Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)

Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

Modeling

Modellierung von Hydrodynamik, Lichtverteilung und Wachstum in Algen-Photobioreaktoren

Mathematische Modellierung und Computersimulationen sind geeignete Instrumente für die Analyse und Optimierung der Leistung von Photobioreaktoren (PBRs). Auf empirischer Ebene können einfache Modelle des Algenwachstums in Abhängigkeit von der externen Bestrahlungsstärke und der Kulturdichte für die Interpretation von Datensätzen, die Untersuchung des Scale-up, die Abschätzung der maximalen Produktivität und den Vergleich verschiedener PBRs verwendet werden (Schreiber et al. 2017).

Auf einer grundlegenderen Ebene müssen mehrere Modelle kombiniert werden, um die relevanten physikalischen Phänomene zu beschreiben, insbesondere die Bewegung der Flüssigkeit und der Zellen im Reaktor, die Löslichkeit und Verteilung von Gasen sowie die Streuung und Absorption von Licht.

Wir konzentrieren uns auf die numerische Strömungsmechanik (CFD) in Kombination mit der Verfolgung von Algenpartikeln, um die Eigenschaften der Algenbewegung im PBR zu ermitteln. Die Verteilung des Lichts innerhalb des Reaktors wird durch numerische Lösung der Strahlungstransportgleichung berechnet. Zusammen mit den Spuren der Algenzellen ermöglicht dies die Abschätzung des dynamischen Lichts, dem die Algenzellen ausgesetzt sind (Loomba et al. 2018), und anschließend die Bestimmung der Wachstumsgeschichte einzelner Algenzellen. In diesem Arbeitsablauf kann der Einfluss relevanter Parameter (Reaktorform, Gasströmungseigenschaften, Lichteintrag, Algeneigenschaften) auf das Algenwachstum bestimmt werden.

Das finale Ziel ist es, die Identifizierung optimaler Betriebsbedingungen für die Algenzucht in PBRs zu unterstützen, um die Produktivität zu maximieren.