Evaluación del crecimiento de microalgas con diferentes concentraciones de nutrientes para el tratamiento de aguas residuales de una industria procesadora de olivo Tacna 2018

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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN - TACNA
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Evaluación del crecimiento de microalgas con diferentes concentraciones de nutrientes para el tratamiento de aguas residuales de una industria procesadora de olivo Tacna 2018
Integrantes:
Bryan Quispe Rmos 2015-178033
Efrain Pongo Flores 2015-178023
 Maryluz Mamani 2015-178008
Yohan Rodriguez Huarcaya 2015-178033
 Jean Carlos Lauracio Marca 2015-178033
 Ale Cutipa, Karolay Juana			 2015 - 178020
Docente: Msc. Ronald Ticona Cárdenas
Curso: Biotecnología Ambiental
TACNA – PERÚ
2018
INDICE
Capítulo 1	3
Planteamiento del problema	3
1.1.	Descripción del problema	3
1.2.	Objetivos	4
1.2.1.	Objetivo General	4
1.1.1.	Objetivos Específicos	4
1.3.	Justificación	4
Capítulo 2	5
Marco teórico	5
2.1. Antecedentes	5
2.2. Bases teóricas	7
Capítulo 3	9
Metodología	9
3.1.	Materiales	9
3.2.	Procedimiento	9
Capítulo 4	11
Resultados	11
Capítulo 5	13
Discusión de resultados	13
Capítulo 6	15
Conclusiones	15
Referencias	16
Capítulo 1
Planteamiento del problema
1.1. Descripción del problema
Los procesos productivos tanto a pequeña como a gran escala tienden a generar aguas residuales cuya composición varía según el tipo de materia prima utilizada y los procesos utilizados. Estas aguas residuales requieren tratamiento, que muchas veces suele ser costoso y al tener una producción pequeña el tratamiento convencional no se encuentra al alcance de estas organizaciones. Para casos como estos es altamente recomendado el empleo de organismos vivos, pues gracias a su actividad biológica estos pueden degradar una gran variedad de sustancias. Las microalgas debido a su capacidad de sintetizar sustancias disueltas en medios líquidos suponen una buena alternativa para el tratamiento de aguas residuales.
Interrogante general
· ¿Cómo se ve afectado el cultivo y crecimiento de microalgas frente a diferentes dosis de nutrientes?
Interrogantes específicas
· ¿En qué medida se ve afectado el cultivo de microalgas con diferentes dosis de nutrientes?
· ¿Cuál es la dosis que permite una mayor densidad poblacional de microalgas?
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
· Evaluar el cultivo y crecimiento de microalgas a diferentes dosis de nutrientes
1.1.1. Objetivos Específicos
· Evaluar las condiciones que más favorecen al cultivo de microalgas
1.3. Justificación
La aplicación de microalgas en el tratamiento de aguas podría presentarse como una alternativa importante en la mejora de la calidad de los efluentes de las industrias procesadoras de olivo permitiéndoles cumplir con los valores máximos admisibles en los sistemas de alcantarillados. Además su cultivo con nutrientes de bajo costo permitiría demostrar la posibilidad de implementación en empresas con efluentes de plantas procesadoras de olivo.
Capítulo 2
Marco teórico
2.1. Antecedente
Según Hernández & Labbé (2014) en su investigación titulada “Microalgas, cultivo y beneficios” reportaron que el potencial de las microalgas en ficorremediación, más los múltiples usos que se le da a su biomasa, su cultivo es económico y ambientalmente atractivo. A su consideración, la combinación de ficorremediación de aguas residuales y/ o CO2 y generación de biomasa para generación de biocombustibles serían los usos más interesantes de desarrollar.
