Entwicklung eines Photobioreaktors mit volumetrischer Beleuchtung mittels induktiver resonanter Kopplung

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Buchholz; Professor Dr.-Ing. Alexander Sutor
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251818196

Mikroalgen sind potentielle Quellen für Produkte der Pharmazie, Fein-Chemie und Lebensmittelindustrie. Der wichtigste Prozessparameter für das Wachstum phototropher Mikroorganismen ist Licht, das nicht in Wasser dispergierbar ist und stark von den kultivierten Organismen absorbiert wird. Dies führt zu seiner stark inhomogenen Lichtverteilung über den Reaktorquerschnitt, was in einer drastisch unterschiedlichen Lichtversorgung in verschiedenen Reaktorteilen resultiert. Aus diesem Grund ist ein hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis notwendig, um eine hohe spezifische Lichtversorgung und folglich maximale Produktivität zu erreichen. Hieraus ergibt sich die größte Limitierung von Photobioreaktoren (PBR) - der Mangel einer zufriedenstellenden Lösung zur Maßstabsvergrößerung. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, einen klassischen Rührkessel mit homogener interner Beleuchtung zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen zu entwickeln. Dies wird durch drahtlose Lichtemitter (WLE engl. wireless light emitter) ermöglicht, die mittels resonanter induktiver Kopplung mit Energie versorgt werden. Das Licht mit dem passenden Wellenlängenspektrum wird durch lichtemittierende Dioden (LEDs) erzeugt. Die WLEs haben nahezu die gleiche Dichte wie das Kulturmedium, um eine statistisch homogene Verteilung in der gesamten Flüssigkeit zu gewährleisten und somit zu einer gleichmäßigen Lichtverteilung führen. Der Reaktor ist von einer Primärspule umgeben, um ein wechselndes Magnetfeld im Reaktor zu erzeugen. Die WLEs bestehen aus einer Sekundärspule die mit einem Kondensator und einer LED verbunden ist und in einer Kunststoffkugel eingeschlossen sind. Das Magnetfeld der Primärspule induziert in den WLEs einen Strom und versorgt somit die LEDs mit Energie.Das neue Reaktorsystem wird mit dem bestehenden PBR System am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik hinsichtlich des Wachstumsverhaltens und der Ausbeute an Wertprodukten derphototrophen Mikroorganismen verglichen. Des Weiteren soll das System einem Scale-up von einem 1-L zu einem 50-L Reaktor unterzogen und evaluiert werden. Dies soll die Skalierbarkeit des neuen Beleuchtungssystems zeigen. Neben den Zielen im Bereich der Ingenieurwissenschaften müssen Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss des wechselnden Magnetfeldes (EMF engl. electromagnetic field) auf Mikroalgen angestellt werden, da nur wenige Ergebnisse zum Einfluss von EMFs auf phototrophe Mikroorganismen publiziert sind. Das Wissen über eventuelle biologische Effekte von EMFs ist fundamental für dieses neue Reaktorkonzept, da die Mikroorganismen dem Feld während der gesamten Kultivierung ausgesetzt sind. Eigene Vorarbeiten zu diesemThema zeigen keinen Einfluss zweier verschiedener EMFs auf die Alge Chlamydomonas reinhardtii. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von EMFs auf verschiedene phototrophe Mikroorganismen sind jedoch notwendig um das beschriebene Reaktorkonzept zu einem innovativen und zuverlässigen Werkzeug der Biotechnologie zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Christoph Lindenberger