Scale-up of capillary photo-biofilm reactors

Cyanobakterien bilden eine vielversprechende Basis für die Entwicklung von nachhaltigen Prozessen für die Herstellung von Chemikalien. Jedoch ist dieses Potential derzeit eingeschränkt, da noch kein geeignetes Kultivierungssystem entwickelt wurde. Diese Doktorarbeit schließt diese Wissenlücke, indem Cyanobakterien in Biofilmen kultiviert wurden. Biofilme bezeichnen auf Oberflächen haftende Zellen, die von einer selbstproduzierten Matrix umgeben sind und eine sehr hohe Zelldichte auf sehr kleinem Raum erlauben. Zur zukünftigen Nutzung von Cyanobakterien wurde ein kapillarer Biofilmreaktor entwickelt, in dem ein stabiles Biofilmwachstum über einen langen Zeitraum möglich ist. Die vorliegende Doktorarbeit zielt auf eine detaillerte Beschreibung dieses Systems zur Kultivierung von Biofilmen und der Vergrößerung dieses Systems ab. Verschiedene Betriebsparameter und deren Einfluss auf das Biofilmwachstum und -stabilität wurden untersucht, während die Reaktorlänge schrittweise vergrößert wurde. Im Hinblick auf eine hochskalierte Anwendung des Reaktorsystems wurden Möglichkeiten zur Parallelisierung und zum Recycling des Nährmediums untersucht. Als nächster Schritt zu einer industriellen Anwendung des kapillaren Biofilmreaktorsystems wurden erste Experimente unter Umweltbedingungen durchgeführt. Dabei wurde der Fokus auf die Licht- und Temperaturverhältnisse gelegt. Abgesehen von den Experimenten wurde das kapillare Biofilmreaktorsystem in ein Modell überführt. Das Modell wurde mit Hilfe von experimentellen Ergebnissen kalibriert. Das vorliegende kapillare Biofilmreaktorsystem wurde somit insgesamt erfolgreich auf eine Länge von 5 m hochskaliert (Skalierungsfaktor 25). Durch Parallelisierung von sechs Kapillaren wurde ein Skalierungsfaktor von 150 erreicht.