Modelling and optimization of algal cultivation in lab scale flat panel Photobioreactors

Loomba, Varun; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Posten, Clemens (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Mikroalgen dienen der Industrie zur Herstellung vieler wichtiger Chemikalien und können potentiell auch als Rohmaterial für Biokraftstoffe verwendet werden. Es ist eine Optimierung der Produktion notwendig, um die Nutzung von Mikroalgen zu maximieren, da die Produktionserträge aus der Massenproduktion bisher weit niedriger sind als nach Labormessungen erwartet. Mikroalgen akkumulieren Biomasse durch Photosynthese. Daher sind Rohstoffe wie Wasser, CO2, Licht und Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Kalium erforderlich. Dabei ist die Lichtverfügbarkeit ein entscheidender Faktor, der das Wachstum limitiert. Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, den Einfluss von Betriebs- und Designparametern eines begasten Flachbett-Photobioreaktors (PBR) für Mikroalgen im Labormaßstab mittels Computersimulationen zu analysieren und damit geeignete Parameter zur Maximierung der Gesamtproduktivität zu finden. Die Strömungsprofile des Wassers und der Luft wurden mittels Fluiddynamik-Simulationen charakterisiert und anschießend weiterverwendet, um die Trajektorien der Mikroalgenzellen zu berechnen. Unabhängig davon wurde das Lichtintensitätsprofil im PBR berechnet und mit den Daten der Zelltrajektorien kombiniert, um deren dynamische Lichteinwirkung zu bestimmen. Spezifische Wachstumsraten der einzelnen Zellen wurden dann unter Verwendung zweier unterschiedlicher Wachstumsmodelle, die der Literatur entnommen wurden (eines verzögerungsfrei und eines die Lichtgeschichte einzelner Zellen berücksichtigt), berechnet. Außerdem wurde die Produktivität aus diesen spezifischen Wachstumsraten berechnet. Diese Prozedur wurde für verschiedene Werte der Betriebs- und Designparameter wiederholt. Die Änderung der Lufteinlassrate beeinflusste die gesamte Lichteinwirkung auf Zellen nur im direkten Vergleich zwischen sehr geringen und sehr hohen Flussraten. Eine 50%ige Änderung im Bereich hoher Lufteinlassraten zeigte hingegen keine signifikante Auswirkung auf die Lichteinwirkung. Zudem wirkte sich eine Veränderung der kinetischen Parameter des dynamischen Wachstumsmodells nur dann auf die Gesamtproduktivität aus, wenn Veränderungen in der Höhe mehrerer Größenordnungen vorgenommen wurden. Die Mikroalgenkonzentration, die externe Lichtintensität und die Mikroalgenart bestimmen in hohem Maße die Lichtintensität innerhalb des PBR und somit die Wachstumsrate und Produktivität. Es wurde beobachtet, dass das PBR-Design einen starken Einfluss auf die Algenwachstumsraten und die Produktivität hat. Daher wurden zwei neue, alternative Designs vorgeschlagen, bei denen die Position der Lufteinlasslöcher und die innere Form des PBR geändert worden sind. Dadurch verändern sich die Strömungsprofile der Mikroalgen und damit deren Lichtexposition wesentlich. Die neuen Designs zeigen, wenn ein dynamisches Wachstumsmodell verwendet wird, höhere Produktivität als das Standarddesign. Bei Änderung der Position der Lichtquelle von der Vorder- zur Rückseite des PBRs wurde keine wesentliche Schwankung der Reaktorleistung festgestellt. Die Beleuchtung von beiden Seiten führte für alle Designs zu höheren Produktivitäten als für jede der Varianten mit einseitiger Bestrahlung. Die höhere Produktivität wird mit einer homogeneren Lichtverteilung innerhalb des PBR begründet. In dieser Studie wurde ein Rahmen für die systematische Untersuchung der Leistungsfähigkeit von flachen PBRs geschaffen. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um verschiedene Parameter wie zum Beispiel andere PBR-Geometrien, Wachstumsparameter-Sets, Algenarten usw. zu untersuchen.