光生物反应器内两相流动及传递对微藻生长的影响

摘要

利用微藻实现生物固碳及其能源化利用是目前国内外研究的热点之一。跑道池是目前使用最为广泛的开放式微藻培养系统,具有造价低,易于扩大化培养等优点,但其发展受到微藻光合效率、传质以及光照等因素的限制,生产效率低。跑道池微藻光生物反应器内气液两相传递性能是影响微藻生长以及二氧化碳固定率的重要因素。
　　本文以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa,CP)作为实验用藻种,针对跑道池微藻光生物反应器内微藻的生长特性、微藻光生物反应器内气液两相传递特性及其强化开展了研究工作。系统研究了气体流量、光照强度、光照周期等因素对跑道池光生物反应器内蛋白核小球藻生长与代谢性能、藻液分层现象的影响。对微藻反应器内的气液两相流动行为进行了可视化实验,研究了曝气孔径、气体流量及 CO2浓度对光生物反应器内气泡动力行为的影响,探讨了气体对藻液分层及浮选效果的影响。提出脉冲曝气的强化传质方式,可视化研究了脉冲曝气条件下反应器内的气泡行为,讨论了曝气间隔时间对反应器内蛋白核小球藻生长特性的影响。
　　主要研究内容和成果如下:
　　①在跑道池光生物反应器内,在最佳气体流量2000mL/min条件下,光照强度为160μmol·m-2·s-1,光照周期为16:8时最有利于蛋白核小球藻的生长;光照强度为90μmol·m-2·s-1和光照周期为16:8的条件均有利于藻细胞内油脂的积累。
　　②光照条件的改变对反应器中蛋白核小球藻的生长、分层及沉降均有一定的影响,且藻液的分层与藻细胞内油脂及碳水化合物的百分含量存在一定的吻合关系,即上层藻液中藻细胞油脂百分含量高,下层藻液中藻细胞碳水化合物百分含量高。
　　③随着曝气孔径的增大,反应器内部气泡的直径和运动速度均呈现出逐渐增大的趋势,且气泡在藻液中的直径和运动速度均小于其在纯水中的直径和运动速度。随着气体流量的增加,气泡的直径和运动速度也随之增大。反应器中气泡的直径和运动速度随CO2浓度的升高而减小。
　　④在20mL/min的气体流量下,曝气孔径越小,藻液的分层现象越明显。随着气体流量的增加,反应器内上层藻细胞浓度呈现先增加后减小的趋势。CO2浓度越高,藻液内的分层现象越明显。
　　⑤与连续曝气相比,适当的脉冲曝气时间能够提高藻细胞内叶绿素的含量,提高其光能利用率以及固碳性能,获得较大的生物量。实验表明,曝气时间为12s时,反应器内小球藻的生长速率最高,最大的生物量为1.47g/L,是连续通气时的2.63倍。脉冲曝气在一定程度上可以延缓气泡直径和速度的增长,气泡平均直径为1.036mm,平均速度为7.73cm/s时,最有利于反应器内小球藻的生长。