Production of microalgae biomass coupled to treatment of pig slurry

• Autores: Martina Ciardi
• Directores de la Tesis: José María Fernández Sevilla (codir. tes.), Cintia Gómez Serrano (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 219
• Títulos paralelos:
  • Producción de biomasa de microalgas acoplada al tratamiento de purines de cerdo
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: riUAL
• Resumen
  • español

    Los problemas ambientales a los que se enfrenta la sociedad hoy en día son el resultado de una insuficiente conciencia ecológica que solo recientemente está cambiando. La escasez de agua a la que nos enfrentamos, el aumento de la población mundial, y la gestión no adecuada de los residuos que generan las actividades antrópicas, como la ganadería y la agricultura intensiva, están generando consecuencias negativas sobre el medio ambiente y sobre nuestra salud. Las directivas europeas y el concepto de economía circular, apuntan a soluciones sostenibles para afrontar dichos problemas medioambientales como la gestión de residuos de difícil tratamiento; por ejemplo, aquellos generados en la ganadería industrial. En concreto los purines de cerdo representan un enorme desafío dada la cantidad producida y su elevada toxicidad. El uso de procesos biológicos basados en microalgas para depurar purines porcinos se ha propuesto como una estrategia sostenible y con potencial de implementación industrial. Estos procesos forman parte de las tecnologías eco-amigables que incentiva la Unión Europea y ya han sido demostrados a pequeña escala. Estos procesos se basan en el hecho de que las microalgas son capaces de consumir los nutrientes contenidos en los purines, minimizando así el impacto ambiental derivado de su inadecuado vertido. Por ejemplo, el nitrógeno y el fósforo, ambos presentes en grandes cantidades en los purines de cerdo, son esenciales para el crecimiento de estos microorganismos. Además, su uso tiene una segunda gran ventaja que es la producción de biomasa algal de valor, que puede ser utilizada para aplicaciones agrícolas o incluso piensos para animales. Sin embargo, el alto contenido en materia orgánica y elevada turbidez de los purines obliga a diluirlos con agua antes de introducirlos en los fotobiorreactores donde se lleva a cabo el crecimiento microalgal. Además, este tipo de procesos no han sido adecuadamente optimizados ni se han sentado las bases para su posible desarrollo industrial. El principal objetivo de esta Tesis es demostrar la viabilidad tecnológica de la biorremediación de purines de cerdo utilizando microalgas. La demostración del proceso se realizó a una escala pre-comercial utilizando la microalga Scenedesmus almeriensis, una microalga que crece fácilmente en la región de Almería y que tiene potencial para ser utilizada en la elaboración de piensos o como bioestimulante agrícola. Un segundo objetivo de esta Tesis es la de incrementar la sostenibilidad del proceso mediante la minimización del consumo de recursos, especialmente agua. Para ello, se siguieron diferentes estrategias entre las que cabe destacar el uso de cubiertas para minimizar la evaporación o la reutilización del medio de cultivo tratado para la dilución de los purines a su entrada al reactor, ambas destinadas a reducir el consumo global de agua. El trabajo realizado en esta tesis ha permitido demostrar en primer lugar que es posible utilizar la microalga S. almeriensis para recuperar nutrientes a partir de los purines de cerdo. Los resultados obtenidos demostraron que se pueden alcanzar productividades de 0,68 g·L -1 ·día -1 operando los reactores en semi-continuo, con concentraciones de N-NH 4 + de hasta 183,6±0,5 mg·L -1 , utilizando