Operating strategy to reduce the energy consumption of flat-panel airlift photobioreactors with respect to mixing of thermosynechococcus elongatus suspension cultures : light-specific adaptation of the superficial gas velocity

Abstract

Photoautotrophic microalgae mass production is limited by light availability due to effects of absorption and reflection, especially throughout outdoor cultivation prohibiting the adjustment of photon-flux density (PFD). Generating turbulence within the cultures in order to minimize photolimiting and photoinhibitive effects is the method of choice to overcome that obstacle. Then again, energy required for its generation represents one of the major drivers contributing to overall production costs of microalgae biotechnology. The present work describes the development of an advanced operating strategy for the mixing of flat-panel airlift loop photobioreactors (FPA-PBRs) that through its application decreases the specific energy consumption, thus the energy requirement per unit of biomass produced, when cultivating phototrophic microorganisms. Experiments were carried out with the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus BP-1 utilizing distinct FPA-PBRs equipped with culture-flow directing installations and illuminated by high pressure sodium (HPS) lamps. In the first paper, the impact of utilizing respective FPA-PBRs is investigated. Preliminary experiments were performed in order to eliminate any limitations beyond the sphere of influence of photobioreactor (PBR) design. Apart from the NO3- concentration which had to be retained at 2000 mg L-1 to sustain non-limited growth, special attention was paid to the administration of dissolved inorganic carbon (DIC), inter alia in the form of hydrogen carbonate as CO2 gas solubility was limited by the applied cultivation temperature of 55°C. It is for this reason, in conjunction with a short residence time of the CO2-enriched air bubbles that an increase in CO2 concentration showed only minor effects compared to increasing carbonate concentration that directly correlated to maximum productivity attaining 2.9 gDW L-1 d-1, the highest to be reported for T. elongatus BP-1, using 0.04 g L-1 Na2CO3. When comparing PBRs with and without culture flow directing installations, e.g. static mixers, it was found that the former outperformed the latter as an increase in maximum volumetric productivity and final biomass concentration by a factor of 3.4 and 2.0 was recorded, respectively, whilst the energy input in the form of superficial gas velocity remained unchanged. The enhanced growth performance was attributed to improved specific light availability due to the formation of eddies within cultures induced by static mixers. Thereby, light dependent downregulation of quantum-yield and respiratory losses were reduced, ultimately allowing for a more efficient photon-utilization towards assimilatory photochemistry when compared to randomly mixed cultures. In the second study, the joined impact of PFD, biomass concentration and superficial gas velocity is investigated and an operating strategy for FPA-PBRs deduced. Preliminary experiments were performed in order to establish a modified photosynthesis irradiance (PI) curve at default mixing settings which defined the light compensation point and the irradiance of saturation with 100 &#956;mol m-2 s-1 and 400 &#956;mol m-2 s-1, respectively. Cultivations were then performed at sub-, quasi-, and supra-saturating PFDs (180 .. 780 &#956;mol m-2 s-1) utilizing multiple gas flow velocities (0.11 .. 0.83 vvm). It was found that at a given velocity, productivity and final biomass concentration increased with increasing PFD. Moreover, it was found that in comparison with default mixing settings, the superficial gas velocity during sub-saturating PFD and/or biomass concentrations < 3 gDW L-1 can be reduced to cut operational expenditures (OPEX) on mixing, whilst an increase during supra-saturating PFD and/or higher biomass concentrations enhances productivity and final biomass yield. An operating strategy based on the PFD-triggered adjustment of the superficial gas velocity is proposed and results were mathematically translated to exemplary outdoor diurnal cycles of PFD. By applying the strategy on sunny days, productivity is increased by 24%, while reducing not only energy input but also CO2-demand by 11%. On cloudy days, productivity is only slightly increased but energy input and CO2-demand reduced by 37%. Consequently, the specific energy requirement of FPA-PBRs when cultivating phototrophic microorganisms is reduced significantly, especially at locations with only stochastic light supply, e.g. in temperate latitudes.

