Entwicklung eines Photobioreaktors mit verbesserter Lichtnutzung für Mikroalgen:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart
Fraunhofer-IRB-Verl.
2003
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| Schriftenreihe: | Berichte aus Forschung und Entwicklung / Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik
28 |
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| adam_text | Titel: Entwicklung eines Photobioreaktors mit verbesserter Lichtnutzung für Mikroalgen
Autor: Degen, Jörg
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis----------------------------------------------------------------------------------------------------1
Inhaltsverzeichnis................................................................................................................I
Abkürzungsverzeichnis....................................................................................................VI
Tabellenverzeichnis.........................................................................................................VII
INHALTSVERZEICHNIS
1 Einleitung....................................................................................................1
2 Grundlagen und Stand der Technik.........................................................3
2.1 Mikroalgen.............................................................................................................3
2.1.1 Definition und Systematik..................................................................................3
2.1.2 Ökologie der Algen............................................................................................4
2.2 Physiologie der Lichtnutzung..............................................................................5
2.2.1 Physikalische Grundlagen des Lichts................................................................5
2.2.2 Absorption und Extinktion..................................................................................7
2.2.3 Lichtverarbeitung und Photosynthese der Mikroalgen.......................................8
2.2.4 Lichtnutzungseffizienz.....................................................................................10
2.2.5 Licht-Photosynthese-Kurven...........................................................................11
2.2.6 Anpassung an das Strahlungsangebot............................................................12
2.3 Flashing Light Effekt.......................................................................................13
2.4 Uchtnutzung in Freiland-Photobioreaktoren....................................................17
2.5 Durchmischung und Turbulenz in Algensuspensionen..................................20
2.5.1 Warum Turbulenzen erzeugen?......................................................................20
2.5.2 Turbulenzen und Photosyntheseeffizienz........................................................21
2.5.3 Definierte Strömungen und technische Umsetzung.........................................22
2.6 Mikroalgen In Bateh-Kutturen............................................................................23
!!__________________________________________________________Inhaltsverzeichnig
2.7 Massenkultivierung in Photobioreaktoren.......................................................25
2.7.1 Offene Anlagen...............................................................................................26
2.7.1.1 Teichanlagen............................................................................................26
2.7.1.2 Raceway Ponds .....................................................................................26
2.7.1.3 Inclined-Surface -Reaktoren...................................................................27
2.7.2 Geschlossene Photobioreaktoren...................................................................28
2.7.2.1 Polyethytenbeutel.....................................................................................28
2.7.2.2 Rohrreaktorsysteme.................................................................................28
2.7.2.3 Biocoir....................................................................................................30
2.7.2.4 Blasensäulenreaktoren.............................................................................30
2.7.2.5 PlattenWoreaktoren..................................................................................30
2.8 Heterotrophe Kultivierung.................................................................................31
2.9 Inhaltsstoffe von Mikroalgen.............................................................................32
2.9.1 Farbstoffe........................................................................................................32
2.9.2 Fettsäuren und Öle.........................................................................................33
2.9.3 Vitamine..........................................................................................................33
2.9.4 Andere Feinchemikalien........................................................................-.......34
2.9.5 Pharmazeutische Substanzen........................................................................34
2.10 Anwendung und kommerzielle Nutzung von Mikroalgen...............................34
2.10.1 Algen als Nahrungsmittel................................................................................35
2.10.2 Gewinnung von Feinchemikalien....................................................................37
2.10.3 Anwendungen in Landwirtschaft und Aquakultur............................................38
2.10.4 Anwendungen im Umwelt- und Energiesektor................................................39
2.11 Kommerzielle Produktion von Mikroalgen.......................................................40
2.12 Zukunftsperspektiven........................................................................................41
Inhaltsverzeichnis
3 Zielsetzung und Vorgehensweise..........................................................43
