Mikroorganismen für die Energieproduktion und Abfallbehandlung
Mikrobielle Ökosysteme haben viele wichtige Anwendungen für die menschliche Gesellschaft, etwa beim Abbau von Schadstoffen, die Wasser, Luft oder Boden verschmutzen. Außerdem können sie Abfälle in wertvolle, erneuerbare Ressourcen umwandeln, etwa für Bioenergie, Biomaterialien und hochwertige Produkte. Das bedeutet, dass mehrere mikrobielle Ökosysteme zu integrierten Bioprozessen oder Bioraffinerien kombiniert werden können. Hier können verschiedene Formen von Bioenergie oder Biomaterialien erzeugt und mehrere Verschmutzungsquellen gleichzeitig behandelt werden. Allerdings besteht aufgrund der großen Anzahl von beteiligten Variablen ein hohes Maß an Unsicherheit. Aus diesem Grund wird ein systematischer Rahmen benötigt, um diese Prozesse zu entwerfen und zu betreiben. Das Projekt DOP-ECOS (Optimal design and operation of microbial ecosystems for bioenergy production and waste treatment) konzentrierte sich auf Bioprozesse, die einen Photobioreaktor mit einer Vergärungsanlage kombinierten. Ersterer verwendet Mikroalgen, um sie mithilfe von Sonnenlicht in Biomasse umzuwandeln, während die zweite die Biomasse in Biogas umwandelt und Nährstoffe wiedergewinnt. Die Projektpartner entwickelten neue Algorithmen für die effiziente und zuverlässige Schätzung, Optimierung und Steuerung von biotechnologischen Prozessen und um den Grad der Unsicherheit zu reduzieren. Besonderes Augenmerk wurde auf die Schätzung der Zugehörigkeit zu einer Reihe gelegt, eine Technik zur Bestimmung aller möglichen Parameterwerte eines Modells, sowie auf einen neuen algorithmischen Rahmen mit der Bezeichnung "Branch-and-Lift". Diese fortschrittlichen optimierungsbasierten Methoden und Werkzeuge wurden verwendet, um innovative Modelle für die Optimierung der Leistung von Photobioreaktor und Vergärungsanlage zu schaffen. Die Forscher entwickelten Mikroalgenwachstumsmodelle und integrierten sie in Multiphysik-Modelle für die Vorhersage groß angelegter Produktivitäten in einem Zuführungsbecken und CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) zur Beschreibung der Strömungsverhältnisse. Die Modelle wurden verwendet, um die wichtigsten Engpässe und Verbesserungsmöglichkeiten in großen Kultursystemen für die Prüfung der Hypothese in Bezug auf die Verwendung von gentechnisch veränderten Mikroalgen-Spezies zu identifizieren. Außerdem könnten sie eingesetzt werden, um auf Basis von geographischen Informationssystemen (GIS) den besten Standort für eine Mikroalgenfarm zu bestimmen. DOP-ECOS war das erste Projekt seiner Art, das eine systematische, modellbasierte Methodik für die Gestaltung und für Betriebsstrategien von mikrobiellen Systemen anwendete. Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Anwendung von Optimierungstechnologie auf relevante industrielle Herausforderungen wie etwa die Biotechnologie.
Schlüsselbegriffe
Mikrobielle Ökosysteme, Bioprozesse, DOP-ECOS-Bioraffinerien, Photobioreaktor, Vergärungsanlage, Schätzung der Zugehörigkeit zu einer Reihe, Multiphysik-Modelle, Numerische Strömungsmechanik