purines frescos de cerdo sin pretratamientos previos. Además, se observó que, debido a su elevada turbidez, la disponibilidad de luz era un factor determinante a la hora de producir las microalgas utilizando purines. Se concluyó por ello que el uso de reactores de capa fina, poco estudiados pero que permiten maximizar la luz recibida, sería una alternativa adecuada a los reactores raceway tradicionalmente utilizados en la producción de microalgas. En segundo lugar, se validaron los resultados obtenidos en el laboratorio utilizando un fotobiorreactor de escala piloto. Para ello, se utilizaron reactores de capa fina o tipo thin layer de 30 m 2 . Los resultados de estos experimentos confirmaron que la microalga S. almeriensis era capaz de crecer en reactores sujetos a las condiciones ambientales variables durante un año completo; además, se optimizo la cantidad de purines tratados y las condiciones de operación que permiten maximizar el rendimiento del sistema. Una de las conclusiones obtenidas fue que el consumo de agua del proceso es elevado. Este consumo viene dado principalmente por las altas tasas de evaporación que se dan en los reactores abiertos y el agua necesaria para la dilución inicial de los purines. En tercer lugar, se trabajó en la reducción del consumo de agua. Los ensayos realizados demostraron que el uso de cubiertas plásticas, una estrategia no utilizada hasta ese momento, podría reducir la evaporación del agua en un 40%. Sin embargo, la atenuación de la luz incidente en el cultivo, producida por la cubierta, redujo la productividad en un 15, 17, y 8% en invierno, primavera y verano respectivamente. A pesar de ser un resultado prometedor, la evaporación no es la principal fuente de consumo de agua. Por este motivo, se combinó el uso de cubiertas plásticas para evitar la evaporación con la reutilización del efluente en salida del cultivo para la dilución de los purines. Se utilizaron distintos porcentajes de recirculación (0%, 25%, 50% y 75%) y se validó el proceso durante 16 meses. Se observó que los altos porcentajes de reutilización de efluentes aumentaban la turbidez y el color del medio causando efectos negativos sobre la productividad. En verano con mayor disponibilidad de luz, la productividad de biomasa disminuyó de 22 g·m -2 · día -1 en ausencia de recirculación a 20 y 17 g·m -2 · día -1 cuando se trabajó con una tasa de recirculación del efluente de 50 y 75% respectivamente. La recirculación del efluente redujo el requerimiento de agua para la producción de biomasa de 900-1.000 a 600-700 L·kg -1 , dependiendo de la época del año. En cuanto a la cantidad de agua necesaria para producir 1 kg de biomasa, el efecto combinado de la cobertura del fotobiorreactor y la recirculación del efluente dio lugar a una reducción cercana al 50%. En conclusión, este trabajo demuestra la viabilidad técnica de utilizar microalgas, en concreto S. almeriensis , para reducir el impacto ambiental de los purines de cerdos utilizando únicamente agua para diluirlos y reducir su turbidez. Este trabajo también ha demostrado que es posible reducir hasta un 40% las pérdidas de agua por evaporación utilizando cubiertas plásticas en los fotobiorreactores abiertos. Por otro lado, la reutilización de los efluentes del reactor para la dilución de los reactores fue la estrategia que contribuyo en mayor medida a la minimización del consumo de agua. Sin embargo, dado que esta estrategia acumula compuestos no deseados e incrementa la turbidez, se ha demostrado que trabajar con tasas de recirculación superiores al 50% puede ser contraproducente. Esto dependerá de cada proceso dada la gran variabilidad de la composición y las características físicas de los purines.

