Abstract Enclosed outdoor photobioreactors need to be developed and designed for large‐scale production of phototrophic microorganisms. Both light regime and photosynthetic efficiency were analyzed in characteristic examples of state‐of‐the‐art pilot‐scale photobioreactors. In this study it is shown that productivity of photobioreactors is determined by the light regime inside the bioreactors. In addition to light regime, oxygen accumulation and shear stress limit productivity in certain designs. In short light‐path systems, high efficiencies, 10% to 20% based on photosynthetic active radiation (PAR 400 to 700 nm), can be reached at high biomass concentrations (>5 kg [dry weight] m −3 ). It is demonstrated, however, that these and other photobioreactor designs are poorly scalable (maximal unit size 0.1 to 10 m 3 ), and/or not applicable for cultivation of monocultures. This is why a new photobioreactor design is proposed in which light capture is physically separated from photoautotrophic cultivation. This system can possibly be scaled to larger unit sizes, 10 to >100 m 3 , and the reactor liquid as a whole is mixed and aerated. It is deduced that high photosynthetic efficiencies, 15% on a PAR‐basis, can be achieved. Future designs from optical engineers should be used to collect, concentrate, and transport sunlight, followed by redistribution in a large‐scale photobioreactor. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Biotechnol Bioeng 81: 193–210, 2003.

Microalgae are a potential source of sustainable commodities of fuels, chemicals and food and feed additives. The current high production costs, as a result of the low areal productivities, limit the application of microalgae in industry. A first step is determining how the different production system designs relate to each other under identical climate conditions. The productivity and photosynthetic efficiency of Nannochloropsis sp. CCAP 211/78 cultivated in four different outdoor continuously operated pilot-scale photobioreactors under the same climatological conditions were compared. The optimal dilution rate was determined for each photobioreactor by operation of the different photobioreactors at different dilution rates. In vertical photobioreactors, higher areal productivities and photosynthetic efficiencies, 19–24 g m−2 day−1 and 2.4–4.2 %, respectively, were found in comparison to the horizontal systems; 12–15 g m−2 day−1 and 1.5–1.8 %. The higher ground areal productivity in the vertical systems could be explained by light dilution in combination with a higher light capture. In the raceway pond low productivities were obtained, due to the long optical path in this system. Areal productivities in all systems increased with increasing photon flux densities up to a photon flux density of 30 mol m−2 day−1. Photosynthetic efficiencies remained constant in all systems with increasing photon flux densities. The highest photosynthetic efficiencies obtained were; 4.2 % for the vertical tubular photobioreactor, 3.8 % for the flat panel reactor, 1.8 % for the horizontal tubular reactor, and 1.5 % for the open raceway pond. Vertical photobioreactors resulted in higher areal productivities than horizontal photobioreactors because of the lower incident photon flux densities on the reactor surface. The flat panel photobioreactor resulted, among the vertical photobioreactors studied, in the highest average photosynthetic efficiency, areal and volumetric productivities due to the short optical path. Photobioreactor light interception should be further optimized to maximize ground areal productivity and photosynthetic efficiency.

Global surface waters are in a bad ecological and chemical state, which has detrimental effects on entire ecosystems. To prevent further deterioration of ecosystems and ecosystem services, it is vital to minimize environmental pollution and come up with ways to keep surface water healthy and clean. Recently, photogranules have emerged as a promising platform for wastewater treatment to remove organic matter and nutrients with reduced or eliminated mechanical aeration, while also facilitating CO2 capture and production of various bioproducts. Photogranules are microbial aggregates of microalgae, cyanobacteria, and other non-phototrophic organisms that form dense spheroidic granules. Photogranules settle fast and can be easily retained in the treatment system, which allows increased amounts of water and wastewater to be treated. So far, photogranules have only been tested on various "high-strength" wastewaters but they might be an excellent choice for treatment of large volumes of polluted surface water as well. Here, we propose and tested for the first time photogranules on their effectiveness to remove nutrients from polluted surface water at unprecedented low concentrations (3.2 mg/L of nitrogen and 0.12 mg/L of phosphorous) and low hydraulic retention time (HRT = 1.5 h). Photogranules can successfully remove nitrogen (<0.6 mg/L, ∼80% removal) and phosphorous (<0.01 mg/L, 90-95% removal) to low levels in sequencing batch operation even without the need for pH control. Subjecting photogranules to surface water treatment conditions drastically changed their morphology. While, under "high-strength" conditions the photogranules were spherical, dense and defined, under polluted surface water conditions photogranules increased their surface area by forming fingers. However, this did not compromise their excellent settling properties. Finally, we discuss the future perspectives of photogranular technology for surface water treatment.

Microalgae are a promising renewable feedstock that can be produced on non-arable land using seawater. Their biomass contains proteins, lipids, carbohydrates, and pigments, and can be used for various biobased products, such as food, feed, biochemicals, and biofuels. For such applications, the production costs need to be reduced, for example, by improving biomass productivity in photobioreactors. In this study,