Abstract: In iets meer dan 30 jaar moeten we tot 50% meer eiwit produceren, terwijl onze conventionele lineaire voedselproductieketen reeds de grenzen van duurzaamheid overschrijdt. Microbieel eiwit (MP), de eiwitrijke biomassa van micro-organismen, werd onderzocht als nieuw voeder en voedselingrediënt in een circulaire eiwitproductieketen. MP-productie kan gebaseerd zijn op primaire grondstoffen om zo de inefficiënte stappen in de huidige eiwitproductie over te slaan, of de productie kan gebaseerd zijn op secundaire grondstoffen afkomstig van de verliezen in de conventionele productieketen (bijvoorbeeld afvalwater). Zowel indirecte als directe strategiën voor nutriëntenherwinning kunnen geïdentificeerd worden. Indirecte nutriëntenherwinning werd onderzocht door struviet toe te passen als fosfor- en stikstofbron voor MP-productie. Struviet, een herwinningsproduct in de afvalwaterzuivering, bleek een hoge zuiverheidsgraad te hebben waardoor het een uitstekende selectieve barrière vormt tussen afvalstroom en MP productie. Oplossingssnelheden en MP groei-experimenten toonden aan dat struviet gemakkelijk gedoseerd kan worden in functie van de microbiële nutriëntenbehoeftes, waarnaast problemen vermeden worden gerelateerd aan de turbiditeit van nevenstromen, wat de productie van fototrofe MP mogelijk maakt. Daarnaast werd ook directe nutriëntenherwinning onderzocht. Hierbij werden de voedingswaarde en veiligheid geanalyseerd van biomassa bestaande uit aerobe heterotrofe bacteriën (AHB) afkomstig van effluentzuivering van 25 bedrijven in de voedings- en drankensector. Verder werd ook de temporele variabiliteit in kaart gebracht. Er werd een veelbelovend eiwitgehalte geobserveerd waarvan de variabiliteit aanzienlijke was. Verder werd aangetoond dat het eiwitgehalte positief gecorreleerd was met stikstofbelasting en negatief met slibverblijftijd, wat een indicatie is dat de implementatie van een geoptimaliseerd productieproces, de biomassakwaliteit gevoelig kan verhogen. Bovendien was de veiligheid als veevoeder gegarandeerd op vlak van de meeste contaminanten. In het daarop volgende hoofdstuk werd de variabiliteit in voedingswaarde en veiligheid bestudeerd van commerciële fototrofe MP (de microalgen Chlorella en Spirulina), gekweekt op primaire grondstoffen. De waargenomen variabiliteit in voedingswaarde vereist verdere optimalisatie van het productieproces. Er werd ook waargenomen dat een hoog eiwitgehalte geen hoge totale voedingswaarde impliceert, omdat de verteerbaarheid en de eiwitkwaliteit nog steeds ongunstig kunnen zijn. Op basis van gemeten contaminanten geeft een veilige consumptiedosis aan dat microalgen perfect kunnen worden geconsumeerd als volwaardige eiwitbron in plaats van als supplement, hun huidige hoofdtoepassing. In een laatste experimenteel hoofdstuk werd onderzocht hoe de variabiliteit in biomassakwaliteit van microalgen kan worden gereduceerd en hoe een stabiele, hoogwaardige biomassaproductie kan worden bekomen. De invloed van oogsttijd, operationele modus en fotoperiode werd bepaald op de productiviteit van biomassa, eiwit en essentiële aminozuren en er werden optimale productieparameters geïdentificeerd. Samengevat is MP-productie op basis van indirecte en directe nutriëntenherwinning veelbelovend. Verdere technologische ontwikkelingen en het verhogen van bewustwording en sociale acceptatie, moeten een verdere introductie van MP in de voeder- en voedingsmarkt faciliteren. Hier kan MP een belangrijke oplossing vertegenwoordigen om de exponentieel groeiende wereldbevolking op een duurzame manier te voeden.

