Computational fluid dynamics techniques for fixed-bed biofilm systems modeling : numerical simulations and experimental characterization
Authors:   , Prades Martell Lledó 
Published: September 2023

This thesis is focused on the development of one-phase and multiphase models using computational fluid dynamics (CFD) techniques to analyze biosystems behavior at mesoscale. In the first part, the operation of a fixed-bed biofilm reactor was simulated using Eulerian one-phase models, coupling fluid flow dynamics with biokinetics. The results reproduced accurately bioreactor performance, being experimentally verified hydrodynamics and species transport. However, the models had to be adapted to reproduce real scenarios where the biofilm motion can play a key role. On further consideration, this thesis suggested the development of Eulerian two-phase models using volume of fluid (VOF) method, defining the biofilm as an independent fluid phase by means of a comprehensive analysis of its rheological properties. This characterization became essential for accurately reproducing the fluid-biofilm interaction, describing the biofilm as a non-Newtonian fluid, which parameters were strongly dependent on its density. Thus, in the second part of this thesis, this novel continuum approach for biosystems modeling was tested, considering the required implementations to reproduce the species transfer at the interface (liquid-biofilm), and the possible growth of the biofilm phase. This new approach coupled fluid dynamics under laminar conditions with biochemical phenomena and/or biofilm mechanical behavior, so being able to reproduce the fluid stress over the biofilm, and its motion. The simulated results were experimentally verified evaluating transport mechanisms under different hydrodynamic conditions, and the model capability to reproduce shear-induced deformation and detachment, and recoil in biofilms was stated. In the third part of this thesis, the capacities of the new approach of continuum model were further tested, in order to reproduce wide range of hydrodynamic conditions to which biosystems can be exposed. Particularly, Eulerian multiphase models were developed and solved to characterize turbulent gas flows behavior over biofilms attached to walls. A coupled method of VOF and level-set, and shear stress transport (SST) k-omega model were used, reproducing accurately gas-biofilm interactions, turbulence and near-wall treatment. The simulated results were experimentally verified to confer identity to developed CFD approach, correctly describing the interfacial instabilities on the fixed-bed biofilm, such as ripples formation, and biofilm displacement and removal from its original position. The results also revealed that biofilm fluidization was the mechanisms behind the impact of turbulent air flows. Finally, in the last part of this thesis, the work was focused on the accurate analysis of fluid-biofilm interface, and on the necessity of acquiring local experimental data to verify models. The applicability of needle-probes as an innovative technique for in-situ biofilm layer and fluid interfaces detection was examined. The sensor probe performance was calibrated and verified in multiphase systems, revealing its practicability for interface detection, depth measuring, and surface reconstruction. So, a feasible tool for the experimental characterization of biosystems and models verification at mesoscale was provided. Therefore, the Eulerian multiphase approach proposed in this thesis, together with the experimental analyses, revealed the potential of CFD techniques as an alternative tool for fixed-bed biofilm systems modeling, allowing to reproduce simultaneous spatial and temporal, physical and biochemical phenomena under different operating conditions and biosystems configurations. The proposed approach helped to address key aspects of biofilm modeling such as its deformation and detachment under laminar and turbulent conditions.
El estudio y modelización de los sistemas biológicos o biosistemas sigue siendo un reto que requiere explorar los fenómenos físicos y bioquímicos desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. Incluso para el régimen de flujo laminar más simple, las interacciones fluido- biopelícula deben ser investigadas en detalle. La dinámica de fluidos computacional (CFD, del inglés computational fluid dynamics) es una herramienta prometedora y extendida para modelar rigurosamente la hidrodinámica en reactores, la cual recientemente ha surgido como un enfoque alternativo para el modelo de biorreactores. Sin embargo, las complicadas interacciones entre la biopelícula y las fases fluidas (gas y líquido), aún no han sido descritas utilizando este tipo de técnicas.
En esta tesis, se diseñaron y desarrollaron modelos monofásicos y multifásicos utilizando códigos comerciales CFD para analizar el comportamiento de los biosistemas a nivel de mesoescala. En la primera parte, se simuló la operación de un reactor de biopelícula de lecho fijo utilizando modelos monofásicos Eulerianos, acoplando la dinámica del flujo de fluido con la biocinética, e implementando un modelo de pérdidas de presión hidráulica para considerar las características físicas de la biopelícula. Esta técnica permitió obtener resultados precisos relacionados con el rendimiento del bioreactor, verificando experimentalmente la hidrodinámica y el transporte de las especies. Sin embargo, estos modelos necesitaron ser mejorados para poder reproducir escenarios reales donde el movimiento de la biopelícula puede jugar un papel importante.
