Lichtspektren absorptionsraten und unterschiedlichen ...· A Kultur = Belichtete Hüllfläche der

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Text of Lichtspektren absorptionsraten und unterschiedlichen ...· A Kultur = Belichtete Hüllfläche der

  • Johannes Josef Bialon

    Modelle für die Wachstumsraten

    von Chlorella vulgaris bei

    unterschiedlichen Photonen-

    absorptionsraten und

    Lichtspektren B

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    Biosystems Engineering Report 201710

  • Johannes Josef Bialon

    Biosystems Engineering Report 201710, 1–136 (2017)

    Dissertation, Leibniz Universität Hannover, Germany (2017)

    Published by

    Biosystems Engineering Laboratory (BLab)

    Hochschule Osnabrück - University of Applied Sciences

    Osnabrück, Germany

    www.blab-osnabrueck.de

    Modelle für die Wachstumsraten von Chlorella vulgaris

    bei unterschiedlichen Photonenabsorptionsraten und

    Lichtspektren (PhD Thesis)

  • I

    Modelle für die Wachstumsraten von Chlorella vulgaris

    bei unterschiedlichen Photonenabsorptionsraten und

    Lichtspektren

    Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der

    Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

    zur Erlangung des Grades

    Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

    genehmigte Dissertation

    von

    Johannes Josef Bialon, M. Sc.

    2017

  • II

    Referent: Prof. Dr. rer. hort. habil. Thomas Rath

    Korreferent: apl. Prof. Dr. rer. nat Bernhard Huchzermeyer

    Tag der Promotion: 23.10.2017

  • III

    Kurzzusammenfassung

    Ziel war die Erstellung von Modellen für die maximalen Wachstumsraten der Mikroalge

    Chlorella vulgaris in Photobioreaktoren in Relation zu den Photonenabsorptionsraten bei

    einer Kultivierung der Algen unter ausschließlich weißen, blauen, grünen und roten LEDs.

    Das Licht stellte den einzigen limitierenden Faktor für das Wachstum der Algen dar. Die

    Photonenabsorptionsrate, der Modellinput, bezeichnet die von der Algensuspension

    absorbierte Photonenmenge pro Liter und Tag. Da sich die Photonenabsorptionsrate auf das

    gesamte Kulturvolumen bezieht und die Belichtungsdauer berücksichtigt, stellt sie eine

    systemübergreifende Einheit dar und kann im Gegensatz zu etwa der einfallenden

    Quantenstromdichte auf andere Reaktorsysteme übertragen werden. Bei allen gemessenen

    und berechneten Werten für Quantenstromdichten und Photonenabsorptionsraten wurden

    die Wellenlängen-sensitivitäten der verwendeten Quantenstromsensoren und die

    Lichtspektren einschließlich ihrer Änderung während der Transmission durch die

    Algensuspension berücksichtigt. Dadurch wurde der Fehler, der durch die in der Literatur

    weit verbreitete Annahme eines konstanten Absorptionskoeffizienten der Algenbiomasse

    entsteht, beseitigt. Die maximale Wachstumsrate, der Modelloutput, bezeichnet die

    produzierte Algentrockenmasse pro Liter und Tag und kann mit den erstellten Modellen

    abhängig von Photonenabsorptionsraten bis 5,5 E L-1 d-1 bei den verschiedenen

    Lichtspektren berechnet werden. Bei Photonenabsorptionsraten bis 2,5 E L-1 d-1 wurden

    unter roten LEDs die höchsten Wachstumsraten erreicht, bei höheren

    Photonenabsorptionsraten übertrafen die Wachstumsraten unter weißen LEDs diejenigen

    unter den anderen LED-Typen. Die Wachstumsraten unter grünen und blauen LEDs waren

    nahezu identisch und konsequent die niedrigsten im Vergleich zu den anderen LED-Typen.