  • English

    The environmental problems we face today stem from a lack of environmental awareness, which has only recently become more apparent. Water scarcity, the increasing global population, and poor management of waste generated by human activities such as intensive farming and agriculture are leading to negative consequences for the environment and therefore for our health. European directives and the concept of a circular economy aim to provide sustainable solutions to environmental problems such as managing difficult-to-treat waste, for example, those generated in industrial livestock farming. Specifically, pig slurry represents a significant challenge due to its large quantity and high toxicity. Many authors have proposed the use of biological processes based on microalgae for purifying pig slurry as a sustainable strategy with industrial implementation potential.

    Microalgae are part of eco-friendly technologies encouraged by the European Union and have already been demonstrated at the laboratory scale. Microalgae are capable of obtaining nutrients from slurry, thus minimizing their environmental impact. For instance, nitrogen and phosphorus, both present in large quantities in pig slurry, are essential for the growth of these microorganisms. Moreover, their use has a second major advantage, which is the production of valuable algal biomass that can be subsequently used to produce agricultural products or even animal feed. However, their high organic content and high turbidity require dilution with water before introduction into photobioreactors where microalgal growth occurs.

    The main objective of this thesis was to demonstrate the technological feasibility of pig slurry bioremediation using microalgae. The process demonstration was carried out on a pre-commercial scale using Scenedesmus almeriensis, a microalga that grows easily in the Almeria region and has the potential for use in feed production or as an agricultural biostimulants. The second objective of this thesis was to increase process sustainability by minimizing freshwater consumption. Various strategies were followed, including the use of plastics to minimize evaporation or the reuse of treated culture medium for diluting the slurry upon entry into the reactor, both aiming to reduce water losses.

    Initial experiments were performed in the laboratory. At controlled conditions, it has been demonstrated the possibility of using the microalga S. almeriensis to recover nutrients from pig slurry.

    Results demonstrated that it is possible to achieve productivities of 0.68 g·L-1·day-1 by operating the reactors in semi-continuous mode, with NH4 + concentrations up to 183.6±0.5 mg·L-1, using fresh pig slurry without any pre-treatment.

    Additionally, it was observed that, due to its high turbidity, light availability was a determining factor in microalgae production using slurry. Therefore, it was concluded that thin-layer reactors, which allow maximizing the received light, would be a suitable alternative to traditional microalgae reactors.

    Secondly, the results obtained in the laboratory were validated using a pilot-scale photobioreactor.

    Thin-layer reactors of 30 m2 were used. Results show that the microalga S. almeriensis was able to grow using reactors subject to changing ambient conditions for a full year. Moreover, the operational conditions were optimized to maximize the load of pig slurry to be treated. One of the conclusions drawn from this work was that the process consumes a significant amount of water. This consumption is mainly due to the high rates of evaporation in open reactors and the water required for the initial dilution of the slurry.

    To reduce the water consumption of the process, different strategies were analysed. Results demonstrate that the use of plastic covers, an unused strategy until that point, could reduce water evaporation by 40%. However, the attenuation of incident light on the culture caused by the cover reduced productivity by 15%, 17%, and 8% in winter, spring, and summer respectively. Despite being a promising result, evaporation is not the main source of water consumption. Therefore, plastic covers to prevent evaporation were combined with the reuse of effluent at the outlet of the culture for diluting the slurry. Different percentages of recirculation (0%, 25%, 50%, and 75%) were used, and the process was validated for 16 months. It was observed that high percentages of effluent reuse increased turbidity and colour of the medium, causing negative effects on productivity. In summer, with higher light availability, biomass productivity decreased from 22 g·m-2·day-1 in the absence of recirculation to 20 g·m-2·day-1 and 17 g·m-2·day-1 when operating with effluent recirculation rates of 50% and 75% respectively. Effluent recirculation reduced the water requirement for biomass production from 900- 1.000 to 600-700 L·kg-1, depending on the season. Regarding the amount of water needed to produce 1 kg of biomass, the combined effect of photobioreactor covering and effluent recirculation resulted in a reduction of nearly 50%.

    In conclusion, this work demonstrates the technical feasibility of using microalgae, specifically S.

    almeriensis, to reduce the environmental impact of pig slurry by solely using water to dilute and reduce its turbidity. This work has also shown that water losses due to evaporation can be reduced by up to 40% using plastic covers in open photobioreactors. However, reusing reactor effluents for manure dilution was the strategy that most significantly contributed to minimizing water consumption.

    Nevertheless, since this strategy increases turbidity, it has been demonstrated that, generally, working with effluent recirculation rates higher than 50% can be counterproductive. This will depend on each process due to the large variability in the composition and physical characteristics of the slurry.