Extracción sostenible de macronutrientes de biomasa generada en plantas de tratamiento de aguas residuales

Abstract

El incremento de la demanda de agua y de la generación de residuos debido al aumento de la población mundial, ha impulsado la búsqueda de soluciones sostenibles para la valorización de la biomasa generada en plantas de tratamiento biológico de aguas residuales ricas en nutrientes y materia orgánica. En este trabajo se ha estudiado la extracción de macronutrientes, especialmente proteínas, a partir de dos tipos de biomasa: microalgas de la especie Scenedesmus almeriensis cultivadas en purines de cerdo, y fangos secundarios procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR). Estas biomasas son ricas en proteínas y carbohidratos. El estudio se centra en la aplicación de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) para la extracción de proteínas a partir de estas biomasas. Se utilizó el NADES betaína:urea:agua (1:2:1), tanto en procesos de extracción directa como su combinación con sistemas bifásicos acuosos (ATPS), como alternativa sostenible a los disolventes orgánicos convencionales. Se estudió el efecto de cuatro factores en el proceso de extracción (tipo de extracción, pretratamiento de biomasa, temperatura y tiempo), evaluando las variables respuesta: rendimiento de extracción de proteínas (%PRY) y de carbohidratos (%CRY), con el objetivo de maximizar la obtención de proteínas y, simultáneamente, minimizar la coextracción de carbohidratos para separar ambos componentes. Los resultados se analizaron mediante un análisis de varianza (ANOVA), identificando que el tipo de extracción, la temperatura y el tiempo son los factores más influyentes en la recuperación de proteínas para la biomasa microalgal mientras que, para la biomasa de fangos, los factores significativos fueron el tipo de extracción y la temperatura. Bajo condiciones óptimas de extracción, se alcanzó un rendimiento de extracción de proteínas del 31.57% para la biomasa microalgal, y del 26.03% para la biomasa de fangos. Finalmente, se construyeron modelos matemáticos con buen ajuste predictivo para las variables respuesta para ambas biomasas. Estos resultados muestran que los ATPS basados en NADES son una técnica prometedora, eficiente y respetuosa con el medio ambiente para la extracción selectiva de compuestos de alto valor añadido.

The increase in water demand and waste generation due to the increase in the world population has prompted the search for sustainable solutions for the valorization of waste biomass generated in water treatment plants. In this work we have studied the extraction of macronutrients, especially proteins, from two types of biomass: microalgae of the genus Scenedesmus almeriensis grown on pig slurry, and secondary sludge from urban wastewater treatment plants (WWTP). The study focuses on the application of natural deep eutectic solvents (NADES) for protein extraction from biomass grown in wastewater treatment plants. NADES betaine:urea:water (1:2:1) was used both in direct extraction processes and in combination with aqueous biphasic systems (ATPS) as a sustainable alternative to conventional organic solvents. The effect of four factors in the extraction process (type of extraction, biomass pretreatment, temperature and time) was studied by evaluating the response variables: protein (%PRY) and carbohydrate (%CRY) extraction yield. The results were analyzed by analysis of variance (ANOVA), identifying that extraction type, temperature and time are the most influential factors in protein recovery for microalgal biomass under the conditions analyzed; while, for sludge biomass, the significant factors were extraction type and temperature. Under optimal extraction conditions, a protein recovery yield of 31.57% was achieved for microalgal biomass and 26.03% for sludge biomass. Finally, mathematical models with good predictive fit were constructed for the response variables and both biomasses. These results show that NADES-based ATPS is a promising, efficient and environmentally friendly technique for the selective extraction of high value-added compounds.