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气升式光生物反应器内CO_2传递与微藻生长固碳强化

胡自明  
【摘要】:微藻因其光合效率和含油率高,在实现高效生物固碳的同时还可以制取清洁生物能源,是解决环境和能源问题的有效媒介。在微藻的光合固碳中,CO_2通常经气体分布器鼓入到微藻悬浮液中形成气泡流,气泡中的CO_2分子穿过气液相界面溶解在微藻悬浮液中,最后被游离的微藻细胞所捕获,通过光合作用产生有机物实现对CO_2的固定,因此CO_2气体在藻液中的溶解传输和混合特性显著影响了微藻的生长固碳。然而,由于气液接触时间过短和CO_2从气相到液相传递受限,从而导致微藻的生长及固碳能力较低。本文以悬浮式微藻光合固碳技术为背景,立足于CO_2从气相到液相的传递过程强化,首先研究了气体分布器结构和曝气条件对CO_2气泡在微藻悬浮液中的气泡动力学行为、CO_2溶解混合特性以及对微藻生长固碳的影响规律。并通过数值模拟获得光生物反应器内气体分布器布置方式对气液两相流动和传质的影响规律。基于气泡动力学行为,设计倒置弧形槽内构件来延长反应器内气液接触时间从而强化CO_2溶解与微藻生长固碳能力。主要结论如下:(1)通过对气体分布器的孔径与孔间距的优化,使气泡脱离直径减小了55.6%,气液接触比表面积大幅增加,气泡上升速度随孔径及孔间距的减小而减小,导致CO_2气泡在藻液中停留时间增加,强化了CO_2溶解传输,CO_2体积传质系数提高了143%,混合时间降低24%,最终使微藻生物质浓度提高18.8%,固碳速率提高23.2%。在入口CO_2浓度为15%,通气率为0.1vvm时,微藻具有最大生物质浓度为2.62 g·L~(-1)和最大的对数期平均固碳速率为1.040 g·L~(-1)·d~(-1)。(2)在中心布气、对称布气和环周布气等气体分布器布置方式下,气升式光生物反应器内轴向液速、气含率和体积传质系数均呈现中心高两端低的“抛物线型”分布,且随着高度的增加而递减。由于环周布气下的体积平均气含率最大,气液传质能力最高,并且气含率和体积传质系数的变异系数最小,CO_2气体分布最均匀,相对于中心布气和对称布气分别减小了45.3%和35.8%。因此不同气体分布器布置方式对微藻生长影响差异主要在微藻缓慢生长期阶段,从而缩短微藻培养周期,随着时间的增加,布置方式造成的传质差异性减少,环周布气相比中心布气生长周期减少两天,最高固碳效率提高34.2%。(3)构建两种倒置弧形槽内构件气升式光生物反应器,其中无孔倒置弧形槽内构件的引入增加了气泡运动轨迹的振幅,减小了运动轨迹的波长,使CO_2气泡与液相的接触时间平均增加了89%;壁面带孔倒置弧形槽内构件的引入使气液接触时间延长到256 s,CO_2固定阶段内构件气相区CO_2分压在13.5-15.5 kPa,同时壁面孔口形成了“二次周期性曝气”的现象可强化内构件上部藻液的混合,两种内构件均显著强化了CO_2分子从气相到液相的传递过程。在0.02vvm通气率下鼓入15%CO_2气体200min后,无孔/带孔倒置弧形槽内构件光生物反应器中的溶解CO_2浓度比对照组反应器中分别高24 mg·L~(-1)和37mg·L~(-1)。在微藻培养实验中,两种内构件反应器中微藻的最高生物质浓度分别为3.12 g L~(-1)和3.35 g L~(-1),与对照组相比分别提高了12.6%和20.9%,在对数生长期平均固碳速率分别为38.2 mg·L~(-1)·h~(-1)和36.6 mg·L~(-1)·h~(-1),分别提高了31.8%和26.2%。


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