Η υπολογιστική ανακατασκευή πορωδών υλικών και η προσομοίωση των φαινομένων μεταφοράς και των φυσικο-χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό τους είναι πολύτιμο εργαλείο για το σχεδιασμό νέων εφαρμογών ρόφησης ή διαχωρισμού μιγμάτων, όπως είναι η απομάκρυνση συστατικών με μεμβράνες βιο-αντιδραστήρων. Διάφορες ενδιαφέρουσες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα για την τρισδιάστατη ανακατασκευή πορωδών μέσων, είτε με σειριακή τομογραφία είτε με στοχαστικές τεχνικές, χρησιμοποιώντας μικρό αριθμό φυσικών τομών. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι τεχνικές της βαλλιστικής εναπόθεσης, της στοχαστικής κατανομής Monte Carlo, και της Monte Carlo με σκληρό πυρήνα. Τόσο ο καθορισμός των ιδιοτήτων της μεμβράνης, όσο και η βελτιστοποίηση της μεμβράνης ανάλογα με την εφαρμογή της στη βιομηχανία καθιστούν την υπολογιστική αποτύπωση της εσωτερικής δομής των πορωδών μέσων εξαιρετικά χρήσιμη. Επιπλέον, τα συμπεράσματα που εξάγονται βρίθουν εφαρμογών, όπως η υδρόλυση της λακτόζης. Οι μεμβράνες οι οποίες μελετώνται χαρακτηρίζονται ως υβριδικές δύο στρωμάτων, ενώ στο εσωτερικό τους εσωκλείουν ακινητοποιημένα ένζυμα β-γαλακτοσιδάσης. Κατά τη θεωρητική ανάλυση των φυσικο-χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της μεμβράνης, ανέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα ως προς την αποδοτικότητα της μεμβράνης καθώς πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση για αρκετές παραμέτρους του προβλήματος. Χρησιμοποιήθηκαν τιμές για τις αποτελεσματικές ιδιότητες μεταφοράς της μεμβράνης όπως προέκυψαν από την επίλυση των αντίστοιχων προβλημάτων μεταφοράς στις ανακατασκευασμένες δομές, και βρέθηκε σημαντική επίπτωση των τιμών αυτών στη λειτουργία της μεμβράνης. Οι υβριδικές (ασύμμετρες) μεμβράνες τέτοιου τύπου βιο-αντιδραστήρων έχουν αυξημένο επιστημονικό ενδιαφέρον χάρη στην ποικιλία των βιομηχανικών τους εφαρμογών. Έτσι, η διαδικασία της ανακατασκευής και της φυσικο-χημικής ανάλυσης του προβλήματος μπορεί να εφαρμοστεί και σε πιο περίπλοκες διατάξεις μεμβρανών, όπως αυτών που χρησιμοποιούνται στο πεδίο της αιμοκάθαρσης, φιλτράρουν και αποσύροντας μέσω ρόφησης την κρεατίνη από το αίμα. / The computational reconstruction of porous media and the simulation of transport phe-nomena and physicochemical processes that take place at their interior are valuable meth-ods for designing new applications related to sorption mechanisms or separation of mix-tures, such as the removal of specific substances with bioreactor membrane systems. Several quite interesting techniques have been evolved for the three dimensional reconstruction of porous media, either by using stochastic methods or by serial tomography. In the present thesis the Ballistic deposition method, the Monte Carlo stochastic distribution and the stochastic Monte Carlo with impermeable cores, also known as the “cherry pit” model, are investigated. The estimation of the membrane properties, as well as the membrane optimization depending on its industrial application, turns the porous structure representation into a substantial element of the process. Furthermore, the conclusions that are drawn are utilized in various applications, such as the hydrolysis of lactose, for instance. The membranes that are examined here are characterized as two-layered hybrid membranes, which host immobilized enzymes of beta-galactosidase in their interior. During the theoretical analysis of physical and chemical phenomena that take place inside the membrane, quite interesting results were derived concerning the effectiveness of the membrane, while a quantitative analysis was performed for the majority of the system parameters. Moreover, the effective transport properties of the membrane were calculated by solving the pertinent mass transport problems in the reconstructed media and found to have an important influence on the membrane operation. Finally, this kind of hybrid (asymmetric) bioreactor membranes has an increasing scientific interest thanks to their increasing potential applicability in modern industrial practice. Therefore, the reconstruction procedure and the physical and chemical analysis of the problem can be applied to more complicated membrane devices, such as those used in blood purification, where membrane devices filtrate the blood and remove its creatinine through sorption.

Polymer hydrolysis is the first (and rate limiting) step for biomethanation of heterogeneous biomass feedstock’s. Satisfactory hydrolysis has been difficult to achieve, understand and predict adequately, to run anaerobic bioreactors with such feedstock’s efficiently. The fraction of hot water soluble extracts (crude proteins and extractables, Fcpe), the nature and material of intercellular binding and the extent and complexity of lignin present have been considered as key parameters for hydrolysis and has been analyzed for a variety of biomass degradation data available at the Centre for Sustainable Technologies, Indian Institute of Science. Feedstocks were grouped into those bound with high levels of pectic/protein materials or lignin-bound types. The data on the initial (10-15d) as well as the overall rates of hydrolysis (0-50d) has been analyzed. The extent of hydrolysis achieved for pectin bound substrates were high (≥65%) and that of lignin bound substrate was low (≤30% VS, Acacia). The initial hydrolysis rates were strongly correlated to the content of extractables (=0.117Fcpe). Subsequently, the hydrolysis rates rise to reach maxima and then begin to fall. Most fresh feedstock had somewhat similar rates of the increase in hydrolysis rates but the time to reach maximum and its value varied among feed stocks. Many lignin bound feed stocks did not have such a pattern. With regards to the overall hydrolysis rate constant, it was found that these clustered into two groups that represented pectin bound (0.154/d) and lignin bound (0.045/d) types. Therefore from this study it was concluded that anaerobic decomposition of heterogeneous biomass could be predicted using two rate parameters and one intrinsic property of the biomass feedstock, namely, a. the initial rate of hydrolysis (based on the extent of extractables =0.117 Fcpe) b.the maximum rate achieved and the time when it is reached (an intrinsic property based on feed stock and but not determined in this study) c. the overall hydrolysis rate (choosing between 0.154 /d or 0.045 /d depending upon the nature of inter-cellular binding material, pectin or lignin, respectively). This research provides new insights into the prediction of hydrolysis rate a key limiting step for heterogeneous biomass biomethanation (hydrolysis) based on the level of extractables, the type of cellular cementing material and the maxima that can be achieved.