Exploring Photobioreactors for Algal Cultivation and CO2 Fixation

1. Physical aspects with photobioreactors for algae

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

3. 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

4. 1Keeling_Kurve Gipfel des MaunaLoa Sägezahn zeigt Jahreszeitliche Schwankungen

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

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

7. CO2-Kreislauf

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

9. 2. Kreislaufwirtschaft

10. 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…

11. 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)

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

13. 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?

14. 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 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 %:

15. 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

16. 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

17. 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!

18. 4. Photosynthese: Wellenlängen • Engelmann'scherBakterienversuch • Photosyntheserateist prop. zurMenge des freigesetztenSauerstoffsdurchAlgen • je mehrSauerstoffdestomehrBakterien

19. Photobiol. Wirkungsgrad

20. 5.Grössenverhältnisse

21. 5. Algen, Beispiele Scenedesmus Wildstamm: Faden +Einzeller

22. 5. Thermophiler Wildstamm

23. 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

24. 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

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

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

27. 6.Ausleuchtung des Volumens

28. 6.Probleme :Biofilme

29. 6. „Blasenstrudel“

30. 7. Elektrische Eigenschaften A K NO3- K+

31. 7.Ernte: Elektrokoagulation 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]

32. Ernte im 240l Behälter (30Wh)

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