La industria de los aceites de oliva y el tratamiento de sus aguas residuales mediante bioprocesos combinados basados en operaciones fisicoquímicas y cultivos de microalgas

Resumen

Esta Tesis Doctoral se ha llevado a cabo en los laboratorios del Área de Ingeniería Química del Departamento de Biología Molecular e Ingeniería Bioquímica, de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Este trabajo de investigación ha estudiado la biorremediación de aguas residuales (urbanas e industriales) mediante la combinación de tratamientos fisicoquímicos y cultivos de microalgas. Además, propone nuevos métodos para determinar la estabilidad de los aceites de oliva. España atesora el mayor olivar del mundo, además, es líder mundial en producción, comercialización y exportación de aceites de oliva, lo que se traduce en un enorme valor económico, social, medioambiental y cultural. La vital importancia de la industria oleícola se muestra en que la producción española representa el 60% de la producción total de la Unión Europea y el 45% de la mundial. Sin embargo, esta gran producción de aceites de oliva ha provocado que la industria oleícola se enfrente actualmente a dos importantes desafíos respecto a la gestión de los residuos generados y a la autentificación y trazabilidad de los aceites de oliva. Por un lado, la producción de aceites de oliva genera grandes volúmenes de aguas residuales en las almazaras (ARAs). La composición fisicoquímica de las ARAs se caracteriza por una elevada heterogeneidad y su composición depende del proceso empleado para la extracción del aceite de oliva. Dicho proceso se puede llevar a cabo mediante proceso discontinuo (prensa) o continuo (por centrifugación). A su vez, este último se puede realizar empleando un ‘Decanter’ con dos o tres salidas, siendo el proceso de centrifugación con un ‘Decanter’ de dos salidas (una para el aceite de oliva y otra el alperujo) el utilizado en España. Las ARAs generadas mediante este sistema se caracterizan por poseer un pH ligeramente ácido y una elevada carga orgánica que además de incluir polisacáridos, azúcares, ácidos orgánicos, etc. incluye una alta concentración de compuestos fenólicos, principales responsables de la toxicidad de las ARAs debido a su gran fitotoxicidad y actividad antimicrobiana. Actualmente, la acumulación de las ARAs en grandes balsas con poca profundidad para la evaporación del agua en los meses de verano representa el sistema de gestión más empleado por las almazaras. Sin embargo, este sistema conlleva numerosos inconvenientes tales como la contaminación de aguas subterráneas, la generación de malos olores o la proliferación de insectos. Por todo ello, el tratamiento de estas aguas residuales representa un gran desafío para la industria oleícola. En este trabajo de investigación se propone un novedoso bioproceso basado en la combinación de operaciones fisicoquímicas con el cultivo de microalgas como sistema integral de tratamiento de las ARAs. El objetivo de dicho proceso es la obtención de un agua final de alta calidad que sea apta para su reutilización en actividades industriales, riego o para su vertido directo en cauces naturales. A su vez, la biomasa microalgal resultante es rica en compuestos energéticos por lo que tiene un gran valor económico. Para ello, se han diseñado y ejecutado tres bioprocesos y se ha estudiado la eficacia de cada uno de ellos en el tratamiento de las ARAs, así como en el crecimiento microalgal. El primero de ellos ha consistido en un pretratamiento fisicoquímico primario (floculación-sedimentación, fotólisis con luz UV artificial y microfiltración) seguido del cultivo de Chlorella pyrenoidosa en diferentes concentraciones de ARAs pretratadas. El segundo bioproceso consistió en un tratamiento primario (floculación-sedimentación y microfiltración) seguido del cultivo de Scenedesmus obliquus en diferentes concentraciones de ARAs pretratada. El tercero ha estudiado la combinación de ARAs (pretratadas mediante floculación-sedimentación y fotólisis con luz UV artificial) con aguas residuales urbanas para el tratamiento simultáneo de ambas aguas residuales y la formación de diferentes medios de cultivo para el crecimiento de Chlorella pyrenoidosa. En las tres series experimentales se ha estudiado la composición fisicoquímica de las ARAs a lo largo tanto del tratamiento primario como del cultivo microalgal mediante la determinación de parámetros como los compuestos fenólicos totales (CFTs), el carbono total (CT), el carbono orgánico total (COT), el carbono inorgánico (IC), el nitrógeno total (NT), etc. Además, se ha evaluado la cinética del crecimiento microalgal en base a la velocidad específica máxima de crecimiento y