Development of a photobioreactor with volumetric illumination via resonant inductive coupling

通过共振感应耦合开发具有体积照明的光生物反应器

基本信息

项目摘要

Microalgae could be sources for a multitude of products in pharmacy, medicine, fine chemistry, and food industry. The most important process parameter for the growth of phototrophic microorganisms is light, which is not dispersible in water and is absorbed drastically by the cultivated organisms. This leads to a highly inhomogeneous light distribution over the reactor cross section, which results in drastically differing light supply in different parts of the reactor. Therefore a high surface to volume ratio is necessary to achieve a high specific light supply and consequently a maximum productivity. The major limitation of existing photobioreactors (PBRs) is the lack of convenient scale-up solutions. The main goal of this project is to engineer a stirred tank reactor with a homogeneous internal illumination for cultivation of phototrophic microorganisms. This will be achieved by using wireless light emitters (WLEs), powered wirelessly via resonant inductive coupling. The light will be generated by light emitting diodes (LEDs) with an appropriate spectral wavelength pattern. The WLEs will have nearly the same density as the cultivation medium to guarantee a statistical homogeneous distribution inside the whole fluid and thus lead to a uniform light pattern inside the reactor. The reactor will be surrounded by a primary transmitting coil, connected to a frequency generator and a power amplifier, to provide a frequent electromagnetic field inside the reactor. The WLEs will consist of a secondary coil connected to a capacitor and a LED encapsulated in a plastic sphere. The frequent magnetic field of the transmitting coil will induce a current inside the multiple receiving coils and will power the LED. The new reactor system will be compared to the PBR systems at the Institute of Bioprocess Engineering, focusing on growth behavior and the yield of valuable products. Furthermore, a scale-up from small-scale 1 L reactors to a 50 L reactor will be done and evaluated. The reactors will be constructed according to the DECHEMA guidelines for bioreactors from 1991. This will prove the principle scaling-up possibilities of this novel illumination method. Besides the goals in the field of engineering, basic studies regarding the influence of frequent electromagnetic fields (EMF) on microalgae have to be done. There are only few results on the EMFs influence on phototrophic microorganisms published. The knowledge of potential side effects of EMF is fundamental to the application of the new reactor concept, as the microorganisms are exposed to that field during the whole cultivation process. Preliminary work concerning this project showed no significant influence of two selected frequencies on the model greenalga Chlamydomonas reinhardtii, but nevertheless, a more detailed analysis of the influence of different EMF on more phototrophic microorganisms is necessary to provide a valuable and reliable tool to industrial photobiotechnology.
微藻可以成为制药、医学、精细化学和食品工业中多种产品的来源。光养微生物生长最重要的过程参数是光,光不分散于水中,并被培养生物体大量吸收。这导致反应器横截面上的光分布高度不均匀,从而导致反应器不同部分的光供应截然不同。因此,需要高的表面与体积比来实现高比光供应,从而实现最大生产率。现有光生物反应器(PBR)的主要限制是缺乏方便的放大解决方案。该项目的主要目标是设计一个具有均匀内部照明的搅拌釜反应器,用于培养光养微生物。这将通过使用无线光发射器 (WLE) 来实现,通过谐振电感耦合进行无线供电。光将由具有适当光谱波长模式的发光二极管 (LED) 产生。 WLE 的密度几乎与培养基相同,以保证整个流体内的统计均匀分布,从而在反应器内产生均匀的光图案。反应器将被初级发射线圈包围,连接到频率发生器和功率放大器,以在反应器内提供频繁的电磁场。 WLE 将由连接到电容器的次级线圈和封装在塑料球中的 LED 组成。发射线圈的频繁磁场会在多个接收线圈内感应出电流,并为 LED 供电。新的反应器系统将与生物过程工程研究所的 PBR 系统进行比较,重点关注生长行为和有价值产品的产量。此外,还将进行并评估从小规模 1 L 反应器到 50 L 反应器的放大。这些反应器将根据 1991 年 DECHEMA 生物反应器指南进行建造。这将证明这种新型照明方法的原则上扩大规模的可能性。除了工程领域的目标外,还必须进行有关频繁电磁场(EMF)对微藻影响的基础研究。关于电磁场对光养微生物影响的研究成果很少。了解 EMF 的潜在副作用对于新反应器概念的应用至关重要,因为微生物在整个培养过程中都暴露在该场中。该项目的初步工作表明,两个选定的频率对模型绿藻莱茵衣藻没有显着影响,但尽管如此,有必要更详细地分析不同电磁场对光养微生物的影响,以便为工业光生物技术提供有价值且可靠的工具。

项目成果

期刊论文数量(4)
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Method for Optimizing the Field Coils of Internally Illuminated Photobioreactors
  • DOI:
    10.1109/tmag.2014.2320934
  • 发表时间:
    2014-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Sutor, Alexander;Heining, Martin;Buchholz, Rainer
  • 通讯作者:
    Buchholz, Rainer
Optimization of spectral light quality for growth and product formation in different microalgae using a continuous photobioreactor
Application of light-emitting diodes (LEDs) in cultivation of phototrophic microalgae: current state and perspectives
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