Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

La sed de energía y alimentos del mundo a menudo tira en direcciones opuestas. El cultivo de plantas para combustible requiere vastas extensiones de tierra y cantidades inmensas de agua, recursos que de otro modo podrían alimentar a las personas o sostener los ecosistemas naturales. Al mismo tiempo, los desechos generados por la agricultura y la industria —como el estiércol de los animales— se acumulan, creando problemas ambientales si no se gestionan cuidadosamente. Los científicos han observado durante mucho tiempo a los organismos unicelulares diminutos llamados microalgas como un posible puente entre estos desafíos. Estas plantas microscópicas pueden crecer rápidamente, absorbiendo dióxido de carbono y convirtiendo la luz solar en aceites, proteínas y azúcares valiosos. Si pudieran cultivarse de forma económica y eficiente, podrían proporcionar una fuente sostenible de biocombustible y alimento para animales sin competir con los cultivos alimentarios por la tierra. Sin embargo, un obstáculo importante ha sido siempre el costo de la sopa de nutrientes líquidos, o medio de cultivo, necesaria para alimentarlas. Los métodos tradicionales dependen de ingredientes costosos fabricados químicamente, lo que hace que la producción a gran escala sea económicamente difícil.

Un equipo de investigadores en México se propuso ver si podían reemplazar estas mezclas sintéticas costosas con algo mucho más accesible: los subproductos líquidos del tratamiento de residuos. Se centraron en dos tipos específicos de fluidos derivados de desechos. El primero provenía del vermicompostaje, que es esencialmente suelo enriquecido por lombrices de tierra que descomponen la materia orgánica. El segundo provenía de digestatos, los restos líquidos después de que las bacterias han descompuesto el estiércol de vaca y cerdo en un entorno sin oxígeno. Los científicos querían saber si estos fluidos de desecho podrían nutrir a un tipo específico de microalga, Chlorella vulgaris, igual de bien que, o incluso mejor que, las mezclas estándar de laboratorio. Cultivaron las algas en frascos que contenían estos diferentes líquidos y midieron cuidadosamente cuánto crecieron las algas, qué nutrientes almacenaron dentro de sus células y si los aceites que producían podían convertirse en biodiésel de alta calidad.

Los resultados mostraron que los fluidos basados en desechos no solo eran alternativas viables; en varios casos, superaron al estándar sintético costoso. La mezcla más exitosa fue una combinación de digestato de estiércol de vaca y de cerdo. Cuando las algas fueron cultivadas en este fluido combinado, produjeron un 43 por ciento más de biomasa que aquellas cultivadas en el medio sintético estándar. Más importante aún para la producción de combustible, las algas en este fluido de estiércol mixto almacenaron un 159 por ciento más de lípidos, que son las grasas que pueden convertirse en biodiésel. Otro fluido, derivado de un digestor universitario a gran escala que procesa todo tipo de estiércol de ganado, produjo la mayor concentración de lípidos de todos, superando al estándar sintético en un 172 por ciento. Los investigadores también descubrieron que las algas cultivadas en estos fluidos de desecho acumularon significativamente más proteínas y carbohidratos, lo que sugiere que estos organismos estaban prosperando gracias a los complejos nutrientes presentes en los desechos.

Más allá de la simple cantidad de crecimiento, la calidad de las algas cambiaba dependiendo de lo que comían. Los investigadores analizaron los ácidos grasos dentro de las células de las algas para ver qué tipo de combustible podrían producir. Encontraron que los medios basados en desechos fomentaban que las algas produjeran una variedad más amplia de ácidos grasos en comparación con el medio sintético. Por ejemplo, las algas cultivadas en el fluido de estiércol mixto produjeron nueve tipos diferentes de bloques de construcción de ácidos grasos, mientras que las algas en el fluido sintético produjeron solo cuatro. Esta diversidad es crucial porque los diferentes ácidos grasos determinan cómo funcionará el combustible final. El estudio calculó la calidad probable del biodiésel que podría obtenerse de estos aceites de algas. Encontraron que el combustible derivado del vermicompostaje y de los digestatos de un solo tipo de estiércol cumplían con los cinco estándares internacionales de calidad para el biodiésel. En contraste, el combustible del medio sintético cumplía solo con cuatro de los cinco estándares. Específicamente, el biodiésel derivado del digestato de estiércol de vaca mostró una estabilidad y una calidad de ignición excepcionales, lo que lo convierte en un candidato particularmente fuerte para la producción de combustible.

El estudio también destacó que no todos los fluidos de desecho funcionan de la misma manera. Mientras que el fluido de estiércol mixto impulsó el crecimiento general y la producción de grasa, el fluido de estiércol de vaca puro resultó en la menor cantidad de crecimiento de algas. Los investigadores sugirieron que esto se debía probablemente a que el fluido de estiércol de vaca era tan oscuro que bloqueaba la luz solar que las algas necesitaban para la fotosíntesis. Este hallazgo subraya que el simple uso de desechos no es una solución mágica; la composición específica del desecho importa enormemente. El color oscuro de algunos fluidos puede dificultar el crecimiento, mientras que el equilibrio de nutrientes en otros puede potenciarlo. Los investigadores concluyeron que el mejor enfoque depende del resultado deseado. Si el objetivo es producir la mayor cantidad de combustible posible, el digestato de estiércol mixto o el digestato a escala universitaria son las opciones superiores. Si el objetivo es producir un combustible de alta calidad y muy estable, el digestato de estiércol de vaca es el más prometedor, a pesar del menor crecimiento general.

Estos hallazgos apuntan hacia un futuro donde la gestión de residuos y la producción de energía trabajen juntas de manera fluida. Al utilizar los restos líquidos de la agricultura y el compostaje para alimentar las microalgas, es posible convertir un problema de eliminación en un recurso. El estudio demuestra que estos medios alternativos pueden soportar un crecimiento robusto y una producción de aceite de alta calidad sin el alto costo de los productos químicos sintéticos. Este enfoque se alinea con los principios de una economía circular, donde los desechos de un proceso se convierten en el combustible de otro. Aunque la investigación se realizó a pequeña escala en un laboratorio, los resultados sugieren que escalar esto podría ofrecer un camino sostenible para la producción de biocombustibles y alimento para animales, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y los fertilizantes químicos, al tiempo que se limpian los desechos agrícolas.