Biogas and bio-based products recovery from microalgae: a biorefinery approach

Abstract

(English) Microalgal biomass has attracted significant interest due its potential to produce valuable bio-based products and biofuels, owing to its rapid growth, high photosynthetic efficiency, and adaptability to diverse environmental conditions. However, challenges such as enhancing productivity, achieving cost-effective processing, and maximising biomass utilisation persist in this field. This PhD thesis aimed to develop an integrated microalgal biorefinery approach for the sustainable valorisation of microalgal biomass, focusing on the recovery of valuable bio-based products and biogas through anaerobic digestion (AD) of extracted microalgal biomass. Three studies were conducted, each representing different microalgal biorefinery scenarios, to evaluate the performance of these biorefinery approaches in a circular bioeconomy model. The first study assessed the dual recovery of biostimulants and biogas from Scenedesmus sp. cultivated in an outdoor demonstrative high-rate algal pond (HRAP) using freshwater and recycled nutrient media. The biostimulant extracts improved seed germination, root and shoot growth, and chlorophyll retention in watercress, mung beans, cucumbers, and wheat. The potential for biogas production from harvested biomass (Raw) and biostimulant-extracted biomass (Stim-E) was evaluated using mesophilic biochemical methane potential (BMP) tests. AD of Stim-E increased methane yield by 20% (293 mL CH₄/ g VS), and improved the kinetics by 10% compared to Raw biomass. The second study expanded upon this approach by treating wastewater with a Scenedesmus-bacterial consortium cultivated in a demonstrative HRAP to treat urban wastewater. Harvested biomass was processed to extract biostimulants, which maintained their plant growth-promoting properties. Downstream processing functioned as a pretreatment, preserving 91% of the methane yield from Raw biomass (276 mL CH4/g VS). Co-digestion with primary sludge (PS) enhanced methane yield and kinetics by 24% and 43%, respectively, compared to Raw biomass. Additionally, the fate of contaminants of emerging concern (CECs) was analysed to evaluate their mitigation during microalgae-based wastewater treatment and bioproduct recovery. Over 80% of the analysed CECs were removed during the wastewater treatment, and the low residual CECs in the biostimulant extracts confirmed their environmental safety for agricultural applications. These results demonstrated the successful integration of resource recovery within microalgae-based wastewater treatment processes and their alignment with circular bioeconomy principles. The third study focused on carotenoid and biogas recovery from Scenedesmus sp. cultivated in HRAPs treating urban wastewater. Carotenoid extraction yielded up to 4.3 mg/g total suspended solids (TSS), with lutein identified as the predominant pigment. AD of carotenoid-extracted biomass (CEB) retained 86% of the methane yield from Raw biomass, while co-digestion with PS increased yields by 44-86%. These findings demonstrate the potential of a cascading microalgal biorefinery model that integrates the extraction of valuable products with bioenergy generation to enhance resource efficiency and waste valorisation. This thesis demonstrates the versatility of microalgae in three interconnected domains: AD, extraction of valuable products, and wastewater treatment. This study provides insights into scalable strategies for integrated microalgal biorefineries, offering sustainable solutions to energy and environmental challenges. The outcomes highlight synergies across biorefinery processes and lay a foundation for future research aimed at enhancing technical performance, reducing environmental impacts, and improving economic viability within circular bioeconomy frameworks.

(Català) La biomassa de microalgues ha despertat un interès significatiu pel seu potencial en la producció de productes d’alt valor, gràcies al seu ràpid creixement, l’elevada eficiència fotosintètica, i l’adaptabilitat a diversos ambients. Tanmateix, encara persisteixen desafiaments relacionats amb l’augment de la productivitat, la viabilitat econòmica del processament i el màxim aprofitament de la biomassa. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu desenvolupar un enfocament de biorefineria de microalgues per a la valorització sostenible de la biomassa, centrat en la recuperació de productes valuosos i biogàs mitjançant digestió anaeròbia (DA) de la biomassa residual. Es van dur a terme tres estudis, cadascun representant diferents escenaris de biorefineria, amb la finalitat d’avaluar-ne el rendiment dins d’un model de economia circular. El primer estudi va avaluar la recuperació de bioestimulants i biogàs a partir de Scenedesmus sp. cultivada en una llacuna d'alta càrrega (LLAC) a escala demostrativa a l’aire lliure, utilitzant aigua dolça i medi de cultiu reciclat. Els extractes bioestimulants van millorar la germinació de llavors, el creixement de les raïses e brots, i la retenció de clorofil·la en créixens, mongetes, cogombres i blat. La producció de biogàs de la biomassa collida sense processar (Raw) i de la biomassa després de l’extracció de bioestimulants (Stim-E) es va avaluar mitjançant assajos de potencial bioquímic de metà (PBM). La DA de Stim-E va augmentar el rendiment de metà en un 20% (293 mL CH₄/g VS) i en va millorar la cinètica del procés en un 10% respecte a la biomassa Raw. El segon estudi va ampliar aquest enfocament integrant el tractament d’aigües residuals urbanes mitjançant un consorci Scenedesmus-bacteris cultivat en LLAC. La biomassa recollida es va processar per extreure bioestimulants, que van conservar les seves propietats promotores del creixement vegetal. El processament va actuar com a pretractament, preservant el 91% del rendiment de metà de la biomassa Raw (276 mL CH₄/g VS). La codigestió amb fangs primaris (FP) va millorar el rendiment de metà i la cinètica en un 24% i un 43%, respectivament. A més, es va avaluar la presència de contaminants emergents (CECs) durant el tractament i la recuperació de bioproductes. Més del 80% dels CECs analitzats es van eliminar durant el tractament, i les baixes concentracions residuals en els extractes van confirmar-ne la seguretat ambiental per a aplicacions agrícoles. Aquests resultats van demostrar la integració efectiva de la recuperació de productes dins dels processos de tractament d’aigües residuals amb microalgues, en línia amb els principis de la economia circular. El tercer estudi es va centrar en la recuperació de carotenoides i biogàs a partir de Scenedesmus sp. cultivada en LLACs amb aigües residuals urbanes. L’extracció de carotenoides va assolir fins a 4,3 mg/g de sòlids en suspensió totals (TSS), essent la luteïna el pigment predominant. La DA de la biomassa després de l’extracció de carotenoides (CEB) va conservar el 86% del rendiment de metà de la biomassa Raw, mentre que la codigestió amb FP va augmentar els rendiments entre un 44% i un 86%. Aquests resultats van demostrar el potencial d’aquesta biorefineria microalgal, que integra l’extracció de pigments valuosos amb la generació d’energia, millorant l’eficiència en l’ús de recursos i la valorització de residus. Aquesta tesi demostra la versatilitat de les microalgues en tres dominis interconnectats: DA, extracció de compostos de valor i tractament d’aigües residuals. L’estudi proporciona una visió integral sobre estratègies escalables per a biorefineries microalgals integrades, oferint solucions sostenibles als desafiaments energètics i ambientals. Els resultats posen de manifest sinergies entre els diferents processos de biorefineria i estableixen les bases per a futures investigacions orientades a millorar el rendiment tècnic, reduir els impactes ambientals i augmentar la viabilitat econòmica.

