Photosynthetic efficiency of microalgae and optimization of biomass production in photobioreactors

This thesis focuses on specific aspects of photosynthetic efficiency of microalgae and the optimization of the biomass production in outdoor photobioreactors (PBR). The conversion of waste products from a power plant (waste heat and flue gas as CO2 source) to microalgal biomass was investigated. If no nutrient limitation occurs the photosynthetic rate is either dominated by the temperature or light regime and the interplay between these and the culture conditions are one of the main topics of this work. It has been demonstrated how temperature affects microalgal photosynthesis and different temperature dependencies are found for specific strains (chapters 2, 5). Increased day temperatures resulted in increased productivities but are connected to high demands of waste heat. With solar tracked PBRs, the microalgal cultures are exposed to higher irradiance (up to 45%) compared to a static system, which leads to a higher biomass concentration and volumetric productivity (chapter 4 and 5). A controlled light supply in the “offset mode” enables low irradiance at low cell densities after inoculation at the initial outdoor cultivation phase (e.g. a small volume of preculture). High outdoor irradiance up to full sunlight (2000 µmol photons m-2 s-1) can be applied without photoinhibition by adequate self shading and cell mixing (chapter 4). However, analysis of the biomass yield over 24 hours indicated light saturation for high constant PAR (chapter 5). For adequate light/dark cycles mixing is required but the resulting shear stress affects the photosynthetic activity (chapter 3). For S. obliquus and C. vulgaris optimum tip speed of 126 cm s−1 were found related to optimization of the PBR design. In contrast, mixing did not enhance the photosynthetic activity of the structural sensitive C. reinhardtii. 78 % of the yearly outdoor biomass production is generated between March and September due to the higher und longer sun radiation (chapter 5). In conclusion, the most important key parameters for process optimization are continuous adjustment of the biomass concentration and the culture temperature with respect to the fluctuating weather conditions. This optimization of the key parameter resulted in a threefold increase of biomass productivity. For modification of the cellular carbon composition, N-limitation can be used to induce carbon storage product accumulation. However, the limitation stress results in a decrease of the photosynthetic parameters (chapter 6). If primary products of photosynthesis are not used to generate new daughter cells there might be a constant biomass yield on PAR during the shift from N-sufficient growth to initial N-limitation. Finally microalgae might develop to an alternative to traditional biomass sources based on agricultural crop land. To reach this goal process optimization is essential as suggested in chapter 7 and the presented study contributes by adding new information about temperature regulation, aspects of photosynthetic efficiencies and microalgal culture operation of photobioreactors. Die Produktion von Mikroalgenbiomasse wird als potentielle Alternative zu erschopflichen, erdolbasierten Rohstoffen und Energietragern angesehen. Vor diesem Hintergrund stehen die photosynthetische Effizienz der Mikroalgen und die Optimierung der Produktionsparameter im Mittelpunkt dieser Dissertation. Die Nutzung der Abfallprodukte CO2 (ca. 10 % des Abgases) und Abwarme eines Gaskraftwerks in die Mikroalgenkultivierung in Photobioreaktoren wurde auf Pilotmasstab getestet. Unterliegt das Wachstum der Mikroalgen keiner Nahrstofflimitierung bestimmen Licht- und Temperaturverhaltnisse im Freiland die Biomassenproduktion. Es wurde die Temperaturabhangigkeit der Photosynthese einzelner Mikroalgen gezeigt (Kapitel 2 & 5). Die Erhohung der durchschnittlichen Tagestemperatur des Kulturmediums war verbunden mit gesteigerter Produktivitat jedoch ebenso mit einem hohen Bedarf an Abwarme. Zur Sonne nachgefuhrte Photobioreaktoren ermoglichen eine um bis zu 45 % starkere Bestrahlung der Mikroalgenkultur verglichen mit horizontalen, statischen Anlagen. Die hohere Lichtmenge fuhrte zu hoherer Produktivitat und einer hoheren optimalen Zellkonzentration (Kapitel 4 & 5). Weiterhin konnte mittels Herausdrehen der Reaktoren aus direktem Sonnenlicht der Photobioreaktoren auch eine Reduktion des Lichtes im Freiland erreicht werden. Somit wurde die Photoinhibition verringert, was besonders bei niedrigen Zelldichten beispielsweise nach einem Kulturstart von Relevanz ist. Maximales Tageslicht von 2000 µmol Photonen m-2 s-1 photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) kann mit hoher Effizienz von Mikroalgen genutzt werden, wenn eine ausreichende Selbstverschattung der einzelnen Zellen gegeben ist. Diese wird durch starkes Mischen und der daraus resultierenden schnellen Oszillation der Zellen zwischen der lichtubersattigen und verschatteten Zonen im Photobioreaktor erreicht (Kapitel 4). Jedoch wurde eine Lichtsattigung bei hohen Tageslichtmengen (24 Stunden) fur die Biomassenausbeute pro Photon festgestellt. Starkes Mischen erzeugt hohe Scherkrafte, die einerseits positiv wirken, da sie hoheren Massentransfer ermoglichen, andererseits konnen Mikroalgen durch sie geschadigt werden. Fur Scenedesmus obliquus und Chlorella vulgaris wurde eine optimale Anstromgeschwindigkeit von 126 cm s−1 ermittelt. Bezogen auf die photosynthetische Aktivitat wurde fur Chlamydomonas reinhardtii mit sensitiverer Zellstruktur jedoch kein positiver Effekt festgestellt (Kapitel 3). Auf Grund der Freilandbedingungen und der unterschiedlichen Lichtverteilung im Jahresverlauf ergab eine Simulation, dass 78% der Biomassenproduktion zwischen Marz und September generiert wurde (Kapitel 5). Der wichtigste Schlusselparameter zur Optimierung der Biomassenproduktion ist neben Licht und Temperatur die kontinuierliche Regulierung der Biomassenkonzentration in Bezug auf die fluktuierenden Lichtverhaltnisse. Stickstofflimitierung wurde zur Erhohung der kohlenstoffreichen Speicherstoffe genutzt. Der Limitierungsstress wurde uber photosynthetische Parameter erfasst (Kapitel 6). Die Ergebnisse liefern Hinweise, dass bei anfanglicher Stickstofflimitierung der Biomassenaufbau trotz geringerer Photosyntheseleistung nicht reduziert ist. Die Biomassenproduktion durch Mikroalgen sollte vertieft erforscht werden, um nachhaltige, alternative Wege der Lebensmittel-, Futtermittel- und Biotreibstoffherstellung aufzuzeigen, die bisher vorwiegend auf fruchtbarem Ackerland basiert. Optimierungsvorschlage werden in Kapitel 7 vorgestellt und diskutiert, die einen Beitrag dazu leisten dieses Ziel zu erreichen.