能源微藻异养生物反应器冷模实验研究及自养—跑道池CFD模拟

论文摘要

本文通过实验和CFD优化微藻培养反应器结构,以提高生产效率。以冷模实验为基础,对微藻异养培养反应器桨型进行了优化,得到两层六弯叶桨翼型桨的组合比三层六弯叶桨传质性能较佳,在1VVM, 1KW/m3时传质系数提高14%。在气液固三相条件下,两层六弯叶桨翼型桨的优势有所减小,在1VVM, 1KW/m3时传质系数比三层六弯叶桨高7%。通过计算,前者有效改善釜内速度分区现象,提高了桨叶间气体分布,使全釜传质系数分布均匀。在敞开式跑道池中,相同功率下对不同液位高度考察,得到液位在300mm时较佳。通过添加内外导流板,跑道池平均速度提高17%,导流板减小跑道池阻力系数,改善池内速度分布。为了提高垂直方向的混合,在跑道池中添加斜板,经计算斜板长度为流道宽度的0.5倍、斜30。放置较佳。比较无斜板、斜板优化前后跑道池流道中间截面Z向速度,无斜板跑道池仅在弯道处产生上下混合,直边区域部分Z向速度基本为0m/s；添加斜板后,流体经过斜板后产生上下混合,斜板经过优化后,Z向速度增加3倍。通过对跑道池0.1%固含率时模拟,得到竖直方向的固体分率分布,进而得到光强分布曲线,计算值与均相处理值比较,两者差别较小,跑道池可以按均相处理。在敞开式的圆池中,计算了二折叶桨和栅板桨两种桨型,单相和固液两相计算表明,二折叶桨优于栅板桨。实验结果表明二折叶桨圆池在叶绿素含量上有一定的优势,在细胞干重和油脂含量上,由于实验条件不理想,有待进一步观察。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 研究背景
• 第2章 文献综述
• 2.1 微藻异养培养
• 2.1.1 发酵罐用搅拌桨
• 2.1.2 轴-径流组合式搅拌器的优点
• 2.1.3 传质
• 2.1.4 小球藻发酵特点
• 2.2 微藻自养培养
• 2.2.1 敞开式光生物反应器
• 2.2.2 封闭式光生物反应器
• 2.3 计算流体力学模拟的应用
• 2.3.1 数值模拟计算方法
• 2.3.2 搅拌釜反应器的模拟方法
• 2.3.3 CFD在搅拌反应釜及光生物反应器中的研究进展
• 第3章 小球藻异养培养冷模实验研究
• 3.1 实验装置及操作参数
• 3.2 主要数据测试和处理方法
• 3.2.1 功率测定-动态电阻应变法
• 3.2.2 氧传递系数-动态氧电极法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 小球藻密度藻液固含率测定
• 3.3.2 不同桨型的功率准数比较
• 3.3.3 单层桨气液两相传质
• 3.3.4 三层桨气液两相传质
• 3.3.5 4.7%固含率气液固三相传质实验
• 3.3.6 数据关联
• 3.4 本章小结
• 第4章 小球藻异养培养CFD模拟
• 4.1 CFD单相体系计算
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 桨叶功率准数计算分析
• 4.2 搅拌反应器内气液传质计算
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 两种桨型的比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 小球藻自养跑道池计算
• 5.1 计算模型
• 5.1.1 湍流模型
• 5.1.2 边界条件
• 5.2 跑道池设备及参数
• 5.3 跑道池单相计算与讨论
• 5.3.1 跑道池计算值与文献值比较
• 5.3.2 不同液位高度计算
• 5.3.3 300mm液位优化计算
• 5.4 光强分布计算
• 5.4.1 数学模型
• 5.4.2 光强分布处理
• 5.5 本章小结
• 第6章 小球藻自养圆池计算
• 6.1 圆池单相计算
• 6.1.1 计算模型
• 6.1.2 单相计算结果与讨论
• 6.2 圆池双相体系计算
• 6.2.1 计算模型
• 6.2.2 双相体系计算结果与讨论
• 6.3 圆池热模数据
• 6.3.1 小球藻细胞油脂和干重的考察
• 6.3.2 小球藻叶绿素含量考察
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文