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Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Magistrale in Biotecnologie Genomiche, Industriali e Ambientali STUDY OF THE MASS TRANSFER AND MIXING IN AN OPEN PHOTOBIOREACTOR WITH LOCAL RECIRCULATION Relatore interno: Prof.ssa Francesca Pagnanelli Candidato: Augusto Piazza Relatore esterno: Prof. Marco Bravi Matricola:1628769

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Page 1: Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Magistrale in Biotecnologie Genomiche,

Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Corso di Laurea Magistrale in Biotecnologie Genomiche, Industriali e Ambientali

STUDY OF THE MASS TRANSFER AND MIXING IN AN OPEN

PHOTOBIOREACTOR WITH LOCAL RECIRCULATION

Relatore interno: Prof.ssa Francesca Pagnanelli Candidato: Augusto Piazza Relatore esterno: Prof. Marco Bravi Matricola:1628769

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Commercial uses of microalgae

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Microalgae: large-scale production

Open ponds

Tubular photobioreactor

Photobioreactors made with low-cost materials

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The problem in large-scale cultivation

biomass > 1 g/lh* max =1 cm

h*

h*

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I: Photoinibition -> photon excess has dissiped by heat = stress = no replication

II: Photolimitation -> under 30 uE light is not sufficient to substain the growth = no replication

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The problems of photosynthesis in no autotrophic microalgae

Optimum light exposition region

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How to work around the problem?

Microalgal productivity is strongly limited by the so called “light saturation effect”

Microalgal cultures have been shown to exhibit a highter photosyntetic activity when a luminous energy exceeding the saturation is supplied in hight frequency pulses rather than in a continous flow.(Kok, 1957)

Grobbelaar (2009) observed that photosynthetic rates increase exponentially with increasing light/dark alternation frequency

Photoinibition and photooxidation would be greatly reduced by a proper combination between cell density (making culture layers away from the surface progressively darker) and culture mixing (repeatedly circulating cells from brighter to darker zones).

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light:dark frequency period: a possible solution

●Millisecond flashes of high intensity light, followed by an approximately five- to ten fold longer dark period could enhance photosynthetic efficiency.

LIGHT PERIOD

Fast reduction of e- acceptors QA and QB in the PSII

DARK PERIOD

Fast oxidation of QA and QB

MAXIMUM PHOTON ACCEPTING CAPACITY OF PS II

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A new PBR geometry design proposed: what there is behind

0.5 s

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Aim of the thesis1. To Investigate the mass transfer and mixing of the open

wavy photobioreactor;

2. To analyze the suitability of the open wavy photobioreactor for the production of spirulina biomass by using a semi-continuous culture;

3. To analyze compositional characteristics of the obtained biomass and of the residual exhausted medium, containing exopolysaccharides.

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1. Evaluation of mass transfer

Operative conditions:

• Flow rate: 600 l/h e 900 l/h

• Temperature: 18°-25°C

• Degree of grade: 6° e 9°

• To calculate the Kla was used a stripping with N2 method then the water was oxygenated with air;

•Then was used the relantionship that there was between a semi-continual reactor in time with a continual reactor in stationary phase;

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Evaluation of KLa

 

Grade Flow

rate

Cavity

Last First

° (degrees) (L/h) (mg/L)

6 600 I test 2,31 2,04

6 600 Replica 2,63 2,42

6 900 I test 2,7 1,69

6 900 Replica 2,46 2

9 600 I test 2,85 1,96

9 600 Replica 2,80 2,05

9 900 I test 2,69 1,92

9 900 Replica 2,77 1,99

Flow rate

(l/h)Residence time

(s)

600 9900 6

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Results

When the installation angle is lower , the higher flow rate increases the value of KLa.

Grade Flow

rate

Kla

( 18°C)

Kla

( 25°C)

CV

(18°C)

CV

(25°C)

(°) (L/h) (s-1) (s-1)  

6 600 4,2E-03 12 E-03 2% 3%

6 900 1,6E-02 34 E-03 18% 30%

9 600 1,7E-02 23 E-03 12% 26%

9 900 1,8E-02 49 E-03 3% 12%

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Results

•At 9 ° the effect of the increase in flow rate is negligible If the flow rate increases the change of the angle is negligible

Grade Flow

rate

Kla

(18°C)

Kla

(25°C)

CV

(18°C)

CV

(25°C)

(°) (L/h) (s-1) (s-1)  

6 600 4,2E-03 12 E-03 2% 3%

6 900 1,6E-02 34 E-03 18% 30%

9 600 1,7E-02 23 E-03 12% 26%

9 900 1,8E-02 49 E-03 3% 12%

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Comparison with the kLa in the PBR actually used●If kLa for a particular system is small, the ability of the reactor to deliver CO2 to the

cells is limited.