Según Olarte & Valencia (2016) en su investigación titulada “Evaluación del uso de la microalga Chlorella vulgaris en el tratamiento de aguas residuales industriales (vinazas)” reportaron que la obtención de porcentajes de remoción de Fósforo, Nitrógeno, DQO y DBO5 de 75,7%, 84,93%, y 30,92%, respectivamente, lo que argumenta la viabilidad de emplear la microalga Chlorella vulgaris en la realización de procesos de biorremediación en el sector de los Biocombustibles”
Según Miko (2017) en su investigación titulada “Evaluación de la remoción de nutrientes y de la biomasa alcanzada mediante un cultivo de un consorcio de microalgas en aguas residuales” reportó que Los diferentes factores como las bacterias presentes en el agua residual que al igual que las microalgas compiten por el alimento, permite comprobar que posiblemente este factor puede alterar la composición bioquímica final de la biomasa y reducir el porcentaje de nutrientes presentes en la biomasa. Asimismo, que el tratamiento del agua residual a un 60% diluida con agua destilada obtuvo mayor crecimiento del consorcio de microalgas con una fase exponencial hasta el día 10 presentando una densidad 4,75E+06 cel/mL, siguiendo con el tratamiento de concentración del agua residual del 80% y del 100% este último tratamiento presento menos crecimiento alcanzó una densidad de 2,59E+06 cel/mL en su fase exponencial debido que solo presentaba el agua residual con su alto contenido de DBO Y DQO y al manifestarse alto contenido de nutrientes tiene un período de adaptación más lenta por la toxicidad que puede causarle al consorcio de microalgas.
Según Muñoz, Ramírez, Otero & Medina (2011) en su investigación titulada “Efecto del medio de cultivo sobre el crecimiento y el contenido proteico de Chlorella vulgaris” reportaron que la microalga alcanzó su mayor densidad con fertilizante complejo NPK (10.9 ± 1.6 x 106 cel/mL) en el día 22, seguido del humus de lombriz (5.3 x 106 ± 1.1 x 106 cel/mL) en el día 48, equinaza (4.9 ± 0.9 x 106 cel/mL) en el día 18, y por último con el Chu10 (2.2 ± 0.6 x 106 cel/mL) en el día 12. Se encontró mayor contenido proteico en las células cultivadas en humus de lombriz (56.8%) y equinaza (32.5%); a diferencia, el del fertilizante complejo NPK fue muy bajo (16.8%). Concluyen que los medios orgánicos son una buena opción para cultivar C. vulgaris, otorgando un adecuado crecimiento y un alto contenido proteico de la microalga.
Según Vacca, Angulo, Puentes, Torres & Plaza (2017) en su investigación titulada “Uso de la microalga Chlorella sp. viva en suspensión en la decoloración del agua residual de una empresa textil” reportaron que el bioensayo de 0,30 en absorbancia removió el 97,2% del colorante presente y disminuyó en un 94,6% la DQO y 95,4% la DBO5 , entre otros parámetros de caracterización antes y después del tratamiento, mostrando la mejor bioremoción en este estudio. Estos resultados permiten sugerir que el tratamiento biológico con la microalga Chlorella sp. del agua residual es un método eficiente.
2.2. Bases teóricas
	Aguas residuales industriales 
La industria alimentaria es uno de los sectores productivos que mayor impacto tiene sobre el ambiente, bien sea por sus procesos productivos o por los diferentes productos que salen al mercado. Cada sector en particular genera residuos en diferentes porcentajes de acuerdo con los tipos de productos que fabrican. (Restrepo, 2006). 
