Calibration and validation of a microalgae model applied to a lab-scale photobioreactor for municipal wastewater treatment

In the framework of strategies toward a sustainable development, an important factor is the technological progress in the water sector. The present thesis was developed within the CALAGUA research group formed by personnel from the Research Institute of Water and Environmental Engineering of the Polytechnic University of Valencia and the Depart ment of Chemical Engineering of the University of Valencia. The development of new technologies based on microalgae applications is a significant player in achieving sustainable goals and moving towards the concept of circular economy [74]. One of the principles of the circular economy is the recovery of useful and valuable substances that are considered waste in the traditional consumer economy. The potential applications of microalgae range across a multitude of sectors such as wastewater remedi ation, biorefineries, pharmaceuticals and chemical building blocks synthesis. The present work is structured on experimental assays at a laboratory scale, aiming to calibrate and validate the parameters of a microalgal kinetic model associated with microalgal growth rate and pH. All the development of the thesis was performed at a laboratory scale. The scope of the investigation is to obtain further knowledge of the microalgae pure culture. Indeed, the reference algal model is the one developed by Viruela et al. [117] that is then coupled with a bacterial model to obtain a microalgae-bacteria consortium model. How ever, the microalgae model was less accurate than the bacterial one, making it necessary to recalibrate some parameters. Several tests have been performed by varying the val ues of the factors affecting the algal growth rate such as pH, light intensity and biomass concentration. The choice of the values of the mentioned factors has been driven by the scientific literature so that the research covers the average growth conditions applied in the commonest experimental activities. After the data collection and the data cleaning, calibration and validation of the interested parameters are performed.

Fra le varie strategie verso uno sviluppo sostenibile un ruolo rilevante è costituito dal pro gresso tecnologico del settore dell’acqua. La tesi qui proposta è stata sviluppata all’interno del centro di ricerca CALAGUA, gruppo congiunto fra il Research Institute of Water and Environmental Engineering della Università Politecnica di Valencia e il dipartimento di ingegneria chimica della Univeristà di Valencia. Lo sviluppo di nuove tecnologie basate sull’applicazione delle microalghe può rappre sentare un fattore aggiunto per il raggiungimento degli obiettivi di sviluppo sostenibile dell’agenda ONU 2030 e verso un’economia circolare [74]. Uno dei principi dell’economia circolare è il recupero di sostanze utili e con valore aggiunto, sostanze le quali tradizional mente erano considerate rifiuti da gestire. Le potenziali applicazioni delle microalghe spaziano in molteplici settori come per esempio il trattamento delle acque di rifiuto, la bioraffineria, nel campo farmaceutico e nella chimica di sintesi. L’obiettivo finale di questo lavoro di tesi è la calibrazione e validazione di parametri cinetici di un modello cinetico microlagale legati al tasso di crescita microalgale e al pH. Lo studio proposto è stato svolto interamente in scala laboratoriale. Lo scopo della ricerca è l’investigazione delle dinamiche biologiche di una coltura microalgale pura per sviluppare il modello algale proposto da Viruela et al. [117] da accoppiare successivamente con un modello batterico. Il modello batterico già presenta una buona accuratezza, al contrario quello delle sole microalghe non mostra una affidabilità elevata e si è perciò reso necessario uno studio più approfondito del tema. Numerosi esperimenti sono stati svolti in differenti condizioni, variando i fattori che influenzano il tasso di crescita algale. Fra questi sono stati testati vari valori di pH, intensità luminosa e concentrazione della biomassa. I livelli definiti di questi fattori sono stati scelti a valle di una ricerca bibliografica. In questo modo la ricerca copre un campo applicativo che presenta i valori più comunemente adottati nei lavori sperimentali. La cal ibrazione e validazione dei parametri di interesse è svolta successivamente alle operazioni di raccolta, esplorazione e pulizia dei dati.