PBR kLa (s-

1)References

Concentric tube airlift

2 ×10-2 Contreras et al. (1998)

Bubble-column

1.7-4.7×10-3

Merchuk et al. (2000)

Inclinated tubular

3 ×10-3 Ugwu et al. (2002)

Flat-plate 3×10-3 Zhang et al. (2002)

Split-cylinder internal loop

9×10-3 Vega-Estrada et al. (2005)

Grade Flow

rate

Kla

(18°C)

Kla

(25°C)

CV CV

(°) (L/h) (s-1) (s-1)  

6 600 4,2E-03 12 E-03 2% 3%

6 900 1,6E-02 34 E-03 18% 30%

9 600 1,7E-02 23 E-03 12% 26%

9 900 1,8E-02 49 E-03 3% 12%

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Evaluation of mixing time●Mixing time is used to establish the time required to homogenise a

bioreactor to an assigned degree (e.g. 90%) ●We used a strong electrolite: KCl 0.01 M

Circulation time

Ultimate value of property

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Evaluation of mixing time

*Entire circuit

The LRBR is an upstream- and downstream-open bioreactor element that needs to be put in a closed circuit to be characterised.

To determine the mixing time of the wavy element the effect of the recirculating circuit should be separately determined and discounted from the above

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Evaluation of mixing time

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2. Analyze the suitability OPBR for the production of spirulina

Reference was made to the base case of a Spirulina culture carried out in a cylindrical photobioreactor to discuss the obtained results

Vertical cylidrical photobioreactor

●Diameter: 16 cm

●Height: 58.5 cm

●Volume: 6.5 l

●Air flow rate 130x 103 Nm3/h

●The cylindrical PBR was stored in a cabin 60 (l) x 70 (b) x 145 (h) cm completely covered with aluminum

film.

Wavy bottomed open PBRTwo slides with the following characteristics :

Length of each cavity =7,23 cm

Total length of exchange = 7,23*12= 86,76 cm

Useful length of the photobioreactor = 14,5 cm

Total amount of surface of exchange S=1258 cm2

Volume of each cavity = 1,25*104m3

Total cavity volume l=1,25*103m3

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Growing conditions in the two photobioreactors Medium: Zarrouk’s medium

Lighting: 4 fluorescent lamps to cool white light(400-700 nm, 865 K, 32 W, 80 mmol fotoni m2s-1 )Photoperiod of 16h light and 8 of darkness;

PH= 10.6Conductivity=16.27 mS

Temperature: Ambient temperature

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Spectrophotometric assays

●To quantify the presence of carbohydrates and proteins in the mass and in the supernatant were used the following colorimetric assays:

●Dubois (1956) : The assay is based on the phenol-sulfuric acid method to quantify the presence of carbohydrates in the mass e in the supernatant.

● Lowry (1951): The method combines the reactions of copper ions with the peptide bonds under alkaline  conditions with the oxidation of aromatic protein  residues.

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Results: Spirulina semi-continual growth in the PBR’S

Cylindrical PBRAbs

Time (Days)

°C

Time(days)

Abs

Wavy-bottomed PBR

OD 690 Temp (°C)

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Statistic analysis Temperature difference between the two PBR

●Test F for the Variance

C PBR WbPBR

mean 25.83 23.82

var 4.15 4.04

obs 39 39

dof 38 38

f 1.027

pvalue 0.467

Critic f 1.72

C PBR WbPBR

mean 25.83 23.82

var 4.15 4.04

obs 39 39

tot var 4.1

dof 76

T stat 4.39

P value 1.8 E-05

Critic t 1.66

• T test

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Spectrophotometric assays on the mass: results Cylindrical PBR Wavy bottomed PBR

Carbohydrates Proteins

021

628

845

655

262

476

884

093

610

0811

0411

760%

10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0

5

10

15

20

25

30Biomass analysis

gC

om

pu

on

d/g

bio

mas

s %

°

Time (hours)

028

855

276

893

611

040%

10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0

5

10

15

20

25

30

35Biomass analysis

gC

om

pu

on

d/g

bio

mas

s %

°C

Time (hours)

°c

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Relation between composition and temperature

●Wavy-bottomed pbr Cylindrical

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3 Exopolysaccharides production°C

°C

Wavy-bottomed PBR

Cylindrical PBR

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2

4

6

8

10

12

Productivity

(gEPS/gbiomass) u

Time( hour)

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2

4

6

8

10

12

Productivity

(gEPS/gbiomass) u

Time( hour)

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Conclusions (1)

• The open local recirculating photobioreactor object of the thesis has been characterized in its geometry by studying the mass transfer and the mixing:

• The results obtained are comparable with those of photobioreactors currently in use.

• Through its peculiar characteristics of recirculation and its geometry feature it is possible to limit the effects due to photoinhibition and photolimitation .

• The open PBR is more sensitive at winter temperature but in summer this is a solution for the termal shock

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Conclusions(2)

At low temperature, increasing the inclination brings the mass transfer

coefficient to an upper limit. At the same time:

●local recirculation is lost, and so is the photobiologic advantage

●for the same length of the photobioreactor, a higher elevation should be

climbed up by the external recirculation device, likely requiring a pumping

device which causes a higher stress to the culture.

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Conclusions(3)

At low temperature, increasing the inclination brings the mass transfer coefficient to an

upper limit. At the same time:

●At medium temperature, increasing the inclination boosts the mass transfer

coefficient (x 2) and increasing the flow rate boosts it also (x 3). At the same time:

●steeper slope advantageous, but local recirculation is lost, and so is the photobiologic

advantage

.

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Thanks for the attention

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green walls and PBR with internal light a real solution???

Yes but…...