Circular bioeconomy applications in chemical engineering

Abstract

Der Übergang zur Bioökonomie erfordert die synergetische Integration verschiedener Technologien und bestehender Industrien. In dieser Arbeit werden verschiedene Anwendungen der Bio-Kreislaufwirtschaft in der chemischen Verfahrenstechnik untersucht, wobei mehrere Schlüsselbereiche abgedeckt werden. Zunächst wird ein Kreislaufwirtschaftsmodell vorgestellt, das speziell für trockene Küstenregionen mit Wasserknappheit entwickelt wurde, indem bestehende Technologien in diesen Regionen strategisch integriert werden. Anschließend wird das Potenzial der Nutzung von ungenutztem Kohlendioxid (CO2) aus Biomethananlagen für den Anbau von Gewächshauspflanzen untersucht. Bioraffinerien sind das Herzstück der Bioökonomie, und Bioraffinerien sind eine ihrer Hauptkomponenten.Die numerische Strömungsmechanik (CFD) hat sich als entscheidendes Werkzeug für die Auslegung, Optimierung und das Scale-up von Bioreaktoren erwiesen. In dieser Arbeit wird CFD eingesetzt, um das hydrodynamische Verhalten von pneumatisch angetriebenen Bioreaktoren sowie den Energieverbrauch von mechanischen Mischreaktoren zu untersuchen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Internal Loop Air Lift Reactors (ILALRs). Die globale Hydrodynamik wird für verschiedene Gefäßformen und für mehrstufige ILALRs mit einfacher, doppelter und dreifacher Saugrohrkonfiguration untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen verschiedener Doppelzugrohrkonfigurationen auf die Reaktorleistung und das Design der Zugrohre eingehend untersucht.Die Optimierung des Wachstums und der Produktivität von Mikroorganismen in Bioreaktoren hängt stark von der Mischstrategie ab. Bei mechanisch gerührten Systemen wie dem kontinuierlichen Rührkesselreaktor (CSTR) ist der Stromverbrauch eines der wichtigsten industriellen Anliegen. Daher ist die effiziente Nutzung der Energie in diesen Systemen entscheidend für die Optimierung der Betriebskosten und die Gewährleistung eines nachhaltigen Betriebs. Um die Energieeffizienz zu bewerten, wird ein Vergleich des Energieverbrauchs verschiedener Rührsysteme in CSTRs durchgeführt. Dieser Vergleich basiert auf Leistungszahlen, die sowohl aus experimentellen Messungen als auch aus simulierten Drehmomentdaten abgeleitet wurden und wertvolle Erkenntnisse über die Leistung der Rührsysteme liefern.Schließlich wird ein neuartiges Konzept für einen zweistufigen anaeroben Fermenter mit überdachter Lagune vorgeschlagen, das die Windenergie einbezieht.Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse, die die Konstruktion und Optimierung von Bioreaktoren und verschiedene verfahrenstechnische Anwendungen für die aufstrebende Bioökonomie umfassen, sind vielversprechend, um nachhaltige Praktiken voranzubringen, Innovationen voranzutreiben und das Wirtschaftswachstum in verschiedenen Branchen zu fördern.

The transition to the bioeconomy requires the synergic integration of different technologies and existing industries. This thesis explores various applications of circular bioeconomy in chemical engineering, covering several key areas. Firstly, it presents a circular economy model specifically designed for arid coastal regions with water scarcity by strategically incorporating existing technologies in these regions. The thesis then explores the potential utilization of unutilized carbon dioxide (CO2) from biomethane plants for greenhouse crop farming. Biorefineries are the core of the bioeconomy and bioreactors are one of their main components.Computational fluid dynamics (CFD) has emerged as a crucial tool for the design, optimization, and scale-up of bioreactors. In this thesis, CFD is employed to study the hydrodynamic behavior of pneumatic-driven bioreactors as well as the power consumption of mechanical mixing reactors. An emphasis is put on Internal Loop Air Lift Reactors (ILALRs). Global hydrodynamics is studied for different vessel shapes and for multi-stage ILALRs with single, double, and triple draft tube configurations. Additionally, the impact of different double-draft tube configurations on reactor performance and the design of draft tubes are thoroughly explored.The optimization of microorganism growth and productivity in bioreactors heavily relies on the mixing strategy. In mechanical stirred systems such as the continuously stirred tank reactor (CSTR), power consumption is one of the main industrial concerns. Therefore, the efficient use of power in these systems is crucial for optimizing operational costs and ensuring sustainable operation. To assess the energy efficiency, a comparison of power consumption is conducted among different stirring systems in CSTRs. This comparison is based on power numbers derived from both experimental measurements and simulated torque data, providing valuable insights into the performance of the stirring systems.Lastly, a novel concept for a two-stage covered lagoon anaerobic digester, incorporating wind energy, is proposed.The insights obtained from this thesis, encompassing the design and optimization of bioreactors and various chemical engineering applications for the emerging bioeconomy, hold significant promise for advancing sustainable practices, driving innovation, and fostering economic growth in diverse industries.