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Development of a photobioreactor with volumetric illumination via resonant inductive coupling

Subject Area Biological Process Engineering
Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
Term from 2014 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 251818196
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Mikroalgen besitzen ein großes Potential hinsichtlich der Herstellung verschiedener Hochwertprodukte. Licht als Energiequelle stellt den wichtigsten Prozessparameter für die Kultivierung phototropher Mikroorganismen dar und wird von diesen absorbiert. Daraus ergibt sich vor allem bei externer Beleuchtung eine Inhomogenität innerhalb des Kulturvolumens, was zu schlecht oder nicht beleuchteten Zonen des Reaktors führt. Durch die Photoinhibierung kann eine beliebige Erhöhung der Lichtintensität dies nicht ausgleichen. Daraus ergibt sich eine Limitierung bestehender extern beleuchteter Photobioreaktoren hinsichtlich ihrer Geometrie auf möglichst geringe Schichtdicken und ein hohes Verhältnis von beleuchtete Oberfläche zu Kulturvolumen. Dies führt neben einer Beeinträchtigung des Wärme- und Stofftransports außerdem dazu, dass extern beleuchtete Photobioreaktoren nicht skaliert werden können, sondern eine Maßstabsvergrößerung lediglich über ein numbering up geschehen kann. Ziel des Projekts, war die Entwicklung eines neuartigen internen Beleuchtungssystems für Photobioreaktoren – den sogenannten Wireless light EmitternWLEs. Die Idee war, kleine Lichtquellen zu entwickeln, die durch die Begasung leicht im Kulturmedium verteilbar sind und dieses somit gleichmäßig von innen beleuchten. Die Energieversorgung der Lichtquellen soll drahtlos mittels resonanter induktiver Kopplung mittels eines wechselnden elektromagnetischen Feldes erfolgen. Die Grundvoraussetzung für ein derartiges Beleuchtungssystem ist, dass die zu kultivierenden Mikroorganismen nicht durch das zur drahtlosen Energieübertragung eingesetzte elektromagnetische Feld beeinflusst werden. Dies konnte für alle untersuchten Spezies (Chlamydomonas reinhardtii, Arthrospira platensis, Porphyridium pupureum, Chromochloris zofingiensis, Physchomitrella patens) bezüglich der spezifischen Wachstumsrate, erreichter Biotrockenmasse und ggfs. Produktbildung für ein wechselndes Magnetfeld (f = 178 kHz, B = 0,8-2,6 mT) gezeigt werden. Eine weitere Herausforderung des Projekts war die Entwicklung und Herstellung der Wireless light Emitter selbst. Dies gelang durch eine weitgehend automatisierte Fertigung der elektrischen Baugruppe mittels SMD-Bauteilen. Zum Schutz vom umgebenden Kulturmedium wurde die Elektronik in zwei transparente Halbschalen aus Polycarbonat eingeschlossen und mittels Ultraschall verschweißt. Die Sterilisierbarkeit der Wireless light Emitter mittels Dampf (Autoklavieren) konnte ebenso gezeigt werden, wie die geringe Anfälligkeit gegenüber Biofilmbildung. Kernziel des Projekts war die Überprüfung der Skalierbarkeit des internen Beleuchtungssystems. In intern beleuchteten Blasensäulen mit Durchmessern von 50 bis 300 mm konnten unabhängig vom Maßstab mit phototrophen Organismen die gleichen Produktivitäten erreicht werden, was bei extern beleuchteten Reaktoren nicht möglich ist. Als Optimierungsschritt wurde vom Blasensäulensystem auf einen Airliftreaktor gewechselt, der durch seine räumliche Trennung von riser und downcomer für eine gleichmäßigere Verteilung der Wireless light Emitter entlang der Reaktorhöhe sorgte, die bei filamentösen Zielorganismen (A. platensis und P. patens) aufgetretene mechanische Zellschädigung drastisch reduzierte und zudem für eine bessere koplanare Ausrichtung der Wireless light Emitter zur externen Sendespule sorgte und somit die Effizienz der Energieübertragung erhöhte. Als weiteren Optimierungsschritt wurde die spektrale Zusammensetzung des Lichts für die Modellalge optimiert und durch Fertigung von roten und blauen WLEs umgesetzt und angewendet. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen das Potential des entwickelten Beleuchtungssystems und eröffnen Möglichkeiten für weitere Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Produktion von Hochwertprodukten aus Mikroalgen zum Beispiel für pharmazeutischen Bereich.

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