    Die höchsten gemessenen Wachstumsraten von 0,6 g L-1 d-1 wurden unter weißen LEDs bei

    einer Photonenabsorptionsrate von 5,5 E L-1 d-1 erreicht. Es wurde die Photoneneffizienz

    berechnet, welche die absorbierte Photonenmenge pro dauerhaft in der Trockenmasse über

    die Photosynthese fixiertem CO2 bezeichnet. Die höchste Photoneneffizienz wurde mit etwa

    130 absorbierten Photonen pro fixiertem CO2 unter roten LEDs bei Photonen-

    absorptionsraten bis ca. 1 E L-1 d-1 erreicht.

    Schlagworte: Mikroalgen, Wachstumsraten, Lichtspektren

  • IV

    Abstract

    Objective was the development of models for the maximum growth rates for the microalga

    Chlorella vulgaris in photobioreactors in relation to photon absorption rates for a cultivation

    under exclusively white, blue, green and red LEDs. Light represented the only limiting factor

    for growth of the algae. Photon absorption rate (model input) describes the amount of

    absorbed photons by the algae suspension per litre and day. Since it refers to the total

    volume of the culture and the exposure time, it depicts a unit which is transferrable to other

    photobioreactor systems in contrast to e.g. the incident quantum flux density. For all

    measured and calculated values of quantum flux densities and photon absorption rates, the

    wavelength sensitivities of the quantum flux sensors used and the light spectra including

    their change during transmission through the algae suspension were taken into account. This

    eliminated the error caused by the assumption of a constant absorption coefficients of the

    algae biomass, as it is widely used in the literature. The maximum growth rate (model

    output) refers to the produced amount of algae dry matter per liter and day and can be

    calculated with the generated models in relation to photon absorption rates up to 5.5 E L-1 d-

    1 under the different light spectra. At photon absorption rates up to 2.5 E L-1 d-1, C. vulgaris

    yielded highest growth rates under red LEDs. At higher photon absorption rates, white light

    led to the highest growth rates. Green and blue LEDs yielded similar growth rates which

    were consistently lower compared to the other LED-types. The highest measured growth

    rates of 0.6 g L-1 d-1 were achieved under white LEDs at a photon absorption rate of 5.5 E L-

    1 d-1. The photon efficiency which describes the amount of photons absorbed per CO2 fixed

    permanently in the dry mass via photosynthesis was calculated. Maximum photon efficiency

    of ~ 130 absorbed photons per fixed CO2 was reached under red LEDs at photon absorption

    rates up to approximately 1 E photons L-1 d-1.

    Keywords: Microalgae, growth rates, light spectra

  • V

    Inhaltsverzeichnis

    Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................... VII Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................... X Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... XIV Gleichungverzeichnis ...................................................................................................... XV 1. Einleitung .................................................................................................................. 1 2. Stand des Wissens ..................................................................................................... 5

    2.1. Begriffserklärung zum Thema Licht ............................................................................. 5 2.2. Photosynthese.............................................................................................................. 6 2.3. Wachstum und Photosynthese von Mikroalgen in Photobioreaktoren .................... 15 2.4. Lichtabsorption durch Mikroalgen ............................................................................. 20 2.5. Wachstumsmodelle für Mikroalgen .......................................................................... 25 2.6. Biomasseproduktion von C. vulgaris bei unterschiedlichen Lichtbedingungen ........ 31

    3. Zielsetzung .............................................................................................................. 36 3.1. Allgemeines ................................................................................................................ 36 3.2. Erstellung der Wachstumsmodelle ............................................................................ 38

    4. Material und Methoden .......................................................................................... 39 4.1. Übersicht der durchgeführten Versuche ................................................................... 39 4.2. Aufbau des Photobioreaktorsystems ......................................................................... 40

    4.2.1. Kulturraum ......................................................................................................... 40 4.2.2. Belichtungssystem .............................................................................................. 41 4.2.3. Begasungssystem ............................................................................................... 42 4.2.4. Temperaturregelung .......................................................................................... 44

    4.3. Charakterisierung der Lichtbedingungen innerhalb der Photobioreaktoren ............ 44 4.3.1. Charakterisierung des Lichtsensors .................................................................... 44

    4.3.1.1. Allgemein .................