微藻培养体系光传递与气液传质现象研究

发布时间：2018-04-09 13:34

本文选题：微藻　切入点：光传递　出处：《北京科技大学》2017年博士论文

【摘要】：微藻被认为是一种最有潜力替代石油的生物资源,其规模化培养已成为制约微藻产业化进程的主要瓶颈之一。迄今为止,学者们多基于生物学的角度,重点探讨培养条件,如光照、温度、无机碳浓度、溶氧等对微藻生长的影响,并开发出了多种开放式和封闭式微藻培养系统。然而,已有研究中却鲜有基于传递现象来深入分析培养系统内光传递、光暗循环、气液传质等参数对微藻培养的影响。这直接制约了高效、规模化的微藻培养系统的设计、优化和放大。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,分析研究了开放式微藻培养系统内的光传递现象和封闭式微藻培养系统内的气液传质现象。基于辐射传输原理,采用Mie散射理论,分析了培养液内微藻细胞和微气泡的光学特性,建立了描述微藻培养体系内光分布规律的一维通用数学模型。通过实验测量微藻培养液内的光分布性质,考察了所建模型的有效性。结果表明：采用Mie散射理论和辐射传输理论相结合的方法能有效地描述和预测较大浓度范围内微藻培养液的光分布规律。实验测量了光照强度、光的波长和中频率间歇光(光暗周期和光暗比)对蛋白核小球藻生长的影响。研究发现：影响蛋白核小球藻生长的主要因素首先是光照强度,其次是光暗比,光暗循环周期的影响可以忽略。适合蛋白核小球藻培养的光照范围为50～220μE·m-2·s-1。当光照强度较高时,红光可以促进微藻细胞生长；当光照强度较低时,蓝光可以促进微藻细胞生长。采用中频率间歇光培养时,光暗周期对蛋白核小球藻生长的影响较小,提高光暗比可以有效促进蛋白核小球藻的生长。针对开放式微藻培养系统(跑道池),基于提高中频率间歇光中光暗比可促进微藻生长的实验现象,采用CFD数值模拟的方法,通过分析跑道池内微藻细胞的受光历程,结合培养液内的光分布特性,获得了微藻细胞的光暗循环特性。同时,考察了跑道池结构和操作参数对微藻细胞光暗循环特性的影响规律。研究表明：在5-12rpm下,降低跑道池内转桨叶轮的转速、布置导流板和采用V型截面结构的跑道池可有效提高跑道池内微藻细胞的光暗比,进而促进微藻细胞生长。针对封闭式微藻培养系统(气升板式光生物反应器),探讨了反应器内的CO_2气液传质现象。采用CFD计算的方法,模拟了气升板式光生物反应器内的气含率分布,获得了CO_2的体积传质系数,并进行了实验测试验证。进而分析了光生物反应器内布置直隔板和波纹隔板数目和位置对气液传质效果的影响。研究表明：单隔板时,气液传质系数随下降段与上升段截面积比(Ad/Ar)的增大先增大后减少；双隔板时,气液传质系数随Ad/Ar的增大而减少。对于单、双隔板的情况,仅当Ad/Ar较小时,采用波纹隔板可获得比直隔板更高的气液传质效果。本文研究结果,不仅可为促进微藻细胞的生长提供操作方法,更可为微藻规模化培养系统的设计、优化和放大提供重要的参考依据,对促进微藻生物能源发展具有重要的推进作用。
[Abstract]:In this paper , the effects of light transmission , light - dark cycle , gas - liquid mass transfer and other parameters on the growth of microalgae were studied .
In this paper , the effect of light - dark cycle on the growth of microalgal cells was studied by means of CFD numerical simulation .
The gas - liquid mass transfer coefficient decreases with the increase of Ad / Ar . For the case of single - and double - separator , only when Ad / Ar is small , the gas - liquid mass transfer effect is higher than that of straight separator . The results show that not only can the method of operation be provided for promoting the growth of microalgae cells , but also the important reference basis for the design , optimization and amplification of micro - algae large - scale culture system can be provided , and it is important to promote the development of microalgae biomass energy .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q949.2

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