Optimizing Microalgae Biomass Production; Using Nanomaterials for Enhanced Light Transport

Abstract

Den lave utnyttelsen av lys i nåværende fotobioreaktorer er en stor utfordring når det kommer til å gjøre industriell produksjon av mikroalger økonomisk lønnsomt. En lovende strategi for å forbedre den volumetriske effektiviteten, og dermed lønnsomheten, til biomasseproduksjon fra mikroalger, kan være å bruke nanomaterialer for å forbedre lystransporten i slike systemer. I denne master-oppgaven har effekten av å bruke løsninger med silica- eller sølv-nanopartikler for å fremme god algevekst blitt undersøkt. Sfæriske silica nanopartikler med en gjennomsnittlig diameter på 95 ± 11 nm, 192 ± 24 nm og 256 ± 40 nm har blitt fremstilt ved Stöber-metoden. Absorbansmålinger viste sterkere lysspredning ved kortere bølgelengder og økt spredning for større partikler og høyere konsentrasjoner. Kolloidalt sølv fremstilt ved Lee-Meisel metoden ga sterk spredning av blått lys. Etter å ha studert synteseprosedyren, ble kvasi-sfæriske sølvpartikler oppnådd med en gjennom-snittlig størrelse på 57 ± 14 nm og lokalisert overflate-plasmonresonans ved 431 nm. Vekstforsøk ble utført i en fotobioreaktor bestående av en Multi-Cultivator fra PSI, tilpasset for å muliggjøre implementering av nanopartikler. Dyrkningskar ble laget slik at nanopartiklene ble tilsatt i et eget, lukket rom som omringet algene. Den marine mikroalgen, Rhodomonas baltica, ble brukt som modellorganisme. Følgende kombinasjoner av silica nanopartikkelstørrelser og -konsentrasjoner ble testet; 7217 mg/L med 95 nm, 40 mg/L og 160 mg/L med 192 nm og 40 mg/L med 256 nm. Løsninger med 4 mg/L og 20 mg/L av sølvpartikler på 57 nm ble også undersøkt. Ingen positiv effekt på biomasseproduksjon ble observert i noen av vekstforsøkene.

The low light utilization of current photobioreactors represents a major challenge in making industrial production of microalgae economically feasible. To improve the volumetric efficiency and thereby the economics of microalgae biomass production, using nanomaterials to enhance the light transport inside such systems seems to be a promising strategy. This study investigates the effect of using either silica or silver nanoparticle suspensions as a scattering medium to promote microalgal growth. Spherical silica NPs with mean diameters of 95 ± 11 nm, 192 ± 24 nm and 256 ± 40 nm have been synthesized by the Stöber method. Absorbance measurements demonstrated increased scattering of light with shorter wavelengths and higher scattering efficiencies for larger sizes and NP concentrations. Colloidal silver prepared by the Lee-Meisel citrate method displayed strong scattering of light in the blue region. After studying the synthesis procedure, quasi-spherical silver NPs were obtained with a mean size of 57 ± 14 nm and a localized surface plasmon resonance at 431 nm. Growth experiments were conducted in a photobioreactor consisting of a Multi-Cultivator from PSI adapted to allow for NP implementation. Cultivation vessels were constructed to have an enclosed compartment containing the NP suspension surrounding the algal cultures. As a model organism, the marine microalgae Rhodomonas baltica was used. The following combinations of silica NP sizes and concentrations were tested; 7217 mg/L of 95 nm, 40 mg/L and 160 mg/L of 192 nm and 40 mg/L of 256 nm. Suspensions containing 4 mg/L and 20 mg/L of 57 nm silver NPs were also studies. No positive effect on biomass production could be observed in either of the growth experiments.