3.1 Ziele und Konzept...............................................................................................43
3.2 Vorgehensweise..................................................................................................43
4 Material und Methoden............................................................................46
4.1 Analytik................................................................................................................46
4.1.1 Optische Dichte...............................................................................................46
4.1.2 Eindringtiefe von Licht in Chlorella vulgaris Kulturen mit geringen Dichten.....46
4.1.3 Eindringtiefe von Licht in Chlorella vulgaris Kulturen mit höheren Dichten......47
4.1.4 Bestimmung der Trockensubstanz..................................................................49
4.1.4.1 Filtration....................................................................................................49
4.1.4.2 Gefriertrocknung.......................................................................................50
4.1.4.3 Korrelation optische Dichte - Trockensubstanz.........................................50
4.1.5 Bestimmung des Nitrat- und Phosphatgehaltes..............................................51
4.1.6 Bestimmung der Lichtintensität.......................................................................51
4.1.7 Temperatur und pH.........................................................................................52
4.2 Mlkroalgen und Medien................................,.....................................................52
4.2.1 Chlorella vulgaris SAG 211-12........................................................................52
4.2.2 Medium für Chlorella.......................................................................................54
4.2.3 Haematococcus pluvialis SAG 192.80.............................................................57
4.2.4 Medium für Haematococcus............................................................................58
4.3 Stammhaltung.....................................................................................................59
4.4 Photobioreaktoren..............................................................................................59
4.4.1 Allgemeines.....................................................................................................59
4.4.2 Rohrumlaufreaktoren zur Vorkultivierung (720 und 850 ml)............................60
4.4.3 Schlaufenreaktoren mit Oberflächenvergrößerung..........................................61
IV_____________________________________________________________________Inhaltsvefzeichnig
4.4.4 Blasensäulen (3000 ml)..................................................................................62
4.4.5 Fiat Panel Airlift (FPA) Reaktoren (3000 ml)................................................65
4.4.6 PBR 200.........................................................................................................67
4.5 Licht-Wachstumskurven....................................................................................67
4.6 Untersuchungen der Strömungen mit statischen Mischern...........................68
4.7 Laborversuche in Photobioreaktoren...............................................................73
4.7.1 Oberflächenvergrößerung...............................................................................73
4.7.1.1 Wachstumsvergleich................................................................................73
4.7.1.2 Nftrat-/Phosphatverbrauch.......................................................................74
4.7.2 Eirrfluss statischer Mischer auf das Wachstum von Chlorella vulgaris............75
4.7.2.1 Reaktor und Versuche.............................................................................75
4.7.2.2 Sterilisation...............................................................................................76
4.7.2.3 Voradaption..............................................................................................76
4.7.2.4 Allgemeine Versuchsbedingungen...........................................................76
4.7.2.5 Beleuchtung.............................................................................................77
4.7.3 Wachstumsversuche mit Haematococcus pluvialis im FPA............................77
4.8 Freilandversuche in Photobioreaktoren...................................___...________ 78
4.8.1 Allgemeines....................................................................................................78
4.8.2 Versuchsaufbau und -durchführung................................................................78
4.8.3 Ermittlung der volumetrischen Produktivität....................................................79
4.8.4 Ermittlung der Flächenproduktivität................................................................80
4.8.5 Wachstum von Chlorella vulgaris im FPA.......................................................81
4.8.5.1 Einfluss der Schichttiefe im FPA..............................................................81
4.8.5.2 Einfluss der statischen Mischer im Vergleich zur Blasensäule.................82
4.8.5.3 Einfluss der Orientierung der Reaktorfront zur Sonne..............................83
4.8.5.4 Nutzung von Diffuslicht bei Blasensäulenreaktoren.................................83
4.8.5.5 Wachstum von Chlorella vulgaris im FPA im Vergleich zum PBR 200.....84
Inhaltsverzeichnis
5 Ergebnisse................................................................................................85
5.1 Llcht-Wachstumskurven.....................................................................................85
5.2 Strömungsuntersuchungen...............................................................................88
5.3 Laborversuche in Photobioreaktoren................................................................97
5.3.1 Einfluss der Oberflächenvergrößerung............................................................97