(Español) La biomasa de microalgas ha despertado un interés significativo debido a su potencial en la producción de productos de alto valor, gracias a su rápido crecimiento, alta eficiencia fotosintética y adaptabilidad a diversos ambientes. Sin embargo, aún persisten desafíos relacionados con el aumento de la productividad, la viabilidad económica del procesamiento y el máximo aprovechamiento de la misma. Esta tesis doctoral tuvo como objetivo desarrollar un enfoque de biorrefinería de microalgas para la valorización sostenible de la biomasa, centrado en la recuperación de productos valiosos y biogás mediante digestión anaerobia (DA) de la biomasa residual. Se llevaron a cabo tres estudios, cada uno representó diferentes escenarios de biorrefinería, con el fin de evaluar su desempeño dentro de un modelo de bioeconomía circular. El primer estudio evaluó la recuperación de bioestimulantes y biogás a partir de Scenedesmus sp. cultivada en una laguna de alta carga (LAC) a escala demostrativa al aire libre, empleando agua dulce y medio de cultivo reciclado. Los extractos bioestimulantes mejoraron la germinación de semillas, el crecimiento de raíces y brotes, y la retención de clorofila en berros, frijoles, pepinos y trigo. La producción de biogás de la biomasa cosechada sin procesar (Raw) y de la biomasa tras la extracción de bioestimulantes (Stim-E) se evaluó mediante ensayos de potencial bioquímico de metano (PBM). La DA de Stim-E aumentó el rendimiento de metano en un 20% (293 mL CH₄/g VS) y mejoró la cinética del proceso en un 10% respecto a la biomasa Raw. El segundo estudio amplió este enfoque integrando el tratamiento de aguas residuales urbanas mediante un consorcio Scenedesmus-bacterias cultivado en LACs. La biomasa recolectada fue procesada para extraer bioestimulantes, los cuales conservaron sus propiedades promotoras del crecimiento vegetal. El procesamiento actuó como un pretratamiento, preservando el 91% del rendimiento de metano de la biomasa Raw (276 mL CH₄/g VS). La codigestión con lodo primario (LP) mejoró el rendimiento de metano y la cinética en un 24% y 43%, respectivamente. Además, se evaluó la presencia de contaminantes emergentes (CECs) durante el tratamiento y la recuperación de bioproductos. Más del 80% de los CECs analizados fueron eliminados durante el tratamiento, y las bajas concentraciones residuales en los extractos confirmaron su seguridad ambiental para aplicaciones agrícolas. Estos resultados demostraron la integración efectiva de la recuperación de productos en procesos de tratamiento de aguas residuales con microalgas, en línea con los principios de la bioeconomía circular. El tercer estudio se centró en la recuperación de carotenoides y biogás a partir de Scenedesmus sp. cultivada en LACs con aguas residuales urbanas. La extracción de carotenoides alcanzó hasta 4,3 mg/g de sólidos suspendidos totales (TSS), siendo la luteína el pigmento predominante. La DA de la biomasa tras la extracción de carotenoides (CEB) conservó el 86% del rendimiento de metano de la biomasa Raw, mientras que la codigestión con LP aumentó los rendimientos entre un 44% y 86%. Estos hallazgos demostraron el potencial de esta biorrefinería microalgal, que integra la extracción de pigmentos valiosos con la generación de energía, mejorando la eficiencia en el uso de recursos y la valorización de residuos. Esta tesis demuestra la versatilidad de las microalgas en tres dominios interconectados: DA, extracción de compuestos de valor y tratamiento de aguas residuales. El estudio proporciona una visión integral sobre estrategias escalables para biorrefinerías microalgales integradas, ofreciendo soluciones sostenibles a los desafíos energéticos y ambientales. Los resultados destacan sinergias entre los distintos procesos de biorrefinería y sientan las bases para futuras investigaciones orientadas a mejorar el rendimiento técnico, reducir los impactos ambientales y aumentar la viabilidad económica en el marco de bioeconomía circular.