Modeling of bioreactors
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2019-03-15
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 68
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 34/2019
Abstract
Chemicals and biofuel components can be produced with the help of microorganisms in bioreactors. Microorganisms have very specific demands for optimal growth which makes the design and especially scale up of bioreactors challenging. Bioreactors are multiphase systems with complex hydrodynamics. Mathematical modeling can provide information on the functioning of bioreactors without the need for experimentation. Computational fluid dynamic (CFD) calculations are combined with a compartmental modeling approach for the calculation of 1) bubble column photobioreactors for the cultivation of algal cells and 2) large aerated stirred tanks for the cultivation of aerobic bacteria. Inclusion of dispersed phase population balances, mass transfer and reaction models makes the compartmental model very comprehensive. Local values of variables such as oxygen concentrations are attained. Simulation of bubble columns and heterogeneous conditions is enhanced with a new model for the calculation of dispersed phase flows that allows for bubble induced flow. New models for the consideration of light distribution and algal growth kinetics in the compartmental model facilitate the comprehensive simulation of algal growth. The results correspond well with measurements taken from literature and provide new insights to the design and run strategies of photobioreactors. It is shown that large industrial-sized stirred tank bioreactors operate at heterogeneous conditions due to the high oxygen demand of microorganisms. A new simple model estimates gas holdup and mass transfer rates at these conditions. Furthermore, a large stirred tank bioreactor is modeled at homogeneous and heterogeneous conditions with the compartmental modeling approach. Models accounting for the increase in coalescence at high volume fractions are required, without them the mass transfer results are too optimistic. A new reaction model for the uptake of oxygen enables the calculation of local reactor oxygen mass transfer capability at different hydrodynamic conditions. Dead spaces in the reactor are found and suggestions made for reactor design. The importance of considering local conditions in bioreactor modeling is shown by comparison to model runs where local differences are neglected. Omission of local detail leads to different growth dynamics in photobioreactors and overestimated mass transfer in stirred tank bioreactors. The study of outside cultivation in photobioreactors shows that the existence of the night, rather than the light extinction due to biomass during the day, decreases the maximum achievable cell density. Therefore, further modeling studies to the feasibility and optimum run strategy of outside cultivation are warranted. The study of large stirred tank bioreactors presents several issues concerning the use of these reactors in large scale. Designs of vessels and mixers can be altered, but eventually, a change to bubble driven systems such as airlift reactors should be considered.Kemikaaleja ja biopolttoainekomponentteja voidaan tuottaa mikrobien avustuksella bioreaktoreissa. Mikrobit saavuttavat optimaalisen kasvun vain tarkoin määritellyissä olosuhteissa, mikä tekee reaktoreiden suunnittelusta ja skaalaamisesta haastavaa. Bioreaktorit ovat monifaasisysteemejä, joissa on monimutkaiset virtauskentät. Matemaattinen mallinnus voi antaa tietoa bioreaktoreiden toiminnasta ilman kokeellista toimintaa. Käytetty mallinnusmenetelmä yhdistää virtauslaskennan (CFD) lohkomallinnukseen. Työssä tutkitaan 1) levän kasvatusta kuplakolonnifotobioreaktorissa