Physical aspects with photobioreactors for algae

Institut Angewandte Physik Fakultät für Physik Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg AG Prof. Dr. H. Franke

Contents motivation: the CO2-problem photosynthesis on an industrial level? Requirements for PBR`s with algae Energetic aspects Algae,(some 10.000 species)examples Suspension with 3 phases: gas,cells,EPS Light as a limiting factor Electric properties Achieved applications

1Keeling_Kurve Gipfel des Mauna Loa Sägezahn zeigt Jahreszeitliche Schwankungen

CO2 CO2 ist ein Klima-Gas (Treibhauseffekt) - fossile Brennstoffe: C + O2 CO2 + Δ W (ca. 20 MJ/kg) IR-Spektrum: Rückführung in C- Kreislauf

2 .Die Photosynthese: Reaktionsgleichung 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Dunkelreaktion Lichtreaktion Lichtreaktion Dunkelreaktion

CO2-Kreislauf

Photosynthese in industr. Maßstab?: PBR PBRs dienen der CO2 Fixierung Derzeitig drei Probleme welche die Effizienz begrenzen: Die Beleuchtungstechnik Die Regelungstechnik Die Erntetechnik

2. Kreislaufwirtschaft

Weitere Argumente für kompakte PBR´s Welternährung: die landgestützte Pflanzenproduktion kann in Zukunft Die Welternährung nicht mehr leisten Fläche: gesamte nutzbare Fläche Wasser: Algen benötigen weniger als…

Vorbild :Cyanobakterien im Carbon: Fossile Brennstoffe Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese: => aus vorhandener O2-Menge folgt: 4x 1014 t C auf der Erde vorhanden davon bis 1992 gefunden: 10.4x1012t SKE (nach Würfel:“Physik der Solarzellen“,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)

4. Photo-Bioreaktoren Rohstoffe + Licht Traditionell: Freiland, Teiche Labor: Röhren=> LED´s - zur Produktion spezieller Stämme - zur Erforschung neuer Photosysteme

4.Energetische Betrachtungen Energie aus Sonnenlicht: In Mitteleuropa: ca.1MWh/y m2 -nur ein Teil des Spektrums ausgenutzt -8 Photonen / CO2-Molekül - T bestimmt Reaktionsgeschwindigkeiten? Ernte: typisch 1g BM/l - trocknen: 1l Wasser verdampfen?

Energiebilanz In der Pflanzenzucht: 1% < η< 6 % Gründe: spektrale Verluste -68 % Reflexion an Blättern -20% Sättigungseffekte -50% Produkt Verluste: 0.12x 0.4=0.05 Ziel: η → 20-30% Energiebilanz Photosynthese Summenreaktion: 6CO2 + 6 H2O→ C6H12O6 + 6 O2 pro CO2 Molekül: 8 Photonen 14.4 eV Bindungsenergie der Einheit CH2O : 4.95 eV η = 4.95/ 14.4 = 34%: Literatur über Stoffkreislauf η = 38 %:

Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

4.Photobiol. Wirkungsgrad η = Chem . Energie / opt. Energie Theoretischer Wert: ca. 33% Chem. Energie: z.B. Brennwert ca. 20 MJ/kg Landwirtschaft: wenige % Energiepflanzen: 5-7% Labor: mit gepulsten LED´s: 10-12 % abhängig vom System, T!

4. Photosynthese: Wellenlängen Engelmann'scher Bakterienversuch Photosyntheserate ist prop. zur Menge des freigesetzten Sauerstoffs durch Algen je mehr Sauerstoff desto mehr Bakterien

Photobiol. Wirkungsgrad

5.Grössenverhältnisse

5. Algen, Beispiele Scenedesmus Wildstamm: Faden +Einzeller

5. Thermophiler Wildstamm

Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

6. Optik Sonnenlicht -Sammeln -Leiten: hohle Leiter mit r=99.8% - Verteilen in 3D: Stäbe, Röhren, Bündel Künstliches Licht: Röhren, LED´s

6.Becken mit 100m2: „sc_struktur, fcc, hcp“

6.Ausleuchtung des Volumens

6.Probleme :Biofilme

6. „Blasenstrudel“

7. Elektrische Eigenschaften NO3- K+

7.Ernte: Elektrokoagulation Elektroden Material: Fe / Fe Al / Al Variierte Parameter: Stromstärke Elektrolysezeit pH-Wert Konzentration Messung: OD[750nm] / TM [mg/L] SAK[436nm] SSH 2h[mL]

Ernte im 240l Behälter (30Wh)

8.Anwendungen in sonnenreichen Ländern: Biomasse - Futtermittel / Düngemittel -Bioethanol -Biodiesel Algen als Biofilter - Geruchsfilter - Abluftreinigung von C-Verbindungen