Microalgas
En general, las diferentes especies de microalgas clorofitas presentan rangos variables de remoción de nitrógeno (N) y fósforo (P) que van desde un 8% hasta un 100% (Dominic, Murali, & Nisha, 2009), y algunas de ellas pueden ser heterotróficas o mixotróficas, por lo cual son capaces de consumir materia orgánica que pudiera estar presente (Wang, y otros, 2010) Sin embargo, las microalgas del grupo de las cianobacterias o cianofitas son las que han demostrado mayor eficiencia en la remoción de las concentraciones de N y P en un 96% y 87%, respectivamente (Olguín, 2003)
Luz
La intensidad lumínica es uno de los principales parámetros a considerar en un cultivo (Contreras, Peña, Cotera, & Cañizares, 2003). En ausencia de limitación por nutrientes, la fotosíntesis se incrementa con el aumento de la intensidad lumínica, hasta alcanzar la máxima tasa de crecimiento específica en el punto de saturación por luz (Park, Craggs, & Shilton, 2011). Los cultivos microalgales exterioressuelen sufrir fotoinhibición en las principales horas del día debido a la alta intensidad lumínica (Martinez, 2008)Un sistema de mezcla eficiente permitirá un acceso de todas las células a la luz, de lo contrario, será perjudicial ya que la intensidad lumínica decrece con el aumento de la turbidez (Contreras, Peña, Cotera, & Cañizares, 2003)
Temperatura
La producción algal aumenta proporcionalmente con la temperatura hasta alcanzar la temperatura óptima de cada especie. Por encima de esta, aumenta la respiración y la fotorrespiración reduce la productividad global. La temperatura óptima varía entre las especies, pero en general está entre 28° y 35°C (Park, Craggs, & Shilton, 2011). En un sistema cerrado, no es tan complejo controlar la temperatura como en un sistema abierto, ya que existe varios mecanismos como rociadores de agua. (Martinez, 2008)
Nutrientes
El nutriente más importante para las microalgas es el nitrogeno (después del carbono) y se incorpora como nitrato (NO3 -) o como amonio (NH4 + ) (Grobbelaar 2004). Es también un factor crítico para regular el contenido de lípidos de las microalgas (Park, Craggs, & Shilton, 2011)
El fósforo es fundamental en muchos procesos celulares, tales como la formación de ácidos nucleicos y transferencia de energía (Grobbelaar, 2004). Aunque el contenido en fósforo de las microalgas es menor al 1%, su deficiencia en el medio de cultivo es una de las mayores limitaciones al crecimiento (Martinez, 2008)
Tratamiento de aguas residuales 
En el tratamiento de aguas residuales se busca eliminar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos, nutrientes, coliformes y toxicidad (Dominic, Murali, & Nisha, 2009)
En condiciones apropiadas, las microalgas poseen una capacidad depuradora conocida como ficorremediación (Rawat, Ranjith, & Bux, 2011) definida como el uso de macroalgas y/o microalgas para la eliminación o biotransformación de contaminantes, desde aguas residuales y desde un medio gaseoso (Olguín, 2003)
Capítulo 3
Metodología
3.1. Materiales
Los materiales utilizados para para la investigación fueron: 
· 5 botellas de 300 ml
· Muestra de compost
· Agua potable
· Agua sin cloro
· 1 Pipeta de 10 ml
· Papel filtro
· Multiparametro digital
3.2. Procedimiento 
Para el cultivo de microalgas se utilizó como fuente de nutrientes una muestra de compost (Figura 1) que se llevó a disolución y filtrado para su posterior aplicación en los biorreactores.
Figura 1: Muestra de compost utilizada como fuente de nutrientes para el cultivo de microalgas (izquierda) Botellas utilizadas para la experiencia (derecha)
Se analizó la muestra de compost obteniendo los valores de pH de 7,2 y una conductividad de 14,5 mS/cm (Figura 2)
Figura 2: Lectura del multiparámetro digital en la muestra de compost
Luego se procedió a la aplicación del lixiviado de compost a diferentes concentraciones en botellas de plástico transparente previamente rotuladas, como se ve en la figura 3.
Figura 3: Botellas utilizadas para el cultivo de microalgas
Se adicionó agua hasta enrazar a fin de no dejar burbujas de oxigeno y lo mismo con una botella adicional que sirvió de testigo.
Estas botellas se dejaron en exposicion solar natural indirecta sin agitacion mecanica durante 17 dias.
Capítulo 4
Resultados
Luego de 17 dias se logró la visualización de una coloración verdosa en algunas botellas donde la botella con una mayor coloración es la botella a la que se adicionó una mayor concentración de nutrientes con respecto a las otras (figura 5)
Figura 5: Botellas utilizadas para el cultivo de microalgas al final del cultivo
En la figura 5 se puede apreciar una coloración verdosa de las botellas, siendo más notoria en la botella con mayor concentración de nutrientes, esta coloración se debe al incremento de biomasa de microalgas presentes.
