Modeling and simulation of photobioreactors for biological hydrogen production

Abstract

Fotofermentatif hidrojen üretimi uygulamalarında en uygun ışık şiddeti, sıcaklık, besiyeri kompozisyonu vepH aralığında çalışılması fotosentetik bakterilerlerin üreme ve fonksiyonlarını yerine getirmeleri için zorunludur. Tepki yüzeyi yöntemiyle, sıcaklık ve ışık şiddeti, Rhodobacter capsulatus ile kapalı ortamda yapılan hidrojen üretimi deneyleriyle, optimize edilmiştir. İstatistiksel modellerin incenlemesiyle oluşturulan yüzey grafikleri en yüksek hidrojen üretim hızının, 0.566 mol H2/m3/h, 27.5°C and 287 W/m2 ve en yüksek hidrojen veriminin, 0.326 mol H2/mol besiyeri, 26.8°C and 285 W/m2 olduğunu göstermiştir. Açık havada fotofermentasyonla hidrojen üretiminde parametreleri ayarlamak mümkün değildir, özellikle fotobiyoreaktörlerde sıcaklık kontrolu çok zordur. Bu tezde borusal fotobiyoreaktör içine yerleştirilen iç soğutma borusu sistemiyle açık havada yaz aylarında Ankara Türkiye'de reaktörleri test etmek mümkün olmuştur. Dörtlü parallel reaktör sistemiyle Rhodobacter capsulatus içeren ve içermeyen ortamlarda eş veya ters yönlü soğutma akışlarında çalışılarak reaktör sıcaklığı istenilen düzeyde tutulabilmiştir. Reaktör sıcaklığının, güneş ışıması ve çevre sıcaklığıyla gün boyu değiştiği, ancak reaktörün yüzey sıcaklığının reaktör boyunca sabit kaldığı görülmüstur. Ters yönlü soğutmanın eş yönlü soğutmaya nazaran reaktör sıcaklığının kontrölünde daha etkili olduğu bulunmuştur. Açık hava uygulaması esnasında, yüksek bakteri büyüme hızı (0.10 saatte) ve hidrojen üretim hızına (1.28 mol H2/m3/h) ulaşılmıştır. Kararlı durumda akış dağılımı hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) ile analiz edilmiştir. İçten soğutmalı ve soğutma olmayan borusal reaktörlerdeki gün boyu değişen sıcaklık değerlerini hesaplayan tek boyutlu dinamik bir ısı modeli geliştirilmiş ve model sonuçlarının deneysel verilerle örtüştüğü gözlenmiştir kanıtlanmıştır. Oluşturulan zamana bağlı model gün boyu değişen konveksiyonel ve radyasyon ısı transferini dikkate almaktadır. Bu model büyük ölçekli açık hava hidrojen üretimi uygulamalarında maliyet verimliliği hesaplamalarına yardımcı olacaktır.Anahtar Kelimeler: Fotofermentasyon, borusal fotobiyoreaktör, biyohidrojen,Rhodobacter capsulatus, tepki yüzeyi yöntemi, hesaplamalı akışkan dinamiği, dinamik ısı modeli

In applications of photofermentative hydrogen production, maintaining optimal temperature, feed composition, pH range and light intensity is the most critical objective for growth and proper functioning of the photosynthetic bacteria. Response Surface Methodology was applied to optimize temperature and light intensity for indoor hydrogen production using Rhodobacter capsulatus. Surface and contour plots of the regressions models developed revealed a maximum hydrogen production rate of 0.566 mol H2/m3/h at 27.5°C and 287 W/m2 and a maximum hydrogen yield of 0.326 mol H2/mol substrate at 26.8°C and 285 W/m2. For outdoor photofermentative hydrogen production many parameters are beyond manipulation, hence effective control of temperature in photobioreactors is a challenge. In this thesis, an internal cooling system was designed and built, and its performance in outdoor tubular photobioreactors was tested during summer months in Ankara, Turkey. Four tubular reactors with and without Rhodobacter capsulatus were operated in parallel. Counter-current and co-current cooling modes were implemented to stabilize the reactor temperature. The temperatures were found to be strongly influenced by the solar irradiance and the ambient air temperature during daytime; however, the surface temperature was found to be approximately constant along the reactor length. Counter-current cooling was found to be more effective compared to co-current cooling in controlling temperatures inside the reactor. High biomass growth rate (0.10 per hour) and hydrogen production rate (1.3 mol H2/m3/h) was achieved in the outdoor operations. The flow distribution in tubular reactors operated at steady state conditions was analyzed using computational fluid dynamics. A one-dimensional dynamic thermal model to describe the variations of temperature in tubular reactors operated outdoors with or without internal cooling was developed and verified with experimental data. The transient model included the effects of convection and radiative heat exchange on the reactor temperature throughout the day. The model established is useful in estimating the cost-effectiveness of producing hydrogen in large scale outdoors.Keywords: Photofermentation, biohydrogen, tubular photobioreactor, Rhodobacter capsulatus response surface methodology, computational fluid dynamics, dynamic thermal model