Investigating the hydrodynamic effects of particle size and count in water-based bioreactors

Abstract

Diese Untersuchung zielt darauf ab, wie Partikelgröße und die Dichte von Partikeln in wasserbasierten Systemen innerhalb der Bioreaktortechnologie hydrodynamische Effekte induzieren. Das Ziel ist, zu erforschen, welche Mechanismen den Betrieb eines Reaktors beeinflussen, um die Produktivität von Bioprozessen zu steigern. Ein wichtiger Aspekt dieser Thematik ist die Betrachtung von Bubble Column Reaktoren (BCR). In dieser Arbeit werden die Konzentration und die Größe der Partikel untersucht, um ihren Einfluss auf die hochgradig zufälligen Bewegungen der wasserbasierten Systeme zu verstehen. Solche Faktoren sind von großer Bedeutung, da sie die Effizienz und die Kosten solcher Prozesse, wie in der Biotechnologie oder der Lebensmittelproduktion, bestimmen. Ziel der Untersuchung ist es, praktische Lösungen und Empfehlungen zur Optimierung der Leistung von BCRs bereitzustellen, indem die hydrodynamischen Auswirkungen der Partikeleigenschaften analysiert werden. Im Experiment wurden mehrere Partikelgrößen 250–800 Mikrometer und Konzentrationen verwendet, um deren Einfluss auf das Gasvolumen im System zu bestimmen. Eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen trug zur Registrierung der Bewegungen der Gas-Flüssigkeit-Interaktionen im Prozess bei. Die Ergebnisse zeigten, dass Partikelgrößen zwischen 400–500 Mikrometer bei 4 % der Volumenkonzentration im Allgemeinen die Gasrückhaltung und die Massenübertragungseffizienz verbessern, indem sie eine bessere Blasendispersion und Stabilität fördern. Andererseits verringerten höhere Konzentrationen oder größere Partikelgrößen den Gasvolumenanteil. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass Gasblasen schneller von größeren Partikeln zusammengefügt werden, was zur Bildung größerer Gasblasen führt, die weniger relative Oberfläche mit der Flüssigkeit haben und dadurch weniger effektiv in der Erhöhung der Massentransferraten sind. Diese Untersuchung liefert Vorschläge bezüglich des Designs und der Betriebsparameter von BCRs und liefert auch die Grundlage für weitere Studien, bei denen spezifischere Aspekte der Strömung und der Blasenstruktur von primärem Interesse sein sollen.

This study presents an in-depth investigation into the hydrodynamic effects of particle size and density in water-based systems within bioreactor technology. The objective is to identify the mechanisms that influence reactor performance, with the goal of enhancing bioprocess efficiency. This research addresses a critical aspect of bubble column reactors (BCRs), namely the examination of how variations in particle size and concentration affect the complex hydrodynamic behaviors of water-based systems. This focus is of great significance, as these factors have a direct impact on the efficiency and cost-effectiveness of processes in fields such as biotechnology, food production etc. The objective of the study is to provide practical solutions and recommendations to optimize BCRs’ performance by analyzing the hydrodynamic impact of particle characteristics. The experimental investigation involved the testing of a range of particle sizes 250–800 micrometer and concentrations to assess their effects on gas holdup. High-speed imaging was utilized to capture the real-time dynamics of gas-liquid interactions. The findings indicated that particle sizes between 400–500 micrometer at 4% of volumetric concentration generally enhance gas holdup and mass transfer efficiency by promoting better bubble dispersion and stability. Furthermore, larger particle sizes or higher volumetric concentrations were observed to reduce the gas holdup. This may be since larger particles accelerate bubble coalescence, resulting in the formation of fewer, larger bubbles that hinder effective gas-liquid contact and decrease mass transfer rates. This research offers valuable insights into the hydrodynamic optimization of BCR design and its operating parameters, while also laying the foundation for future work aiming at a more detailed analysis of the BCR, the flow within, and bubble behavior.