The use of physico-chemical life support systems will be a limiting factor on future long-duration human spaceflight missions due to the lack of frequent resupply capability. Cultivation of algae in a photobioreactor is a promising bioregenerative alternative for combined air revitalization, waste water treatment, and food supplement production. This thesis presents the development of a dynamic growth model for the green microalgae Chlorella vulgaris. The model can dynamically react to the varying influences of carbon dioxide and nutrient availability for photosynthesis, growth medium pH, temperature, carbon dioxide and oxygen concentration in the medium and the availability of photosynthetic active radiation. Complex sub-models for the representation of pH changes in the growth medium and the propagation of photosynthetically active radiation through a photobioreactor geometry at varying biomass concentrations are also part of the overall model. Experiments are conducted and presented in this thesis, which generate data in areas where literature sources show a large variance or only scarce data is available. The experimental results in the areas of growth rate determination, varying radiation attenuation in a growing microalgal culture and required surface irradiances for optimum growth are integrated into the model to increase its confidence level. The Chlorella vulgaris growth model is implemented in V-HAB, a MATLAB based life support system simulation tool, which has been under development at the Institute of Astronautics at the Technical University of Munich since 2006. In the V-HAB environment, the growth model is implemented in a newly designed high-efficiency photobioreactor developed at the University of Colorado Boulder and integrated in a simulated cabin environment with a sophisticated human model in the loop. The combination of the algae model in a photobioreactor and the borad functionalities of the V-HAB simulation environment allows the simulation of a biological life support system for future human spaceflight missions. The simulated system is able to reach 100 % air revitalization and urine processing capability, as well as some food supplement production. With an optimistic growth model an algal culture volume of 21.5 liters or 32 liters is required depending on the attainable flow channel thickness, with a more pessimistic one, 500 liters are necessary to support one human in terms of air revitalization and urine processing. Furthermore, the developed model is shown to have the capability of optimizing photobioreactor-designs and operational decisions such as the overall growth volume, culture depth, optimum continuous biomass concentration, the profile of provided photosynthetically active radiation and air supply parameters.     «

The use of physico-chemical life support systems will be a limiting factor on future long-duration human spaceflight missions due to the lack of frequent resupply capability. Cultivation of algae in a photobioreactor is a promising bioregenerative alternative for combined air revitalization, waste water treatment, and food supplement production. This thesis presents the development of a dynamic growth model for the green microalgae Chlorella vulgaris. The model can dynamically react to the vary...     »

Die Verwendung physikalisch-chemischer Lebenserhaltungssysteme wird, wegen der begrenzten Möglichkeit von Nachschublieferungen, ein begrenzender Faktor auf zukünftigen bemannten Langzeit-Raumflugmissionen sein. Der Anbau von Algen in Photobioreaktoren ist eine vielversprechende bio-regenerative Alternative für die kombinierten Aufgaben der Atemluftaufbereitung, Urinaufbereitung und Produktion von Nahrungsergänzungsmitteln. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung eines dynamischen Wachstumsmodells der grünen Mikroalge Chlorella vulgaris. Das Modell kann dynamisch auf variierende Einflüsse reagieren. Diese sind die Kohlenstoffdioxid- und Nährstoffverfügbarkeit für Photosynthese, pH Wert des Wachstumsmediums, Temperatur, Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffkonzentrationen im Wachstumsmedium und die Verfügbarkeit von photosynthetisch aktiver Strahlung. Bestandteil des Modells sind zudem komplexe Submodelle zur Berechnung des pH Werts des Wachstumsmediums sowie der Verbreitung von photosynthetisch aktiver Strahlung durch die Photobioreaktorgeometrie bei variierenden Biomassenkonzentrationen. Experimente werden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt und deren Ergebnise präsentiert um Daten in Bereichen zu generieren, in denen die Literaturwerte große Varianz zeigen oder nur spärlich verfügbar sind. In das entwickelte Modell integriert sind Ergebnisse der Experimente in den Bereichen der Bestimmung von Wachstumsraten, Abschwächung von photosynthetisch aktiver Strahlung mit variierender Biomassenkonzentration und benötigte Oberflächenstrahlungsdichte für optimales Wachstum. Das Chlorella vulgaris Wachstumsmodell ist in V-HAB implementiert, einem MATLAB basierten Simlationsprogramm für Lebenserhaltungssyste, welches seit 2006 am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München entwickelt wird. In der V-HAB Simulationsumgebung ist das Modell in einem hocheffizienten Photobioreaktor integriert, welcher derzeit an der University of Colorado Boulder entwicklet wird. Dieser Photobioreaktor ist wiederum in eine simulierte Kabine eines Raumfahrzeuges mit einem Menschmodell integriert. Die Kombination aus Algenmodell in einem Photobioreaktor und den breiten Funktionalitäten von V-HAB erlauben die Simulation eines Lebenserhaltungssystems für zukünftige bemannte Raumfahrtmissionen. Das simulierte system kann 100 % Luft- und Urinaufbereitung leisten und zusätzlich eine Ergänzung zur täglichen Nahrung produzieren. Mit einer optimistischen Wachstumsrate ist, abhänging von der erreichbaren Flußkanaldicke des Reaktors, ein Wachstumsvolumen der Algen von nur 21.5 Litern oder 32 Litern nötig, mit einer pessimistischeren werden 500 Liter benötigt, um Luft- und Urinaufbereitung für einen Menschen zu gewährleisten. Zusätzlich zeigt das Modell die Möglichkeit der Optimierung des Photobioreaktordesigns und operationeller Entscheidungen, wie dem Wachstumsvolumen, der Kulturtiefe, der optimalen Biomassenkonzentration im kontinuierlichen Betrieb, dem Profil der photosynthetisch aktiven Strahlung und Parametern der Luftversorgung des Reaktors.     «

Die Verwendung physikalisch-chemischer Lebenserhaltungssysteme wird, wegen der begrenzten Möglichkeit von Nachschublieferungen, ein begrenzender Faktor auf zukünftigen bemannten Langzeit-Raumflugmissionen sein. Der Anbau von Algen in Photobioreaktoren ist eine vielversprechende bio-regenerative Alternative für die kombinierten Aufgaben der Atemluftaufbereitung, Urinaufbereitung und Produktion von Nahrungsergänzungsmitteln. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung eines dynamischen Wachstumsmode...     »