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TitleInterne Beleuchtung von Photobioreaktoren mittels Wireless Light Emittern
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Eine weitere nennenswerte Steigerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeiten ist durch eine zusätzliche

Erhöhung der Begasungsrate nicht zu erreichen. Bei einer Gasleerrohrgeschwindigkeit von etwa

0,5 cm·s-1 kommt es bereits zu einer unvollständigen Entgasung im Kopfbereich des Reaktors und

erste Gasblasen werden in den Downcomer gezogen.

Somit kann festgehalten werden, dass in dem beschriebenen Airlift Reaktor etwa Flüssigkeits-

geschwindigkeiten von 20 cm·s-1 erreicht werden können.

5.3.2. Verteilung und Ausrichtung der Wireless Light Emitter

Eine gute Verteilung der WLE im Reaktionsmedium ist ein wichtiger Parameter, da nur so das

gesamte Reaktorvolumen gleichmäßig beleuchtet werden kann. Wie in 5.2.1.3 bereits dargestellt,

haben die einzelnen WLE nicht die exakt gleiche Dichte, sondern unterliegen vielmehr einer

Dichteverteilungsfunktion. Die Befürchtung liegt also nahe, dass es innerhalb des Reaktors Bereiche

geben kann, an denen sich die WLE sammeln und somit zu einer Inhomogenität der Verteilung und

daraus folgend zu einer Inhomogenität der Beleuchtung führen. Dies wird sich letzten Endes auch im

Ergebnis der Kultivierung widerspiegeln. Abbildung 39 zeigt die relative Änderung der Induktivität

einzelner Spulensegmente auf verschiedenen Höhen des Reaktors durch das Einbringen der WLE und

stellt somit ein halbquantitatives Maß für deren Verteilung dar. Je höher die Änderung ist, desto mehr

WLE befinden sich im jeweiligen Spulensegment.

Reaktorhöhe z (m)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

re
l.
Ä

n
d
e
ru

n
g
d

e
r

In
d
u
k
ti
v
it
ä
t

(L
z
,W

L
E
-L

z
,l
e

e
r)

/L
z
,l
e

e
r
(%

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0



Abbildung 39: relative Änderung der Induktivität durch die Wireless Light Emitter entlang der Höhe des Reaktors als Maß für
deren Verteilung. Blasensäulenreaktor mit 7,5 l·min-1 Begasung (○), Blasensäulenreaktor mit 15 L·min-1 Begasung (□), Airlift

Reaktor mit 7,5 l·min-1 Begasung (●). Reaktorfüllhöhe zmax = 0,9 m, Anzahl WLE NWLE = 1439.

Im Fall der mit 7,5 l·min-1 begasten Blasensäule (○) zeigt die relative Änderung der Induktivität auf

Höhe des untersten Spulensegments ihren höchsten Wert mit etwa 0,95 %. Mit steigender Reaktorhöhe

nimmt diese Änderung linear ab und erreicht beim obersten Spulensegment (z = 0,79 m) nur noch

0,14 %. Durch eine Erhöhung der Begasungsrate auf 15 l·min-1 (□) verbessert sich die Verteilung der

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WLE etwas und im untersten Spulensegment kommt es zu einer relativen Induktivitätsänderung von

0,79 % wohingegen im obersten Segment eine Änderung von 0,41 % auszumachen ist.

Nichtsdestotrotz ist in beiden Fällen eine stark inhomogene Verteilung der WLE über die Reaktorhöhe

auszumachen. Das Einbringen des Leitrohrs und somit der Umbau des Reaktors zum Airlift Reaktor

(●) zeigt eine nahezu gleichförmige Verteilung der WLE entlang der z-Achse des Reaktor. Die relative

Änderung der Induktivität bewegt sich in einem sehr engen Bereich von 0,61 bis 0,66 %. Die

Gesamtsumme der rel. Induktivitätsänderungen ist im Fall der beiden Blasensäulen 3,36

(V̇ = 7,5 l·min-1) bzw. 3,80 % (V̇ = 15 l·min-1) und 3,83 % für den Airlift Reaktor.

Abbildung 40 zeigt die relative Lichtintensität (gemessen mit sphärischem Lichtsensor und einer

Messrate vonn 100 s-1) in der Mitte der Blasensäule (○) bzw. des Airlift Reaktors (●) auf der Höhe

z = 0,8 m. Für die Blasensäule ist erkennbar, dass die relative Lichtintensität stark und mit einer hohen

Schwankungsbreite variiert. So treten mitunter über 50%ige Abweichungen vom Mittelwert auf. Im

Fall des Airlift Reaktors ist der zeitliche Verlauf der relativen Lichtintensität deutlich stabiler und

schwankt nur um maximal ± 16 % von der mittleren Lichtintensität.

Zeit t (s)

0 10 20 30 40

re
la

ti
v
e

L
ic

h
ti
n
te

n
s
it
ä

t
(%

)

0

80

100

120

140



Abbildung 40: relative Lichtintensität in der Reaktormitte für z = 0,8 m in der Blasensäule (○) und im Airlift Reaktor (●).