Die industrielle, photoautotrophe Produktion von Mikroalgen ist auf Grund von Absorption und Reflexion durch eine eminente Limitation der Lichtverfügbarkeit gekennzeichnet. Diese manifestiert sich primär während Freilandkultivierungen, da hier eine Anpassung der Photonenflussdichte (PFD) unmöglich ist. Um dieses Hemmnis zu überwinden ist die Erzeugung von gerichteter Turbulenz zur Minimierung photolimitierender und photoinhibierender Effekte das Mittel der Wahl. Andererseits stellt die Prozessenergie, welche hierfür aufgewendet werden muss, einen der Hauptkostenfaktoren innerhalb der Mikroalgenbiotechnologie dar. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer modernen Betriebsstrategie zur Durchmischung von Flat-Panel Airlift Photobioreaktoren (FPA-PBRs), welche während der Kultivierung den spezifischen Energieeintrag lichtabhängig reduziert. Experimente wurden mit dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus BP1 unter Verwendung spezieller FPA-PBRs durchgeführt, welche ströhmungsführende Einrichtungen enthielten, und mit Natriumdampf-Hochdrucklampen betrieben wurden. In der ersten Veröffentlichung wird der Effekt der Verwendung besagter FPA-PBRs untersucht. Einleitende Versuche dienten zum Ausschluss potentieller Limitationen jenseits des Einflusses der Reaktorgeometrie. Neben der Konzentration von NO3-, welche bei 2000 mg L-1 gehalten werden musste um unlimitiertes Wachstum aufrechtzuerhalten, wurde besonderes Augenmerk auf die Bereitstellung von anorganischem Kohlenstoff, unter anderem in Form von Hydrogencarbonat, gelegt. Auf Grund der hohen Kultivierungstemperatur von 55°C, im Zusammenspiel mit einer kurzen Verweilzeit der mit CO2 angereicherten Luftblasen, zeigte die Veränderung der CO2-Konzentration kaum einen Einfluss, während die Carbonatkonzentration direkt mit der maximalen Produktivität korrelierte. Unter Verwendung von 0,04 g L-1 Na2CO3 erreichte diese 2,9 gTS L-1 d-1, die höchste welche jemals für T. elongatus BP1 beschrieben wurde. Der Vergleich der PBRs mit und ohne ströhmungsführenden Einrichtungen zeigte, dass bei identischem Energieeintrag (gleiche Gasleerrohrgeschwindigkeit) ersterer eine um den Faktor 3,4 gesteigerte maximale Produktivität aufwies und die Biomasseausbeute verdoppelte. Dies wurde der verbesserten Lichtverfügbarkeit zugesprochen, welche aus der Bildung von Wirbeln, induziert durch statische Mischer, resultierte. Limitierende und inhibierende Effekte wurden minimiert und Photonen effizienter der assimilatorischen Photochemie zur Verfügung gestellt. In der zweiten Veröffentlichung wird der kombinierte Einfluss von PFD, Biomassekonzentration und appliziertem Gasvolumenstrom untersucht und eine Betriebsstrategie für FPA-PBRs abgeleitet. Einleitende Untersuchungen dienten der Erstellung einer modifizierten Photosynthese-Lichtintensitäts-Kurve unter Standardbedingungen, welche in einer PFD von 100 &#956;mol m-2 s-1 für den Lichtkompensationspunkt und 400 &#956;mol m-2 s-1 für den Lichtsättigungspunkt resultierte. Weitere Untersuchungen wurden bei sub-, quasi- und suprasättigender PFD (180 .. 780 &#956;mol m-2 s-1) unter Applikation verschiedener Gasvolumenströme (0,11 .. 0,83 vvm) durchgeführt. Hierbei erhöhten sich sowohl maximale Produktivität als auch Biomasseausbeute bei gegebenem Gasvolumenstrom mit steigender PFD. Im Vergleich zur konventionellen Strategie kann die Gasleerrohrgeschwindigkeit bei subsättigender PFD und/oder Biomassekonzentrationen von < 3 gTS L-1 reduziert werden, um Betriebskosten zu minimieren. Während suprasättigender PFD und/oder höheren Konzentrationen steigert ein erhöhter Gasvolumenstrom sowohl die maximale Produktivität als auch die Ausbeute. Eine auf der PFD-gesteuerten Anpassung der Gasleerrohrgeschwindigkeit basierende Betriebsstrategie wird vorgeschlagen und Ergebnisse mathematisch auf beispielhafte Tagesgänge der PFD übertragen. Es zeigte sich, dass so die Produktivität an sonnigen Tagen um 24% gesteigert wird, während sowohl der Energieeintrag als auch der CO2-Bedarf um 11% minimiert werden. An bewölkten Tagen steigt die Produktivität nur marginal, jedoch werden sowohl Energieeintrag als auch CO2-Bedarf um 37% minimiert. Folgerichtig wird der spezifische Energieeintrag von FPA-PBRs während der phototrophen Kultivierung von Mikroorganismen signifikant reduziert, im Speziellen in Regionen mit lediglich stochastischem Lichtangebot, wie z.B. gemäßigten Klimazonen.