能源微藻釜式光生物反应器中光能分布吸收与放大的CFD研究

发布时间：2017-08-21 22:00

  本文关键词：能源微藻釜式光生物反应器中光能分布吸收与放大的CFD研究

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【摘要】：釜式光生物反应器是由发酵罐反应器演化而来,发酵罐反应器具有操作条件稳定、工艺成熟、易于控制等优点。光是制约微藻生长的重要因素,反应器的结构设计和细胞培养过程中必须充分考虑光能的吸收和利用,这就要求对反应器内光分布和吸收进行研究。小型釜式光生物反应器要用于微藻的大规模培养必须要进行放大,根据反应器内不同搅拌器的混合效果进行反应器放大对于微藻工业化生产具有重要意义。本课题采用CFD方法模拟釜式光生物反应器内藻液中小球藻细胞浓度N=2.9153×1011 cell/m3时,培养液中无气泡及气含率为5%、10%、15%和气泡直径为1、3、5 mm的光能分布。气泡直径确定时,随着气含率的增加近光源位置光强度增强,沿径向光衰减增加；气含率确定时,气泡直径减小光散射能力增强,径向光衰减加剧。光波长分别为400-500、500-600、600-700 nm时,藻液光能吸收率随着入射光强度、气含率、气泡直径的变化而变化,当气含率=7.5%、气泡直径=3 mm时,由光能吸收率与入射光强度比得到的参数Xλ可知,波长400-500 nm时,Xλ=5.9 m2为最高,波长在500-600 nm时,Xλ=1.9m2最低。最后,对釜式光生物反应器进行了放大研究,500 L釜式反应器内采用3层搅拌器混合,考察剪切和传质系数得到翼型桨最佳,雨生红球藻的异养培养验证了翼型桨的特性。将翼型桨和推进桨用于放大直径为1.8 m、高径比2.1：1的10T反应器,3层翼型桨d/D=0.4时,其剪切和传质性能最佳。
【关键词】：计算流体力学 能源微藻 釜式光生物反应器 光强度分布与吸收 反应器放大
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 前言10-12
• 第2章 文献综述12-23
• 2.1 光生物反应器的研究现状12-18
• 2.1.1 开放式光生物反应器12-14
• 2.1.2 封闭式光生物反应器14-18
• 2.2 光能研究的国内外现状18-21
• 2.2.1 微藻光合作用18-19
• 2.2.2 光生物反应器中光分布及光能吸收的研究进展19-21
• 2.3 计算流体力学及其应用软件21-23
• 2.3.1 概述21-22
• 2.3.2 CFD软件及工作原理22-23
• 第3章 光生物反应器内流体流动及辐射传递的数学模型23-31
• 3.1 流体流动的控制方程23-25
• 3.1.1 质量守恒方程23
• 3.1.2 动量守恒方程23
• 3.1.3 能量守恒方程23-24
• 3.1.4 组分质量守恒方程24
• 3.1.5 湍流控制方程24-25
• 3.2 微分方程的离散求解25-26
• 3.3 辐射传输方程26-27
• 3.4 辐射模型27-28
• 3.5 光生物反应器光源模型28-29
• 3.6 荧光灯的使用,荧光灯的特性29-31
• 第4章 釜式光生物反应器内的光能分布研究31-45
• 4.1 模型及网格无关性检验31-32
• 4.1.1 模型的建立31
• 4.1.2 网格的划分及网格无关性检验31-32
• 4.2 边界条件和初始化设置32-35
• 4.2.1 反应器壁面条件32-33
• 4.2.2 参数设置33
• 4.2.3 物性参数设置33
• 4.2.4 角度离散33-35
• 4.3 藻液及气泡的光学特性35-37
• 4.3.1 藻液的光学系数35
• 4.3.2 藻液的散射相函数35-36
• 4.3.3 气泡的光学散射系数36-37
• 4.3.4 气泡的散射相函数37
• 4.4 气泡存在对光强度分布的影响37-38
• 4.5 气含率对光强度分布影响38-41
• 4.6 气泡直径对光强度分布影响41-43
• 4.7 本章小结43-45
• 第5章 釜式光生物反应器内的光能吸收研究45-50
• 5.1 体积平均光能吸收率的公式45-46
• 5.2 气泡直径对光能吸收的影响46-48
• 5.2.1 不同波段体积平均光能吸收率46-48
• 5.2.2 体积平均光能吸收率48
• 5.3 光能吸收综合判断48-49
• 5.4 本章小结49-50
• 第6章 釜式光生物反应器的放大研究50-63
• 6.1 概述50-52
• 6.1.1 开展目的50
• 6.1.2 雨生红球藻介绍50-51
• 6.1.3 发酵罐反应器及搅拌桨介绍51-52
• 6.2 釜式光生物反应器的模拟研究52-55
• 6.2.1 网格划分52
• 6.2.2 模拟计算方案52-54
• 6.2.3 500L釜式光生物反应器模拟结果与讨论54-55
• 6.3 热模实验验证55-57
• 6.3.1 实验装置和材料55
• 6.3.2 实验及参数测量方法55-56
• 6.3.3 结果与讨论56-57
• 6.4 釜式光生物反应器的放大模拟研究57-61
• 6.4.1 放大说明57
• 6.4.2 釜式光生物反应器搅拌器的优化过程57-61
• 6.5 小结61-63
• 第7章 结论与展望63-65
• 7.1 主要结论63-64
• 7.2 前景展望64-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-72
• 攻读硕士期间表发论文72

【参考文献】

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本文编号：715328