Estudio sobre la viabilidad técnica de biorefinerías de Opuntia ficus-indica

Abstract

El objetivo principal de este proyecto es poner de manifiesto los beneficios potenciales generados por la planta denominada Nopal o Chumbera (Opuntia ficus-indica), como una biomasa capaz de suministrar múltiples productos: alimentos y otros productos de interés para los sectores farmacéutico y de productos cosméticos; al mismo tiempo que su cultivo puede generar beneficios al medio ambiente como la recuperación de suelos no productivos, la captura de CO2 del aire y una gestión altamente eficiente de recursos hídricos y nutritivos.

Se describe primero el marco de ideas de la Bioeconomía Circular y los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Y se continúa con una breve descripción de la planta, su Historia y taxonomía, describiendo sus mecanismos de adaptación al medio, beneficios y servicios al medio ambiente. La introducción termina con el desarrollo comercial y los diferentes productos, sus características y beneficios.

El trabajo plantea una valorización integral del Nopal en una instalación de biorefinería, en la que se hace énfasis en el aprovechamiento de todas las corrientes de proceso, y en la recuperación energética de la biomasa residual para producir biogás. Se definen los posibles productos y los procesos para su obtención, planteando obtener los productos de mayor valor y calidad posibles utilizando los menores insumos posibles que sean de fácil adquisición e intentando que se generen residuos en menor proporción y del menor impacto ambiental posible.

Para el aprovechamiento energético de los residuos se describe el proceso de digestión anaerobia, su microbiología en fases y los parámetros que se deben considerar y monitorear. Se describen brevemente los tipos de biodigestores disponibles y se hace una caracterización del biogás del sustrato (Opuntia ficus-indica) a través de la recolección de distintas experiencias de investigación y comerciales. Se realiza un balance de materia para conocer las escalas de producción requeridas en cada caso, y también un balance energético para estimar los beneficios teóricos de realizar la digestión anaeróbica de nopales.

Se concluye que son viables las biorefinerías a partir del género Opuntia, ya que existen alternativas de productos tanto para a alimentación como para la industria que pueden ser obtenidos de manera eficiente mediante: a) la utilización de los residuos de nopal de los procesos para su digestión anaerobia, obteniendo biogás en cantidades que permiten la cogeneración de energía eléctrica y calor requeridos para su procesamiento; y b) la recirculación del diestato (tanto sólido como líquido) hacia el cultivo permiten la implantación de biorefinerías en zonas áridas y semi-áridas con poca fertilidad y escasez de agua, es importante estudiar a detalle las variedades que se escojan en función de los productos de valor en el mercado local; así como la definición detallada de los equipos que se utilizarán en cada caso, la implicación social de las comunidades y el impacto que se puede generar a nivel económico, social y ambiental.

The main objective of this project is to highlight the potential benefits generated by the “Nopal” or “Chumbera” (Opuntia ficus-indica) plant, as a biomass cupable of supplying multiple products: food and other products for the pharmaceutical and cosmetics industries. At the same time its cultivation can generate benefits to the environment such as the recovery of non-productive soils, the capture of CO2 from the air and a highly efficient management of water and nutritional resouces.

The ideas of Circular Bioeconomy and Sustainable Development Goals are described first as framework, to continue with a brief description of the plant, its History and taxonomy, describing its envioronmental adaptation mechanisms, as well as its benefits and services to the environment. The introduction ends with the commercial development of different products, describing their characteristics and benefits.

The work proposes an integral valorization of Nopal in biorefinery facility, whitch emphasizes the use of all process currents, and the energy recovery of residual biomass to produce biogas. The definition of the possible products and processes for obtaining them consider the highest value and quality while using the lowest possible inputs esaily avaliable and trying to generate waste in a smaller proportion and with the lowest possible environmental impact.

The anaerobic digestion process, its microbiology phases and the parameters to consider and monitor are described next. Followed by a brief description of the types of biodigesters ans a characterization of biogas and it’s Opuntia ficus-indica substrate is made throught the collection of different research and commercial experiencies. To finish chapter 3, a mass balance to know the production scales required in each case ans an energy balance is carried out to estimate the theorical benefits of performing anaerobic digestion.

It is concluded that biorefineries from Opuntia are viable, since there are efficient alternatives for products for both food and industry that can be obtained by: a) the use of waste from the processes for it’s anaerobic digestion to obtain a biogas in quantities that allow the cogeneration of required electrical energy and heat; and b) the digestate recirculation (both solid and liquid) to the crop allows the implantation of biorefineries in arid and semi-arid areas with low fertility and water scarcity. In any case, it is important to study in detail the chosen varieties based on the valued products in the local market; as well as the detailed definition of equipment in each case, the social involment of the communities and the economic, social and environmental impacts.