Experimental design, kinetic modelling and environmental impact in processes of fish discard valorisation

Resumo

Los ecosistemas marinos soportan una parte importante de la vida humana, especialmente en la actualidad, puesto que el pescado es un componente esencial para mantener una dieta equilibrada y un estilo de vida saludable. Esto ha supuesto un aumento en la explotación de los recursos marinos, incluyendo prácticas de pesca no apropiadas. Los stocks de especies de peces son renovables, pero no son infinitos y algunas de estas poblaciones se encuentran en riesgo de sobrepesca. Puesto que la pesca es una actividad que explota recursos naturales comunes importantes, necesita ser regulada para salvaguardar el acceso justo, la sostenibilidad y la rentabilidad para todos. Con este objetivo, las capturas totales admisibles se reparten entre los países de la Unión Europea en forma de cuotas nacionales. Para el reparto de dichas cuotas se aplica un porcentaje de asignación para cada stock de especies pesqueras, diferente en función del país de la Unión Europea. Este porcentaje fijo se conoce como la clave de estabilidad relativa. Además, los países pueden intercambiar cuotas con otros estados miembros. Asimismo, cada uno de ellos se encarga y se responsabiliza de asegurar que las cuotas no se superen, por lo que se deben utilizar objetivos y criterios transparentes al distribuir la cuota nacional entre los pescadores. Así, es de interés común a todos los integrantes de la Unión Europea que se adopten medidas, a través de la Política Pesquera Común, para garantizar que la actividad pesquera sea sostenible desde el punto de vista medioambiental, económico y social y que constituya una fuente de alimentación saludable para todos. A pesar de que es importante fomentar una industria pesquera dinámica y asegurar un nivel de vida justo para las comunidades pesqueras en la que se maximicen las capturas, deben establecerse límites para garantizar que las prácticas de pesca no amenacen el tamaño y la productividad de la población de peces a largo plazo. Una de estas prácticas es la generación de descartes y/o biomasa no deseada. Descartar es la práctica de devolver al mar las capturas no deseadas, ya sean muertas o vivas, debido a motivos económicos, regulatorios o técnicos (por ejemplo, una demanda ya marcada por la industria del sector, o bien por carecer de cuota el pescador, que sean especímenes por debajo de la talla mínima legal, especies protegidas y/o también porque las reglas de composición de la captura lo imponen). Es un hecho que cualquier actividad pesquera lleva asociada un porcentaje de descartes, que van desde el 2-10% para palangreros hasta cerca de un 90% para arrastreros en determinadas pesquerías, para un total agregado de alrededor de 7 millones de toneladas al año de descartes. Por tanto, los descartes son uno de los temas prioritarios en la gestión pesquera. En la actualidad existe un acuerdo social que percibe los descartes como algo muy negativo, siendo necesaria la implementación de soluciones para evitar el desperdicio inútil de esta valiosa biomasa. Como ya se ha mencionado, es cierto que cualquier operación de pesca tiene un porcentaje inevitable de descartes, lo que significa que prácticamente todas las artes de pesca capturan una cierta cantidad de especies y especímenes no dirigidas o no deseadas. Se suma a la problemática de los descartes la dificultad de evitar la generación de desechos, subproductos y residuos de pescado, principalmente debido tanto a las técnicas de pesca como a los procesos de elaboración y transformación a los que se someten las capturas en tierra. Es, por tanto, extremamente crucial el establecimiento de una explotación integrada y sostenible de los recursos pesqueros. Los descartes se vienen considerando desde hace tiempo como un desperdicio inaceptable de recursos, por lo que su eliminación se estableció como uno de los objetivos prioritarios dentro de la nueva política de pesca (la nueva Política Pesquera Común – PPC – de la UE del año 2013). Esta reforma de la PPC propone que las poblaciones pesqueras deben explotarse a niveles sostenibles que produzcan el denominado máximo rendimiento sostenible (MRS) y que la práctica de producción de descartes debe eliminarse, incluyendo la obligación de la actividad pesquera de desembarcar todas las capturas de especies reguladas. Dicha Obligación de Desembarque se está implantando de forma gradual de 2015 a 2019 para todas las pesquerías comerciales (especies con capturas totales admisibles o con tamaños mínimos) en buques europeos. Este importante cambio en la gestión tiene por objetivo mejorar la conducta de la pesca a través de mejoras en la selectividad y gestión de la actividad que busquen minimizar las capturas accesorias no deseadas. Esta perspectiva gradual de aplicación de la norma se ha establecido con el objetivo de apoyar a la industria pesquera en su adaptación a cambios tan significativos tanto en la gestión como en las prácticas pesqueras. La persistencia en alcanzar la sostenibilidad de la pesca traerá claros beneficios no sólo para las flotas y productores, sino también para el consumidor en general. Con