Photobioreaktoren

Photobioreaktoren sind eine große Hoffnung für unsere Zukunft
ohne Erdöl. Sie nutzen die Tatsache aus, dass verschiedenste
Algensorten für uns nützliche Stoffe produzieren können. Im
einfachsten Fall Futter für unsere Tiere, aber auch Äthanol als
Treibstoff oder allgemein als Energieträger. Bei Grünalgen ist
die Photosynthese der wichtige Stoffwechselprozess, der natürlich
auch Licht braucht und Kohlendioxid. Bevor Photobioreaktoren
wirklich effektiv arbeiten können, müssen jedoch viele Aspekte
des Prozesses noch viel besser verstanden werden. Hier stehen wir
erst am Anfang der Entwicklung.


Judith Kolbe hat in ihrer Masterarbeit ein Modell erprobt, das
die Verklumpung (technisch: Agglomeration) von Algen beim Fließen
durch geschlossene Zylinder beschreiben soll. Das Anliegen ist,
durch vorherige Simulation die Bedingungen im Reaktor so zu
optimieren, dass die Verklumpung möglichst vermieden wird, damit
es nicht zu Fäule und zum Absterben der Algen kommt. Besondere
Effekte am Rand des Behälters wurden hier zunächst gar nicht
betrachtet.


Als Beispielfall wurden sehr kleine Algen- Mikroorganismen-
betrachtet, für die die eigene Geometrie keine allzu große Rolle
bei der Verklumpung spielt. Der wichtigste Aspekt im Modell ist
die Annahme, dass die kugelförmigen Partikel einen Schmierfilm
auf ihrer Oberfläche tragen. Zwei Partikel, die während ihrer
Bewegung im Fluid zufällig zusammenstloßen, verschmelzen zu einem
größeren, wenn die umgesetzte Energie im Schierfilm dissipieren
kann. Die Strömung des Trägerfluids geht hier vor allem als
Kraftwirkung auf die Algenpartikel ein (inklusive der
Bewegungsrichtung).


Der Vorteil dieses Modells ist zum einen, dass es so einfach ist,
dass es nur wenige Parameter benötigt und zum anderen, dass die
Interpretation der Ergebnisse klar ist (im sogenannten
Postprocessing).


Ein großer Nachteil ist, dass die Zahl der Partikel, die man
einzeln so behandeln kann, durch die Rechenstärke schnell sehr
stark eingeschränkt wird, selbst wenn ausgenutzt wird, dass man
die Rechnungen hervorragend parallelisieren kann. Deshalb wurde
in der Arbeit schließlich auch nur ein prototypischer Würfel von
4mm Seitenlänge in der Mitte des zylindrischen Reaktors
simuliert.
Literatur und weiterführende Informationen

H. Chmiel: Bioreaktoren, Bioprozesstechnik, Spektrum
Akademischer Verlag, 2011.

C. T. Crowe, J. D. Schwarzkopf, M. Sommerfeld, Y. Tsuji:
Multiphase flows with droplets and particles, CRC press, 2011.

B. J. Ennis, G. Tardos, R. Pfeffer: A microlevel-based
characterization of granulation phenomena, Powder Technology,
65(1), 257-272, 1991.

D. Hänel: Molekulare Gasdynamik: Einführung in die kinetische
Theorie der Gase und Lattice-Boltzmann-Methoden, Springer-Verlag,
2006.

W. Pietsch, Wolfgang: Size enlargement by agglomeration, New
York, Wiley, 1991.

Podcast Konscience KNS015: Energie aus Biomasse, Erstmal die
Chinchillas ruhigstellen, 2014.