ja 2) aerobisesti kasvavan bakteerin kasvatusta suuren mittakaavan ilmastetussa sekoitussäiliössä. Dispergoidun faasin populaatiotaseiden, aineensiirron ja reaktiomallien yhdistäminen lohkomallissa mahdollistaa hyvin kattavan mallinnuksen. Tuloksena saadaan paikallisia arvoja, kuten liuenneen hapen pitoisuus. Uusi dispergoidun faasin virtausmalli, joka kehitettiin laskemaan kuplien aiheuttamia virtauksia, parantaa tuloksia kuplakolonnien sekä heterogeenisten virtausolosuhteiden mallinnuksessa. Lohkomalliin lisätyt valon jakautumista ja levän kasvua kuvaavat mallit mahdollistavat kattavan leväkasvatuksen mallinnuksen. Tulokset vastaavat hyvin kirjallisuudesta haettuja mittauksia ja antavat uutta näkemystä fotobioreaktoreiden suunnitteluun ja ajostrategioihin. Työssä osoitetaan, että suuren teollisen mittakaavan sekoitussäiliöbioreaktorit toimivat heterogeenisissä olosuhteissa mikrobien suuren happivaatimuksen vuoksi. Uusi yksinkertainen laskentamalli estimoi kaasunosuuksia ja aineensiirtonopeutta näissä olosuhteissa. Suuren mittakaavan bioreaktoria mallinnetaan myös lohkomallilla homogeenisissä sekä heterogeenisissä olosuhteissa. Kuplien yhtymisen lisääntymistä suurissa kaasunosuuksissa kuvaavat mallit ovat tarpeellisia. Ilman niitä aineensiirtotulokset ovat liian optimistisia. Uusi reaktiomalli, joka kuvaa mikrobien hapenottoa, mahdollistaa paikallisen aineensiirtokyvyn mallintamisen erilaisissa sekoitusolosuhteissa. Tulokset näyttivät kuolleita alueita, joiden perusteella voidaan esittää ehdotuksia reaktoreiden suunnitteluun.Kun verrataan lohkomallin tuloksia tuloksiin, joissa paikallinen vaihtelu on jätetty pois, on selvää, että paikallisten olosuhteiden huomiointi on tärkeää. Mallintamisen yksinkertaistus johtaa muun muassa erilaiseen kasvudynamiikkaan leväkasvatuksissa ja yliarvioituihin aineensiirtonopeuksiin sekoitussäiliöissä. Levän ulkokasvatuksen mallintaminen osoittaa, että yöllinen pimeän aika rajoittaa levän maksimisolupitoisuutta enemmän kuin solujen aiheuttama varjostus päivällä. Tämän vuoksi ulkokasvatuksen mallintamista ja ajostrategian kehittämistä on syytä jatkaa. Suurten teollisen mittakaavan sekoitussäiliöbioreaktoreiden mallinnus osoittaa, että tämän tyypin reaktoreiden käyttö suuressa mittakaavassa on haasteellista. Säiliöiden geometriaa ja sekoitintyyppiä voidaan vaihtaa, mutta lopulta kannattaa harkita reaktorityypin vaihtoa esimerkiksi ilmanostereaktoriin.Description
Supervising professor
Alopaeus, Ville, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandKeywords
bioreactors, computational fluid dynamics, compartmental modeling, mass transfer, scale-up, bioreaktori, virtauslaskenta, lohkomallinnus, aineensiirto, skaalaus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Nauha, Elina K.; Alopaeus, Ville. Modeling method for combining fluid dynamics and algal growth in a bubble column photobioreactor. Chemical Engineering Journal, 2013, volume 229, pp. 559-568.
DOI: 10.1016/j.cej.2013.06.065 View at publisher
-
[Publication 2]: Nauha, Elina K.; Alopaeus, Ville. Modeling outdoors algal cultivation with compartmental approach, Chemical Engineering Journal, 2015, Volume 259, pp. 945-960.
DOI: 10.1016/j.cej.2014.08.073 View at publisher
-
[Publication 3]: Nauha, Elina K.; Visuri, Olli; Vermasvuori, Raisa; Alopaeus, Ville. A new simple approach for the scale-up of aerated stirred tanks, Chemical Engineering Research and Design, 2015, Volume 95, pp. 150-161.
DOI: 10.1016/j.cherd.2014.10.015 View at publisher
-
[Publication 4]: Nauha, Elina K.; Kálal, Zbyněk; Mohamed Ali, Jama; Alopaeus, Ville. Compartmental modeling of large stirred tank bioreactors with high gas volume fractions, Chemical Engineering Journal, 2018, Volume 334, pp. 2319-2334.
DOI: 10.1016/j.cej.2017.11.182 View at publisher