Aprovechamiento de un efluente cervecero para la obtención de biomasa microalgal.

Abstract

La producción de cerveza genera una gran cantidad de efluentes en diferentes etapas del proceso. La carga orgánica total de los efluentes puede ser consumida de manera parcial por las microalgas, representando una ventaja adicional en el tratamiento de estas corrientes para el vertido. Así mismo, la biomasa obtenida tiene diversas posibles aplicaciones debido a su composición bioquímica. Sin embargo, no hay trabajos reportados de cultivo de Chlorella vulgaris en efluentes con alta carga de carbono; ni de Scenedesmus quadricauda utilizando efluente cervecero. El objetivo de la tesis fue estudiar la producción de dos microalgas utilizando un efluente cervecero para la formulación del medio de cultivo. Se utilizaron para el presente trabajo dos microalgas autóctonas del país, no axénicas: C. vulgaris y S. quadricauda. El efluente cervecero fue provisto por una cervecería de la provincia de Buenos Aires. Para ambas microalgas se determinaron los valores iniciales óptimos de demanda química de oxígeno (DQO) y pH que maximizaron el crecimiento celular, mediante el uso de diseños experimentales. Para S. quadricauda se estudió adicionalmente la necesidad de suplementación con sales presentes en el medio de mantenimiento. Posteriormente se procedió al escalado de los cultivos en aproximadamente un orden de magnitud. El sistema propuesto para el escalado de C. vulgaris fue en modo batch y en oscuridad total, con medio compuesto por efluente y agua destilada; mientras que el sistema de S. quadricauda fue escalado en modo fed-batch por pulsos con iluminación (fotoperíodo de 12 horas con intensidad lumínica de 50 μmol.m−2.s−1 PAR), con medio compuesto por efluente, agua y suplementación de citrato amónico férrico, alimentado cada 6 días. Se caracterizaron los parámetros cinéticos y la composición química de la biomasa. En cuanto a la aplicación de la biomasa obtenida, C vulgaris fue estudiada como bioestimulante para el crecimiento de plantas mientras que los lípidos extraídos de S. quadricauda fueron analizados para caracterizar su perfil nutricional. Los valores iniciales de DQO y de pH que maximizaron el crecimiento de C. vulgaris, fueron 18300 mg O2/L y 6,5. C. vulgaris mostró una velocidad específica de crecimiento de 0,232±0,010 h-1 para el biorreactor tanque agitado. La concentración final de biomasa obtenida fue 1,08 g/L, conteniendo 33 %; 27 %; 8 %; 0,42 % y 0,25 % de proteínas, lípidos, carbohidratos, clorofila a y carotenoides, respectivamente. En los ensayos para evaluar los efectos similares a fitohormonas, la biomasa en concentración de 2 g/L mostró efectos similares a las auxinas en cuanto al desarrollo Aprovechamiento de un efluente cervecero para la obtención de biomasa microalgal

10 de raíces en semillas; mientras que para el desarrollo de raíces en cotiledones, mostró efectos a partir de 0,5 g/L. Los valores iniciales de DQO y de pH que maximizaron el crecimiento de S. quadricauda a todos los tiempos medidos, fueron 3075 mg O2/L y 7,25. De la evaluación de la necesidad de suplementación, se encontró que tanto el nitrato de sodio y el sulfato de magnesio, como el citrato amónico férrico (solubilizado con EDTA disódico) tuvieron efectos significativos en el crecimiento de la microalga. S. quadricauda mostró rangos de velocidades específicas de crecimiento de cada pulso entre 0,03 y 0,32 d-1 para el biorreactor tanque agitado. La concentración final de biomasa obtenida fue 1,68 g/L, conteniendo 32 %; 27 %; 4 %; 0,17 % y 0,10 % de proteínas, lípidos, carbohidratos, clorofila a y carotenoides; respectivamente. El perfil de ácidos grasos, expresado en % de ácidos grasos respecto a ésteres metílicos fue: monoinsaturados 27,6 %; poliinsaturados 27,3 %; saturados 21,9 %; no identificados 23,4%, resultando similar a los de aceites como maíz, palma, canola, soja; con buenas relaciones entre ácidos grasos omega-3 y omega-6 respecto a los saturados. Se concluyó que ambas microalgas pudieron adaptarse y crecer satisfactoriamente a los medios formulados a base del efluente cervecero. Se pudieron caracterizar los parámetros cinéticos y la composición bioquímica. Fue posible escalar satisfactoriamente la producción de ambas microalgas hasta una capacidad de trabajo nominal de 3 L. C. vulgaris pudo ser cultivada en régimen heterotrófico, con alto de contenido de carbono en el medio, y sin necesidad de suplementación ni iluminación. S. quadricauda requirió de iluminación y suplementación con citrato amónico férrico. La biomasa de ambas cepas, obtenida aprovechando el efluente cervecero, podría ser utilizada como bioestimulante para el crecimiento de plantas o como fuente de aceites comestibles con un adecuado perfil nutricional. De este modo, se recircularían los nutrientes del efluente cervecero para la producción de nuevos insumos.

