Reaction and mass transfer kinetics in multiphase bioreactors:experimental and modelling studies

In the sugar platform of biorefining, the complex polymeric structure of lignocellulose biomass is degraded into sugars, which are utilized by microbial cells in the further processing steps. The reaction steps in both biomass degradation and microbial fermentation processes involve multiphase reactions in which mass transfer and reaction kinetics often play a key role. The aim of this thesis is to characterize the effect of these conditions on enzymatic hydrolysis of cellulose and utilization of sugars by aerobic microbes. These types of liquid-solid (cellulose hydrolysis) and liquid-gas (microbial cultivation) systems are typically very demanding on the reactors that are used in the process. By the fed-batch process utilized in this work, sufficient mixing in enzymatic hydrolysis of cellulose is achieved even with high final substrate concentration. One of the main outcomes of this work is the kinetic model that concentrates on the kinetics of fed-batch process by discretizing the substrate into subpopulations. By using this approach, the model parameters were identified in an adequate manner, and the poorly identified parameters could be sorted out. Parameter identifiability has been an issue in previous models for enzymatic hydrolysis of cellulose. Based on the experiments and modelling studies, it can be concluded that the enzymes remain intact for time scales relevant for the hydrolysis process. Thus, the decrease in the hydrolysis rate found in many literature studies is probably mostly due to substrate-enzyme interactions rather than denaturation of the enzyme. In aerobic cell cultivations, the mixing and mass transfer conditions are often more critical for the process performance. In this work, we studied the performance and suitability of alternative reactor types to be used in aerobic cell cultivations and obtained some promising results. In addition, the thesis presents a modelling approach to study the effect of process conditions on metabolism
Tiivistelmä Biojalostuksen sokerialustassa lignoselluloosapohjaisen biomassan monimutkaista polymeerirakennetta muokataan ja sieltä vapautetaan monomeerisia sokereita, joita voidaan edelleen hyödyntää jatkojalostuksessa. Monet jatkojalostusprosessit käyttävät mikrobeja, joiden aineenvaihdunnassa sokereita voidaan jalostaa arvokkaammiksi tuotteiksi ns. fermentointiprosesseissa. Tämän väitöstyön tarkoitus on tutkia reaktio- ja aineensiirtokinetiikan vaikutusta selluloosan entsymaattiseen hydrolyysiin ja aerobisiin mikrobifermentointeihin. Näistä ensimmäinen on neste-kiintoainesysteemi ja jälkimmäinen neste-kaasusysteemi, ja tällaiset prosessit asettavat tyypillisesti merkittäviä vaatimuksia niissä käytettäville reaktoreille. Tässä työssä hyödynnettiin kiinteän raaka-aineen vähittäistä syöttöä (ns. fed-batch prosessi) selluloosan hydrolyysissä, jolloin sekoitus voidaan pitää riittävänä suurillakin kiintoainemäärillä. Työn merkittävin tuotos on kineettinen malli, jossa hyödynnetään fed-batch prosessia ja koedataa osittamalla mallinnusyhtälöt raaka-aineen syöttöajan perusteella. Tällä tavalla mallin parametrit saatiin identifioitua kohtuullisella tarkkuudella sekä eriteltyä huonosti identifioituneet parametrit. Mallin parametrien identifiointi on ollut ongelmallista monissa vastaavan tyyppisissä malleissa aiemmin. Kokeiden ja mallinnustulosten perusteella voidaan sanoa, että hydrolyysissä käytettävät entsyymit pysyvät aktiivisina prosessin aikana, ja usein todettu hydrolyysin hidastuminen johtuu ennemmin kiinteän kuidun ja entsyymien vuorovaikutuksen muutoksista kuin entsyymin denaturoitumisesta. Aerobisiin mikrobikasvatuksiin liittyen tässä työssä tutkittiin vaihtoehtoisten reaktorityyppien hyödyntämistä, joista saatiin myös lupaavia tuloksia. Lisäksi työssä kehitettiin mallinnustyökaluja, joilla voidaan tutkia prosessiolosuhteiden vaikutusta Pichia pastoris -hiivan metaboliaan ja kasvunopeuteen. Mallissa yhdistetään hiivan kasvun kineettinen malli sekä reaktoriolosuhte