la introducción de las nuevas prácticas pesqueras se obtendrá un sector más resistente y eficiente, capaz de operar bajo las condiciones de mercado y al mismo tiempo desempeñando un papel activo más importante en la gestión de los stocks de las especies considerando que la sostenibilidad económica y social de la actividad pesquera requiere poblaciones productivas y ecosistemas marinos sanos. En la actualidad, la viabilidad económica y social de las pesquerías sólo puede ser obtenida por la restauración de la productividad de los stocks pesqueros. Por lo tanto, sólo así podrán dejar de existir en el futuro los posibles conflictos entre cada uno de los objetivos ecológicos, económicos y sociales. Con la entrada en vigor de las nuevas medidas de la PPC (sobre todo asociadas a la Obligación de Desembarque) es previsible que la cantidad de biomasa disponible en tierra, antes mencionada como descarte, sea mayor. Por tanto, habrá más cantidad de biomasa para ser gestionada, bien como residuo, como sub-producto, como una nueva materia prima disponible para consumo humano directo o como base para la generación de cadenas de valor para la obtención de compuestos de alto valor añadido. Por lo tanto, es de extrema importancia estudiar y desarrollar soluciones innovadoras capaces de gestionar adecuadamente toda la biomasa disponible en tierra. En este sentido, es importante establecer e incentivar la participación y cooperación entre todos los agentes del sector pesquero de modo que se pueda crear un escenario sostenible para la gestión integrada de los recursos, tanto en términos socio-económicos como ambientales. Así, muchos autores han hecho una intensa investigación que se ha centrado en la evaluación, desarrollo e implementación de prácticas eficientes y integrales de gestión y procesamiento de los descartes, tanto a bordo como en tierra. De este modo, el sector pesquero podría gestionar de forma adecuada y eficiente toda la biomasa disponible, incluyendo los descartes y los residuos producidos por la actividad pesquera. Entre las soluciones propuestas se pueden incluir acciones tales como la definición de prácticas viables de manejo y procesamiento de biomasa para la recuperación y producción de compuestos químicos valiosos que pueden tener interés en las industrias alimenticias, cosméticas y farmacéuticas. Como ya se ha mencionado, la actividad pesquera es responsable de producir grandes cantidades de biomasa no deseada, lo que representa impactos negativos importantes, tanto desde el punto de vista económico como desde el medioambiental. Por lo tanto, la existencia de diferentes procesos alternativos de valorización representa una oportunidad importante para minimizar este problema. Sin embargo, estos procesos deben estar integrados de forma que proporcionen una valorización óptima de los diferentes tipos de biomasa de pescado descartado. De este modo, podrían recuperarse nuevos productos marinos de alto valor añadido, con propiedades funcionales mejoradas de interés para diferentes sectores, a partir de la biomasa descartada en actividades pesqueras de extracción y procesamiento. Esta simbiosis entre la biomasa descartada y valorizada también representa un potencial beneficio económico, tanto para los puertos donde se desarrollan las actividades generadoras de descartes (asociadas a la Obligación de Desembarque) como para las industrias de procesado, ya que los puertos evitarían los costes asociados a la gestión de estos residuos y las procesadoras dispondrían de una nueva materia prima de altísima calidad. Todo ello sin perder de vista el objetivo principal de reducción de descartes a bordo, por lo que toda actividad económica que se implemente en tierra tendrá que tener en cuenta la posible reducción del pescado descartado a medio o largo plazo. La presencia asegurada de subproductos, desechos y residuos de pescado generados en tierra como consecuencia de los procesos de elaboración y transformación podrá garantizar el suministro en dichas empresas. Dentro de este contexto, también es importante evaluar la sostenibilidad y el impacto global asociado a los puertos, que representan las entidades principales de conexión entre ambos recursos de mar y tierra. Además de la propia actividad pesquera, deben abordarse otros impactos indirectos, como los producidos en actividades y servicios relacionados (tales como el transporte mercantil o la transformación del pescado). Para evaluar la carga ambiental de este sector, puede utilizarse el indicador de Huella Ecológica (HE). El uso de este indicador en el sector pesquero todavía no es muy usual, y todavía menos en estudios de las actividades asociadas (como las desarrolladas en los puertos). En la presente tesis doctoral se aplicó la metodología de HE para evaluar el impacto ambiental de una parte importante del sector pesquero, tomando como muestra representativa la actividad global (pesca, transformación y transporte) del Puerto de Vigo (España). Precisamente, siendo este puerto uno de los más importantes a nivel europeo en pesca fresca para consumo humano. Como resultado principal de la aplicación de la HE se ha puesto de manifiesto que ambas actividades (mercantil y pesquera) representan un valor elevado de hectáreas ocupadas. Como se ha mencionado anteriormente, la valorización de la nueva biomasa marina es fundamental para alcanzar la sostenibilidad de la actividad pesquera. El proceso más implementado en la actualidad a nivel industrial es la producción de harina y aceite de pescado. Las fábricas de procesamiento recogen la biomasa generada por los puertos y otras actividades industriales relacionadas (principalmente conserveras y procesadoras de pescado). De forma similar, podrían recuperarse otros productos de valor añadido, produciendo esta gestión una compensación de costes para los armadores y un potencial beneficio económico para el sector transformador. Sin embargo, es importante estimar las ventajas de los procesos de valorización no sólo en términos de beneficios económicos, sino también considerando los impactos ambientales generados. Esto ayudaría a elucidar si la valorización de un residuo provoca un impacto mayor que otras opciones de gestión de residuos. De ser así, esto significa que las ventajas de los procesos de valorización probablemente no son suficientes para garantizar una reutilización sostenible de los residuos. Existen varias metodologías para evaluar los impactos ambientales de los procesos, incluyendo las de gestión de residuos, que proporcionan diferentes indicadores, los cuales a su vez aportan información sobre aspectos ambientales relevantes. En la presente tesis doctoral se llevó a cabo una evaluación ambiental comparativa entre un proceso de valorización (producción de harina y aceite de pescado) y diferentes escenarios asociados a la gestión de residuos (compostaje, incineración y disposición en vertedero). Los resultados obtenidos indican que tanto el proceso de valorización considerado como los tratamientos de gestión de residuos presentan impactos similares. Sin embargo, el escenario de producción de harinas de pescado, destinadas a la alimentación de aquicultura, permitirá disminuir la presión sobre los recursos marinos, presentando así un beneficio ecológico significativo. Además, y teniendo en consideración que numerosos estudios científicos revelan la presencia de contaminantes (especialmente de dioxinas, PCBs, pesticidas y metales pesados) en las especies comerciales de diferentes pesquerías, es lógico considerar la posible presencia de estos contaminantes en los productos de especies no comerciales, aunque sus niveles no suelen ser determinados. En este sentido, debe destacarse la necesidad de controlar los niveles de contaminantes presentes en la biomasa de pescado, especialmente si las aplicaciones son orientadas al sector de acuicultura o a la industria alimentaria, pudiendo afectar de forma directa y/o indirecta la salud humana. De esta forma, además de un control sostenido de los niveles de contaminantes en la diversa biomasa disponible para la valorización, las tecnologías de eliminación de contaminantes actualmente disponibles, como las basadas en el carbón activado o la extracción supercrítica, deben ser consideradas como parte del proceso de cara a poder garantizar una valorización segura en términos de niveles de compuestos y/o sustancias potencialmente perjudiciales. De esta forma, en la presente tesis doctoral también se incluyó una discusión sobre las implicaciones de la posible presencia de contaminantes. Tal y como se ha citado, y debido al aumento del consumo de pescado, los niveles de stocks de las especies consumidas con mayor frecuencia se mantienen en estado estacionario y/o con ciertos niveles de sobreexplotación, poniendo en riesgo su sostenibilidad futura. Por lo tanto, la comunidad científica ha llevado a cabo una intensa investigación sobre la búsqueda de nuevos recursos a explotar y sobre las posibles cadenas de valor y procesos de utilización de los descartes y subproductos pesqueros generados en la actual actividad pesquera, que permitan la recuperación de nuevos compuestos de alto valor añadido con propiedades funcionales mejoradas de interés en diversos sectores. En particular, se ha observado que los crustáceos son una fracción significativa de la biomasa total descartada por pesquerías importantes, principalmente por los métiers que incluyen aguas costeras. Esta biomasa correspondiente a crustáceos puede ser destinada a la producción de quitina/quitosano, ya que sus exosqueletos son una de las fuentes naturales más importantes de este polisacárido de interés para uso comercial. En la presente tesis doctoral se estudiaron las condiciones de operación óptimas para la hidrólisis enzimática del músculo de crustáceo Munida spp., considerando que es una etapa clave en el proceso de obtención de este producto de alto valor añadido (quitina). El objetivo consistió en mejorar el rendimiento del proceso (el grado de hidrólisis), como una primera etapa para establecer las mejores condiciones de la fase de desproteinización para obtener quitina/quitosano mediante tratamiento enzimático. Para ello, se desarrolló un modelo de red neuronal artificial para modelizar la dinámica y predecir la evolución del grado de hidrólisis con el tiempo, permitiendo la definición de una región óptima de operación