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Bioenergie: Algen zur stoffwirtschaftlichen Nutzung von CO · Bioenergie: Algen zur...

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KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association Institute of Engineering in Life Science, Department Bioprocess Engineering www.kit.edu Institute of Engineering in Life Science, Department Bioprocess Engineering Dr. Rosa Rosello, Dr. Fritz Cotta, Prof. Dr. Clemens Posten Bioenergie: Algen zur stoffwirtschaftlichen Nutzung von CO 2
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Page 1: Bioenergie: Algen zur stoffwirtschaftlichen Nutzung von CO · Bioenergie: Algen zur stoffwirtschaftlichen Nutzung von CO 2 . Institute of Engineering in Life Science2 Department Bioprocess

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and

National Research Center of the Helmholtz Association

Institute of Engineering in Life Science, Department Bioprocess Engineering

www.kit.edu

Institute of Engineering in Life Science, Department Bioprocess Engineering

Dr. Rosa Rosello, Dr. Fritz Cotta, Prof. Dr. Clemens Posten

Bioenergie:

Algen zur stoffwirtschaftlichen Nutzung von CO2

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Institute of Engineering in Life Science

Department Bioprocess Engineering

2 11.08.2011 11.08.2011

ß-Carotene aus

Dunaliella salina

Products from Microalgae

Astaxanthin aus

Haematococus pluvialis

Model alga

Chlamydomonas reinhardtti

Food supplement Chlorella and Spirulina

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3 11.08.2011

Apple Bran Muffin

Starbucks

Buckwheat Baby Cereal with Omega-3

Heinz Russia

DHA Omega-3 Bread

A product of Bimbo Bakeries (Spain)

Nestle Good Start Supreme with DHA & ARA

A product of Nestle USA

100mg DHA for Pregnancy and Nursing

A product of Deball (China)

Vaalia Yogurt for Kids

A product of Parmalat

(Australia)

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4 11.08.2011

Possible Routes to Products

Light Oil

Poly-

saccharides

Fatty acids Colorant,

Antioxidants,

Vitamins

(Health) Food,

Aquaculture, Feed

New

Biomass CO2

Pigments

(Recombinant)

Proteins H2, O2

H2O

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5 11.08.2011

Mikroalge (wichtigste Herstellerländer)

Produkte

(Auswahl) Preis

(US $) Absatz (Mio.

US $) Entwicklung

Spirulina sp.(China, Hawaii, Taiwan, Myanmar, Indien), Nostoc sp. (China), Aphanizomenon (Klamath-See/USA); Chlorella sp. (Klötze/BRD, Taiwan, Japan), Dunaliella sp. (Israel, Hawai, Australien, China, Indien), Nanochloropsis sp. (Hawai, Salata GmbH/ Deutschland)

BIO

MA

SSE

Algenbiomasse 10-150 /kg ~ 6 Mrd. stark steigend

Nahrungsergänzungs-mittel, Kosmetika

40-160/kg ~ 7400 stark steigend

Futterzusatzmittel, Aquakultur

10-150 /kg stark steigend

Düngemittel > 10 /kg aussichtsreich

Hämatococcus pluvialis (Israel, Hawaii, Japan)

FAR

BSTO

FFE

Astaxanthin 2.000-3.000 /kg 270 stark steigend

Dunaliella salina, D. bardawill (Australien, Israel, Hawai, China, Indien)

-Carotin 2.000-3.000/kg 280 aussichtsreich

Tagetes erecta (Indien), aus Algen im Enwicklungsstadium

Lutein, Zeaxanthin

600-2.500 /kg stark steigend

Spirulina sp. (Japan) Porphyridium sp.

Phycocyanin

Phycoerythrin

3-25.000 /g

bis 1,5 Mio./g (Antikörper)

10-50 steigend als Marker für Antikörper

Prorocentrum lima Lyngbya sp. Alexandrium sp. Symploca sp.

PH

AR

MA

Okaidinsäure

Curacin, Saxitoxin

Dolastatin

stark steigend

Crypthecodinum cohnii (USA), Ulkenia sp. (Schweiz), Schizochytrium sp. (USA), Odontella aurita (Frankreich), Nannochloropsis (in Entwicklung)

PU

FAS

Docosahexaensäure (DHA) Eicosapentaensäre (EPA)

700-6500 / kg 250

stark steigend

Globaler Markt für Produkte aus Mikroalgen

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6 11.08.2011

Eine effektive Technologie zur Algenherstellung kann einen

erheblichen Beitrag sowohl zur Energie- und Stoffwirtschaft als auch

zur Klimapolitik leisten.

Algen sind die am schnellsten wachsenden Pflanzen auf unserem

Planeten. Die Alge ist um ein Vielfaches effektiver als zum Beispiel

Energiepflanzen.

