稀土转光发光颗粒对光生物反应器流动与光分布特性的影响

光照条件和光分布是微藻光生物反应器设计和应用的核心。光生物反应器中光线在传输过程中因反谢、折射和藻细胞遮光作用，光照迅速衰减，在远离反应器受光面的中心区域光照严重不足。因此传统的光生物反应器不得不采用细管式，薄板式等结构，反应器空间利用率低、放大困难。本项目提出在反应器内添加稀土长余辉转光发光颗粒。利用其在悬浮混合状态下，在反应器的近壁受光面接受短波长光激发后，因余辉作用随流体流动持续发光，从而改善反应器的光强分布，提高光的利用率和微藻光合产率。通过实验和流体力学数值模拟，考察发光颗粒在反应器内的流体力学特性、传质特性、光强分布特征及其波动规律。以三角褐指藻为模式藻，考察其对微藻光合产率的影响。该项目的研究结果将为构建一种全新的微藻培养光生物反应器，并开发功能转光发光颗粒材料在微藻培养中的应用提供参考和理论依据。

光照分布不均匀是是限制微藻光生物反应器中微藻培养效率的重要原因。本项目先通过对光生物反应器流动与光分布特性研究，并提出在反应器中加入悬浮稀土分光转光颗粒，借助颗粒随体的运动来改善反应器内光的分布。制备了多种粒径为1—2mm、密度为1.5-1.08的发光颗粒，研究了其在反应器内的临界气速、考察了颗粒的悬浮混合特性，以及加入量对反应器气含率和传质系数的影响。提出了两种具隔板内构件的平板式光生物反应器，通过实验测定和数值模拟系统研究了其流动、传质特征及其反应器结构与操作条件的关系。表明隔板内构件的加入强化系统传质与明暗循环，从而提高了微藻培养效率。针对目光生物反应器中光分布特性实验与模拟研究的难点，而对反应器光分布特性的理解又是指导反应器设计、操作与新反应器研制的关键，首次建立了基于光能辐照的反应器光传输模型。并与Fluent软件的流动DOM模型进行耦合，并首次成功实现了光生物反应器的流动与光分布的模拟与仿真。研究了稀土发光颗粒对三角褐指藻培养的影响，表明在反应器光照不足的情况下发光颗粒对微藻的生长有明显的促进作用。项目的这些研究成果将为深入理解光生物反应器的特性，特别是光分布与波动规律，从而为微藻培养光生物反应器的设计、放大奠定重要理论基础。