中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

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管式光生物反應器中螺旋混合器的徑向高度 對光暗循環頻率和壓降的影響

作者 秦超,雷玉玲,吳晶
作者單位 華中科技大學,能源與動力工程學院,武漢 430074
摘要 將光暗循環頻率的無量綱增量與壓降的無量綱增量之比定義為光暗循環強化效率,作為混合器的經濟 性評價指標。通過計算流體力學方法,比較了帶有不同徑向高度混合器(H=10mm,15mm 和20mm)的反應 器的光暗循環強化效率。結果表明,在入射光強為800μmol·m-2·s-1 時,通過將H 從20mm 降低到15mm 和10mm,強化效率從12.0% 升高到了22.9% 和22.3%;在光強為375μmol·m-2·s-1 時,強化效率則從 13.4% 變為12.0% 和21.7%。即在這兩種光照條件下,徑向高度較低的混合器具有更高的光暗循環強化效率。 基于對結果的分析,提出可根據速度場和光照場的協同來設計混合器。
關鍵詞 管式光生物反應器,螺旋混合器,混合器徑向高度
DOI 10.3969/j.issn.1674-0319.2018.02.012
Abstract In this work, the effi ciency of light/dark cycle enhancement, defi ned as the ratio of the dimensionless increment of light/dark cycle frequency to the dimensionless increment of pressure, was introduced to evaluate economic performance of mixer. Then, the photobioreactors with different radial height(H=10mm, 15mm and 20mm)of mixers were compared in terms of the efficiency using computational fluid dynamics. The results showed that by reducing radial height from 20mm to 15mm and 10mm, the effi ciency increased from 12.0% to 22.9% and 22.3% when the incident light intensity was 800μmol·m-2·s-1. And when incident light intensity was 375μmol·m-2·s-1, the effi ciency was 13.4%, 12.0% and 21.7% respectively. Namely, in respect of the effi ciency of light/dark cycle enhancement, mixer with a lower radial height performs better than mixer with a higher radial height under these two incident light intensities. Based on the analyzing of the results, this paper proposes that the design of mixers should consider the synergy between velocity fi eld and light fi eld.
Key Words tubular photobioreactor; helical mixer; radial height of mixer; light/dark cycle; fi eld synergy principle
通訊作者 吳晶,副教授。主要研究方向為微藻培養條件的控制、光 生物反應器優化以及微藻能源經濟性評價。E-mail:[email protected]
前言段部分

光生物反 應器因其能實現微藻的高密度培養、控 制污染源和生長環境等[1]特點而成為能源微藻產業化 的關鍵一環,其中管式光生物反應器因能實現連續 培養、有較高的比表面積而具有產業化的前景[2-3]。 為達到較好的混合效果,在管式光生物反應器中,管 內液體需有較高的循環速度,且使流動長期保持處 于湍流狀態[4]。但增加循環速度會造成沿程阻力的增 大[4],且過高的流速產生的剪切力會對藻細胞造成剪 切損傷,不利于藻細胞生長[5]。在不增加循環速度的 條件下,混合器能在管內形成渦流[6],該渦流可以 促進光區與暗區之間的混合[7-8],從而促進光暗循環。 由于閃光效應,光暗循環頻率的增加會促進藻細胞的 生長[9-10]。參考文獻[8]在全管段布置一種螺旋式靜態 混合器,以此來提高光暗循環頻率,從而提高產量。 實驗表明,加入此種混合器能使反應器內的Chlorella sp.的產量增加37.26%,但添加混合器使耗能增加了 2768%(添加和未添加時耗能分別為0.39W·m-1和 0.0136W·m-1)。因此,如何在低能耗下顯著提高反 應器的混合性能,就成為了反應器設計的關鍵。

器[7-8,11-12]還是外部混合器[3,13-14]的設計均采用試 錯法,即采用一個新結構,再評價該結構對混合性 能的影響,而沒有明確的優化思路。一方面,光照 梯度方向流速和光暗循環頻率對生物產量的影響要 遠大于宏觀混合參數(如湍動能和湍動能耗散速率) 的影響[15],而光照梯度方向流速與光暗循環頻率都 是由管內速度場與管內光照場共同決定,因此需要 采用場協同[16]的思想來優化管內流場。另一方面, 在反應器中,因為暗區與光區沿徑向分布[11],且光 暗區和速度場共同決定光暗循環頻率,所以混合器 的徑向高度對管式反應器混合性能具有重要影響。

帶螺旋混合器的管式反應器的旋流數高于帶 Kenics混合器的管式反應器、螺旋管式反應器和扭 轉式反應器,但壓降卻比后三者都低[14]。因此本文 以螺旋混合器為例,采用計算流體力學(CFD)和 歐拉-拉格朗日方法,比較不同徑向高度時藻細胞經 歷的光暗循環頻率和相應反應器的總壓壓降,并用 場協同思想對結果進行分析,為光生物反應器中的 混合器設計提供理論指導。

