Effect of hydrodynamics on light utilization in large scale cultures of microalgae
Effet de l'hydrodynamique sur l'utilisation de la lumière au sein de cultures de microalgues à grande échelle
Résumé
Microalgae are often seen as a promising candidate to contribute to energy generation in the future. However, the link between the energy contained in the biomass and the required energy to grow the microalgae, especially to mix the culture, is complex. Mixing has a direct effect on photosynthesis since it affects the way cells are successively transported between light and dark zones, especially the hydrodynamics modulates the frequency at which light is percept by the cells. In this thesis the question of nonlinear response of the photosynthesis process to varying light signals at different time scales has been investigated. Firstly, the effect of light-dark cycle frequency on the response of a mechanistic model for photosynthesis and growth has been studied. It is shown that increasing the light supply frequency enhances photosynthetic efficiency. A model for photoacclimation has been developed assuming both a change in the number and the cross section of the photosystems. The proposed concepts have been experimentally validated using a self-developed LED device to expose the green algae Dunaliella Salina to light-dark cycles at different frequencies. The results support model hypotheses, i.e. mid-term photoacclimation depends on the average light intensity. Finally, a 3D hydrodynamic model for a raceway type culturing device has been used to compute Lagrangian trajectories numerically. Based on the trajectories, time-dependent light signals for individual cells have been calculated. Using these light signals, a photosynthesis model was integrated in order to investigate the dependency of photosynthetic efficiency on hydrodynamic regime.
Les microalgues sont souvent considérées comme de potentielles candidates pour la production d'énergie. Cependant, le lien entre l'énergie contenue dans la biomasse et l'énergie nécessaire pour cultiver les microalgues, en particulier pour agiter la culture, est complexe. Le mélange a un effet direct sur la photosynthèse car il affecte la façon dont les cellules sont successivement transportées entre la lumière et les zones sombres. En particulier, l'hydrodynamique module la fréquence à laquelle la lumière est perçue par les cellules. Dans cette thèse nous avons étudié la réponse du processus de photosynthèse à divers signaux lumineux. Tout d'abord, l'effet de cycles lumière-obscurité a été étudié à l’aide d'un modèle mécaniste de photosynthèse et de croissance. Il a été montré que l'augmentation de la fréquence lumineuse augmente l'efficacité photosynthétique. Ensuite, nous avons développé un modèle de photoacclimatation, en supposant à la fois un changement dans le nombre et la section des photosystèmes. Les concepts proposés ont ensuite été validés expérimentalement. Un dispositif à base de LED a été développé et des cycles lumière-obscurité de fréquences variables ont été appliqués à Dunaliella Salina. Les résultats confirment les prédictions des modèles, comme la dynamique de photoacclimatation. Enfin, un modèle hydrodynamique 3D a été simulé pour un raceway. Cela a permis de reconstruire numériquement les trajectoires lagrangiennes de cellules, et donc d’évaluer le signal lumineux perçu par les microalgues. Ces trajectoires réalistes ont alors alimenté un modèle de photosynthèse et ont permis de comprendre l’effet du mélange sur l'efficacité photosynthétique.