Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9096
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Main Title: A Lattice Boltzmann method for the simulation of light transfer in turbid media and its application in computational studies on microalgae growth kinetics
Translated Title: Eine Lattice-Boltzmann-Methode zur Simulation des Strahlungstransports in trüben Medien und ihre Anwendung in rechnergestützten Untersuchungen der Wachstumskinetik von Mikroalgen
Author(s): McHardy, Christopher Benjamin
Advisor(s): Rauh, Cornelia
Referee(s): Rauh, Cornelia
Sundmacher, Kai
Delgado, Antonio
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: One of the major challenges in the 21st century is the exploitation of new sustainable and environmental friendly resources. It is often mentioned that the production of biomolecules from microalgae has large potential to contribute to a bio-based economy. However, to date it is still challenging to establish competitive products from microalgae. A major issue thereby is the limitation of cell growth by light, which occurs in every photobioreactor from a certain point in time. It is known that the efficiency of the light-to-biomass conversion decreases under strong illumination, but also that it increases if the illumination occurs with flashing light; a phenomenon known as flashing-light effect. Hence, researchers try to create flashing light regimes in photobioreactors - often by intensive mixing of the cell culture in order to shuttle algae cells between light and dark zones. The objective of this work is to evaluate the interplay of light distribution, hydrodynamic mixing and cellular reaction kinetics in photobioreactors with a special focus on the flashing-light effect. Numerical simulation is a desirable tool to study complex kinetic problems with spatio-temporal dependencies for engineering purposes and will be applied in this work. Therefore, a new numerical model for the simulation of the light distribution in a photobioreactor is developed within the lattice Boltzmann framework. Subsequently, the model is combined with other sub-models for reaction kinetics and hydrodynamics to investigate the interplay of light distribution, light exposure and cell growth in a bubble column photobioreactor and to evaluate the impact of different operation conditions. The spatio-temporal distribution of light is the key element for efficient photobiotechnological production processes. The developed lattice Boltzmann model takes absorption and three-dimensional scattering of light into account and was validated by means of Monte Carlo simulations and experiments. The results of this work demonstrate that the model is capable of simulating three-dimensional light transfer for a broad range of optically active media, although further research is needed to improve boundary conditions and to enable the simulation of light transfer in more complex geometries. Therefore, an important result of this work is that the lattice Boltzmann approach provides in principle a suitable methodological framework for three-dimensional simulations of light propagation in participating media. Concerning the transport of light in a bubble column photobioreactor, it is shown by means of multi-physical simulations of the multiphase flow and light propagation that the presence of a gaseous phase has only a small effect on the spatial light distribution and, therefore, on the microbial growth kinetics. Thus, this factor can be neglected in light propagation models, what leads to a drastic reduction of the computational costs. This finding is explained by the fact that the absorption of light by the cell culture is clearly the dominating feature at most wavelengths, what causes the light intensity to be low at points where gas bubbles are located so that the absolute effects of the gas phase on light distribution are weak. The results may differ from these findings for other configurations than the investigated ones, e.g. other sparger types, much higher gas superficial velocities or smaller gas bubbles. However, the general trend that an increase of the biomass concentration counteracts any beneficial effect of the gas phase on the distribution of light can also be expected in these cases. Additional simulations of the investigated bubble column photobioreactor consider also the motion of individual algae cells and the dynamics of the photosynthetic reactions under fluctuating light exposure. For different states of operation and emission characteristics of the light source, it is shown that the shuttling of algae cell between light and dark zones of the culture is not fast enough to induce the flashing-light effect in a population of the green microalgae C. reinhardtii. Therefore, it is unlikely that hydrodynamic mixing is a suitable strategy to induce the flashing-light effect and to improve the productivity of photobioreactors, which is however often considered as promising in the literature. A further discussion on the topic indicates that the flashing-light effect will also be not induced by means of hydrodynamic mixing in tubular photobioreactors because shear damage of the cells and the increasing demand for mixing energy limit the reachable light/dark frequencies. In contrast, further simulations indicate that the productivity of photobioreactors can be enhanced by means of pulsed light emission even on the scale of conventional photobioreactors. Pulsed illumination can only be realized by means of artificial light sources. LED appear most promising for this purpose because they unify several beneficial operation characteristics and offer additional opportunities such as the adaption of emission spectra and intensity during cultivation processes in order to achieve tailored light regimes. Therefore, a possible future scenario could be the efficient production of metabolites with a high market value from microalgae in indoor cultivation systems with tailored light regimes under industrial conditions.