Beer manufacturing industry produces a large amount of wastewater along the different process stages. Microalgae are able to partially consume the organic material load in the effluents, representing an additional advantage in wastewater treatment prior to discharge. The obtained biomass may be suitable to diverse application due to its biochemical composition. Nonetheless, there are not published works about Chlorella vulgaris growing in high carbon load wastewater, neither about Scenedesmus quadricauda cultivated in brewery effluent. The aim of this thesis was to study the production of two microalgae using a brewery wastewater in the culture media formulation. Two non-axenic autochthonous microalgae were used for this work: C. vulgaris and S. quadricauda. The wastewater was provided by a brewery in Buenos Aires province. For both strains were determined the optimal initial values of chemical oxygen demand (COD) and pH that maximised the cell growth, using statistical experimental designs. For S. quadricauda, was further studied the need for supplementation with the salts used in the maintenance medium. Then, the culture scaling was carried out in approximately one magnitude order. The scaled C. vulgaris system was in batch mode with total darkness, with a medium composed by effluent and distilled water; while the S. quadricauda system was scaled up in fed-batch mode by pulses with lighting (12 h photoperiod with light intensity of 50 μmol.m−2.s−1 PAR), with a medium composed by the effluent, water and ammonium ferric citrate supplementation, fresh fed every 6 days. The biomass kinetic parameters and chemical composition were characterised. Regarding the application of the obtained biomass, C. vulgaris was studied as plant growth bio-stimulant, while the lipids extracted from S. quadricauda were analysed for a nutritional profile characterisation. Initial COD and pH values that maximised C. vulgaris growth were 18300 mg O2/L and 6.5. C. vulgaris showed a specific growth rate of 0.232±0.010 h-1 for the stirred tank bioreactor. The final biomass concentration achieved was 1.08 g/L; containing 33 %, 27 %, 8 %, 0.42 %, and 0.25 % of proteins, lipids, carbohydrates, chlorophyll a and carotenoids, respectively. In phytohormoneslike effect assays, the biomass in a 2 g/L concentration showed auxin-like effects regarding to root development, while the effects on cotyledon developing roots were observed from 0.5 g/L of biomass concentration.

12 The initial COD and pH values that maximised S. quadricauda growth at all measure times were 3075 mg O2/L and 7.25. In addition, it was found that sodium nitrate, magnesium sulfate, as well as ferric ammonium citrate (solubilized with disodium EDTA) had significant effects on the microalgae growth. The specific growth rate ranges showed by S. quadricauda for each pulse, were in the range 0.03 and 0.32 d-1 for the stirred tank bioreactor. The biomass final concentration achieved was 1.68 g/L, containing 32 %, 27 %, 4 %, 0.17 %, and 0.10 % of proteins, lipids, carbohydrates, chlorophyll a, and carotenoids; respectively. The fatty acid profile, expressed as % fatty acids respect to methyl esters, was: monounsaturated 27.6 %; polyunsaturated 27.3 %; saturated 21.9 %; unidentified 23.4 %, turning out to be similar to the profiles of some vegetable oils such as corn, palm, canola, soybean; and showing good omega-3 and omega-6 fatty acids ratios related to saturated ones. It was concluded that both microalgae were able to adapt and grow satisfactorily to the brewery effluent-based formulated media. It was possible to characterise the kinetic parameters and the biochemical composition. The production scaling up was satisfactory for both strains, up to a 3 L nominal work capacity. C. vulgaris was able to grow in a heterotrophic regime, with a high carbon content medium, and without supplementation. S. quadricauda required light and supplementation with ferric ammonium citrate. The microalgae biomass, obtained by taking advantage of the brewing wastewater, could be used as a biostimulant for plant growth or as a source of edible oils with an adequate nutritional profile. In this way, the brewery effluent nutrients would be recirculated to the obtaining of new inputs.