Cappello, Vincenzo (2020) Scale-up of gas-liquid agitated bioreactors Three-dimensional modeling of hydrodynamics, mass transfer and kinetics. [Extrapolation des réacteurs agités gaz-liquide par modélisation tridimensionnelle de l'hydrodynamique, transferts et cinétique.] PhD thesis. HAL CCSD. [Unpublished]
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Summary
Mechanically-agitated reactors are widely used in aerobic fermentation, because they provide good mixing of reactants and high performance in terms of oxygen mass transfer. In the enzyme production process by filamentous fungi Trichoderma reesei, the mass transfer is hindered by the complex rheology of the fermentation broth. This process is a key step in the production of second-generation ethanol; however, because of the high fermentation volumes (∼ 100 m3) required for future bioethenol production units, the reactor scale-up is challenging. In fact, by increasing the size of the fermenter, large scale substrate gradients tend to appear.In this framework, the objective of this study is to develop a predictive tool based on Computational Fluid Dynamics (CFD) for the design and scale-up of aerated reactors. The numerical model here proposed, allows one to characterize such systems by coupling hydrodynamics, rheology, mass transfer, and a simplified metabolic model. To assess the fidelity of the model, several experimental analyses were carried out. Bubble size in shear-thinning liquids and in fermentation broth was measured thanks to a novel technique that was previously developed at IFPEN. This measuring techniques is based on phase- detective optical probes, and its use in stirred tank reactors and in viscous liquids was validated during this study. Bubble size measurements were supplemented with gas-liquid transfer coefficient (kLa) and gas holdup measurements. By combining these data, it was possible to develop a dimensional model for the liquid-side mass transfer coefficient (kL), that served to model the mass transfer mechanism in the CFD simulations.Moreover, the reactor hydrodynamics was characterized in terms of mixing time (via colorimetric method and image processing), and liquid velocity (with the Pavlov tube). These data were then used to quantify the accuracy of the simulations. The numerical model — based on the two-phase Eulerian model, and on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations — was used to highlight the mixing degradation that accompanies the scale-up of the protein production process. Results from coupled simulations (distribution of substrate and oxygen concentrations) will be used to guide future design and technology optimization of fermenters, as well as to develop more representative scale-down models for microbial cultures. CFD simulations and scale-down data will assess the microorganisms’ resistance to exposure to substrate content variation inside industrial reactors.
Summary translation
Dans le cadre de la production de bio-carburants, les fermenteurs agités aérés sont utilisés la culture de micro-organismes car ils permettent d’assurer un bon transfert d’oxygène entre gaz et liquide, tout en homogénéisant de manière efficace la concentration en substrats. Dans le cas de la production d’enzyme par le champignon filamenteux Trichoderma reesei (une étape clef de la production d’éthanol 2G), le transfert d’oxygène est dégradé par la rhéologie non-newtonienne du moût fermentaire. Par ailleurs, les volumes fermentaires nécessaires aux futures unités de production de bioéthanol sont tellement élevés, de l’ordre de plusieurs centaines de m3 ou plus, que l’homogénéité des substrats n’est plus assurée.Dans ce contexte, la finalité des travaux présentés était de développer un outil de prédiction de performances et d’extrapolation des fermenteurs aérés, basé sur la mécanique des fluides numériques (ou CFD : Computational Fluid Dynamics), et permettant de coupler l’hydrodynamique, la rhéologie, le transfert de matière ainsi que le métabolisme simplifié des microorganismes. Pour arriver à cela, plusieurs étapes expérimentales ont été préalablement menées.Les tailles de bulles présentes dans divers milieux (filtrat fermentaire, milieux modèles) ont été caractérisées à l’aide d’une technique de sonde optique développée à IFPEN lors de travaux antérieurs, mais encore jamais appliquée aux milieux non-newtoniens. Ces mesures inédites de tailles de bulles ont été complétées par la caractérisation du transfert gaz/liquide (kLa) dans chaque système étudié, et la combinaison des différents résultats a permis de développer un modèle de coefficient de transfert (kL) à implémenter dans le modèle CFD. Par ailleurs, des caractérisations hydrodynamiques de type Temps de mélange (par colorimétrie et traitement d’image) et Vélocimétrie (par tube de Pavlov) ont été menées dans les milieux visqueux aérés pour valider les simulations hydrodynamiques.Le modèle développé, basé sur une approche diphasique Eulérienne, et une description moyennée des champs de vitesse (approche dite RANS : Reynolds Averaged Navier-Stokes équations) est utilisé pour illustrer la dégradation du mélange lors de l’extrapolation de la production d’enzymes. Ce phénomène se traduit par l’apparition de gradients de concentrations en substrats (sucres, oxygène dis- sous). Les résultats issus du modèle seront utilisés pour guider les futurs développements technologiques de fermenteurs, ainsi que pour mener des cultures biologiques représentatives de type scale-down, en fermenteurs multizones. Les simulations numériques et les expériences de scale-down permettront d’évaluer la résistance des microorganismes aux gradients de concentrations en substrats subis dans les fermenteurs industriels.
| EPrint Type: | Thesis |
|---|---|
| Thesis Type: | PhD |
| Keywords: | Gas-liquid mass transfer (en), Aerobic fermenter (en), CFD (en), Non-Newtonian fluid (en), Bubble size (en), Transfert gaz-liquide (fr), Fermenteurs aérés (fr), CFD (fr), Fluides non-newtoniens (fr), Taille de bulles (fr) |
| Subjects: | "Organics" in general |
| Research affiliation: | France > INRAe - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement |
| Related Links: | https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03159254/document |
| Project ID: | HAL-INRAe |
| Deposited By: | PENVERN, Servane |
| ID Code: | 40398 |
| Deposited On: | 12 Aug 2021 10:37 |
| Last Modified: | 12 Aug 2021 10:37 |
| Document Language: | English |
| Status: | Unpublished |
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