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Abbildung 49: Abhängigkeit der Lichtintensität der roten LED von der magnetischen Flussdichte für

verschiedene Empfängerspulen. WE-PD2-4532 10 µH (●), WE-PD2-4532 15 µH (▲),

WE-PD2-4532 27 µH (▼), WE-PD2-4532 39 µH (♦), Bourns SDR0403-6R8ML

6,8 µH (○),Bourns SDR0403-100ML 10 µH (□),Bourns SDR0403-120ML 12 µH (Δ),

Bourns SDR0403-150ML 15 µH (▽), WE-PD2-4532 12 µH (■)…………………...53

Abbildung 50: Kultivierung von C. reinhardtii WT137c in einem durch 1223 rote und 216 blaue

WLE intern beleuchteten Airlift Reaktor (●) im Vergleich zur extern beleuchteten

Blasensäulen mit D = 50 mm bei gleichem elektrischen Leistungseintrag pro Volumen

(8,9 W·l-1). T = 25 °C, V̇V = 0,5 vvm, φCO2 = 0,03. Die gestrichelten Linien zeigen

einen Fit der Form y(t) = y0 + a·(1 - e
-b·t)……………………………………………..54

Abbildung 51: Energieübertragungseffizienz η2 (○) zwischen Sendespule des Airlift Reaktors (D =

150 mm) und den WLEs (N = 1439) und Leistungsaufnahme pro WLE (□) bei

verschiedenen Eingangsleistungen P…………………………………………………55

Abbildung 52: Änderung der Temperatur mit der Zeit im Airlift Reaktor (D = 150 mm) mit 1439

WLE und P = 87 W Eingangsleistung………………………………………………..56

Abbildung 53: Leistungsaufnahme pro WLE in der Blasen-säule mit D = 300 mm und 2878 WLE in

Abhängigkeit der WLE-Position bei P = 205 W Eingangsleistung…………………..56

Abbildung 54: Blockaden durch WLE an der Kühlschlaufe und zwischen Reaktorinnenwand und

Leitrohr (links) sowie am Reaktorboden liegende WLE (rechts)…………………….59

Abbildung 55: normierte Wachstumsgeschwindigkeit bzw. Biotrockenmassekonzentration für

verschiedene phototrophe Mikroorganismen unter dem Einfluss eines wechselnden

Magnetfelds. Weiße Balken stellen die Kontrolle ohne Magnetfeld dar. Graue Balken

zeigen die Ergebnisse für die Kulturen unter dem Einfluss des Magnetfelds………...61

Abbildung 56: Doppelt-Logarithmische Auftragung der optischen Dichte der Kontrolle gegenüber der

optischen Dichte der entsprechenden Kultur zum gleichen Zeitpunkt unter dem

Einfluss eines wechselnden Magnetfelds (● A. platensis, ■ P. purpureum, ▼

C. zofingiensis, ♦ C. reinhardtii cc400 pC1-JR17 300-6, ▲ C. reinhardtii WT137c).62

Abbildung 57: Möglicher Mechanismus der Zellschädigung durch wie Wireless Light Emitter in

Blasensäulen…………………………………………………………………………..64

Abbildung 58: Ablauf der WLE Fertigung in manuellen (hellblau) und automatisierten (dunkelblau)

Arbeitsschritten……………………………………………………………………….66

Abbildung 59: Kultivierung von C. reinhardtii WT137c in Blasensäulen verschiedener Durchmesser

mit externer oder interner Beleuchtung bei gleichem elektrischen Leistungseintrag pro

Volumen (8,9 W·l-1). T = 25 °C, V̇V = 0,5 vvm, φCO2 = 0,03. D = 50 mm, extern

(○); D = 150 mm, extern (□); D = 50 mm, intern (●); D = 150 mm, intern (■);

D = 300 mm, intern (▲). Die durchgezogene Linie zeigt einen globalen Fit über die

drei intern beleuchteten Kultivierungen, die punktierten Linien zeigen eine ± 10%ige

Abweichung von diesem Fit. Die gestrichelten Linien zeigen einen Fit der Form

y(t) = y0 + a·(1 - e
-b·t)………………………………………………………………….67

Abbildung 60: Optische Übergange eines Lichtstrahls von der Lichtquelle in den Reaktor…………68

Abbildung 61: Auswirkungen des scale-up Faktors auf die Leistungs-Zeit-Ausbeute für die extern (○)

und intern (●) beleuchteten Blasensäulen…………………………………………….69

Abbildung 62: Zusammenhang der stat. Sink- bzw. Aufstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

WLE-Dichte für Medien mit der Dichte 1000 (durchgezogene Linie), 1025

(gestrichelte Linie), 1050 (gepunktete Linie) und 1075 kg·m-3 (strichpunktierte

Linie)………………………………………………………………………………….71

Abbildung 63: Proteinkonzentration im Kulturüberstand während einer Kultivierung von P patens in

einem Airlift Reaktor bzw. Blasensäulenreaktor mit D = 150 mm (●) bei einem

elektrischen Leistungseintrag von 8,9 W·l-1. Entfernung des Leitrohrs zum Zeitpunkt

t = 0 und somit Wechsel vom Airlift- in den Blasensäulenmodus. cBTM = 0,85 g·l
-1

T = 25 °C, V̇V = 0,5 vvm, φCO
2
= 0,01………………………………………………..73

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Abbildung 64: Geschwindigkeitsfeld der flüssigen Phase in einer Blasensäule (links) und einem

Airlift Reaktor (rechts) [98, 99]…………………………………………….…………74

Abbildung 65: Möglicher Mechanismus der schwächeren mechanischen Beanspruchung der

Mikroorganismen in Airlift Reaktoren (links) im Vergleich zu Blasensäulen

(rechts)………………………………………………………………………………...75

Abbildung 66: Emissionsspektrum der verwendeten RGB LED und Absorptionsspektrum von

C. reinhardtii………………………………………………………………………….76

Abbildung 67: Leistungs-Zeit-Ausbeute für die extern beleuchtete Benchmark (DN50) und

schrittweise Optimierung der internen Beleuchtung………………………………….78

Abbildung 68: Übersicht der wesentlichen energetischen Verluste in der Kette vom Stromnetz bis zu

den Mikroalgen……………………………………………………………………….90

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