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

Johannes Josef Bialon

Modelle für die Wachstumsraten

von Chlorella vulgaris bei

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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 .................