Modeling of bioreactors

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Elina Nauha

Organisaatiot

Kuvaus

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.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösBioreaktoreiden mallintaminen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8431-2
Sähköinen ISBN978-952-60-8432-9
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • bioreaktori, virtauslaskenta, lohkomallinnus, aineensiirto, skaalaus

ID: 32446668