la productividad volumétrica en biomasa, se ha determinado también la composición bioquímica de la biomasa final y la calidad del agua residual tratada final obtenida. Los resultados obtenidos demuestran que la realización de un pretratamiento primario basado en la combinación de unidades fisicoquímicas permite una notable eliminación de sólidos totales, resultando en una gran disminución de compuestos que inhiben el crecimiento microbiano, turbidez y color, lo que facilita notablemente el posterior cultivo microalgal. Además, tanto Chlorella pyrenoidosa como Scenedesmus obliquus fueron capaces de crecer en las ARA como medio de cultivo, obteniendo unos elevados porcentajes de eliminación para diversos parámetros tales como la DQO, COT, CI, NT, etc. La biomasa final obtenida fue rica en carbohidratos, alcanzando valores de hasta el 72,5% (Scendedesmus obliquus) y el 89,2% (Chlorella pyrenoidosa) y lípidos, con valores máximos del 34,2% (Chlorella pyrenoidosa) y 44,9% (Scenedesmus obliquus). Se puede concluir que la combinación de operaciones fisicoquímicas con el cultivo de microalgas constituye un proceso efectivo para el tratamiento de las ARAs, permitiendo la obtención simultanea de agua tratada de alta calidad y biomasa microalgal con alto valor añadido que puede emplearse en la producción de biocombustibles tales como biodiesel y biogás. Por otro lado, el segundo gran desafío al que se enfrenta la industria oleícola está relacionado con la correcta caracterización y autentificación de los aceites de oliva. Actualmente, la dieta mediterránea es difícil de concebir sin este aceite. Su alto contenido en ácidos grasos monosaturados, vitamina E y antioxidantes lo convierten en uno de los aceites vegetales con mayores beneficios para la salud. Esto, junto con sus atributos organolépticos, ha provocado que el interés y consumo de aceite de oliva de alta calidad se expanda a nivel mundial. En este sentido, la calidad del aceite de oliva viene determinada por su composición química, que depende de numerosos factores y que puede verse alterada por procesos térmicos, de oxidación o por prácticas incorrectas durante la extracción o almacenamiento de este. Actualmente, el Consejo Oleícola Internacional, define la calidad de los aceites de oliva en base a cuatro parámetros: la acidez libre, el índice de peróxidos, los coeficientes de extinción ultravioleta y las características sensoriales. Sin embargo, a medida que aumenta el valor del aceite de oliva, también lo hace el riesgo de que se lleven a cabo malas prácticas tales como su incorrecta caracterización, etiquetado y clasificación dentro de los diferentes tipos de aceite de oliva o su adulteración con otros aceites de menor calidad. En este trabajo de investigación, se ha propuesto el empleo de tres técnicas alternativas que permiten la correcta evaluación de la calidad nutricional, el estado de conservación y la estabilidad oxidativa de los aceites de oliva. Concretamente, se han estudiado cuatro aceites de oliva virgen extra de diferentes variedades y se han determinado, en primer lugar, el perfil de ácidos grasos mediante cromatografía de gases. Además, se ha empleado la técnica de Calorimetría Diferencial de Barrido (CDB) para estudiar tanto la calidad como la estabilidad oxidativa de los aceites de oliva cuando estos son sometidos a altas temperaturas. También, mediante espectrofotometría ultravioleta se ha estudiado la presencia de productos primarios y secundarios de la oxidación mediante el cálculo de los coeficientes de extinción ultravioleta (K232 y K270). Los resultados obtenidos revelaron que el ácido oleico fue el más abundante en las cuatro variedades de AOVE estudiadas, con una concentración promedio del 77,1%. Además, la CDB demostró ser un técnica eficiente, rápida, precisa y respetuosa con el medio ambiente que permite tanto la determinación de cambios ocurridos en la composición química del aceite de oliva (a consecuencia de la termo-oxidación) como la determinación de la temperatura de inicio a la oxidación, que permitió confirmar que los cuatro AOVE estudiados poseen una estabilidad termo-oxidativa muy similar. Por último, la determinación de los coeficientes K232 y K270 permitió descartar la presencia de productos de oxidación y confirmar la correcta clasificación de las muestras como AOVE. Finalmente, se puede concluir por tanto que la evaluación del perfil de ácidos grasos, la temperatura de inicio a la oxidación y los valores de K232 y K270, representan un conjunto de parámetros adecuados, precisos y fáciles de determinar para predecir la calidad, el estado de conservación y la estabilidad oxidativa de los aceites de oliva o los aceites vegetales en general.