modesta, y por lo tanto debe entenderse como un beneficio adicional al resto de productos que se obtienen. No obstante, se trata de una limitación de escala, dado que estudios realizados por el grupo GEMMA indican que una planta depuradora de microalgas para 10.000 habitantes sería energéticamente autosuficiente.

Cabe mencionar que para la utilización del biogás en vehículos o para inyectarlo en la red, hay que enriquecerlo en metano (99%), y se han de eliminar las trazas de productos corrosivos como el ácido sulfhídrico. Este gas enriquecido en metano o biometano, se obtiene en el proyecto INCOVER gracias a la columna de absorción explicada anteriormente. 

Agua para reutilización

El agua que se obtiene al final del proceso es de muy buena calidad y puede ser usada para riego agrícola. Tiene una turbidez de menos de 1 UNT y ausencia virtual de microorganismos indicadores de la contaminación. Análisis adicionales de plaguicidas indican que éstos han sido eliminados durante los diferentes procesos. Lógicamente, el agua producida se puede usar en diferentes tipos de cultivos, pero en el proyecto INCOVER se usa concretamente para regar campos de cultivos energéticos de colza (Figura 5) y girasoles. 

En definitiva, la planta demostrativa construida en el marco del proyecto INCOVER permite aprovechar aguas de drenaje agrícola y nutrientes para producir biomasa de microalgas, a partir de la cual se obtienen  bioproductos como biofertilizante, bioplástico, además de bioenergía (biometano), fósforo y agua regenerada. Este proyecto representa un cambio de paradigma, utilizando el agua residual agrícola como un recurso en sí mismo y no como un desecho, y promoviendo e impulsando la economía circular mediante la posibilidad de crear un mercado con los diferentes bioproductos obtenidos. Además, no podemos olvidar la alta eliminación de contaminantes orgánicos como los plaguicidas, dando respuesta a un problema a escala global como es la eutrofización.

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