Biorrefinería basada en la generación de ácidos grasos volátiles y biohidrógeno a partir de biosólidos: alternativas de mejora

Abstract

La presente Tesis Doctoral se centra en la aplicación de distintas estrategias de operación, analizando su influencia en las diferentes fases del proceso de un sistema anaeróbico de separación en fases de temperatura (TPAD). Estas posibles modificaciones del proceso buscan favorecer la obtención de diferentes subproductos de valor añadido: efluentes ricos en ácidos orgánicos, con posibilidades de uso en producción de precursores de bioplásticos, así como vectores energéticos (biohidrógeno y biometano). En el desarrollo del estudio se parte de la co-digestión de biosólidos y vinazas bajo un enfoque de biorrefinería. Éste se desarrolló en las etapas experimentales de un proyecto de I+D+i perteneciente al Programa Operativo FEDER Andalucía, titulado Integración de la Biorrefinería Anaerobia en el Tratamiento de Co digestión de Biosólidos y Residuos Agroalimentarios 2020-2023 (Ref: FEDER-UCA18 107460), financiado por la Unión Europea, dentro del Programa Operativo FEDER 2014 2020, y por la Consejería de Transformación Económica, Industria, Conocimiento y Universidades de la Junta de Andalucía. El trabajo experimental desarrollado se puede dividir en dos grupos de estudios, en uno se analiza la influencia de los pre-tratamientos y en otro de variables de operación como el tiempo de retención hidráulico (TRH) y tiempo de retención de sólidos (TRS). Los estudios focalizados en los pre-tratamientos, se pueden subdividir en dos fases secuenciales. La primera de ellas fue la aplicación del pre-tratamiento con ozono, el uso de nanopartículas de hierro encapsuladas en carbono y su combinación, al reactor acidogénico (primera etapa del TPAD), y estudiar su influencia en la producción de biohidrógeno, ácidos grasos volátiles (AGV) y características del efluente. En una segunda fase, el efluente de cada escenario fue sometido a ensayos de potencial de producción de biometano (BMP), para observar la influencia de estas estrategias en la producción de metano. De forma paralela, el efluente procedente de la fermentación oscura, tras su paso por un sistema de membrana, previamente optimizado, permitió la obtención de un permeado a partir del cual se evaluó el potencial de producción de polihidroxialcanoatos (PHA). El resultado global del estudio ha sido la determinación del grado mejora en la producción de los diferentes subproductos, tras la aplicación de estas estrategias. Adicionalmente, estos estudios se han complementado con el análisis de producción de otro ácido orgánico como el ácido láctico (LA), precursor de bioplásticos (poliácido láctico, PLA), con la aplicación de otros tipos de estrategias de mejora como el pre tratamiento de cavitación y la adición de un biocatalizador comercial compuesto por extracto de levadura. El resultado de este estudio determina el grado de mejora de producción de LA a partir de estas herramientas. En un segundo grupo de estudios, se abordó el efecto de las condiciones de operación, basándose en los TRH y TRS más adecuados. Éste también se puede subdividir en dos fases secuenciales. La primera de ellas fue la aplicación de diferentes combinaciones de TRH y TRS en el reactor acidogénico, evaluando la producción de biohidrógeno y AGV en cada escenario, así como las características del efluente. Y, en una segunda, los efluentes procedentes del reactor acidogénico operado a diferentes TRH y TRS, fueron utilizados para ensayos BMP, para observar la influencia de estas variables de operación en la producción de biometano. El resultado global del estudio ha sido la determinación del TRH y TRS óptimo para la producción de cada subproducto. La presente Tesis Doctoral se ha estructurado en cinco capítulos. En el primero de ellos se realiza la justificación de la investigación realizada y se describen los objetivos planteados. En el segundo capítulo se exponen los principales antecedentes bibliográficos del trabajo presentado. En el tercero se describen la metodología, los equipos y los principales materiales utilizados durante la fase experimental. El cuarto capítulo esta subdividido en siete subapartados, cada uno de ellos correspondiente a los distintos estudios experimentales realizados, presentados en formato de artículo científico en inglés. Estos subapartados se corresponden y dan respuesta a los diferentes objetivos planteados en el primer apartado. Los dos primeros subapartados se centran en el primer objetivo, estudiando la influencia en la fermentación oscura del pre-tratamiento con ozono, la adición de las nanopartículas y la combinación de ambas. Los otros cinco subapartados dan respuesta al objetivo segundo, en el que se optimizan las variables de operación TRH y TRS en la fermentación oscura y su posterior influencia en la fase metanogénica (segunda etapa del TPAD). Así como la influencia de los pre tratamientos en la fase metanogénica y el potencial del efluente de la fermentación oscura para la producción de precursores de bioplásticos. Finalmente, el quinto capitulo corresponde a las Conclusiones Generales de la Tesis Doctoral.