5.3.2 Wachstum von Chlorella vulgaris im Flachplattenreaktor................................99
5.3.2.1 Einfluss statischer Mischer.......................................................................99
5.3.2.2 Vergleich der Schichttiefen im FPA.........................................................101
5.3.2.3 Einfluss der Begasungsraten..................................................................103
5.3.3 Schwachlichtversuche in Blasensäule...........................................................104
5.3.4 Wachstum von Haematococcus pluvialis im 3000 ml FPA............................106
5.4 Freilandversuche...............................................................................................107
5.4.1 Einfluss der Schichttiefe im FPA....................................................................107
5.4.2 Einfluss der statischen Mischer bei 30 mm Schichttiefe................................109
5.4.2.1 Vollständig transparente Reaktoren........................................................109
5.4.2.2 Reaktoren mit ausschließlich transparenter Front...................................111
5.4.2.3 Einfluss der Begasungraten....................................................................116
5.4.3 Einfluss der Ausrichtung der Reaktorfront zur Sonne....................................118
5.4.4 Vergleich der Produktivität im FPA und im PBR 200.....................................121
5.4.5 Diffuslichtnutzung in Blasensäulen und PBR 200..........................................123
5.4.6 Jahresverlauf der Produktivität von Chlorella vulgaris im FPA und in der
Blasensäule...................................................................................................125
5.5 Zusammenfassung der Zuwachsraten von Chlorella vulgaris Im
Freiland in verschiedenen Reaktoren..............................................................127
VI_____________________________________________________________________InhaltsverzBichrig
6 Diskussion...............................................................................................129
6.1 Licht-Wachstumskurven...................................................................................129
6.2 Strömungsuntersuchungen..............................................................................131
6.2.1 Hell-Dunkel-Zyklen........................................................................................131
6.2.2 Reaktorgeometrie und Güte der Wirbelströmungen......................................132
6.3 Laborversuche...................................................................................................134
6.3.1 Oberflächenvergrößerung in Reaktoren........................................................134
6.3.2 Einfluss der Begasungsraten im FPA............................................................135
6.3.3 Einfluss der statischen Mischer.....................................................................136
6.3.4 Einfluss der Schichttiefe................................................................................137
6.3.5 LJchtnutzung und Lichtintensität.....................................................................138
6.3.6 Problematik der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse in Laborversuchen.......139
6.4 Freilandversuche...............................................................................................141
6.4.1 Übertragbarkeit der Laborversuche ins Freiland............................................141
6.4.2 Einfluss der Schichttiefe.................................................................................142
6.4.3 Einfluss der statischen Mischer.....................................................................142
6.4.4 Produktivität und Begasungsrate...................................................................144
6.4.5 Frontausrichtung............................................................................................145
6.4.5.1 Unbeschattete Aufstellung......................................................................145
6.4.5.2 Diffuslichtnutzung....................................................................................146
6.4.6 Leistungsvergleiche des FPA mit dem PBR 200...........................................147
6.4.7 Produktivität im Jahresverlauf und Literaturvergleich....................................148
6.5 Abschlussdiskussion........................................................................................149
6.6 Ausblick..............................................................................................................153
Inhaltsverzeichnis___________________________________________________________________VII
7 Zusammenfassung................................................................................155
8 Literaturverzeichnis...............................................................................157
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| spelling | Degen, Jörg 1969- Verfasser (DE-588)124486916 aut Entwicklung eines Photobioreaktors mit verbesserter Lichtnutzung für Mikroalgen von Jörg Degen Stuttgart Fraunhofer-IRB-Verl. 2003 VIII, 166 S. Ill., graph. Darst- txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Berichte aus Forschung und Entwicklung / Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik 28 Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2002 Airlift-Fermenter (DE-588)4326318-5 gnd rswk-swf Blitzlicht (DE-588)4128215-2 gnd rswk-swf Strömungsmischer (DE-588)4196046-4 gnd rswk-swf Mikroalgen (DE-588)4453251-9 gnd rswk-swf Photoreaktor (DE-588)4174543-7 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Mikroalgen (DE-588)4453251-9 s Photoreaktor (DE-588)4174543-7 s Airlift-Fermenter (DE-588)4326318-5 s Strömungsmischer (DE-588)4196046-4 s Blitzlicht (DE-588)4128215-2 s DE-604 Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Berichte aus Forschung und Entwicklung 28 (DE-604)BV010980326 28 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=013181550&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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