Eine der wichtigsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die Erschließung neuer, nachhaltiger und umweltfreundlicher Ressourcen. Der Produktion von Biomolekülen aus Mikroalgen wird in diesem Kontext ein großes Potenzial zugeschrieben, um zu einer biobasierten Wirtschaft beizutragen. Bis heute ist es jedoch schwierig, wettbewerbsfähige Produkte aus Mikroalgen zu gewinnen. Ein großes Hindernis für die Produktion von Mikroalgen ist die Limitierung des Zellwachstums durch die Verfügbarkeit von Licht, die in jedem Photobioreaktor ab einem bestimmten Zeitpunkt auftritt. Es ist bekannt, dass die Effizienz der Photosynthese und damit die der Umwandlung von Licht in Biomasse bei starker Beleuchtung abnimmt, hingegen aber ansteigt, wenn die Beleuchtung pulsierend erfolgt. Dieses Phänomen ist als Flashing-light Effekt bekannt. Um diesen Effekt zu nutzen, versuchen Wissenschaftler durch den Eintrag von Mischungsenergie Algenzellen schnell zwischen den hellen und dunklen Zonen eines Reaktors zu bewegen und dadurch definierte hell-/dunkel Regime in Photobioreaktoren zu erzeugen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Wechselwirkung von Lichtverteilung, hydrodynamischem Mischen und zellulärer Reaktionskinetik in Photobioreaktoren unter besonderer Berücksichtigung des Flashing-light Effekts zu untersuchen. Numerische Simulationen sind ein geeignetes Werkzeug, um komplexe kinetische Probleme unter räumlich und zeitlich veränderlichen Reaktionsbedingungen in einem ingenieurwissenschaftlichen Kontext zu untersuchen und werden in dieser Arbeit angewendet. Hierfür wurde innerhalb des lattice Boltzmann Frameworks ein neues numerisches Modell zur Simulation der Lichtverteilung in einem Photobioreaktor entwickelt. Anschließend wurde das Modell mit weiteren Teilmodellen für Reaktionskinetik und Hydrodynamik kombiniert, um das Zusammenspiel von Lichtverteilung, Lichtexposition und Zellwachstum in einem Blasensäulen-Photobioreaktor zu untersuchen und den Einfluss verschiedener Betriebsparameter zu bewerten. Die räumlich-zeitliche Verteilung von Licht ist das Schlüsselelement für effiziente photobiotechnologische Produktionsprozesse. Das entwickelte lattice Boltzmann Modell berücksichtigt die Absorption und dreidimensionale Streuung von Licht und wurde durch Monte Carlo Simulationen und Experimente validiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das Modell in der Lage ist, Lichtverteilungen für eine große Bandbreite optisch aktiver Medien zu simulieren, auch wenn weitere Entwicklungen erforderlich sind, um Randbedingungen zu verbessern und so die Simulation der Lichtausbreitung in komplexeren Geometrien zu ermöglichen. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist daher, dass der gewählte lattice Boltzmann Ansatz grundsätzlich einen geeigneten methodischen Rahmen für Simulationen der drei-dimensionalen Lichtausbreitung in optisch aktiven Medien bietet. Im Hinblick auf die Verteilung von Licht in Blasensäulen-Photobioreaktoren wird mittels multi-physikalischer Simulationen der Mehrphasenströmung und der Lichtausbreitung gezeigt, dass die Gasphase nur in geringem Maß die räumliche Lichtverteilung und die mikrobielle Wachstumskinetik beeinflusst. Somit kann dieser Faktor in Modellen für die Lichtausbreitung vernachlässigt werden, was zu einer drastischen Reduzierung des Rechenaufwands führt. Diese Beobachtung lässt sich dadurch begründen, dass die Absorption von Licht bei den meisten Wellenlängen eindeutig gegenüber der Lichtstreuung dominiert, wodurch niedrige Lichtintensitäten an Orten vorliegen, an denen sich Gasblasen befinden, so dass die Gasphase insgesamt nur einen geringen Einfluss auf die lokale Lichtintensität ausübt. Die Ergebnisse können für andere Begasertypen, wesentlich höhere Gasdurchsatzgeschwindigkeiten oder sehr kleine Gasblasen abweichen. Jedoch ist auch für diese Fälle der generelle Trend zu erwarten, dass die stetige Erhöhung der Biomassekonzentration einer günstigen Wirkung der Gasphase auf die Lichtverteilung entgegenwirkt. In weiteren Simulationen des betrachteten Blasensäulen-Photobioreaktors wird zusätzlich die Bewegung einzelner Algenzellen, die damit verbundene fluktuierende Lichtexposition und deren Auswirkungen auf die Dynamik der Photosynthese berücksichtigt. Die Analyse zeigt für verschiedene Reaktorbetriebszustände und Emissionscharakteristiken der Lichtquelle, dass die Bewegung der Zellen zwischen hellen und dunklen Zonen des Reaktors nicht schnell genug erfolgt, um den Flashing-light Effekt in einer Population der grünen Mikroalge C. reinhardtii zu induzieren. Es ist deshalb unwahrscheinlich, dass die in der Literatur häufig vorgeschlagene Strategie durch hydrodynamisches Mischen den Flashing-light Effekt zu fördern eine signifikante Steigerung der Produktivität von Photobioreaktoren nach sich zieht. Eine weiterführende Diskussion des Themas deutet darauf hin, dass der Flashing-light Effekt auch nicht durch hydrodynamisches Mischen in rohrförmigen Photobioreaktoren induziert wird, da Scherbelastungen der Zellen und der zunehmende Bedarf an Mischungsenergie die erreichbaren hell-/dunkel-Frequenzen begrenzen. Ein weiteres Ergebnis der Arbeit ist, dass die Produktivität von Photobioreaktoren mittels gepulster Lichtquellen erhöht werden kann. Gepulste Beleuchtung kann nur durch künstliche Lichtquellen realisiert werden, wofür LED als beste Wahl erscheinen, da sie mehrere vorteilhafte Betriebsmerkmale vereinen und zusätzliche Möglichkeiten bieten, um maßgeschneiderte Lichtregime durch die dynamische Modulation von Emissionsspektren und der Intensität während der Zellkultivierung zu erzeugen. Ein mögliches Zukunftsszenario könnte daher die effiziente Produktion von Hochwertmetaboliten aus Mikroalgen in Indoor-Kultivierungssystemen mit maßgeschneiderten Lichtregimen unter industriellen Bedingungen umfassen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10108
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9096
Exam Date: 30-Sep-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 11-Nov-2019
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): microalgae
flashing light effect
photobioreactor
radiation transfer
Lattice Boltzmann method
Mikroalgen
flashing-light Effekt
Photobioreaktor
Strahlungstransport
Lattice-Boltzmann-Methode
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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