Abstract:
Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein kompakter, intern beleuchteter Photobioreaktor (cptPBR) für die Produktion isotopenmarkierter Biomasse entwickelt, charakterisiert und optimiert. Der entscheidendste Schritt der Optimierung war der Anschluss eines geschlossenen Gaskreislaufes mit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM). Die PEM reicherte den photosynthetisch gebildeten Sauerstoff selektiv ab, während alle anderen Gase in den cptPBR zurückgeführt wurden. Die vollständig quantitative Rückführung von CO2 ermöglichte die stabil-isotopenmarkierte Biomasseproduktion mit 13C durch Verwendung von 13CO2 ohne Verluste dieses hochpreisigen Substrats. ... mehrZusätzlich zur Isotopenmarkierung konnte der Abreicherungsmechanismus für das Monitoring der photosynthetischen Aktivität während kinetischer Untersuchungen eingesetzt werden. Ziel der Untersuchungen war die Erhöhung der Stärkeausbeute, da Stärke zu hochpreisigem 13C-Glukose hydrolysiert werden kann und eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit ermöglicht.
Die Beleuchtung des cptPBR erfolgte über 37 horizontale Glasrohre mit einer Gesamtoberfläche von 0,909 m², entsprechend einer spezifischen Beleuchtungsfläche von 33,7 m⁻¹, die mit anderen State-of-the-Art Systemen vergleichbar ist. Die multidirektionale, helikale Anordnung der LEDs verringerte den Abstand zwischen den LEDs von geradlinig 19,5 mm auf effektiv 2,2 mm entlang der Längsachse. Unter diesen Lichtbedingungen hing die Produktivität des cptPBR maßgeblich von der Verteilung der zur Durchmischung dienenden Begasungsrohre ab. Die Begasungsgeometrie wurde daher mithilfe von kombinierter experimenteller und simulationsgestützter Durchmischungsanalyse optimiert. Eine Begasungsporengröße von 0,5 mm in Verbindung mit einem verbreiterten Begasungsprofil führte zu pH-Sprung-basierten Mischzeiten von 1393 ± 226 s entlang der Längsachse und 882 ± 22 s im Reaktorquerschnitt. Die optische Traceranalyse ergab Mischzeiten von unter 50 s im Reaktorquerschnitt und bestätigte somit einen schnellen Transfer von Zellen zwischen verschiedenen Lichtzonen im Verhältnis zu der vollständigen Homogenisierung des cptPBRs.
Zur produktiven photoautotrophen Kultivierung im cptPBR mit geschlossenem Gaskreislauf wurde eine PEM zur selektiven Sauerstoffabreicherung in den Kreislauf integriert. Die PEM ermöglichte eine streng stöchiometrische Reaktion von Sauerstoff zu Wasser unter Nutzung von extern zugeführtem Wasserstoff. Der Wasserstofffluss zur PEM diente aufgrund der Stöchiometrie mit dem netto produzierten Sauerstoff als Messsignal für die Berechnung der Photosyntheserate. Der theoretische biomassenspezifische Korrelationsfaktor (αₖ,H₂ = 0,38-0,42 gX·LH2-1) und der photo¬synthetische Quotient (PQ = 1,22) wurden für aktiv wachsende Chlorella vulgaris H14 experimentell bestätigt. Unter automatisiertem Betrieb mit den genannten Parametern konnte eine spezifische Wachstumsrate von 2,0-2,8 Tag⁻¹ – bis zum Erreichen der maximalen Abreicherungskapazität der PEM bei einer volumetrischen Produktivität von 1,15 g·L⁻¹·Tag⁻¹ – aufrechterhalten werden. Die wasserstoffbasierte Biomassenabschätzung zeigte unter stabilen Betriebsbedingungen der PEM eine sehr gute Korrelation mit den Biotrockenmassekonzentrationen (r = 0,998). Bei Überhydratation der Membran sank der Korrelationsfaktor jedoch (r = 0,735), sodass der Feuchtegehalt der Membran als kritische Betriebsgröße identifiziert wurde.
