为提高微藻光生物反应器内混合性能的流动优化理论研究

Microalgae that can be used for CO2 fixation and lipid synthesis to produce biofuel are now being considered internationally as promising bioenergy sources with the great potential to displace the petroleum. The large-scale cultivation of microalgae at low cost is the precondition of the microalgal bioenergy industrialization. In a cultivation process, the mixing state achieved in the photobioreactor (PBR) is an important factor that influences the efficiency of CO2 fixation and the final microalgae productivity. Since the flow condition of the culture has a predominant effect on the mixing performance, the enhancement of mixing performance is essentially dependent on the optimization and control of the flow pattern in the PBR. If we can find out the optimization theory and method of the flow process, we can instruct the optimization design of the PBR theoretically. Based on this idea, in this proposal, we will find out the optimal flow of the culture that can attain the best mixing performance under given constraint conditions (a certain power input, etc.) by theoretical method, reveal the physical mechanism of why the optimal flow can enhance the mixing performance and investigate the key parameters that influence the mixing. Based on the understanding of the physical mechanism, the optimization design of the PBR will be carried out, with the aim that the real flow of the culture approaches the optimal one and the resulting real mixing performance approaches the best one. This proposal covers a typical fundamental problem abstracting from the applications. By such a research, we hope to construct and realize the low-cost flow control and the enhancement of the mixing performance that speed up the development and industrialization of the microalgal bioenergy.

微藻能高效固定CO2合成脂类以生产生物燃料，被国际上认为是一种极有潜力替代石油的生物资源，其低成本规模化培养是实现微藻能源产业化的前提。微藻培养过程中光生物反应器内藻液的混合性能是影响微藻固碳效率及产量的重要因素。藻液的流动强烈影响着混合，因此混合性能的提高在本质上取决于对藻液流动的优化和控制，如果能掌握流动优化理论和方法，那么就可以从理论上指导反应器设计。本项目基于此想法，先通过理论方法找到输入功率给定等约束条件下微藻光生物反应器内的最优流场，该流场使藻液的混合性能达到最佳，揭示最优流场能够提高混合性能的物理机制，研究混合性能的关键影响参数。基于机制的理解结合数值模拟和实验对反应器进行优化设计，使其内流场接近最优流场，进而使藻液混合性能接近最佳。本项目是一个典型的从应用中提出的基础问题，期望优化理论和研究结果能指导实现有效低成本的流动控制及混合性能提升，加速微藻能源产业化进程。

微藻能高效固定CO2合成脂类以生产生物燃料，被国际上认为是一种极有潜力替代石油的生物资源，其低成本规模化培养是实现微藻能源产业化的前提。微藻培养过程中光生物反应器内藻液的混合性能是影响微藻固碳效率及产量的重要因素。藻液的流动强烈影响着混合，因此混合性能的提高在本质上取决于对藻液流动的优化和控制。本项目研究了影响微藻产量的关键混合参数，揭示提高藻液混合性能的物理机制。基于机制的理解结合数值模拟和实验对反应器进行优化设计，以提高藻液的混合性能。研究结果表明，与其他表征混合性能的参数相比，微藻粒子的光暗循环频率与微藻的产量更直接相关。在藻液的物理性质给定的情况下，光暗循环频率的大小不仅取决于速度场和光照场本身，还取决于它们两者之间的协同程度。在速度场和光照场协同较好的条件下，能使得在较小的功耗条件下获得更高的光暗循环频率，最终提高微藻的产量。可通过以下两方面达到更好的协同：（1）使纵向涡的中心尽可能接近光暗分界线；（2）去除涡中心远离光暗分界线的多余纵向涡。这一协同思想的主要应用为两方面，其一为有助于理解现有的关于反应器内加强流动混合的实验和模拟结果；其二，也是更为重要的是，可以指导发展反应器内混合器设计的新方法。例如，在该思想的指导下，找到从内侧减小管式反应器内螺旋型混合器径向高度的设计方法，使得藻液的光暗循环频率增加了10.8%，同时泵功减小了23.8%。上述优化理论和研究结果有望指导实现有效低成本的流动控制及混合性能提升，加速微藻能源产业化进程。