Abstract: Het gebruik van plasmon-actieve nanodeeltjes heeft de laatste 10 jaar zeer veel interesse gewekt bij onderzoekers in verschillende toepassingsdomeinen zoals fotokatalyse of oppervlakte versterkte Raman spectroscopie. Er is echter een grote limiterende factor bij het gebruik van edelmetaal nanodeeltjes zoals goud en zilver en dat is de stabiliteit. Deze oxideren en aggregeren snel, zeker in oxidatieve omgeving zoals in lucht. Een interessante aanpak om plasmon-actieve nanodeeltjes te stabiliseren, is om ze te omgeven in een schil, met andere woorden om een kern-schil nanodeeltje te vormen. Er zijn een heel aantal verschillende manieren waarop kern-schil nanodeeltjes gesynthetiseerd kunnen worden. In eerste instantie werden metaal nanodeeltjes omgeven door een (dunne) TiO2 laag. Afhankelijk van de hoeveelheid TiO2 precursor kon de dikte van de laag gecontroleerd worden tot enkele nanometers dik. De stalen werden getest voor de fotokatalytische afbraak van een vaste laag stearinezuur waarbij toevoeging van 2 wt% metaal@TiO2 op P25 leidde tot een significante verbetering in afbraakefficiëntie in vergelijking met zuiver P25. Een andere manier voor het stabiliseren van metaal nanodeeltjes is door ze te omgeven met een polymeerschil. Op deze manier kon de laagdikte gecontroleerd worden met sub-nanometer controle wat een zeer belangrijke factor is voor de hoeveelheid near-field versterking dat buiten de polymeer schil kan gaan. Een XTT test werd uitgevoerd om te bepalen wat de zuurstofactivatie snelheid was van goud en zilver (en goud-zilver bimetallische) nanodeeltjes, al dan niet omgeven door een (niet-)geleidende polymeer laag. Wanneer de stalen gecoat werden met vier niet-geleidende polymeerlagen zakte de zuurstofactivatie nagenoeg tot nul. Aan de andere kant, als goud nanodeeltjes werden omgeven door een geleidende schil was er nog steeds zuurstofactivatie, hoewel lager dan in het geval van goud zonder laag. Het laatste deel van deze thesis focuste meer op mogelijke toepassingen in luchtzuivering. In dit werk werd een glazen buis, gecoat aan de binnenkant met (Ag@polymer gemodificeerd) TiO2, als een spiraal rond een UVA lamp gewikkeld. De geoptimaliseerde spiraalreactor werd dan vergeleken met een conventionele cilindervormige fotoreactor, met dezelfde dimensies en totale katalysatorbelading, over een grote range aan experimentele condities. Uit de resultaten bleek dat de spiraalreactor significant betere afbraakefficiënties vertoonde in vergelijking met de conventionele cilindervormige reactor over een grote range aan debieten. Een adsorptiestap in combinatie met de geoptimaliseerde spiraalreactor zou kunnen leiden tot een zeer krachtige luchtzuiveringstechnologie.

Abstract: ​Food production is a cornerstone in contemporary industrial societies. Its production requires land, water and enormous amounts of fertilizers. These precious fertilizers enter the linear food chain and suffer from a cascade of inefficiencies, resulting in detrimental effects to the environment. A radical transforming of the current food production chain is, therefore, essential to guarantee a sustainable future for humanity. ​This thesis has studied the production of microbial protein (i.e. single-cell protein), which is the use of microorganisms such as yeast, fungi, algae and bacteria as protein ingredient for animal feed. The type of microorganisms targeted in this thesis were purple non-sulfur bacteria (PNSB). These bacteria are an extremely heterogenic group that contain photosynthetic pigments and are able to perform anoxygenic photosynthesis. The core focus of the thesis was technology development for the production of PNSB as a source of microbial protein on wastewater and fresh fertilizers. In the final stage of this research, it was the objective to explore the potential of PNSB as a nutritious feed ingredient for shrimp. ​Overall, this work has provided the building blocks to transform the conventional food production chain. The findings show that PNSB production and biomass valorization is within reach. Further pilot implementation and cost reduction will facilitate the introduction of PNSB production in future’s wastewater treatment plants and the valorization of the biomass as nutritious animal feed ingredient.​

Abstract: abstract not available