Der automatisierte Betrieb und das quasi-kontinuierliche Monitoring des cptPBR ermöglichten die Anwendung und kinetische Untersuchung einer neu entwickelten Nährstofffütterungsstrategie. Zur mechanistischen Entkopplung der Licht- und Nährstoffdynamik wurden mithilfe einer Ulbrichtkugel die Absorptionskoeffizienten sowie mit einer eigens konstruierten, winkelauflösenden Messzelle und einem Photometer Streukoeffizienten bestimmt. Die Anpassung der Henyey-Greenstein-Funktion an die gemessene winkelspezifische Streuverteilung zeigte eine dominierende Vorwärtsstreuung (g = 0,88) bei einem geringen Anteil an Rückstreuung (≤ 7,2 % in Einzelmessungen). Die ermittelten Koeffizienten wurden für Lichtsimulationen mittels Monte-Carlo-Ray-Tracing verwendet. Das 3D-simulierte Lichtfeld für eine Einzel-LED stimmte sehr gut mit den Messwerten überein, wie für verschiedene Biomassekonzentrationen gezeigt werden konnte (Steigung = 0,829-1,078; R² = 0,957-0,991). Die Vervielfältigung der Einzel-LED im Reaktorquerschnitt ergab volumenelementspezifische Verteilungen von Lichtintensität und Absorptionsraten, wodurch die Lichtkinetik direkt auf die jeweilige Nährstofflimitierung bezogen und die Wachstumsreaktion kausal mit den Nährstoffbedingungen verknüpft werden konnte.
Eine als Micro-Feeding bezeichnete Stickstofffütterungsstrategie wurde entwickelt, um gezielt Stärkeakkumulation zu induzieren, während die metabolische Aktivität der Zellen aufrechterhalten und die Bildung aktiver Biomasse vermieden wird. Die Stickstoffzufuhr wurde auf 0,8-11,7 % im Vergleich zu wachstumsangepassten Bedingungen mit einer spezifischen Wachstumsrate von 3 Tag-1 reduziert. Unterschiedliche Reduktionsstufen der Fütterung führten zu einer vergleichbaren Abnahme des Stickstoffgehalts der Biomasse um 0,6 %·h⁻¹. Die maximale Photokonversionseffizienz betrug 7,6 % bei 6,3 % der wachstumsangepassten Nährstoffzufuhr. Dabei wurden 47-49 % der photosynthetisch fixierten Energie in Form von Stärke gespeichert, im vergleichbaren Stickstoff-Runout-Experiment hingegen nur 32 %. Der Vergleich zwischen Micro-Feeding und klassischem Stickstoff-Runout zeigte zudem eine um 0,5 Tag⁻¹ höhere spezifische Wachstumsrate im besten Micro-Feeding-Ansatz bei gleichem Stickstoffgehalt der Biomasse (eN,X). Diese Steigerung des Wachstums im Micro-Feeding deutet auf eine Entkopplung der von Droop beschriebenen Abhängigkeit von eN,X durch die unmittelbare Verfügbarkeit des zugeführten NH₄⁺ hin. Die im Kultivierungsverlauf abnehmende spezifische Zufütterung infolge der Biomasseakkumulation sowie eine aktive, plötzliche Reduktion der Fütterung führten jeweils zu vorübergehend geringerer Photokonversionseffizienz. Eine graduelle Anpassung der Stickstoffzufuhr ist daher erforderlich, um eine stabile Produktivität und Effizienz zu gewährleisten, wenn die Bildung aktiver Biomasse nicht vollständig unterdrückt werden kann.
Zusammenfassend kombiniert der cptPBR eine kompakte, intern beleuchtete Geometrie mit selektiver Sauerstoffabreicherung und damit eine stabile Plattform für 13C-markierte Biomasseproduktion mit Prozessmonitoring und Automatisierung innerhalb klar definierter Betriebsgrenzen. Die Anwendung der Micro-Feeding-Strategie erhöhte die Stärkeproduktivität und die Effizienz der Produktion im Vergleich zu einem Nährstoff-Runout-Experiment. Ein geeigneter Bereich der Nährstofffütterungsreduktion wurde identifiziert, der die Effizienz der Stärkeproduktion erhöht. Dieser Bereich kann bereits die Wirtschaftlichkeit der 13C-markierten Stärkeproduktion verbessern, sollte aber genauer eingegrenzt und durch Fütterungsgradienten proportional zum aktiven Biomassezuwachs angepasst werden, um das Potenzial der Micro-Feeding-Strategie weiter auszuschöpfen. Die Kohlenstofffixierung in verschiedenen Biomassebestandteile kann damit genauer geregelt werden. Zusätzlich sollte die Prozessrobustheit des cptPBR mit geschlossenem Gaskreislauf durch ein automatisiertes Feuchtemanagement der PEM erhöht werden. Weitere Optimierungen können höhere Sauerstoffabreicherungskapazität und homogenere Beleuchtung umfassen. Diese Anpassungen würden zudem höhere Biomassenkonzentrationen ermöglichen und unterstützen die Etablierung des cptPBR als Produktionsplattform für hochpreisige photobiotechnologische Anwendungen wie der 13C-markierten Biomasse.
