Recovery of phycobiliproteins and biogas from microalgae treating wastewater
Authors:   , Arashiro Larissa Terumi 
Published: July 2023

Water is undoubtedly the most essential resource of humanity. However. supplying the human population with clean water has been a major challenge for decades. Contaminants in wastewaters endanger water bodies and the treatment of these effluents represent a high energy demand. The development of efficient wastewater treatment technologies is thus becoming increasingly important.
In the context of a circular and bio-based economy. microalgae biomass has shown its great potential to treat wastewater streams. while recovering sustainable bioproducts. However. although extensive research has been done in this field. there is still need for improvements and realistic information in order to implement these systems at large scale.
This PhD thesis aims to contribute to this quest by performing holistic studies on microalgae systems for wastewater treatment combined with different strategies for biomass valorisation. The overall content of this PhD thesis is divided in two main parts. The first part consists in experimental studies combining wastewater treatment and resources recovery using microalgae-based systems. while the second part is dedicated to the environmental analyses. through Life Cycle Assessment (LCA). of the technologies and biomass valorisation techniques investigated in this thesis.
The first part presents investigated a well-known microalgae system. high rate alga! pond (HRAP). in order to simplify its maintenance. reduce costs and the footprint. This study showed that removing the primary treatment preceding a HRAP did not significantly affect the wastewater treatment efficiency. Moreover. the co-digestion with primary sludge could significantly improve the methane yield and kinetics of microalgae mono-digestion (2382:58 ml CH4/g VS compared to 1892:25 ml CH4/g VS. Following. a second study investigated the cultivation of cyanobacteria-dominated biomass using centrate diluted in secondary effluent from the HRAP system at different ratios. Results showed that cyanobacteria dominance was stable in a mixed culture with effective treatment efficiency. In addition. biomass grown in these systems could be valorised through phycobiliproteins (up to 17 mg/g dry biomass) and biogas production (from 159 to 199 ml CH4/g VS). Lastly. a third study investigating unialgal cultivations for further phycobiliproteins recovery was carried out. Light intensity and growth medium composition were optimised. and conditions were then selected to cultivate these microalgae in food-industry wastewater. Efficient wastewater treatment and successful extraction of phycobiliproteins (up to 103 mg/g dry biomass) were achieved.
The second part of this thesis presents an overview of the environmental aspects associated with the microalgae systems and biomass recoveries focused in the previous experimental studies. A first LCA showed that. considering the most significant impact categories, HRAP system implemented in warm climate region showed to be the most environmentally friendly alternative while the biofertiliser production showed to be the most economically feasible than biogas. The second LCA indicated that a system treating industrial wastewater has lower environmental impacts than a system treating urban wastewater in most of the environmental indicators considered. Moreover, using wastewater appeared to be more environmentally friendly than using standard growth medium to cultivate microalgae.
In conclusion, the results obtained in this thesis suggested that microalgae systems seem to have a great potential to improve water quality and recover valuable resources from wastewater. Therefore. based on the results of this study and considering the increasing need for conceptual biorefineries, sustainable installations at full scale would be the next step towards a circular economy.

El agua es sin duda el recurso más esencial de la humanidad. Sin embargo, el suministro de agua limpia a la población humana ha sido un gran desafío durante décadas. Los contaminantes en las aguas residuales ponen en peligro los cuerpos de agua y el tratamiento de estos efluentes representa una gran demanda de energía. El desarrollo de tecnologías eficientes de tratamiento de aguas residuales se está volviendo cada vez más importante. En el contexto de una bioeconomía circular, la biomasa de microalgas ha demostrado su gran potencial para tratar las ofertas de corrientes de aguas residuales, al tiempo que recupera bioproductos sostenibles, implementando así conceptos de biorefinería. Sin embargo, aunque se ha realizado investigaciones em este tema, aún se necesitan mejoras e información realista para implementar estos sistemas a gran escala. Esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir a esta búsqueda mediante la realización de estudios holísticos sobre sistemas de microalgas para el tratamiento de aguas residuales. El contenido general de esta tesis doctoral se ha dividido en dos partes. La primera parte consistió en estudios experimentales, mientras que la segunda parte se ha dedicado a los análisis ambientales, a través del Análisis del Ciclo de Vida (ACV). La primera parte ha investigado un conocido sistema de microalgas, la laguna algal de alta tasa (HRAP), para simplificar su mantenimiento y reducir los costos. Este estudio mostró que la eliminación del tratamiento primario que precede la HRAP no afectó significativamente la eficiencia del tratamiento de aguas residuales. Además, la codigestión con lodo primario podría mejorar significativamente el rendimiento de metano