A Lattice Boltzmann method for the simulation of light transfer in turbid media and its application in computational studies on microalgae growth kinetics [article]

Christopher Benjamin McHardy, Cornelia Rauh, Technische Universität Berlin, Technische Universität Berlin
2019
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
more » ... 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 [...]
doi:10.14279/depositonce-9096 fatcat:s6hlhaf575batgmm6xkhafg5cq