Intensification of mixing and homogenisation of culture medium in photobioreactors for microalgae production

Abstract

Generally, the parameters important for microalgae growth include light irradiation, temperature and nutrients and CO2 concentrations in the culture medium. However, during the scaling-up, these parameters are often limiting factors for microalgae growth. Due to the large volume of the processed medium in pilot or industrial 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 significant 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 important 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 area close to the transparent walls of the cultivation system can also result in an increase of shear forces close to the wall 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. Solutions were then proposed to intensify the mixing of the culture medium in order to ensure the homogeneity of hydrodynamic conditions in the entire volume of the culture medium and to increase the microalgae production. Based on the experimental measurements, a numerical model simulating the hydrodynamic conditions in transparent HHT PBR tubes was validated. Using the particle tracking model, it was possible to simulate the movement of microalgae cells in transparent tubes according to different operating configurations. Through the model, the influence of different operating conditions on the mixing of the culture medium was investigated. When the flow rate of the culture medium increased, the dead zones in the retention tanks were eliminated. The model indicated that the shear stress, which is especially important in terms of biofilm formation, increased in accordance with flow velocities.

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.