The thesis deals with the task of refining the constructional and operational parameters of a tubular photobioreactor in order to maximise the growth rate of algae contained in the cultivation suspension. It builds on a basic growth model of the Porhydrium sp. alga, and focuses on the optimization of external irradiance, which is one of the key determinants of algae growth. Two distinct methodological approaches are applied: analytic approach, which employs Markov Chains, and simulation approach, which relies on agent-based simulations. In the analytic part, we introduce the construction of state transition matrix for a Markov Chain that accounts for varying irradiance inside the photobioreactor (in contrast to constant-irradiance methods that have been published so far). In the simulation part, we devised an agent-based model of algae population that enables us to analyze the system behaviour while interactively changing the model parameters. In the context of the results from both the analytic and simulation part, we conclude by suggesting the optimal level of external irradiance.

Předložená diplomová práce byla zpracována s cílem vytvořit přehled poznatků v oblasti akvaponické potravinové produkce. Informace získané během tvorby tohoto přehledu pak měly vést, v kombinaci s daty získanými z funkčního provozu, k vytvoření matematického modelu akvaponického cyklu. Na akvaponické farmě provozované společností Flenexa plus s.r.o., která byla zdrojem potřebných procesních dat, měla být dále zpracována a vyhodnocena bilance energie a vody. Nakonec měla být v průběhu práce posouzena možnost implementace mikrořasového fotobioreaktoru do akvaponického cyklu. Úvod práce představuje motivaci vedoucí k potřebě inovovat dnešní potravinovou produkci. Kriticky jsou zhodnoceny predikce vývoje lidské populace, a to pak hlavně z pohledu dopadu, který by tento růst měl na zemědělskou produkci. Současná situace se na základě získaných poznatků ukazuje jako neudržitelná, primárně pak v oblastech vodohospodářství a energetické spotřeby. Následně je jako možné řešení vedoucí ke zlepšení udržitelnosti potravinové produkce zkoumána akvaponie. Akvaponie je definována a její jednotlivé komponenty jsou představeny z hlediska mechanismu jejich fungování a z pohledu jejich návrhu. Mezi popsané oblasti patří například principy tzv. coupled a decoupled akvaponie a popis možných typů hydroponického komponentu. V této části práce je pozornost věnována také představení cyklů jednotlivých živin v rámci akvaponie. Následující a poslední teoretická část práce je pak věnována mikrořasovému fotobioreaktoru. Jsou zde popsány mechanismy, jak motivující, tak odrazující od zakomponování bioreaktoru do akvaponie. V oblasti výhod se jedná hlavně o jeho roli ve stabilizaci pH a spotřebě toxikého amoniaku. Na druhou stranu jeho ekonomické dopady na profitabilitu akvaponie jsou velmi proměnlivé v závislosti na způsobu implementace. Samotný mikrořasový fotobioreaktor je pak v práci detailněji představen. Jednotlivé procesní ukazatele ovlivňující růst řas jsou rozebrány, a to společně s jednotlivými typy fotobioreaktoru, metodami sklizně a využitími pro vyprodukované mikrořasy. Na základě poznatků schromážděných v této práci pak lze jako nejvhodnější k implementaci do akvaponie doporučit hybridní fotobioreaktory, u kterých je většina osvětlení zajištěna v podobě slunečního svitu. Samotná experimentální část práce pak začíná popisem zkoumaného provozu společnosti Flenexa plus s.r.o. z pohledu aplikovaného akvaponického procesu. Jednotka podrobená měření byla provozně stabilní a využívala implementace hydroponického komponentu typu Deep Water Culture (DWC). Spolu s detailním popisem celého provozu jsou poskytnuty a vyhodnoceny vypracované bilance vody a energií. Pozornost je pak přesunuta k matematickým modelům vypracovaným a ověřeným na základě dat a poznatků shromážděných z provozu společnosti Felenexa plus s.r.o. Logika a algoritmy, na kterých jsou oba modely postaveny, jsou v této části vysvětleny a diskutovány společně s hlavními funkcemi a schopnostmi obou modelů. První, primárně statistický model je představen jako nástroj pro použití při uvádění akvaponie do provozu. Druhý, fyzikální model pak v uživatelsky přívětivém formátu představuje základ pro model řízení akvaponické farmy s mikrořasovým fotobioreaktorem. V neposlední řadě jsou nastíněny také cesty možného budoucího vývoje pro oba vytvořené modely. Práce je následně završena shrnutím a diskusí nad poznatky a výstupy získanými během celého tvůrčího procesu.

This diploma thesis summarizes the knowledge about microalgae, their use, cultivation methods and obstacles that prevent their wider use. In the practical part of the work, a device was designed, constructed, and programmed. This device can analyze the bubbles of the tubular photobioreactor and, based on the obtained data, control its aeration. The Python programming language was used to create the program and the OpenCV library was used to analyze the photographs. The bubble detection is based on the edge detection and the subsequent refinement. The data obtained from the analysis are displayed on the device screen and the data are also stored in a csv file. The discussion lists possible improvements and lessons learned during the creation of this device.

Syftet var att finna en biologisk behandlingsmetodik för avloppsvatten som skullekunna reducera utsläpp av näringsämnen till recipienten Humlebäcken frånavloppsreningsverket (ARV) i Nyvång. Nyvångs reningsverk planeras uppgraderas och utökas och därtill har ärendet nekats då utsläpp till Humlebäcken förfaras bli för höga. Mikroalger som behandlingsmetod för avloppsvatten undersöktes via litteraturanalys ibåde svenska klimat och vid uppskalning. Det kunde inte hittas metodik eller teknik för att på industriell skala använda mikroalger till behandling av avloppsvatten idag. Dock presenteras flera olika tekniker som kan kopplas samman för ökad effektivitet. Vidare finns det stor potential om att mikroalgssystem kan kopplas samman med andra industriers spillvärme och rökgaser för ökad produktion av biomassa och rening av rökgas. Andra former av kemisk försedimentering och anaerob behandling från Energipositiv Rening presenteras, möjligheten finns att dessa kan kopplas samman med mikroalgssystem för komplett behandling till lägre kostnader av konventionell behandlingsteknik. Till slut presenteras påverkande faktorer vid nordiska klimat och utmaningar i form av striktare reningskrav och återföring av slam. Det presenteras kort om andra biologiska tekniker som svampodling och multitrofiskt vattenbruk vilka kan kopplas samman medmikroalgssystem för ökad resurseffektivitet och högre reningsgrad. Se figur 18 förgrafisk summering. / The purpose was to find a biological treatment method for wastewater which could reduce emissions of nutrients to the recipient Humlebäcken from the wastewater treatment plant (WWTP) in Nyvång. Since Nyvång WWTP plans to upgrade and expand have been denied for fears of further contamination of Humlebäcken. Microalgae as a treatment method was examined in this literature analysis for Swedish climates and upscaling. For industrial purposes no technique or method could befound which could be applied to wastewater currently. Several techniques are presented however in the hopes that in combining them a higher efficiency might beachieved. If microalgae systems could be integrated with waste heat and flue gas from industry, then higher productivity could be achieved whilst reducing emissions from the flue gas. Other forms of pre-sedimentation and anaerobic treatment methods from EnergyPositive Purification systems are presented as there's a possibility these can be connected to microalgae systems for complete treatment and less costs. Factors which affect microalgae cultivation in Nordic climates and challenges in terms of stricter emission requirements and reuse of sludge are presented lastly. Other biological treatment methods like mushroom and multi-trophic aquaculture which can be integrated to microalgae systems are shown in hopes of achieving higher resource efficiency and pollution reduction. See figure 18 for graphical abstract.