螺旋管式光生物反应器设计研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号: 093424 螺旋管式光生物反应器设计 吴良柏 李震 宋耀祖 （清华大学航天航空学院，北京 100084） Tel： 010E-mail: wulb04@mails.tsinghua.edu.cn 摘要：小球藻光合作用强，生长速率快，被人们看作21世纪保健品和生物柴油的潜在源泉。大规模成 功培养小球藻是将这一潜力变为现实的关键。因而合理设计小球藻生长所在的空间——光生物反应器 显得非常重要。本文设计了两种螺旋管式光生物反应器（I型和II型），采用FLUENT软件，给出了螺 旋管反应器内小球藻流体的流动形态；利用Lagrangian法确定了反应器内小球藻细胞的运动轨迹；根据 计算的反应器横截面旋流数大小确定了螺旋管光生物反应器的纵向混合性能。结果显示在螺旋管光生 物反应器的横截面上能形成很明显的漩涡；对于I型和II型光生物反应器，对应表征混合性能优越的旋 流数分别为0.05到0.15之间和0.25到0.35之间，远高于直圆管反应器（其值接近于0 ）。因此本文设计的 螺旋管光生物反应器应用于小球藻大规模培养有着巨大的潜力。 关键词：小球藻 螺旋管 光生物反应器 旋流数 Lagrangian法 0 引言 小球藻是普生性单细胞绿藻，属绿藻纲绿球藻目卵囊藻科小球藻属(Chlorella) ，在 自然界的分布广泛，以淡水水域为多，生物量大，能利用光能自养，也能在异养条件下 利用有机碳源进行生长、繁殖。小球藻的蛋白质含量约为50%-55%，是一种理想的蛋白 质资源,可以通过光合作用吸收CO 、放出O 。小球藻不仅在医药、化工等领域也有着广 2 2 泛的应用前景，而且在受控生态生保系统中有着重要的应用价值[1,2] 。目前，小球藻培养 系统可以分为两大类，即开放式系统（如开放式池塘）和封闭式系统（也被称为光生物 反应器）。与开放式培养系统相比，封闭式系统更容易实现受控的培养条件，如藻类细 胞的高密度培养、避免外界环境的污染等。因此，人们对光生物反应器进行了广泛而深 入地研究，提出了多种样式的反应器，如平板式[3] [4,5] [6] 、圆管式 、圆环式 、容器搅拌式 [7,8]等光生物反应器。 [9] 由于具有光照比表面积大、适合户外培养、生物产量高等优点 ，圆管式光生物反 应器被认为是一种最有潜力进行大规模培养小球藻的反应器。然而，将圆管式光生物反 应器应用于工业化大规模培养小球藻还鲜有报道，这是因为光照强度过高引起的光抑制 现象以及管径较大时细胞之间的相互遮挡光照强度过低引起的光限制现象都不利于小 球藻的规模化生产。对于大规模和高密度培养小球藻，在管式光生物反应器中间存在一 个很大暗区域，在这个区域内的小球藻不能满足其生长对光照的要求。管式光生物反应 器的性能取决于传递给小球藻的光强和营养物质[10] ，因而，有必要对光生物反应器的光 区域和暗区域的小球藻流体进行有效的混合。 为了增强光生物反应器内流体之间的混合，本文设计了两种螺旋管式光生物反应 器。通过CFD数值模拟，给得到了螺旋管反应器内小球藻流体的速度场分布，利用 Lagrangian法确定了光生物反应器内小球藻细胞的运动轨迹，并计算得到了螺旋管和直 圆管光生物反应器横截面上旋流数大小，确定了螺旋管光生物反应器的纵向混合性能。 结果显示在螺旋管光生物反应器的横截面上能形成很明显的漩涡，小球藻流体绕轴向扭 曲流动，而在直圆管反应器内没有涡旋流动。对于I型和II型螺旋管光生物反应器，其横 截面旋流数的变化范围分别为0.05到0.15 以及0.25到0.35 ，远高于旋流数接近于0 的III型 直圆管光生物反应器。表征混合性能优越的旋流数分布分别为0.05到0.15之间和0.25到