Abstract (englisch):
This dissertation presents the development, characterization, and optimization of a compact, internally illuminated photobioreactor (cptPBR) for isotopically labeled biomass production. The decisive step in the optimization was the integration of a closed gas loop comprising a proton exchange membrane fuel cell (PEM). The PEM selectively removed photosynthetically produced oxygen while all other gases were returned to the cptPBR. Complete CO2 retention enabled cost-efficient isotopic labeling of photosynthetically produced biomass using expensive 13CO2. Beyond photoautotrophic biomass production without 13CO2 loss, the cptPBR system proved suitable for metabolic monitoring in kinetic studies with microalgae. ... mehrThe studies aimed to investigate the potential of increasing the starch yield based on 13CO2, as starch can be hydrolyzed to 13C-glucose and maximizes profitability of the process.
The reactor utilized 37 horizontal glass tubes providing 0.909 m² of illuminated surface (33.7 m⁻¹), comparable to other state-of-the-art systems. A multi-sided helical LED arrangement with 2.2 mm effective longitudinal spacing generated a spatially structured light field. Process performance depended strongly on gas-driven mixing, and thus on the gassing tube distribution. The initial gassing system was therefore optimized through combined experimental and simulation-based mixing analysis. A pore diameter of 0.5 mm with broadened tube distribution yielded longitudinal and radial mixing times of 1393 ± 226 s and 882 ± 22 s, respectively, while optical tracers showed cross-sectional mixing in < 50 s, confirming rapid light-dark cycling relative to full homogenization.
To enable photosynthetic cultivations at high productivity within the cptPBR using a closed gas loop, a PEM was integrated for selective O₂ removal. Unlike stripping-based aeration, the PEM achieved stoichiometric O2-to-water conversion using hydrogen. The hydrogen feed to the PEM provided a measurable signal correlated with net photosynthetic O2 formation. The theoretically estimated biomass-specific conversion factor (αₖ,H2 = 0.38-0.42 gX·LH2⁻¹) and photosynthetic quotient (PQ = 1.22) were confirmed for actively growing Chlorella vulgaris H14. Automated operation sustained specific growth rates of 2.0-2.8 day⁻¹ until the design limit of O2 removal at 1.15 g·L⁻¹·day⁻¹. PEM-derived biomass estimation showed excellent correlation to dry weight (r = 0.998) under stable hydration but declined (r = 0.735) during transient overhydration, identifying membrane moisture control as a critical operational boundary.
Automated operation and monitoring of the cptPBR enabled kinetic investigation of a newly designed nitrogen feeding strategy. To mechanistically decouple light and nutrient dynamics, scattering and absorption coefficients were measured using integrating sphere photometry and a custom-built angular scattering cell. Henyey-Greenstein fits to the measured angular scattering distribution across four wavelengths (404-659 nm) yielded forward-dominated scattering (g = 0.88) with low backscattering (≤ 7.2 % in single measurements). Monte Carlo ray-tracing simulations with these parameters reproduced experimental single-LED 3D intensity patterns with high slope agreement across biomass concentrations (slope = 0.829-1.078, R² = 0.957-0.991). Replicating LEDs across the cptPBR cross-section generated voxel-resolved light and absorbance rate distributions, enabling alignment of light kinetics and nutrient limitations and allowing causal attribution of observed effects to nutrient conditions.
A feeding strategy termed micro-feeding was developed to induce starch accumulation while maintaining metabolic activity and suppressing active biomass formation. Nitrogen supply was reduced to 0.8-11.7 % of the balanced feed rate required for μ = 3 day⁻¹, producing uniform intracellular decline of the nitrogen quota (0.6 %·h⁻¹). Photoconversion efficiency peaked at 7.6 % at 6.3 % feed, allocating 47-49 % of photosynthetically fixed energy to starch compared to maximum 32 % in a comparable nitrogen runout. At identical intracellular nitrogen quota (eN,X), growth remained about 0.5 day⁻¹ higher under the best-performing micro-feeding condition than in the classical nitrogen runout, indicating decoupling from Droop dependency through immediate use of supplied NH₄⁺. However, when the specific feed declined due to biomass growth over time or sudden feed reductions to 0.8 % of balanced feed were applied transient efficiency loss was observed. Gradual feed adjustment is therefore required for stable performance when active biomass formation was only partly suppressed.
Overall, the cptPBR integrated compact geometry, internal illumination, and selective oxygen removal, providing a production system for 13C-labeled biomass equipped with process monitoring and automation within clearly defined operational boundaries. The micro-feeding strategy enabled higher starch productivity and more efficient production than a comparable nutrient runout experiment. A suitable feed reduction range was identified and can already increase profitability of the 13C-labeled starch production but should be further refined using feed gradients proportional to residual active biomass formation. Further investigations and adaptations of the micro-feeding strategy may improve controllability of carbon allocation and process robustness. Future developments of the cptPBR should target automated PEM hydration management, higher oxygen removal capacity, and more homogeneous LED emission. These adaptations would also support higher-density operation and strengthen the cptPBR as a production platform for photo-bioprocess engineering applications such as 13C-labeled biomass production.
