光生物反应器内流动、辐射和光生化反应协同机理的研究

One of the key issues that should be treated urgently is to design an efficient photobioreactor(PBR) for the cultivation of microalgae with high density at large scale. However, the design and scale-up of a PBR are blind to a certain extent at the present stage, manily due to the confusion of the synergetic mechanism of fluid flow, radiation and growth kinetics, especially the lack of sufficient research on the influence of the fluid flow and radiation to the microagale growth. In view of the multi-field synergetic transfer in the PBRs, the fluid flow and the photobioreaction are proposed to be combined in this project, and an integrated model including the fluid flow, radiation and growth kinetics of microalgae will be set up, solved and verified. The synergetic transfer mechanisms will be investigated, and the effects of the geometric and operating parameters on growth kinetics will be analyzed. In addition, the quantitative relationship between the flow, radiation and cell growth dynamics will be determined, and the synergetic mechanism among them will be revealed. The developed methods will be utilized to look for efficient ways to promote the performance of the newly designed PBR.

构建适合于微藻生长的光生物反应器是实现微藻高密度和规模化培养亟待解决的关键问题之一。由于对光生物反应器内流体流动、光辐射和微藻生长速率之间协同作用的机理不清楚，尤其缺乏流场和辐射场对微藻生长速率影响的研究，现阶段光生物反应器的设计和放大存在着一定的盲目性。本项目针对光生物反应器内的多场协同传递过程进行研究，将流体流动和微藻的光生化反应相结合，建立、求解、验证包含流体流动、光辐射和微藻生长的集成数学模型，研究其多场协同传递机理，分析结构和操作参数对反应器性能的影响，确定流体流动、光辐射和微藻生长速率之间的定量关系，揭示其协同作用机理，从而进一步寻求提高反应器性能的方法。

本项目围绕光生物反应器内多相流动、相间传质、流体混合、光传播及新型反应器的设计及工程应用展开了研究，进展比较顺利，均取得了较大的进展，主要成果如下：.1）、将气液多相流动与微藻光生化反应的光合成工厂模型相结合，推导并建立了描述微藻生长、流体流动和光辐射相互作用的数学模型，在多相流动和光生化反应之间建立了沟通的桥梁，可定量描述宏观混合对微藻生长的影响，并可合理解释微藻生长过程中的各种奇特现象。.2）、针对传统设计侧重考虑光辐射和曝气影响，提出还应特别注重其寿命和控温。发明了一种新型光合微生物培养系统，该装置造价与传统跑道池相当，具有操作成本低、易于控温和清洗、能耗低、光合效率高、使用寿命长等突出优点。.3）、系统性地进行了获国际同行好评的特色平板气升环流式光生物反应器内多相流体动力学、混合、曝气速率、微藻生长速率、相间传质、溶氧浓度、CO2溶解浓度、pH以及关键营养元素代谢规律等的研究，对小球藻的大规模培养工艺条件进行了优化。.4）、研究了小球藻的PSF生长动力学，分析小球藻的生长与流动、辐射、光明/光暗之间的耦合关系，为光生物反应器的进一步优化和理性设计提供理论基础。实验结果表明，小球藻的饱和光强约200 μmol·m-2·s-1，抑制光强约500 μmol·m-2·s-1。.5）、发展了可测量光生物反应器内低气含率的排水法及图像法，提出了重叠气泡的图像识别方法，采用数字图像技术研究了工业气体分布器气泡分布规律，为光生物反应器等气液反应器的工业设计及应用提供重要指导和参考。.发表重要期刊论文12篇；国际会议论文2篇、国内会议论文1篇；授权国内发明专利和实用新型专利各1项；授权软件著作权5项；申请国际PCT发明专利1项，还申请有6项国内发明专利；还有4篇论文在著名化工期刊审稿，还有部分成果正在整理；培养研究生5名。本项目建立的数学模型是原始性的创新，为光生物反应器的科学设计提供指导，发明的光生物反应器也极具应用前景。