lntensification of mixing and homogenisation of culture medium in photobioreactors for microalgae production
Authors:   , Bělohlav Vojtěch 
Published: July 2023

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.
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.
(Txec) Mezi nejdůležitější provozní parametry zajišťující správnou kultivaci mikrořas patří světelné záření, vhodná teplota kultivačního média, koncentrace živin a CO2 v kultivačním médiu. Při zvětšování měřítka kultivačních systémů jsou však právě tyto parametry limitujícím faktorem. Vzhledem k velkému objemu zpracovávaného média v poloprovozních či průmyslových systémech je obtížně prosvětlit celou vrstvu kultivačního média, což vede k tvorbě tmavých zón, v kterých nejsou mikrořasy dostatečně osvětlovány. V důsledku nedostatečného míchání může také docházet k nerovnoměrnému využívání živin obsažených v kultivačním médiu nebo může docházet ke vzniku teplotních gradientů. Častým problémem je při zvětšování měřítka systému také tvorba biofilmu na transparentních plochách fotobioreaktorů, což dále snižuje intenzitu působícího světelného záření.
Všechny tyto provozní parametry jsou výrazně ovlivňovány hydrodynamickými podmínkami v kultivačních systémech. Studium hydrodynamických podmínek je důležitá zejména při zvětšování měřítka kultivačních systémů. Efektivní promíchávání kultivačního média může: 1) umožnit, aby se všechny buňky mikrořas dostaly do ozařovaného prostoru (světlá zóna) kultivačního média; 2) zabránit vzniku teplotních gradientů nebo sedimentaci buněk mikrořas; 3) zintenzivnit přenos hmoty, což vede k účinnějšímu využívání živin. Intenzivnější promíchávání v blízkosti transparentních ploch může dále zvýšit lokální hodnoty smykového napětí, které ovlivňuje tvorbu biofilmu.
Cílem této práce bylo studium vlivu hydrodynamických podmínek na parametry ovlivňující produkci mikrořas ve dvou kultivačních systémech: hybridní horizontální trubkový fotobioreaktor a uzavřený deskový fotobioreaktor. Za tímto účelem byl vytvořen multifyzikální model, který umožňuje detailně studovat vliv hydrodynamických podmínek na proces kultivace mikrořas. Na základě studia stávajících konstrukcí fotobioreaktorů byla navržena řešení pro zintenzivnění míchání kultivačního média s cílem zajistit homogenitu hydrodynamických podmínek v celém objemu zpracovávaného kultivačního média a zvýšit tak produkci mikrořas.
Na základě experimentálního měření byl validován numerický model simulující hydrodynamické podmínky v transparentních trubkách hybridního trubkového fotobioreaktoru. Pomocí modelu trasování pohybu částic bylo možné simulovat pohyb buněk mikrořas pro různé provozní konfigurace. Pomocí vytvořeného modelu byl zkoumán vliv různých provozních podmínek na míchání kultivačního média. Při navýšení průtoku kultivačního média byly eliminovány zóny v zadržovacích tancích, kde médium proudí nízkou rychlostí a mohli by zde docházet k sedimentaci buněk mikrořas. Model ukázal, že smykové napětí, které je důležité zejména z hlediska tvorby biofilmu, se zvyšuje v závislosti na rostoucí rychlosti proudění.
Výsledky distribuce částic byly integrovány do multifyzikálního modelu, který dokáže predikovat vliv hydrodynamických podmínek na proces kultivace mikrořas. Vytvořený multifyzikální model tak umožňuje zkoumat vliv provozních podmínek na distribuci světla v kultivačním médiu a produkci mikrořas. Model byl kalibrován a validován na základě údaje ze dvou intenzivních experimentálních kampaní. Multifyzikální model zohledňuje vliv vzdálenosti proudících buněk mikrořas od ozařované stěny fotobioreaktoru, která je výrazně ovlivňována promícháváním kultivačního média. Model ukázal, že v systémech pracujících s velkou vrstvou kultivačního média nebo s vysokou koncentrací mikrořas zvyšuje intenzifikace míchání celkovou produkci mikrořas. Z tohoto důvodu je potřeba hydrodynamické podmínky kultivačního média co nejvíce přiblížit stavu, kdy je celý objem média ideálně promícháván. Tohoto stavu lze v případě trubkového fotobioreaktoru dosáhnout zvýšením průtoku nebo použitím statických směšovačů, které by byly instalovány v transparentních trubkách.
Hydrodynamické podmínky v deskovém fotobioreaktoru jsou v porovnání s hybridním trubkovým fotobioreaktorem výrazně komplikovanější. Změnou konfigurace nátoku a odtoku z komory deskového fotobioreaktoru je možné sledovat vliv geometrie a provozních podmínek na hydrodynamiku tohoto systému. Porovnáním vytvořeného hydrodynamického modelu s experimentálními měřeními bylo možné zkoumat vliv hydrodynamiky na prevenci tvorby biofilmu. Vytvořený hydrodynamický model dále umožnil optimalizovat provozní a konstrukční parametry deskového fotobioreaktoru.
Výsledky ukázaly, že pouhou změnou konfigurace vstupního a výstupního hrdla nebo změnou průtoku kultivačního média nelze zcela eliminovat tvorbu mrtvých zón v komoře deskového fotobioreaktoru. Za účelem eliminace těchto zón byl navržen statický směšovač, který byl instalován v komoře fotobioreaktoru. Numerický model hydrodynamických podmínek v komoře se statickým směšovačem byl validován na základě experimentálních měření. Ve srovnání s prázdnou komorou deskového fotobioreaktoru se při použití statického směšovače zkrátila doba homogenizace a proudění média bylo rovnoměrně distribuováno po celém průřezu komory.
Na základě experimentálních měření a numerických modelů byly optimalizovány provozní podmínky v hybridním horizontálním trubkovém fotobioreaktoru a deskovém fotobioreaktoru. Pro další zintenzivnění míchání a homogenizaci proudění kultivačního média byl navržen statický směšovač, který prokázal pozitivní vliv na hydrodynamické podmínky kultivačního systému. Vytvořený numerický model prokázal, že je užitečný nástroj využitelný k optimalizaci stávajících kultivačních systémů, k studiu provozních parametrů při zvětšování měřítka kultivačních systémů nebo pro návrh nových fotobioreaktorů.