正文

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引用文本 引用格式 [1]秦超,雷玉玲,吳晶.管式光生物反應器中螺旋混合器的徑向高度對光暗循環頻率和壓降的影響[J].生物產業技術,2018,2:95-101.
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作者
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作者單位
華中科技大學,能源與動力工程學院,武漢 430074
摘要:
將光暗循環頻率的無量綱增量與壓降的無量綱增量之比定義為光暗循環強化效率,作為混合器的經濟 性評價指標。通過計算流體力學方法,比較了帶有不同徑向高度混合器(H=10mm,15mm 和20mm)的反應 器的光暗循環強化效率。結果表明,在入射光強為800μmol·m-2·s-1 時,通過將H 從20mm 降低到15mm 和10mm,強化效率從12.0% 升高到了22.9% 和22.3%;在光強為375μmol·m-2·s-1 時,強化效率則從 13.4% 變為12.0% 和21.7%。即在這兩種光照條件下,徑向高度較低的混合器具有更高的光暗循環強化效率。 基于對結果的分析,提出可根據速度場和光照場的協同來設計混合器。
關鍵詞
管式光生物反應器,螺旋混合器,混合器徑向高度
DOI
10.3969/j.issn.1674-0319.2018.02.012
Abstract
In this work, the effi ciency of light/dark cycle enhancement, defi ned as the ratio of the dimensionless increment of light/dark cycle frequency to the dimensionless increment of pressure, was introduced to evaluate economic performance of mixer. Then, the photobioreactors with different radial height(H=10mm, 15mm and 20mm)of mixers were compared in terms of the efficiency using computational fluid dynamics. The results showed that by reducing radial height from 20mm to 15mm and 10mm, the effi ciency increased from 12.0% to 22.9% and 22.3% when the incident light intensity was 800μmol·m-2·s-1. And when incident light intensity was 375μmol·m-2·s-1, the effi ciency was 13.4%, 12.0% and 21.7% respectively. Namely, in respect of the effi ciency of light/dark cycle enhancement, mixer with a lower radial height performs better than mixer with a higher radial height under these two incident light intensities. Based on the analyzing of the results, this paper proposes that the design of mixers should consider the synergy between velocity fi eld and light fi eld.
Key Words
tubular photobioreactor; helical mixer; radial height of mixer; light/dark cycle; fi eld synergy principle
通訊作者
吳晶,副教授。主要研究方向為微藻培養條件的控制、光 生物反應器優化以及微藻能源經濟性評價。E-mail:[email protected]
前言段部分

光生物反 應器因其能實現微藻的高密度培養、控 制污染源和生長環境等[1]特點而成為能源微藻產業化 的關鍵一環,其中管式光生物反應器因能實現連續 培養、有較高的比表面積而具有產業化的前景[2-3]。 為達到較好的混合效果,在管式光生物反應器中,管 內液體需有較高的循環速度,且使流動長期保持處 于湍流狀態[4]。但增加循環速度會造成沿程阻力的增 大[4],且過高的流速產生的剪切力會對藻細胞造成剪 切損傷,不利于藻細胞生長[5]。在不增加循環速度的 條件下,混合器能在管內形成渦流[6],該渦流可以 促進光區與暗區之間的混合[7-8],從而促進光暗循環。 由于閃光效應,光暗循環頻率的增加會促進藻細胞的 生長[9-10]。參考文獻[8]在全管段布置一種螺旋式靜態 混合器,以此來提高光暗循環頻率,從而提高產量。 實驗表明,加入此種混合器能使反應器內的Chlorella sp.的產量增加37.26%,但添加混合器使耗能增加了 2768%(添加和未添加時耗能分別為0.39W·m-1和 0.0136W·m-1)。因此,如何在低能耗下顯著提高反 應器的混合性能,就成為了反應器設計的關鍵。

器[7-8,11-12]還是外部混合器[3,13-14]的設計均采用試 錯法,即采用一個新結構,再評價該結構對混合性 能的影響,而沒有明確的優化思路。一方面,光照 梯度方向流速和光暗循環頻率對生物產量的影響要 遠大于宏觀混合參數(如湍動能和湍動能耗散速率) 的影響[15],而光照梯度方向流速與光暗循環頻率都 是由管內速度場與管內光照場共同決定,因此需要 采用場協同[16]的思想來優化管內流場。另一方面, 在反應器中,因為暗區與光區沿徑向分布[11],且光 暗區和速度場共同決定光暗循環頻率,所以混合器 的徑向高度對管式反應器混合性能具有重要影響。

帶螺旋混合器的管式反應器的旋流數高于帶 Kenics混合器的管式反應器、螺旋管式反應器和扭 轉式反應器,但壓降卻比后三者都低[14]。因此本文 以螺旋混合器為例,采用計算流體力學(CFD)和 歐拉-拉格朗日方法,比較不同徑向高度時藻細胞經 歷的光暗循環頻率和相應反應器的總壓壓降,并用 場協同思想對結果進行分析,為光生物反應器中的 混合器設計提供理論指導。

正文
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引用文本
引用格式 [1]秦超,雷玉玲,吳晶.管式光生物反應器中螺旋混合器的徑向高度對光暗循環頻率和壓降的影響[J].生物產業技術,2018,2:95-101.
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