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7 11.08.2011

Als photoautotrophe Organismen nutzen Mikroalgen das Treibhausgas

CO2 als Kohlenstoffquelle und können es am Ort seiner Entstehung

unmittelbar verwerten. Algen binden mit extrem hoher Effektivität CO2 und

wandeln dieses in Biomasse um.

Die entstandene Biomasse kann vielfältig genutzt werden, u.a. als

Rohstoff in der Pharmazeutischen Industrie sowie in der Kosmetik, als

Kraftstoff bzw. als Rohstoff zur Herstellung von Ölen und Gasen bzw. von

Nahrungsergänzungsmitteln.

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8 11.08.2011

Microalgae as renewable resources

Photoconversion efficiency (PCE) of microalgae 5 %

Areal productivities could be 5 times higher than classical crops

Cultivation in closed photobioreactors as suspension culture

Whole biomass can be harvested, no lignins

Low (salt-)water demand and cultivation in aride areas

2 kg CO2 per kg microalgae biomass, activation energy light

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9 11.08.2011

Übersicht vorhandene Systeme – offene Systeme

Natürliche Seen Künstliche offene Becken

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10 11.08.2011

Basic geometrical photobioreactor designs

Aspect 1: High surface / volume ratio SVR

„AR / AG should be high“

Enough light energy per culture volume

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11 11.08.2011

Examples of geometries for large scale reactors

Tubular reactor

Kibuzz Kitura Green Wall Panel,

Almeria

Too expensive, missing temperature control, auxiliary energy

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12 11.08.2011

Building the reactor around the cell

Light

CO2

Heat

Reactor transforms environmental conditions to physiological conditions.

Optimizing reactors means to understand cell signals.

H2O

Fluoreszenz

Respiration

Growth phase

Macromolecular composition

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13 11.08.2011

Basic geometrical photobioreactor designs

Plate and Tube in 30 L Scale with Chlamydomonas

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14 11.08.2011

Growth kinetics of Porphyridium purpureum

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500 600 700 800Sp

ecif

ic g

row

th r

ate

µ / (

d-1

)

Light intensity on reactor surface I0 / (µE.m-2.s-1)

continuous light

PCE = 5%

Light dilution necessary to come to

the point of high efficiency

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15 11.08.2011

Geometrical light distribution

Light saturation and inhibition can be prevented

by geometrical „light distribution“

- Extension of plates or fences in vertical direction

- Structuring as tubes

- Orientation of plates and fences in specific angle to

N/S direction for horizontal dilution

Aspect 2: High surface / footprint ratio

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16 11.08.2011

Light path length

Aspect 3: Short light path length

High biomass concentration necessary for

cheap agitation and harvesting

Homogeneous light field by compensation of mutual shading and focussing

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17 11.08.2011

CFD as tool for bioreactor optimization results from a Gicon – Kit cooperation

geometrical optimization

Design aspect: focusing mixing energy to specific frequencies

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Physiological Interaction:

Flashing light effect

Supersaturation zone Limiting / dark zone

Optimal Zone Algal cells can store energy

under strong light … … and use it up under

limiting light conditions

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Department Bioprocess Engineering

19 11.08.2011

Growth kinetics of Porphyridium purpureum

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500 600 700 800Sp

ecif

ic g

row

th r

ate

µ / (

d-1

)

Light intensity on reactor surface I0 / (µE.m-2.s-1)

intermittant light

5/5 ms

10/10 ms

20/20 ms

10/60 ms

3000/3000 ms

Disappointing performance of large reactors

Practical realization difficult

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Model reactor for kinetic studies

especially developed illumination device using LEDs

and collimating lenses (2 L reactor)

homogenously illuminated volume

→ mutual shading of the cells compensated by

focusing effect (lens effect)

highly controlled conditions

wide range of spectral distribution

light intensities up to 16000 µE/(m2∙s)

light/dark cycles up to 500 Hz

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Photo-Bioreactor Development

Scale-down / Scale-up Problem analysis

Modelling & Simulation

Of possible large scale

Experiments with decoupled

parameters in special modelling

reactors

Understanding of decisive interactions between cell and reactor

Re-assemble in small scale

Technical implementation in pilot

scale

Optimized Demonstration-Reactor

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Photobioreaktor nach dem Tannenbaumprinzip

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23 11.08.2011

Photobioreaktor nach dem Tannenbaumprinzip

(Funktionsmuster in Köthen

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Carbon neutral product cycles

Bioreaction:

(Artificial) illumination

Measurement and control

Bio-refinery:

High-value product

By-products

Downstream:

Concentration

Fractionation

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Stepping Stones of Microalgal Industry

BLT- Institut, Bereich III: BIOVERFAHRENSTECHNIK

Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik

Finechemikals:

Pigments

Fatty Acids

Energy:

Biodiesel

Biogas, H2

Feed

Aquacultur

Human Nutrition

Bulkchemikals

Lo

we

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La

rger

are

as

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Department of Bioprocess Engineering “bio-ag”

wishes GICON Good Luck and Continued Success


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