Tabla 1 Análisis de Varianza de la regresión
	F.V. 
	 SC 
	Gl
	 CM 
	 F 
	p-valor
	Modelo.
	12.63
	1
	12.63
	8.29
	0.0636
	Dosis 
	12.63
	1
	12.63
	8.29
	0.0636
	
	
	
	
	
	
	Error 
	4.57
	3
	1.52
	 
	 
	Total 
	17.2
	4
	 
	 
	 
El Análisis de varianza muestra que no existe diferencia significativa en la adición de nutrientes.
 
Figura 6.- Regresión lineal del comportamiento del crecimiento de microalgas frente a la dosis de nutrientes
Capítulo 5
Discusión de resultados
Según González, Barajas, & Ardila (2017) la utilización de dos cultivos mixotróficos con diferentes concentraciones de fuentes de nutrientes permitió evaluar la producción de biomasa y proteínas de C. vulgaris. A partir de los resultados, se concluyó que el cultivo suplementado con mayor adición de nutrientes obtuvo la mayor producción de biomasa (3,7 g/L) y de proteínas (60 %); sin embargo en este trabajo no se encontraron diferencias significativas en la adición de nutrientes (compost). 
Es importante considerar que Chlorella es un género de microalgas clorofíceas que se caracteriza por presentar un rápido crecimiento en cultivo celular y por su capacidad de utilizar como sustrato nutricional compuestos orgánicos e inorgánicos Wehr & Sheath, (2003); es por ello que durante un periodo corto de crecimiento las microalgas estudiadas tuvieron un desarrollo significativo de biomasa. 
Los resultados obtenidos por Fernández & Hernández (2016) muestran que los niveles de pH adecuados fueron 7 y 7.5 para el crecimiento de las microalgas.
Por estos motivos, las especies del género Chlorella han sido ampliamente estudiadas para incluirlas en procesos biotecnológicos que generen productos destinados a las industrias alimenticias, farmacéuticas, de saneamiento ambiental, agropecuarias y energéticas, Chisti (2007). En el agua residual se encuentran presentes nutrientes que bien pueden estar en forma sencilla como CC2, nitratos, etc., o como estructuras más complejas como los colorantes, que al ser degradados forman compuestos simples que suministran carbono y nitrógeno fundamentales para el crecimiento de la microalga, esto indica que la misma carga orgánica y mineral presente en el agua residual se convierte en fuente de alimento para las microalgas Vacca (2017); en consecuencia estos procesos biológicos son de suma importancia para la aplicación de tratamiento de efluentes industriales de alta carga orgánica (plantas agroindustriales de olivo).
Capítulo 6
Conclusiones
· La productividad volumétrica del sistema de producción de biomasa se ve afectada directamente por la dosis de sustrato que se añadió (compost)
· Estos resultados permiten sugerir que el tratamiento biológico con la microalga Chlorella sp. del agua residual es un método eficiente en el tratamiento efluentes agroindustriales de olivo.
Referencias
Chisti , Y. (2007). Biodiesel from microalgae. En Biotechnol (págs. 294-306).
Contreras, C., Peña, J., Cotera, L., & Cañizares, R. (2003). Diseño conceptual de fotobiorreactores para el cultivo de microalgas.
Dominic, V., Murali, S., & Nisha, M. (2009). Phycoremediation efficiency of three algae Chlorella vulgaris, Synechocystis salina and Gloeocapsa gelatinosa. 138-146.
Fernández, D., & Hernández, G. (2016). Evaluación de las incidencias de salinidad y pH sobre la biomasa, productividad y acumulación de lípidos en cultivos de Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor de placa plana. Iteckne, 1692-1798.
