Modellierung und Simulation von Lichteintrag in Photobioreaktoren mit komplexer Geometrie zur Aufklärung von Algenwachstum

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause; Professor Dr.-Ing. Clemens Posten
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322739165

Im Rahmen der Bioökonomie-Strategie des Bundes und der Länder soll die Versorgung mit ölbasierten Materialien und Energieträgern zunehmend auf biobasierte Produkte umgestellt werden. Dazu wird die Restbiomasse aus der Landwirtschaft jedoch nicht ausreichen. Mikroalgen gelten als vielversprechende Alternative zur Erzeugung von Biomasse ohne Konkurrenz zu Flächen, für die bereits andere Optionen geplant sind. Die Vorteile können jedoch nur in geschlossenen Photobioreaktoren (PBR) umgesetzt werden.Um PBR als (kostengünstige) Alternative flächendeckend in der Industrie zu etablieren, ist der kontrollierte Eintrag von Licht essentiell, insbesondere für geschlossene PBR mit ihren unterschiedlichen Beleuchtungsinstallationen. Aufgrund des hohen Absorptions- und Streuverhalten von Algen, stellt sich im Reaktor ein sehr hoher Lichtgradient ein. Dies führt dazu, dass sich Algen nahe der Reaktoroberfläche in der Lichtsättigung befinden, im Gegensatz zu den dahinter liegenden, abgeschatteten Algen in starker Limitierung, was den relativen Anteil der Atmung erhöht. Beide Effekte führen zu einer Reduktion des Wirkungsgrades. Eine Vergleichmäßigung des Wachstums auf der Stoffwechselebene durch das Erzeugen einer Strömung ist sehr energieintensiv und ein entscheidender Grund dafür, dass PBR bis heute nicht effizient betrieben werden können. Nach wie vor fehlt es an verlässlichen Simulationswerkzeugen zur Vorhersage der Lichtverteilung in bewegten Algensuspensionen, auf denen dann Algenwachstumsmodelle aufsetzten und schließlich zuverlässige Prognosen über das Biomassenwachstum liefern.Diese essenzielle Lücke in der Modellierung und Simulation von Wachstum in PBR soll in diesem Vorhaben durch eine integrale mesoskopische Modellierung und der Entwicklung einer multi-physikalischen Lattice Boltzmann Methode (LBM) geschlossen werden. Die Lichttransportberechnung auf Basis von LBM zu lösen stellt ein Novum in der PBR-Forschung dar. Deren anschließende Kopplung mit LBM-basierten Mehrphasen-Strömungssimulationen, welche den CO2/O2 Transport in der Algensuspension abbilden und LBM-basierten Algenpartikelsimulation, welche Dark/Light-Zyklen berechnet sind sehr viel versprechend.Das Vorhaben umfasst zudem die Anwendung des Vorhersagewerkzeugs für Algenwachstum auf innovative, sehr komplexe schwammartige PBR-Geometrien. In modernen Ansätzen werden zunehmend lichtleitende Reaktorelemente als Teil der Reaktorwand oder als explizit eingebrachte Struktur eingesetzt. Ziel dabei ist es, durch eine möglichst homogene Beleuchtung die Effizienz wesentlich zu steigern. Die Validierung der neu entwickelten Methodik erfolgt anhand einfacher Testszenarien, an klassischen Reaktorgeometrien, aber auch an neuen innovativen schwammartigen Strukturen, so dass am Ende des Vorhabens ein zuverlässiges und robustes Simulationswerkzeug für Algenwachstum in beliebig komplexen PBR-Geometrien und neue Einsichten in das Zusammenspiel von Licht und Strömungsdynamik in PBR erwartet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl