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Comprehensive Computational Model for Coupled Fluid Flow, Mass Transfer, and Light Supply in Tubular Photobioreactors Equipped with Glass Sponges

Mink, Albert 1; Schediwy, Kira 2; Posten, Clemens 2; Nirschl, Hermann 1; Simonis, Stephan ORCID iD icon 3; Krause, Mathias J. 1,3
1 Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik (BLT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für Angewandte und Numerische Mathematik (IANM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

The design and optimization of photobioreactor(s) (PBR) benefit from the development of robust and quantitatively accurate computational fluid dynamics (CFD) models, which incorporate the complex interplay of fundamental phenomena. In the present work, we propose a comprehensive computational model for tubular photobioreactors equipped with glass sponges. The simulation model requires a minimum of at least three submodels for hydrodynamics, light supply, and biomass kinetics, respectively. First, by modeling the hydrodynamics, the light–dark cycles can be detected and the mixing characteristics of the flow (besides the mass transport) can be analyzed. Second, the radiative transport model is deployed to predict the local light intensities according to the wavelength of the light and scattering characteristics of the culture. The third submodel implements the biomass growth kinetic by coupling the local light intensities to hydrodynamic information of the CO2 concentration, which allows to predict the algal growth. In combination, the novel mesoscopic simulation model is applied to a tubular PBR with transparent walls and an internal sponge structure. ... mehr


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000152249
Veröffentlicht am 04.11.2022
Originalveröffentlichung
DOI: 10.3390/en15207671
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Zitationen: 7
Web of Science
Zitationen: 5
Dimensions
Zitationen: 11
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Angewandte und Numerische Mathematik (IANM)
Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik (BLT)
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2022
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 1996-1073
KITopen-ID: 1000152249
Erschienen in Energies
Verlag MDPI
Band 15
Heft 20
Seiten Art.-Nr.: 7671
Bemerkung zur Veröffentlichung Gefördert durch den KIT-Publikationsfonds
Vorab online veröffentlicht am 18.10.2022
Schlagwörter computational fluid dynamics; radiative transport; lattice Boltzmann method; photobioreactors; numerical simulation
Nachgewiesen in Dimensions
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