Por ello, se sugirió el desarrollo de modelos Eulerianos de dos fases utilizando el método de volumen de fluido (VOF, del inglés volume of fluid), donde la biopelícula se definió como una fase líquida independiente. Para desarrollar estos modelos, la caracterización experimental de las propiedades de la biopelícula fue imprescindible para adquirir un conocimiento profundo de los fenómenos implicados, especialmente para reproducir con precisión la interacción fluida sobre la biopelícula, ya que tiene un efecto directo sobre la estructura de la biopelícula. Como resultado, se desarrolló un análisis reológico integral bajo flujos de cizallamiento estables, oscilatorios y transitorios, para obtener las propiedades mecánicas macroscópicas y analizar los mecanismos de unión entre los componentes estructurales a microescala. Los resultados experimentales señalaron que las biopelículas mostraban un carácter gelatinoso, y teniendo un comportamiento de adelgazamiento del cizallamiento con una tensión de fluencia. Así, la biopelícula se caracterizó como un fluido no Newtoniano, cuyos parámetros dependían en gran medida de la densidad de la biopelícula estudiada.
En la segunda parte de esta tesis, se propuso, implementó y probó un nuevo enfoque continuo para el modelado de biosistemas. Esto incluyó la definición de biopelícula como una fase fluida no Newtoniana, y otras implementaciones para reproducir la transferencia de especies en la interfaz (líquido-biopelícula), y para vincular el posible crecimiento de la fase de biopelícula con las especies transportadas y transferidas, entre otras consideraciones. Este nuevo enfoque combinó la dinámica de fluidos en condiciones laminares con fenómenos bioquímicos y/o comportamiento mecánico de la biopelícula, calculando con precisión la fracción volumétrica de las fases a lo largo del dominio, pudiendo así reproducir la interacción fluido-biopelícula en caso de movimiento de la biopelícula. Los resultados simulados fueron verificados experimentalmente evaluando los mecanismos de transporte bajo diferentes condiciones hidrodinámicas. Adicionalmente, se mostró la capacidad del modelo desarrollado para reproducir deformaciones y desprendimientos inducidos por cizallamiento y el retroceso (o recuperación) en las biopelículas, estando los resultados simulados en concordancia cualitativa con las observaciones experimentales.
Con el fin de reproducir una amplia gama de condiciones hidrodinámicas a las que pueden estar expuestos los biosistemas, las capacidades del nuevo enfoque del modelo continuo se probaron más a fondo. En particular, se desarrollaron y resolvieron modelos Eulerianos multifásicos para caracterizar el comportamiento de los flujos de gas turbulento sobre biopelículas adheridas a la pared, utilizando un método acoplado de VOF y de conjunto de nivel (en inglés level-set) y el modelo SST k-ω, con el fin de reproducir con precisión las interacciones gas-biopelícula, la turbulencia y el tratamiento cercano a la pared. Los resultados simulados fueron verificados experimentalmente para conferir identidad al enfoque de CFD desarrollado, describiendo correctamente las inestabilidades interfaciales en la biopelícula de lecho fijo, tales como la formación de ondulaciones, y el desplazamiento y desprendimiento de la biopelícula de su posición original. Los resultados también revelaron que la fluidización del biopelícula era el mecanismo que se encontraba detrás del impacto de flujos de aire turbulentos.
Finalmente, en la última parte de esta tesis, el trabajo se centró en el análisis preciso de la interfase fluido-biopelícula, y en la necesidad de adquirir datos experimentales locales para verificar modelos, como se había comentado en los capítulos anteriores. Se examinó la aplicabilidad de las sondas de aguja como técnica innovadora para la detección in-situ de la capa de biopelícula y de las interfases de los fluidos. El comportamiento de las sondas fue calibrado y verificado en sistemas multifásicos, mostrando su practicidad para la detección de interfases, medición de profundidad y reconstrucción de superficies. Así pues, se proporcionó una herramienta viable para la caracterización experimental de biosistemas y la verificación de modelos a mesoescala.
Por lo tanto, el enfoque multifase Euleriano propuesto en esta tesis, junto con los análisis experimentales, reveló el potencial de las técnicas CFD como una herramienta alternativa al modelo de sistemas de biopelícula de lecho fijo, permitiendo reproducir simultáneamente fenómenos físicos y bioquímicos en espacio y tiempo, y bajo diferentes condiciones de operación y configuraciones de los biosistemas. El enfoque propuesto ayudó a abordar aspectos clave del modelado de biopelículas como su deformación y desprendimiento bajo condiciones laminares y turbulentas