Fundamental investigation of non-Newtonian fluid flow in bioprocessing

Dette prosjektet søker kunnskap om hvordan de suspenderte levende organismene optimalt kan bringes fra småskala bioteknologiske laboratorier til storskala væskesystemer som finnes i industriell produksjon. Dette inkluderer blant annet at vi søker forståelse for hvordan væsker med komplekse og spesielle egenskaper oppfører seg i væskesystemer. Videre er det også viktig å forstå hvordan gassbobler oppfører seg i slike væsker, da tilførsel av komponenter som oksygen er avgjørende for de suspenderte levende mikroorganismene i aerobe prosesser. Doktoranden i prosjektet har gjennomført et 6 måneders opphold ved Chalmers tekniske høyskole. Doktoranden har studert turbulente egenskaper i kanoniske og komplekse strømmer med skjærfortynnende atferd gjennom direkte numeriske simuleringer og "large eddy simulations". Stipendiaten har to artikler godkjent i et meget prestisjefylt tidsskrift i fluid dynamics (Journal of Fluid Mechanics), en annen artikkel merket som «redaktørens valg», og en fjerde artikkel i et godt tidsskrift. Forsvaret av doktorgradsavhandlingen fikk svært positive anmeldelser fra opponentene. På slutten av prosjektet er en revidert tidsskriftartikkel under vudering for publisering, og et annet manuskript skal vurderes for publikasjon i et tidsskrift. I dette prosjektet vil stipendet bidratt til totalt 6 tidsskriftartikler som førsteforfatter og 1 tidsskriftartikkel som medforfatter for doktoranden. Postdoktoren i prosjektet har gjennomført ett års opphold ved Imperial College London. Postdoktoren har utført eksperimentelle studier av masseoverføring og bobledynamikk i omrørte tanker med skjærfortynnende væsker. Det ble også utført eksperimentelle studier av strømningsfeltet til enfasestrømmer i rørformede tanker med skjærfortynnende væske. Både flerfase- og enfaseeksperimentene har blitt simulert av CFD. Enfasesimuleringene ble utført av postdoktor, mens flerfasesimuleringene ble utført i samarbeid med forskere i Colombia. CFD-simuleringene av enfasesimuleringene sammenlignes med forsøk fra samarbeid etablert i prosjektet. Postdoktoren har publisert 3 tidsskriftartikler som førsteforfatter og medforfatter på tre tidsskriftartikler. Nok en tidsskriftartikkel som førsteforfatter og en annen som medforfatter vil bli sendt til tidsskrift for publisering. Prosjektets PI har produsert to tidsskriftartikler som førsteforfatter og skal evalueres for publisering i et tidsskrift. Samarbeidet med forskere i Colombia i dette prosjektet har resultert i to tidsskriftartikler, en tredje artikkel er sendt til vurdering for publisering i en tidsskrift, mens en fjerde artikkel er neste fullført og vil bli sendt til vurdering for publisering i en tidsskrift. Prosjektet fikk en personlig invitasjon til å holde et foredrag på en internasjonal konferanse om industriell bioteknologi. Resultatene så langt indikerer at metoden og hypotesene i prosjektet vil gi en verdifull og ny forståelse av flyt i bioprosessering.

Både doktorand og post doktor har oppnådd et godt resultat i prosjektet med hensyn til antall publikasjoner i tidsskrifter, noe som er viktig i en akademisk merittliste. Videre har begge stipendiatene, samt PI, utført lengre utenlandsopphold som har gitt verdifulle erfaringer og bidratt til nettverksbygging. PhD stipendiat har kvalifisert seg til en videre karriere innen akademia som post doktor. I tillegg til utenlandsopphold har prosjektet etablert samarbeid med andre forskere ved NTNU samt internasjonalt. Prosjektet har bidratt til etablering av en forskningsgruppe ved NTNU som - basert på kunnskap og resultater i prosjektet - har blitt tildelt nye finansieringer til nye prosjekter. Kunnskapen og resultatene etablert i prosjektet er viktig i NTNU's posisjonering og bidrag til, blant annet, industrialisering av bioprosesser.

In this project, the young project manager will establish a new research activity at NTNU with the aim of enhancing the national knowledge on optimal design, operation and scale-up of bioreactors. Research effort that will enable realization of economical viable bioprocessing plants is necessary to ensure that Norway becomes a leading country in the green shift with significant bio-based industry. In particular, this project addresses challenges related to fluid flow in bioreactors. Non-Newtonian fluids will be considered because such rheology is common in bioreactors and these types of fluids induce different and more complex flow behavior compared to Newtonian fluids. Most bioreactors contain multiphase flow systems which induce challenges with optimal operation related to bubbles such as interfacial mass transfer and gas holdup. This project will provide fundamental understanding of bubble size distribution (BSD) and its influence on gas holdup - a key step for the industry towards more optimal and safe operation of digesters. In contrast to previous studies of aerated bioreactors, interfacial mass transfer fluxes will be investigated with detailed information on the interfacial area through BSD data. Unlike the traditional approaches for turbulence characterization, this project will develop a new fundamental method to investigate details of turbulent vortices such as their three-dimensional structure, size, tilting, stretching and how they dissipate. A significant achievement is obtained in this project if the turbulent characterization of non-Newtonian fluid flows can explain trends in BSD and mass transfer data during scale-up, because such knowledge of turbulence will help to enable the necessary improvements in bioreactor performance. The project will establish a strong and multidisciplinary research group that has the best possibilities to produce new knowledge necessary to bring the society a step closer to the realization of significant bio-industry.