Estudio del efecto de la aplicación de ultrasonidos sobre la biodegradabilidad anaerobia de diferentes especies de microalgas

Abstract

[ES] En la última década se ha incrementado el interés por producir energía a través de la producción de biogás a partir de la digestión anaerobia de las microalgas, ya que se trata de un proceso menos complejo y más directo que la producción de biodiésel. Sin embargo, este proceso no aprovecha toda la materia orgánica de las microalgas si las células tienen una pared celular resistente que permanece intacta, haciendo necesario el uso de pretratamientos para llegar a romperla o dañarla y, así mejorar la producción de biogás. Uno de los pretratamientos más utilizados es la aplicación de ultrasonidos que consiste en ciclos de rápida compresión y descompresión de las ondas sónicas, que generan microburbujas que son comprimidas hasta su mínimo e implosionan produciendo calor, radicales libres, altas presiones, ondas de choque y, finalmente, rompen la pared celular. El pretratamiento con ultrasonidos promueve la rotura de la pared celular de las microalgas y la solubilización de la materia orgánica; sin embargo, los resultados dependen de la especie de microalgas y de las condiciones del pretratamiento, especialmente la energía específica aplicada. Este trabajo estudia la aplicación de ultrasonidos como pretratamiento para romper la pared celular de cuatro especies de microalgas (Monoraphidium braunii, Scenedesmus obliquus, Chlorella vulgaris y Chlamydomonas reinhardtii) y una muestra real proveniente del fotobiorreactor de la EDAR del Carraixet. El objetivo es aumentar su biodegradabilidad, valorando el efecto conseguido mediante una visualización al microscopio, y cuantificando la producción de biogás tras una digestión anaerobia (en ensayos en discontinuo de laboratorio). Finalmente se ha modelizado las curvas de producción de metano obtenidas para comprobar si siguen cinéticas de primer o segundo orden y también se ha realizado una valoración energética del pretratamiento, para determinar si el incremento en la producción de biogás (producida por el pretratamiento) compensa el gasto energético del mismo.

[CA] En l'última dècada s'ha incrementat l'interés per produir energia a través de la producció de biogàs a partir de la digestió anaeròbia de les microalgues, ja que es tracta d'un procés menys complex i més directe que la producció de biodièsel. No obstant això, este procés no aprofita tota la matèria orgànica de les microalgues si les cèl·lules tenen una paret cel·lular resistent que roman intacta, fent necessari l'ús de pretractaments per a arribar a trencar-la o danyar-la i, així millorar la producció de biogàs. Un dels pretractaments més utilitzats és l'aplicació d'ultrasons que consistix en cicles de ràpida compressió i descompressió de les ones sóniques, que generen microbambolles que són comprimides fins al seu mínim i implosionen produint calor, radicals lliures, altes pressions, ones de xoc i, finalment, trenquen la paret cel·lular. El pretractament amb ultrasons promou la ruptura de la paret cel·lular de les microalgues i la solubilització de la matèria orgànica; no obstant això, els resultats depenen de l'espècie de microalgues i de les condicions del pretractament, especialment l'energia específica aplicada. Este treball estudia l'aplicació d'ultrasons com a pretractament per a trencar la paret cel·lular de quatre espècies de microalgues (Monoraphidium braunii, Scenedesmus obliquus, Chlorella vulgaris i Chlamydomonas reinhardtii) i una mostra real provinent del fotobiorreactor de l'EDAR del Carraixet. L’objectiu és augmentar la seua biodegradabilitat, valorant l'efecte aconseguit per mitjà d'una visualització al microscopi, i quantificant la producció de biogàs després d'una digestió anaeròbia (en assajos en discontinu de laboratori). Finalment s'ha modelitzat les corbes de producció de metà obtingudes per a comprovar si seguixen cinètiques de primer o segon orde i també s'ha realitzat una valoració energètica del pretractament, per a determinar si l'increment en la producció de biogàs (produïda pel pretractament) compensa el gasto energètic del mateix.

[EN] In the last decade the interest in producing energy through biogas production from anaerobic digestion of microalgae has increased, as it is a less complex and more direct process than the biodiesel production. However, this process does not take advantage of all organic matter of microalgae if the cells have a tough cell wall that remains intact, requiring the use of pretreatments to break or damage it and thus improve biogas production. One of the most used pretreatments is the application of ultrasound consisting in rapid compression and decompression cycles of sonic waves, which generate microbubbles that are compressed to their minimum and implode producing heat, free radicals, high pressure, shockwaves and, finally, damaging the cell wall. Ultrasound pretreatment promotes microalgae cell wall disruption and organic matter solubilization; however, the results depend on the microalgae species and pretreatment conditions, particularly the specific energy applied. This work studies the application of ultrasounds as a pretreatment method to break the cell wall of four species of microalgae (Monoraphidium braunii, Scenedesmus obliquus, Chlorella vulgaris and Chlamydomonas reinhardtii) and a real sample from the photobioreactor from Carraixet wastewater treatment plant. The aim is to increase their biodegradability, assessing the effect achieved by microscopic visualization, and quantifying the production of biogas after anaerobic digestion (in laboratory batch tests). Finally the obtained methane production curves have been modeled to check if their kinetics are for first or second order and it has also performed an energy assessment of the pretreatment, in order to determine whether the increase in the biogas production (produced by the pretreatment) compensates its energy expenditure.