微藻光生物反应器内光传输及生化动力学特性数值模拟研究

发布时间：2018-11-16 07:11

【摘要】：随着当今社会的高速发展,由二氧化碳引发的全球温室效应日益严重因此研究二氧化碳捕获及封存技术以及开发清洁可靠,环境友好的可再生能源已经成为科学研究前沿热点,利用光合微藻作为媒介进行二氧化碳的捕获和封存技术被认为是最有前途的用于固碳并生产生物质能源的生物法之一。平板式,直管式,柱式及螺旋管式光生物反应器是常见的光生物反应器,为深入分析其内光传输及分布规律,以及螺旋管式内由于二次流引发的明暗交替现象,光传输对微藻生长及底物消耗特性的影响规律,本文采用数值模拟方法,针对平板式,直管式,柱式以及螺旋管式光生物反应器内的光传输规律,微藻生长及消耗动力学特性加以研究,主要研究内容和结论如下:(1)对于蛋白核小球藻,当入射光强为30μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻处于生化动力学光限制区,当入射光强为70μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻的生化动力学特性开始出现光抑制现象,当入射光强为200μmol m~(-2) s~(-1)时,光生物反应器内靠近入射光的位置上的蛋白核小球藻的生化动力学特性随光照强度的增加呈现递减的变化趋势,而在远离入射光的位置,蛋白核小球藻的生化动力学特性随光照强度的增加呈现递增的变化趋势。(2)在平板式光生物反应器内蛋白核小球藻的生化动力学处于光限制区的入射光强为27.6μmol m~(-2) s~(-1),而入射光强为55.2μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻的生化动力学特性开始出现光抑制现象。而对于管式光生物反应器内蛋白核小球藻在入射光强为27.6μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻的生化动力学处于光限制区,当入射光强为58μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻的比生长及消耗速率开始出现光抑制现象。两种反应器内当入射光强为90μmol m~(-2) s~(-1)时,光生物反应器内靠近入射光的位置上的蛋白核小球藻的比生长及消耗速率随光照强度的增加呈现递减的变化趋势,而在远离入射光的位置,蛋白核小球藻的比生长及比消耗速率随光照强度的增加呈现递增的变化趋势。柱式光生物反应器内蛋白核小球藻生化动力学处于光限制区光强为27.6μmol m~(-2) s~(-1),入射光强为50μmol m~(-2) s~(-1)时蛋白核小球藻的生化动力学开始出现光抑制现象,在入射光强为70μmol m~(-2) s~(-1)时,光生物反应器内靠近入射光的位置上的蛋白核小球藻的比生长及比消耗速率随光照强度的增加呈现递减的变化趋势,而在远离入射光的位置,蛋白核小球藻的比生长及比消耗速率随光照强度的增加呈现递增的变化趋势。(3)针对螺旋管式光生物反应器内微藻生长的明暗交替现象,本文对螺旋管式光合微藻反应器内的流动特性及管内光分布特性进行了三维数值模拟,得到了相同藻液流速下,不同区域流体迹线的明暗交替频率不同,管中心处迹线的频率较小,远离中心线的上下两侧分布的迹线的频率较大;随液体流速增加,相同迹线明暗交替频率逐渐增大。(4)对螺旋管环绕中心柱式组合光生物反应器中的螺旋管式光生物反应器内蓝绿藻的生长动力学特性而言,入射光强为1000μmol m~(-2) s~(-1)时蓝绿藻的生长动力学处于光限制区,2100μmol m~(-2) s~(-1)时蓝绿藻的比生长速率开始出现光抑制现象。在入射光强为2380,2500以及3000μmol m~(-2) s~(-1)时,蓝绿藻的比生长速率的光抑制效应逐渐加强。对中心圆柱式光生物反应器内蓝绿藻的生长动力学特性而言,入射光强为1000μmol m~(-2) s~(-1)时蓝绿藻的生长动力学处于光限制区,入射光强为2000μmol m~(-2) s~(-1)时蓝绿藻的比生长速率开始出现光抑制现象。(5)针对一定入射光强下螺旋管环绕中心柱式组合光生物反应器内蓝绿藻比生长速率分布随培养时间及光程的变化规律,研究结果表明:蓝绿藻的比生长速率随时间及光程的增加呈现递减的变化趋势,并随入射光强的增加,比生长速率的衰减速度逐渐加快,而蓝绿藻的最大比生长速率逐渐增加。蓝绿藻的比消耗速率随时间逐渐增加,并随光程的增加呈现递减的变化趋势,随入射光强的增加,比消耗速率的增长速度逐渐加快,而蓝绿藻的最大比消耗速率逐渐增加。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q949.2

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本文编号：2334817