y la cinética de la mono-digestión de microalgas (2382:58 ml en comparación con 1892:25 mL de CH4/g sólidos volátiles (SV)). A continuación, un segundo estudio investigó el cultivo de cianobacterias utilizando concentrado diluido en efluente secundario del sistema HRAP a diferentes proporciones, Los resultados mostraron que el dominio de las cianobacterias era estable en un cultivo mixto con una eficacia efectiva del tratamiento. Además, la biomasa cultivada en estos sistemas podría valorizarse a través de ficobiliproteínas (hasta 17 mg/g de biomasa seca) y la producción de biogás ( de 159-199 ml de CH4/g SV). Por último, se llevó a cabo un tercer estudio que investigó los cultivos unialgal, donde la intensidad de la luz y la composición del medio de crecimiento se optimizaron, y luego se seleccionaron las condiciones para cultivar estas microalgas en las aguas residuales de la industria alimentaria. Se logró un tratamiento eficiente de las aguas residuales y extracción exitosa de ficobiliproteínas (hasta 103 mg/g de biomasa seca). La segunda parte de esta tesis presenta una visión general de los aspectos ambientales asociados con los sistemas de microalgas y las recuperaciones de biomasa. El primer ACV demostró que el sistema HRAP junto con la producción de biofertilizantes e implementado en la región de clima cálido demostró ser la alternativa más respetuosa con el medio ambiente, mientras que la producción de biofertilizantes demostró ser la más viable economicamente que el biogas. Además, los HRAP mostraron un menor impacto ambiental potencial en comparación con un sistema de lodos activados. El segundo ACV indicó que um el sistema de tratamiento de aguas residuales industriales tiene un menor impacto ambiental que el sistema de tratamiento de aguas residuales urbanas en la mayoría de los indicadores ambientales considerados. En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis sugieren que los sistemas de microalgas parecen tener un gran potencial para mejorar la calidad del agua y recuperar recursos valiosos de las aguas residuales. Por lo tanto, en base en los resultados de este estudio y considerando la creciente necesidad de desarrollar biorefinerías, las instalaciones sostenibles a gran escala serían el próximo paso hacia una economía circular.

Neerlandeès .
De huidige globale milieuproblematiek roept onvermijdelijke uitdagingen op om
natuurlijke grondstoffen beter te beheren met het oog op een duurzame ontwikkeling.
Water is ongetwijfeld de meest essentiële grondstof van de mens en genoeg zuiver water
voorzien is reeds tientallen jaren een grote uitdaging. Verontreinigingen in huishoudelijk,
industrieel en landbouw afvalwater vormen een gevaar voor de waterlichamen en de
behandeling van deze effluenten vraagt veel energie. De ontwikkeling van efficiënte
technologieën voor afvalwaterbehandeling wordt dus steeds belangrijker.
Vanwege hun metabolische flexibiliteit zijn microalgen interessante biologische
systemen voor de behandeling van verschillende types afvalwater. Zeker in de context
van een circulaire en biogebaseerde economie heeft microalgenbiomassa haar grote
potentieel getoond om afvalwaterstromen te behandelen en tegelijkertijd duurzame
bioproducten te produceren en dus het bioraffinageconcept te implementeren. Hoewel
uitgebreid onderzoek is gedaan om microalgensystemen te optimaliseren wat betreft
werking en economische haalbaarheid, is er nog steeds behoefte aan verbeteringen en
realistische informatie om deze systemen op grote schaal te implementeren.
Dit doctoraatsonderzoek beoogt een bijdrage te leveren aan deze zoektocht door een
holistische studie uit te voeren op microalgensystemen van microalgensystemen voor
afvalwaterbehandeling in combinatie met verschillende valorisatiestrategieën voor de
resulterende biomassa. De algemene inhoud van dit proefschrift is verdeeld in twee
delen. Het eerste deel bestaat uit experimentele studies waarin afvalwaterzuivering wordt
gecombineerd met terugwinning van grondstoffen met behulp van op microalgen
gebaseerde systemen, terwijl het tweede deel is gewijd aan Life Cycle Assessment
(LCA) van de technologieën en valorisatietechnieken voor biomassa die in dit
proefschrift zijn onderzocht. Het eerste deel presenteert dus de onderzochte alternatieven van
afvalwaterzuiveringssystemen op basis van microalgen, het testen van verschillende
cultivatiesystemen en het evalueren van het potentieel om bio-energie (biogas) en
hoogwaardige verbindingen (phycobiliproteïnen) terug te winnen. Om te beginnen wordt
een goed gekend microalgensysteem, een high rate algal pond (HRAP), bestudeerd om
het onderhoud, de kosten en de voetafdruk te verminderen. In dit verband werd het effect
van de voorbezinking op de lange termijn prestaties van HRAP's op pilootschaal
onderzocht, niet alleen met betrekking tot de zuiveringsefficiëntie en biomassaeigenschappen,
maar ook met het oog op het potentieel van opwekken van bio-energie
uit de geoogste biomassa. Deze studie toonde aan dat het verwijderen van de
voorbezinking voorafgaand aan een HRAP geen significante invloed had op de
efficiëntie van de afvalwaterbehandeling (NH4+-N verwijdering van respectievelijk 93
en 91% en verwijdering van chemische zuurstofbehoefte (CZV) van respectievelijk 62
en 65% in HRAP met en zonder voorbezinking). Daarom lijkt deze stap overbodig,
wanneer de behandeling van huishoudelijk afvalwater het hoofddoel is. Als terugwinning
van bio-energie door biogasproductie wordt overwogen, zou de co-vergisting met
primair slib de methaanopbrengst (238– 258 mL CH4/g VS vergeleken met 189-225 mL
CH4/g VS) en kinetiek van mono-vergisting van microalgen significant kunnen
verbeteren.
