[en] Due to the large volume of the processed medium in pilot or industrial cultivation systems, it is difficult to illuminate the entire layer of the culture medium, which results in the formation of dark zones. Due to insufficient mixing, also an unbalanced utilization of nutrients contained in the culture medium or formation of temperature gradients can occur. Microalgal biofilm formation attached to the transparent walls of closed photobioreactors (PBRs) is also a significan! limitation associated with scaling-up, since it can significantly reduce the intensity of incident light. According to those factors, the hydrodynamic conditions of the culture medium are an importan! parameter in the scaling-up of cultivation systems, since it affects the mixing and the homogeneity of the culture medium. Efficient mixing can: 1) allow all microalgal cells to reach the irradiated area (light zone) of the culture medium; 2) prevent the formation of temperature gradients or sedimentation of microalgal cells; 3) intensify mass transfer resulting in more efficient utilization of nutrients. Moreover, the intensification of flow in the a rea clase to the transparent walls of the cultivation system can also result in an in crease of wall shear stress and a reduction of biofilm formation. The aim of this thesis was to study the influence of hydrodynamic conditions on parameters affecting the production of microalgae in two cultivation systems: a hybrid horizontal tubular photobioreactor (HHT PBR) and a closed flat panel photobioreactor (FP PBR). To this end, a multi-physical model was created to study the effect of hydrodynamic conditions on microalgae cultivation. Based on the experimental measurements, a numerical model simulating the hydrodynamic conditions in transparent HHT PBR tubes was validated. Through the model, the influence of different operating conditions on the mixing of the culture medium were investigated. The developed multi-physical model allowed to investigate the influence of operating conditions on the distribution of light in the culture medium and the production of microalgae, The model showed that, in systems working with a large !ayer of culture medium or a high concentration of microalgae, the intensification of mixing increases the production of microalgae. To do this, the hydrodynamic conditions in the cultivation system should be brought as clase as possible to the state where the entire volume of the culture medium is ideally mixed. This state can be achieved by increasing the flow rate in the tubes or by using static mixers installed in the tubes of the PBR. Hydrodynamics in FP PBR were more complex than in HHT PBR. By comparing the created ydrodynamic model with experimental measurements, the influence of hydrodynamics on the prevention of biofilm formation was specified as well. The created hydrodynamic model allowed to optimize the operating and design parameters of the FP PBR. In arder to intensify the mixing and homogenize the flow of the culture medium in the FP PBR, a static mixer was designed. Compared to the empty FP PBR chamber, the homogenization time was reduced and the homogenous flow in the chamber was ensured by the installed static mixer The multi-physical model developed in this thesis has preved to be an efficient tool to understand the influence of hydrodynamic conditions on microalgae production. Based on experimental measurements and numerical models, the operating conditions of HHT PBR and FP PBR were optimized. To further intensify the mixing and homogenize the flow of the culture medium, a static mixer was designed, which demonstrated a positive effect on the hydrodynamic conditions of the culture system. Overall, the created numerical model is a useful tool to improve existing cultivation systems, to acquire knowledge during the scale-up of cultivation systems or for designing novel PBRs.

[es] Debido al gran volumen de los sistemas piloto o industriales, es difícil iluminar todo el volumen del medio de cultivo, lo que da lugar a la formación de zonas en sombra. También puede producirse una utilización desequilibrada de los nutrientes contenidos en el medio de cultivo o la formación de gradientes de temperatura si la mezcla es deficiente. La formación de biopelículas de microalgas adheridas a las paredes transparentes de fotobiorreactores cerrados (PBR) es también una limitación significativa asociada con el escalado, ya que puede reducir significativamente la intensidad de la radiación de luz incidente. De acuerdo con estas limitaciones, un factor determinante en el escalado de los sistemas de cultivo son las condiciones hidrodinámicas en el ismo, ya que afectan al mezclado y la homogeneidad del medio de cultivo. Una mezcla eficiente puede: 1) permitir que todas las células alcancen el volumen iluminado del medio de cultivo; 2) prevenir la formación de gradientes de temperatura o la sedimentación de células; 3) intensificar la transferencia de masa dando como resultado una utilización más eficiente de los nutrientes. Además, la intensificación del flujo en la zona cercana a las paredes transparentes del sistema de cultivo da lugar a un aumento del esfuerzo cortante en la pared y una reducción de la formación de biopelículas. El objetivo de esta tesis ha sido estudiar la influencia de las condiciones hidrodinámicas sobre los parámetros que afectan a la producción de microalgas en dos sistemas de cultivo: un fotobiorreactor tubular horizontal híbrido (HHT PBR) y un fotobiorreactor cerrado de placa plana (FP PBR). Con este fin, se construyó un modelo multifísico para estudiar el efecto de las condiciones hidrodinámicas en el cultivo de microalgas. Se construyó un modelo numérico que simula las condiciones hidrodinámicas en tubos transparentes HHT PBR, el cual fue validado a partir de mediciones experimentales. Mediante el modelo, se investigó la influencia de diferentes condiciones operativas en la mezcla del medio de cultivo. El modelo multifísico desarrollado permitió evaluar la influencia de las condiciones operativas en la distribución de la luz en el medio de cultivo y la producción de microalgas. El modelo mostró que, en sistemas que trabajan con una gran profundidad de medio de cultivo o una alta concentración de microalgas, la intensificación de la mezcla aumenta la producción de microalgas. Para ello, las condiciones hidrodinámicas en el sistema de cultivo deben aproximarse lo más posible al estado de mezcla ideal en todo el volumen del medio de cultivo. Este estado se puede lograr aumentando el caudal circulante en los tubos o utilizando mezcladores estáticos instalados en los tubos del PBR. La hidrodinámica en el FP PBR es más compleja que en el HHT PBR. Al comparar las simulaciones del modelo hidrodinámico con mediciones experimentales, también evaluó la influencia de la hidrodinámica en la prevención de la formación de biopelículas. El modelo hidrodinámico desarrollado permitió optimizar los parámetros operativos y de diseño del FP PBR. Para intensificar el mezclado y homogeneizar el flujo del medio de cultivo en el FP PBR, se diseñó un mezclador estático. En comparación con la cámara del FP PBR vacía, mediante la instalación del mezclador estático se redujo el tiempo de homogeneización y se aseguró el flujo homogéneo en la cámara. El modelo multifísico desarrollado en esta tesis ha demostrado ser una herramienta eficaz para comprender la influencia de las condiciones hidrodinámicas en la producción de microalgas en fotobiorreactores. Basándose en mediciones experimentales y modelos numéricos, se han optimizado las condiciones de funcionamiento de HHT PBR y FP PBR. Para intensificar aún más la mezcla y homogeneizar el flujo del medio de cultivo, se diseñó un mezclador estático, que demostró tener un efecto positivo sobre las condiciones hidrodinámicas del sistema de cultivo. En definitiva, el modelo numérico creado es una herramienta útil para optimizar la operación de los sistemas de cultivo existentes, para adquirir conocimientos durante el escalado de los sistemas de cultivo y para diseñar nuevos PBR.