Algal wastewater treatment and biomass producing potential: nutrient removal efficiency and cell physiological responses

Microalgae are sun - light cell factories that convert carbon dioxide to biofuels, foods, feeds, and other bioproducts. The concept of microalgae cultivation as an integrated system in wastewater treatment has optimized the potential of the microalgae - based biofuel production. These microorganisms contains lipids, polysaccharides, proteins, pigments and other cell compounds, and their biomass can provide different kinds of biofuels such as biodiesel, biomethane and ethanol. The algal biomass application strongly depends on the cell composition and the production of biofuels appears to be economically convenient only in conjunction with wastewater treatment. The aim of this research thesis was to investigate a biological wastewater system on a laboratory scale growing a newly isolated freshwater microalgae, Desmodesmus communis, in effluents generated by a local wastewater reclamation facility in Cesena (Emilia Romagna, Italy) in batch and semi - continuous cultures. This work showed the potential utilization of this microorganism in an algae - based wastewater treatment; Desmodesmus communis had a great capacity to grow in the wastewater, competing with other microorganisms naturally present and adapting to various environmental conditions such as different irradiance levels and nutrient concentrations. The nutrient removal efficiency was characterized at different hydraulic retention times as well as the algal growth rate and biomass composition in terms of proteins, polysaccharides, total lipids and total fatty acids (TFAs) which are considered the substrate for biodiesel production. The biochemical analyses were coupled with the biomass elemental analysis which specified the amount of carbon and nitrogen in the algal biomass. Furthermore photosynthetic investigations were carried out to better correlate the environmental conditions with the physiology responses of the cells and consequently get more information to optimize the growth rate and the increase of TFAs and C/N ratio, cellular compounds and biomass parameter which are fundamental in the biomass energy recovery.

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.