Modeling and Simulation of Irradiance for Photobioreactors with Complex Geometry for Exploration of Algal Growth
Final Report Abstract
Im Projekt „Modellierung und Simulation von Lichteintrag in Photobioreaktoren mit komplexer Geometrie zur Aufklärung von Algenwachstum“ sollten Modellierungs- und Messmethoden für Licht- und Wachstumssimulationen auch in komplexen Reaktorgeometrien weiterentwickelt werden. Aufgrund der hohen Streu-Albedo von Mikroalgen sind simple Licht-Modelle wie die Lambert-Beer-Gleichung ungeeignet. Stattdessen wird das optische Verhalten von Volumenelementen in diskreten Abständen auf einem uniformen Gitter nach der Strahlungstransport Lattice Boltzmann Methode modelliert. Diese Methode wurde von 2D auf 3D erweitert und für Streu-Albedo a → 1 mithilfe bekannter Lösungen validiert. Die Verwendung dieser Methode erlaubt eine parallele Implementierung zur zeiteffizienten Simulation einer Photonendichteverteilungsfunktion unter Erhalt der Richtungsinformation der Photonen. Für die Anwendung auf Photobioreaktoren wurden zudem Fresnel Reflexionen implementiert, um Phasengrenzen an der Reaktorwand und Einbauten abbilden zu können. Die Lichtsimulationen wurden mit Euler-Euler Implementierungen von Strömungssimulation und CO2 -Transport gekoppelt, sodass alle essenziellen Ressourcen für die Photosynthese räumlich aufgelöst dargestellt werden. Algenpartikelbahnen erlauben zudem Aufschluss über die Lichthistorie exemplarischer Algenzellen. Drei unterschiedliche Photobioreaktorgeometrien wurden beispielhaft simuliert. Alle zeigen innerhalb weniger Millimeter für Biomassekonzentration von 1 g L^−1 typische, steile Lichtgradienten . Während nahe der Lichtquellen hohe Lichtintensitäten vorliegen und somit Photoinhibition auftritt, sind Algen in den weiter entfernten Zonen der Reaktoren lichtlimitiert. Das Histogramm der Lichtintensität im Rohrreaktor demonstriert die Notwendigkeit der durch die eingebaute Schwammstruktur verkürzten Lichtwege und hervorgerufenen Turbulenzen zur Homogenisierung der Lichtbedingungen. Neben den beschriebenen Simulationen anhand von Literaturdaten erfolgten detaillierte Messungen in Algensuspensionen und einem zylindrischen Photobioreaktor zur Validierung von Simulationen. Auch bei geringen verwendeten Biomassekonzentrationen (0,025 g L^−1 ) sind nach einem Lichtweg von 5 cm die Lichtintensitäten > 2 Größenordnungen gesunken. Hohe spezifische Wachstumsraten bei bis zu 1 g L^−1 sind in dem zylindrischen Photobioreaktor auf maximale Distanzen von 2 cm zur nächstgelegenen LED sowie eine hinreichende Durchmischung zwischen den verschiedenen Lichtzonen und somit eine homogenisierte Lichthistorie der Mikroalgen zurückzuführen. Diese experimentellen Ergebnisse stimmen qualitativ mit Simulationsergebnissen des Rohrreaktors mit Schwammstruktur überein. Weiterhin konnten die experimentellen Befunde der Lichtverteilung auf den ersten 2 cm des Lichtwegs exakt simuliert werden. Der Aufwand von Kalibrierungen der Simulationsparameter kann durch gute experimentelle Abschätzung von Streuverteilungen zukünftig reduziert werden. Absolute und relative Streuverteilungen von Algensuspensionen können nun mit einer neu entwickelten Messzelle in Kombination mit photometrischen Messungen experimentell bestimmt werden. Die Messzelle wurde 3D gedruckt und zusätzlich mit Lasern (404 nm, 446 nm, 522 nm und 658 nm), einer Küvette, einem Magnetrührer sowie einem Lichtsensor ausgestattet. Messungen finden vollständig in Wasser statt, um Artefakte durch Differenzen von Brechungsindices zu reduzieren. Die ermittelten Streuverteilungen demonstrieren die Prädominanz von Vorwärtsstreuung <30° sowie die Relevanz unterschiedliche physiologische Zustände für optimale Lichtbedingungen bereits beim Reaktordesign zu berücksichtigen.
Publications
- “Radiative transfer lattice Boltzmann methods: 3D models and their performance in different regimes of radiative transfer”. In: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 243 (2020), p. 106810
A. Mink, C. McHardy, L. Bressel, C. Rauh, and M. J. Krause
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.106810)
