Aprovechamiento integral de la macroalga invasora Rugulopteryx okamurae: obtención de compuestos bioactivos, bioenergía en forma de biogás y biofertilizantes

Abstract

En el año 2015 apareció de forma masiva en las costas de Ceuta el alga parda Rugulopteryx okamurae (Dictyotales, Ochrophyta). Lo que provocó que en el año 2020 fuera considerada como una especie invasora por la Unión Europea. Desde entonces, el alga R. okamurae se ha expandido rápidamente a lo largo del Mediterráneo causando un impacto ambiental sin precedentes. Paralelamente, la búsqueda de tecnologías más sostenibles capaces de competir con los productos derivados de los combustibles fósiles aboga por el uso de biomasas de origen natural por su potencial para la producción energética y para la obtención de compuesto de alto valor. Entre estas biomasas, las macroalgas han destacado como biomasas de tercera generación. Desde la perspectiva de la economía circular, la digestión anaerobia (DA) es considerada un proceso altamente eficaz. La comunidad microbiana involucrada en el proceso convierte el sustrato en biogás (rico en metano) y en un efluente rico en nutrientes. Sin embargo, las macroalgas presentan algunos inconvenientes que no permiten una digestión eficiente: baja relación C/N y presencia de compuestos difícilmente degradables o inhibitorios. Esta Tesis propone y evalúa el aprovechamiento integral de la especie invasora R. okamurae. Inicialmente, se aplicaron pretratamientos térmicos y mecánicos, buscando la rotura de la pared celular del alga y la descomposición de compuestos difícilmente degradables, como la celulosa cristalina. El mayor rendimiento en metano fue obtenido tras la aplicación del pretratamiento térmico de 120 oC durante 45 min y tras el pretratamiento mecánico asistido con zeolita, sin observarse diferencias significativas entre ambos (240 - 250 NLCH4 kg-1 VS). Posteriormente, se evaluó el impacto del ciclo de vida de esta especie en el sistema de DA, pretratando la biomasa según los resultados anteriores. El mayor rendimiento en metano se obtuvo a partir del alga de arribazón fresco pretratada mecánicamente con zeolita (219 (15) NLCH4 kg-1 VS), lo que señala al uso de zeolita como una alternativa económica frente a otros tratamientos. Debido a la baja ratio C/N de la macroalga, se planteó la co-DA con un co-sustrato rico en C, como el alperujo (el mayor residuo derivado del proceso de producción de aceite de oliva por el sistema de dos fases). El rendimiento en metano más alto se obtuvo para la mezcla 1 R.o. – 3 OMSW (C/N = 24.7) (450 (70) NLCH4 kg-1 VS), mejorando la producción de metano de la macroalga y del alperujo por separado. En un siguiente estudio, se optimizó el proceso de extracción de azúcares reductores y compuestos fenólicos con capacidad antioxidante mediante la metodología de superficie-respuesta. El punto óptimo se encontró para la biomasa secada a 100 oC y molida durante 60 s en ausencia de zeolita. Además, se estudió la producción de metano del residuo extractado producido. El rendimiento en metano más alto fue obtenido para las muestras doblemente extractadas (140 – 150 NLCH4 kg-1 VS) sin diferencias significativas entre el tipo de biomasa (natural y de arribazón) o el orden de los dos disolventes usados (etanol y agua). Para cerrar el ciclo del modelo circular aquí propuesto, el digestato derivado del proceso de DA se evaluó como fertilizante en el crecimiento de la especia mediterránea Avena strigosa. Dos digestatos anaerobios, derivados de la biomasa pretratada térmica y mecánicamente, fueron utilizados en el ensayo. Así se comprobó que ambos digestatos podrían ser usados efectivamente como fertilizantes en el cultivo de avena, obteniendo una eficiencia de producción similar (pretratamiento mecánico) o mayor (pretratamiento térmico) al de un fertilizante inorgánico.

Although it was in 2002 in France when the brown seaweed Rugulopteryx okamurae (Dictyotales, Ochrophyta) was observed for the first time in the Mediterranean Sea, it wasn´t until 2015 at Ceuta when its drastic appearance was considered as an invasion of European concern (2020). Since then, R. okamurae has spread through the Mediterranean Sea and beyond extremely quick causing an unprecedented ecological impact. Additionally, global warming has drove the scientific efforts to look for greener technologies able to compete with fossil-fuel alike-products. In this context, natural biomasses are considered promising feedstocks for energy production and for added-value compound generation. Among these biomasses, macroalgae have drawn the attention over the last decade as a third-generation feedstock, reaching a global production of circa 24 million tons in the 2022 season. Within this circular and greener perspective, anaerobic digestion (AD) is known as a promising technique. The microbial community involved in the process degrades the substrate into a biogas (enriched in CH4) with energy value and into a nutrient-rich effluent with soil applications. However, macroalgae present some drawbacks that do not allow for an efficient AD performance: low C/N ratio and the presence of non-degradable compounds, which led to the inhibition of the AD process. A more comprehensive review of the specific scientific bibliography and the context and motivation of the present Thesis is presented in Chapter 1. In order to avoid the issues related to macroalgae as feedstock for the AD process, some alternatives have been proposed and evaluated in this Thesis. As a first start point, the algal biomass was subjected to conventional thermal pretreatments and a new developed mechanical pretreatment based on the use of zeolite during the milling process. These treatments are generally focused on the breakdown of the alga cell wall and the decomposition of, otherwise, non-easily biodegradable components, such as crystalline cellulose. Results and discussions are further shown in Chapter 4. The highest methane yield was obtained by the conventional thermal pretreatment at 120 oC for 45 min and by the zeolite-assisted mechanical pretreatment with no significant differences (240 - 250 NLCH4 kg-1VS). Following these findings, the impact on the AD performance of the R. okamurae’ life-cycle was assessed in the Chapter 5. Algal biomass at different stages of its natural cycle (i.e. Fresh R. okamurae from off-shore deep waters in its natural stage; Fresh ashore R. okamurae immediately collected once the biomass reaches the beach; Dried ashore R. okamurae collected from the beach 5 months since the arrival) were collected and subjected to the AD process: i) untreated; ii) thermally pretreated at 120 oC for 45 min; iii) zeolite-assisted mechanically pretreated. In this study, a significant amount of heavy metals was found in all the studied samples, which could explain the lower methane yields. Nevertheless, the highest methane yield was obtained from the mechanically pretreated fresh ashore biomass (219 (15) NLCH4 kgVS-1), which presents the assitance of zeolite during milling as an economical alternative for heavy metal toxicity reduction.