Vervolgens werd in een tweede onderzoek de groei van door cyanobacteriën
gedomineerde biomassa in lab-schaal fotobioreactoren (PBR's) onderzocht op basis van
centraat dat verdund werd met secundair effluent uit het HRAP-systeem in verschillende
verhoudingen. De resultaten toonden aan dat de dominantie van cyanobacteriën stabiel
was in een gemengde cultuur met een effectieve behandelingsefficiëntie (verwijdering
tot 52% van CZV, 86% NH4+-N en 100% fosfor). Bovendien zou in deze systemen
gekweekte biomassa kunnen worden gevaloriseerd voor phycobiliproteïnen (tot 17 mg/g
droge biomassa) en biogasproductie (van 159 tot 199 mL CH4/g VS).
Ten slotte werd een derde onderzoek uitgevoerd naar monocultuurteelten van
Nostoc sp., Arthrospira platensis (Spirulina) en Porphyridium purpureum voor verdere
productie van phycobiliproteïnen. De lichtintensiteit en de samenstelling van het groeimedium werden geoptimaliseerd, hetgeen aangeeft dat lichtomstandigheden de
productie van phycobiliproteïnen meer beïnvloeden dan de samenstelling van het
medium. De omstandigheden werden vervolgens gekozen om deze microalgen in het
afvalwater van de voedselindustrie op te groeien. Efficiënte afvalwaterbehandeling
(verwijdering tot 98% van CZV, 94% anorganische stikstof en 100% fosfor) en
succesvolle extractie van phycobiliproteïnen (tot 103 mg/g droge biomassa) werden
bereikt.
Het tweede deel van dit proefschrift geeft een overzicht van de
duurzaamheidsaspecten die verband houden met microalgensystemen en de valorisatie
van biomassa, op basis van de hierboven beschreven experimentele studies. Twee
vergelijkende LCA's werden uitgevoerd om de milieubelasting te karakteriseren die zou
worden veroorzaakt door het opschalen van de resultaten op laboratorium- en
pilootschaal.
De eerste LCA ging in op HRAP-systemen voor afvalwaterzuivering in kleine
gemeenschappen waarbij biogas en biofertilisatoren werden vergeleken als opties voor
het terugwinnen van grondstoffen. Beide microalgensystemen werden ook vergeleken
met een conventionele actiefslibinstallatie. Bovendien werd een economische analyse
uitgevoerd. Deze studie toonde aan dat, gezien de belangrijkste impactcategorieën, het
HRAP-systeem geïmplementeerd in een warm klimaatgebied het meest
milieuvriendelijke alternatief bleek te zijn. Verder bleek de productie van
biofertilisatoren het economisch meest haalbare te zijn. Bovendien vertoonden HRAP's
lagere potentiële milieueffecten in vergelijking met een actiefslibinstallatie.
De tweede LCA evalueerde twee microalgensystemen waarin de behandeling van
huishoudelijk of industrieel afvalwater werd vergeleken met oog op de terugwinning van
bioproducten (phycobiliproteïnen en digestaat dat herbruikt kan worden in de landbouw)
en bio-energie (biogas). Bovendien werden beide alternatieven vergeleken met een
conventioneel systeem dat standaard groeimedia gebruikt voor de productie van
phycobiliproteïnen. De resultaten geven aan dat het systeem dat industrieel afvalwater
zuivert, lagere milieueffecten heeft dan het systeem dat huishoudelijk afvalwater behandelt. Bovendien bleek het gebruik van afvalwater milieuvriendelijker te zijn dan
het gebruik van standaard groeimedium om microalgen te kweken.
Concluderend suggereren de resultaten verkregen in dit proefschrift dat
microalgensystemen een groot potentieel lijken te hebben om de waterkwaliteit te
verbeteren en waardevolle grondstoffen terug te winnen uit afvalwater. Daarom zijn, op
basis van de resultaten van deze studie en rekening houdend met de behoefte aan
conceptuele bioraffinaderijen, duurzame installaties op volle schaal een volgende stap
op weg naar een circulaire economie