Effizienzerhöhung in der Kultivierung von Mikroalgen – Prozessoptimierung und Bioreaktorentwicklung

Mit dem in dieser Arbeit vorgestellten Photobioreaktor sollen die Nachteile der klassischen Photobioreaktortypen umgangen und eine Möglichkeit der ökonomischen Produktion von Mikroalgenbiomasse geschaffen werden. Durch die Zick-Zack-Struktur der Oberfläche des hier behandelten Horizontalreaktors soll die Lichtenergie auf moderate Level verdünnt werden, so dass die Mikroalgen keinen inhibierenden Strahlungsintensitäten ausgesetzt sind und die Energie effizient umsetzen können. Zur Validierung dieser Behauptung wurde eine Simulation der Energieeinträge auf der Oberfläche des Zick-Zack-Reaktors durchgeführt. ... mehrAls Vergleich wurde eine Simulation einer Freiland-Kultivierung in einem Plattenreaktor herangezogen, die mit empirisch bestimmten Daten belegt wurde. Die Basis für diese Simulationen bildeten in Labor-Reaktoren ermittelte Zeitkonstanten des Chlorophyllgehalts der Mikroalgen in Abhängigkeit der Photonenflussdichte sowie eine Regression des Absorptionskoeffizienten bei adaptierten Lichtintensitäten und Chlorophyllanteilen.

Neben der Lichtverteilung im Photobioreaktor ist der Stofftransport, genauer die CO2-Versorgung und O2-Abreicherung, ein wichtiger Faktor zur Produktivitätssteigerung. Zur Auslegung der Begasung des Reaktors wurden zunächst empirisch volumetrische Stoffübergangskoeffizienten der im Reaktor integrierten Oberflächenbegasung ermittelt und der Stofftransport in einer CFD-Simulation modelliert. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurden Membrankontaktoren über fundierte Transportgleichungen ausgelegt und in das System integriert.

A novel design of a zig-zag structured horizontal photobioreactor is presented in this thesis to overcome the disadvantages of classical photobioreactor systems, namely, to meet the economic needs for a cheap production of microalgae biomass, combined with an efficient photon usage. This novel design is conceived to dilute light energy to a moderate level to protect microalgae from growth-inhibiting high light intensities, and thus enabling an efficient energy conversion for growth. To validate the expected structure-related benefits of this novel reactor type, a simulation of the energy input on the surface of the zigzag reactor was performed. ... mehrAs a comparison, a simulation of an outdoor cultivation in a plate reactor was used, which was verified with empirical data. The simulations utilized time constants of the chlorophyll content as a function of photon flux density determined in laboratory reactors as well as a regression of the absorption coefficient at adapted light intensities and chlorophyll fractions.

In addition to the light distribution in the photobioreactor, the mass transport, more precisely the CO2 supply and O2 depletion, is an important factor to increase microalgae productivity. To design the aeration of the reactor, empirical volumetric mass transfer coefficients of the surface aeration were determined, and the mass transfer was modelled in a CFD simulation. Based on these findings, membrane contactors were dimensioned by using well-founded transport equations.