W pracy dokonano analizy nieliniowych właściwości stacjonarnych procesów mikrobiologicznych przebiegających w bioreaktorach przepływowych z biofilmem na ich wewnętrznych ścianach. Wzięto pod uwagę różne modele kinetyczne procesów mikrobiologicznych, różne modele biofilmu oraz dwa graniczne modele hydrodynamiczne, tj. całkowite wymieszanie i przepływ tłokowy. Strukturę strumienia odpowiadającą całkowitemu wymieszaniu wykorzystano do analizy właściwości przepływowego bioreaktora zbiornikowego. Ideę przepływu tłokowego użyto do badania właściwości reaktorów rurowych.
Dla bioreaktorów przepływowych charakteryzujących się całkowitym wymieszaniem rozwiązano następujące problemy badawcze:
- określono charakterystyki stacjonarne poprzez wyznaczenie gałęzi stanów ustalonych tych bioreaktorów dla kinetyki jednosubstratowej i dwusubstratowej,
- wyznaczono stabilność lokalną stanów stacjonarnych.
Dla bioreaktorów charakteryzujących się przepływem tłokowym określono ich charakterystyki stacjonarne poprzez wyznaczenie stanów ustalonych takich obiektów dla kinetyki dwusubstratowej.
Zakres pracy objął również zagadnienia modelowania biofilmu. Do tych zagadnień należy zaproponowanie metody wyznaczania głębokości penetracji dyfuzyjnej oraz zastosowanie metody automatów komórkowych do określenia struktury biofilmu. Wykazano, że uwzględnienie obecności biofilmu na ścianach bioreaktorów przepływowych powoduje istotne zmiany we właściwościach procesowych tych obiektów. Zatem ich modelowanie z uwzględnieniem obecności immobilizowanej biomasy jest uzasadnione.
Równie ważne wnioski dotyczą zagadnień związanych z prowadzeniem badań doświadczalnych. Wnioski te mogą posłużyć do zdefiniowania wytycznych prowadzenia badań kinetycznych oraz do weryfikacji eksperymentalnych równań określających szybkość zrywania biofilmu.
This dissertation concerns nonlinear steady-states properties of microbiological processes occurring in continuous bioreactors with biofilm. The analysis takes into account different kinetic models of microbiological processes, different models of biofilm and two boundary hydrodynamic models, i.e. perfect mixing and plug flow. The idea of perfect mixing was used to examine properties of continuous tank bioreactors, whereas the idea of plug flow was used for tubular bioreactors.
For continuous stirred tank bioreactors following research problems were solved:
- determination of steady-states branches of these bioreactors for single-substrate and double substrate kinetics,
- determination of local stability of steady-states.
For bioreactors characterized by plug flow, their steady-states characteristics were defined by determining the steady-states for double-substrate kinetics.
The scope of work also covered the issue of modeling of biofilm. These issues incorporate proposing a method for determining the diffusional penetration depth, and application of theory of cellular automata to determine the structure of the biofilm. It was proved that taking into account the presence of the biofilm on walls of continuous bioreactors, causes significant changes in process properties of the bioreactors. Therefore, modeling with taking into account the presence of the immobilized biomass is justified.
Equally important conclusions concern issues related to the guidance of experimental research. These conclusions can be used to define the guidelines for the examinations of microbial kinetics, and to be used for verification of experimental equations defining the biofilm detachment.
