Valoración de un consorcio de microalgas y bacterias: comparación de métodos convencionales y nuevos métodos de extracción asistida

Abstract

The microalgae biomass grown in wastewater becomes an interesting renewable raw material able to metabolize the nutrients of waste streams and transform them into high added products such as proteins and carbohydrates. Despite the actual interest in the use of this biomass to improve de viability of conventional wastewater treatment processes, the research carried out on the fractional valorization of these macrocompounds is still very scarce. In the present work, a comparison of several conventional methodologies is developed (chemical hydrolysis, enzymatic hydrolysis and pretreatments coupled with enzymatic hydrolysis) against novel methodologies of enzymatic hydrolysis assisted by ultrasound and microwaves for the solubilization and recovery of macrocompounds, such as proteins and carbohydrates, from a consortium of Scenedesmus almeriensis-bacteria cultivated in a thin-film photobioreactor fed with manure wastewater. The acid hydrolysis with HCl 2M at 120ºC enhanced the carbohydrates solubility (86,6%) with high fermentable monosaccharide recoveries (60.7%). The alkaline hydrolysis with NaOH 2M at 120ºC achieved almost complete solubilization of the biomass components with high solubilization (88.3%) and recovery yields (61.5%) of proteins with peptide size less than 11 kDa, but with high carbohydrates losses. The enzymatic hydrolysis with proteases gave raise to moderate carbohydrates recoveries (14.9%) and peptides (17.6%), while the addition of cellulases to the enzymatic cocktail achieved an improvement in the yields of proteins, although, in both cases, the sizes of the recovered peptides were found in the range of 20-135 kDa. The secuencial application of pretreatments (bead mills or ultrasound) coupled with enzymatic hydrolysis with proteases improved the solubilization of carbohydrates (35%) and proteins (28.2%) of the biomass but, the recovery yields obtained were within the range obtained only with enzymatic hydrolysis with proteases in a single stage (15% and 24%). Finally, regarding the novel enzymatic hydrolysis methods with proteases and the cocktail of proteases and cellulases, the use of microwaves enhanced the release of carbohydrates with a maximum yield of 57.9% and 56.2% respectively, while ultrasounds enhanced the release of proteins up to 49.6% and 44.5% with recovered peptides sizes greater than 48 kDa. In both cases, the yields were much higher than those of the individual enzymatic hydrolysis using a single stage, despite the fact that it was operated with treatment times of only 1h. The presence of bacteria in this biomass could be related to the high losses obtained.

La biomasa de microalgas cultivada en aguas residuales resulta ser un interesante material renovable capaz de metabolizar los nutrientes de los residuos y transformarlos en productos con valor añadido como son las proteínas y los carbohidratos. A pesar del reciente interés en el empleo de esta biomasa para mejorar la viabilidad de los procesos convencionales del tratamiento de aguas residuales, la investigación desarrollada sobre la valorización fraccionada de sus macrocomponentes es aún muy escasa. En el presente trabajo se desarrolla una comparación de diferentes metodologías convencionales (hidrólisis química, enzimática y pretratamientos acoplados a hidrólisis enzimática) frente a nuevas metodologías de hidrólisis enzimática asistida por ultrasonidos y microondas en la solubilización y recuperación de macrocomponentes, proteínas y carbohidratos, a partir de un consorcio de Scenedesmus almeriensis-bacterias cultivado en un fotobiorreactor de capa fina alimentado con aguas residuales de purines de cerdo. La hidrólisis ácida con HCl 2M a 120ºC potenció la solubilización de carbohidratos (86.6%) con altas recuperaciones de monosacáridos fermentables (60.7%). La hidrólisis alcalina con NaOH 2M a 120ºC consiguió una solubilización casi completa de los componentes de la biomasa con una alta solubilización (88.3%) y recuperación (61.5%) de proteínas con tamaños de péptidos inferiores a 11 kDa, pero con elevadas pérdidas de carbohidratos. La hidrólisis enzimática con proteasas dio lugar a recuperaciones moderadas de carbohidratos (14.9%) y péptidos (17.6%) mientras que la adición de celulasas al cóctel enzimático consiguió una mejora en los rendimientos de proteínas aunque los tamaños de los péptidos recuperados se encontraron en el rango de 20 – 135 kDa. La aplicación secuencial de pretratamientos (molienda o ultrasonidos) acoplados a la hidrólisis enzimática con proteasas dio lugar a un incremento en la solubilización de carbohidratos (35%) y proteínas (28.2%) de la biomasa pero finalmente las recuperaciones obtenidas se encontraron dentro del rango obtenido únicamente con hidrólisis enzimática con proteasas en una única etapa (15% y 24%) Finalmente, en relación a los novedosos métodos de hidrólisis enzimática con proteasas y combinación de proteasas con celulasas asistidos, el uso de microondas potenció la liberación de carbohidratos con un rendimiento máximo de 57.9% y 56.2% a mientras que la asistencia con ultrasonidos potenció la liberación de proteínas en un 49.6% y 44.5% con péptidos recuperados con tamaños superiores a los 48 kDa. En ambos casos, los rendimientos fueron muy superiores a los de las hidrólisis enzimáticas individuales empleando una única etapa, a pesar de que se operó con tiempos de tratamiento de tan solo 1h. La presencia de bacterias en esta biomasa podría estar relacionada con las elevadas pérdidas registradas.