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Entwicklung eines strukturierten Modells zur Simulation von Algenkultivierungen

Entwicklung eines strukturierten Modells zur Simulation von Algenkultivierungen
Ansprechpartner:

M.Sc. Artem Kalinin

Starttermin:

November 2018

Projektbeschreibung

Die Mikroalgen sind für die wirtschaftliche Nutzung äußerst interessant, da sie ein breites Produktspektrum bieten. Sie weisen hohe Gehalte an Proteinen und ungesättigten Fettsäuren auf und werden deshalb bereits heute als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt. Ein entscheidender Vorteil der Mikroalgen ist die Tatsache, dass sie in Photobioreaktoren auch an Orten wachsen können, die für die konventionelle Landwirtschaft nicht nutzbar sind. Deshalb konkurrieren sie nicht mit gewöhnlichen Nutzpflanzen und könnten zukünftig als eine zusätzliche Nahrungsquelle dienen. Neben der Nutzung als Lebensmittel ist auch eine nachhaltige energetische Nutzung, in Form von Biodiesel, oder eine Nutzung als Wertstoffproduzenten für die Kosmetik- und Pharmaindustrie denkbar.

 

Derzeit besteht noch ein hoher Optimierungsbedarf, um die Kultivierung von Algen konkurrenzfähig zu machen. Die Entwicklung von Simulationen, die quantitative Vorhersagen bezüglich der Kultivierungseffizienz ermöglichen, könnten erheblich zur Optimierung von neuen und bestehenden Prozessen beitragen. Solche Simulationen könnten zudem das scale-up erleichtern und neuartige Reaktorkonzepte zusätzlich kosteneffizient optimieren.

 

Eine besondere Herausforderung bei der Erstellung solcher Simulationen stellen die komplexen Abhängigkeiten der Zellfunktion von diversen Parametern, bspw. Lichteintrag, Nährstoffverfügbarkeit, Scherstress, Temperatur und pH-Wert, dar. Ein Modell, das zur Optimierung und Entwicklung von Kultivierungsstrategien genutzt werden kann, sollte mindestens aus drei Untermodellen bestehen. Das erste untergeordnete Modell sollte die Stofftransportvorgänge in einem Reaktorsystem beschreiben können. Das zweite untergeordnete Modell sollte den Lichteintrag möglichst genau und prädiktiv vorhersagen können. Das dritte untergeordnete Modell sollte in der Lage sein, das Zellwachstum in Abhängigkeit der gegebenen Zustände zu beschreiben.

 

Der Anspruch dieses Projektes ist es, eine Simulation zu entwickeln, die die bisherigen Fortschritte auf den jeweiligen Gebieten (Lichteintrag, Zellwachstum inkl. Photosynthese und Nährstofftransport) vereint und umfassend erweitert. Die Simulation soll zum einen Aufschluss über biologische Vorgänge, die nicht unmittelbar erfasst werden können, liefern und zum anderen zur Optimierung bzw. Auslegung von Outdoor-Kultivierungen verwendet werden.

 

Hierfür wird die Simulation in 4 Blöcke aufgeteilt, die miteinander auf unterschiedliche Art und Weise interagieren. Im ersten Block wird der Lichteintrag mithilfe eines prädiktiven Modells, das unter anderem die Zellmorphologie berücksichtigt, modelliert. Im zweiten Block, und in Abhängigkeit des ersten Blocks, wird der Photosyntheseapparat der Algen mithilfe eines photosynthetic unit (PSU)-Modells modelliert. Die Photosyntheserate hat einen direkten Einfluss auf die nachfolgenden metabolischen Flüsse, umgekehrt gilt der gleiche Fall. Dementsprechend soll im dritten Block der Algenmetabolismus, basierend auf makroskopisch messbaren Größen, modelliert werden. Im letzten Block werden die im Reaktor stattfindenden Transportvorgänge modelliert, um mögliche Limitierungen durch inhomogene Durchmischung berücksichtigen zu können.

 

 

Die Arbeit umfasst sowohl die theoretischen Ansätze, die zur Modellierung herangezogen werden, als auch die experimentellen Arbeiten, die zur Kalibrierung und Validierung der jeweiligen Modelle notwendig sind.