González, Á., Barajas, A., & Ardila, A. (2017). Producción de biomasa y proteínas de Chlorella vulgaris Beyerinck (Chlorellales: Chlorellaceae) a través del diseño de medios de cultivo selectivos. Corpoica Ciencia y Tecnología Agropecuaria, 451-461.
Grobbelaar, G. (2004). Handbook of microalgal culture: Biotechnology and applied phycology. Algal nutrition: mineral nutrition., 97-115.
Heredia , T., Wei, W., & Hu, B. (2010). Oil accumulation via heterotrophic/mixotrophic Chlorella protothecoides. En Applied biochemistry and biotechnology (págs. 1978-1995).
Hernández, A., & Labbé, J. (2014). Microalgas, cultivo y beneficios. Obtenido de https://scielo.conicyt.cl/pdf/revbiolmar/v49n2/art01.pdfKessler, E., & Huss, V. (1992). Comparative physiology and biochemistry and taxonomic assignment of the Chlorella (Chlorophyceae) strains of the Culture Collection of the University of Texas at Austin. J Phycol, 550-553.
Li, X. (2007). Large scale biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivation inbioreactors. En Biotechnology and Bioengineering (págs. 764-771).
Markou, G., Vandamme , D., & Muylaert, k. (2014). Microalgal and cyanobacterial cultivation: the supply of nutrients. . Water Res.
Martinez, L. (2008). Eliminación de CO2 con microalgas autóctonas. 226-227.
Miño, K. (2017). Evaluación de la remoción de nutrientes y de la biomasa alcanzada mediante un cultivo de un consorcio de microalgas en aguas residuales. Obtenido de https://www.researchgate.net/publication/325999991_Evaluacion_de_la_remocion_de_nutrientes_y_de_la_biomasa_alcanzada_mediante_un_cultivo_de_un_consorcio_de_microalgas_en_aguas_residuales
Muñoz, P., Ramírez, M., Otero, P., & Medina, R. (2011). Efecto del medio de cultivo sobre el crecimiento y el contenido proteico de Chlorella vulgaris. Obtenido de http://www.redalyc.org/pdf/2950/295024923012.pdf
Olarte, E., & Valencia, M. (2016). Evaluación del uso de la microalga Chlorella vulgaris en el tratamiento de aguas residuales industriales (vinazas). . Obtenido de https://repository.unad.edu.co/bitstream/10596/5882/3/91535665.pdf
Olguín, E. (2003). Phycoremediation: key issues for costeffective nutrient removal processes. 81-91.
Park, J., Craggs, R., & Shilton, A. (2011). Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. 35-42.
Rawat, I., Ranjith, R., & Bux, F. (2011). Dual role of microalgae: Phycoremediation of domestic wastewater and biomass production for sustainable biofuels production. . 3411-3424.
Restrepo, M. (2006). Producción más limpia en la industria alimentaria.
Vacca Jimeno, V. (2017). Uso de la microalga Chlorella sp. viva en suspensión en la decoloración del agua residual de una empresa textil. Prospect, 93-99. Obtenido de http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1692-82612017000100093&lang=pt#B21
Vacca, J., Angulo, E., Puentes, A., Torres, B., & Plaza, A. (2011). Uso de la microalga Chlorella sp. viva en suspensión en la decoloración del agua residual de una empresa textil. Obtenido de http://www.scielo.org.co/pdf/prosp/v15n1/1692-8261-prosp-15-01-00093.pdf
Wang, L., Chen, P., Min, M., Chen, Y., Zhu, J., & Ruan, R. (2010). Anaerobic digested dairy manure as a nutrient supplement for cultivation of oil-rich green microalgae Chlorella sp. 2623-2628.
Wehr , J., & Sheath, R. (2003). Freshwater algae of North America: ecology and classification. San Diego: Academic Press.
Anexos 
Diagrama de flujo de las principales etapas del desarrollo del experimento
MUESTRA DE NUTRIENTES
EVALUACIÓN DE DOSIS DE NUTRIENTES
DOSIS 1
BLANCO
DOSIS 3
DOSIS 4
DOSIS 2