del proceso en términos de variables de entrada. Por otro lado, y como siguiente paso lógico, se analizó la sostenibilidad del proceso químico (tradicional) y enzimático para obtener quitina a escala piloto. Ambos procesos fueran evaluados y comparados a través de un análisis tecno-económico y ambiental. Para completar el análisis de sostenibilidad, también se realizó una evaluación del riesgo para la salud humana, teniendo en cuenta la importante presencia de contaminantes (metales pesados) en la biomasa original del crustáceo empleado (Munida spp.), especialmente de As y Cr. Así, se analizó la distribución de estos compuestos a lo largo de las etapas del proceso, y posteriormente se evaluó el riesgo potencial de la ingestión de quitina, como suplemento de salud en forma de quitosano. Los resultados indicaron que el proceso enzimático podría ser una alternativa más adecuada para la extracción de quitina, principalmente si se utiliza la recuperación de agua, ya que el proceso enzimático tradicional no presentaría ventajas evidentes sobre el químico. Sin embargo, los costes asociados con la adquisición del equipo de unidades específicas para la reutilización del agua podrían comprometer la viabilidad del proceso. Adicionalmente, los avances para reducir los impactos ambientales típicamente asociados al proceso químico han sido estudiados. La principal desventaja de este proceso es el largo tiempo de operación, que se puede superar incluyendo líneas de procesamiento adicionales, siendo necesaria una evaluación de los costes inmovilizados para dilucidar la viabilidad del proceso. Aunque se afirma que el proceso enzimático es más sostenible que el método químico, se necesitan dos mejoras principales en estos procesos para efectivamente demostrar esta declaración. El primero es aumentar el rendimiento de la quitina producida hasta los valores normalmente obtenidos en el proceso químico, lo que ya se ha logrado con diferentes sustratos. El segundo es mitigar los impactos ambientales y los costes asociados a la propia producción de enzimas. Además del uso del hidrolizado de proteínas de pescado como ingrediente para alimentación animal, sería posible emplear el hidrolizado de proteínas de pescado obtenido en la hidrólisis enzimática de la biomasa de crustáceos como peptonas para el crecimiento bacteriano que podría producir las enzimas apropiadas (proteasas) para el proceso, cerrando el ciclo de reutilización de recursos y minimizando costes. Por lo tanto, el mayor potencial de integración de los flujos de masa y energía en los procesos basados en la biología puede fortalecer la contribución del sector pesquero a la bioeconomía mundial. Las tres dimensiones de sostenibilidad fueran evaluadas e integradas por métodos jerárquicos para proporcionar una comparación consistente entre los procesos. El Índice de Riesgo (IR) obtenido en la quitina representa motivo de preocupación por estar cerca del límite de seguridad de 1.0, especialmente considerando que sólo se evaluó un riesgo incremental, es decir, sólo una vía de exposición entre las varias que implican exposición a metales. Es sabido que los niveles de contaminantes orgánicos y/o de metales pesados dependerán en gran medida de la zona de pesca (origen geográfico), del tipo de especie o del tejido, y que esto deberá tenerse en cuenta a la hora de evaluar la viabilidad de una alternativa de valorización, sobre todo para aquellos casos en los que el mercado último sea la alimentación humana directa o formando parte de compuestos médicos o nutracéuticos. Esta tarea es un paso clave en el establecimiento de estrategias de valorización que puedan superar los inconvenientes originados en determinados sub-productos de pescado, que pueden llegar a concentrar contaminantes hasta alcanzar niveles no apropiados, como es el caso de harinas y aceites de pescado. Una vez que la posible estrategia de valorización esté definida, la gestión sostenible de la biomasa a través de su recuperación óptima dependerá de la calidad de este nuevo material así como de los productos que se puedan obtener. Así, por último, sabiendo que la presencia de contaminantes podría limitar la valorización de la biomasa de pescado, en la presente tesis doctoral se procedió a determinar los niveles de contaminantes orgánicos e inorgánicos en las especies más descartadas de los arrastreros que operan en Gran Sol y en las zonas costeras españolas. De este modo, fueron estudiados contaminantes como metales pesados (Hg, Pb y Cd), PCDD/Fs y dl-PCBs y pesticidas. Los resultados correspondientes a los metales pesados indicaron que, para algunas especies y tejidos, el Cd puede alcanzar valores superiores a los límites legales, mientras que las concentraciones de Hg y Pb están por debajo de los valores establecidos. Se ha podido observar que, en el caso del Pb y en menor grado para Hg y Cd, la influencia de la temporada fue significativa, mientras que no se observó variación significativa en las concentraciones de otros metales presentes en los descartes según el caladero. Con los resultados obtenidos, se establecieron recomendaciones de valorización según los niveles encontrados en las diferentes especies.