葉慶元,　黃建科,　陳劍佩

(華東理工大學(xué)1.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

釜式光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布及光能吸收的CFD研究

葉慶元1,黃建科2,陳劍佩1

(華東理工大學(xué)1.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

摘要：光生物反應(yīng)器內(nèi)光能分布和吸收除了受到微藻細(xì)胞的影響還受到氣泡的影響,采用離散坐標(biāo)模型(DOM)對三維光生物反應(yīng)器內(nèi)不同氣含率和氣泡直徑對光能分布情況的影響進(jìn)行研究,同時研究了小球藻對不同顏色光的體積平均光能吸收率(ALVREA)。結(jié)果表明：氣泡的存在使得靠近光源位置光強(qiáng)度提高,光衰減加速;當(dāng)氣泡直徑為3 mm、氣含率為7.5%時,體積平均光能吸收率最高,對不同光波段光能吸收研究表明小球藻對波長為400～500 nm的光波段有著最高的光能吸收率,計(jì)算結(jié)果可用于光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化及光源系統(tǒng)的選擇及設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CFD; 光生物反應(yīng)器; 光強(qiáng)度分布; 多散坐標(biāo)模型; 體積平均光能吸收率

現(xiàn)今社會生物燃料是最重要的液體可再生燃料之一,它具有安全環(huán)保的優(yōu)良特性。能源微藻是優(yōu)質(zhì)的化石燃料替代品,是近年來可再生能源研究的熱點(diǎn)之一[1]。藻細(xì)胞通過光合作用固定CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)儲存在藻細(xì)胞內(nèi)并釋放O2[2]。小球藻是重要的產(chǎn)油微藻,生長速率高,其油脂含量可達(dá)細(xì)胞干重的32%[3]。

光生物反應(yīng)器內(nèi)是三相系統(tǒng),分別為空氣、培養(yǎng)液和藻細(xì)胞。反應(yīng)器內(nèi)光在空間上的分布除了受反應(yīng)器和光源幾何結(jié)構(gòu)的影響外,也受藻細(xì)胞對光的散射及細(xì)胞內(nèi)色素對光能吸收的影響[4]。除了藻細(xì)胞對光分布和吸收的影響,培養(yǎng)液中氣泡的存在對光分布也有極大的影響。氣泡對光分布的影響主要受到氣泡大小和氣含率的制約。Ezequiel等[5]采用模糊邏輯算法(ANN)進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)的光衰減模擬,在實(shí)際的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,反應(yīng)器底部通入φ(CO2)=5%的氣體。在模擬過程中,沒有將氣泡對光分布的影響考慮在內(nèi),從模擬結(jié)果和實(shí)際培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)看出,實(shí)驗(yàn)過程中微藻生長速率高于模擬結(jié)果,實(shí)驗(yàn)值和模擬值存在一定差別。Berberoglu等[6]采用Mie理論對建立的二維光生物反應(yīng)器模型進(jìn)行含氣泡條件下藍(lán)藻細(xì)胞光分布的研究,并假設(shè)氣泡和微藻細(xì)胞均勻分布在培養(yǎng)液中,對氣泡和微藻的散射相函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,證明該優(yōu)化得到的結(jié)果與實(shí)際情況相符,但作者采用二維平面模型,不能有效反映光傳播的過程。陳志杰等[7]對開放式光生物反應(yīng)器內(nèi)的光能傳輸進(jìn)行模擬,得到氣含率對光分布的影響,系統(tǒng)被簡化為二維均相,氣泡的直徑為500 μm,這些與實(shí)際的情況存在差別。

微藻培養(yǎng)過程中另一個重要影響因素是光譜質(zhì)量,太陽光中波長處于400～700 nm的光是觸發(fā)藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用的主要光波段,稱為光合成有效輻射,這部分光能約占太陽光能量的50%[8]。采用太陽光進(jìn)行微藻培養(yǎng)存在一個天然屏障使得光合成效率無法提高,在實(shí)際的操作過程中因光損失,光合作用效率將更低[9]。Tao等[10]采用不同顏色光源進(jìn)行紫球藻培養(yǎng)研究,發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)度和光能質(zhì)量對微藻生長和多糖的產(chǎn)出有決定性的影響,分別采用紅光(600～700 nm)或者藍(lán)光(400～500 nm)培養(yǎng)微藻時,藻細(xì)胞的生長速率明顯高于采用藍(lán)、白混色光,說明影響微藻生長速率的因素除了入射光的光強(qiáng)外,不同光波段的光能對于微藻生長也有著重要的影響。Kommareddy等[11]認(rèn)為對特定種類的微藻光合作用最有利的光波長在600～700 nm,有些微藻處于400～500 nm波長的光下也可以有效地進(jìn)行光合作用,并對冷白熒光燈、白熾燈、鹵素?zé)?、AllnGap II及發(fā)光二極管人工光源進(jìn)行了對比研究,發(fā)現(xiàn)AllnGap II LED是最高效、最經(jīng)濟(jì)的光源,該光源發(fā)射光波長分布在600～700 nm的比例為98%,被認(rèn)為是最適合進(jìn)行微藻培養(yǎng)的光源。

利用微藻能源最重要的是促進(jìn)藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用,光分布是微藻培養(yǎng)最重要的參數(shù);光能在光生物反應(yīng)器內(nèi)分布的優(yōu)化也是制約光生物反應(yīng)器放大的重要因素。光生物反應(yīng)器內(nèi)的光能分布受到氣泡的影響,氣泡對光分布的影響主要取決于氣泡的大小和光生物反應(yīng)器內(nèi)氣含率。本研究采用ANSYS Fluent軟件,利用UDF程序建立人工光源模型,建立三維光生物反應(yīng)器,研究其中不同氣含率和不同直徑氣泡的存在對光生物反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)度分布的影響,同時進(jìn)行光能吸收率的計(jì)算,探究不同顏色光的光能被藻細(xì)胞吸收的情況。

1模型方法

Fluent軟件提供了輻射傳遞模塊,該模塊提供了多種輻射模型,不同類型的輻射模型有不同的適應(yīng)性,其中離散坐標(biāo)模型(DOM)的適應(yīng)性最好,也可以用于求解半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射情況。

藻細(xì)胞密度與培養(yǎng)液的密度相差不大,在實(shí)際培養(yǎng)過程中適當(dāng)攪拌就可以使得藻細(xì)胞能夠在培養(yǎng)液中均勻分布,本研究重點(diǎn)考察氣泡存在對光分布和光能吸收的影響,所以藻細(xì)胞密度(N)只選擇了一種作為參考,即N=2.915 3×1011cells/m3。Berberoglu等[6]在研究藻細(xì)胞和氣泡的光學(xué)性能的過程中,假設(shè)藻細(xì)胞和氣泡均勻分散在培養(yǎng)液中,得到了優(yōu)化后的藻細(xì)胞和氣泡的光學(xué)性能參數(shù);陳志杰等[7]在研究光生物反應(yīng)器內(nèi)光相進(jìn)行簡化，認(rèn)為藻細(xì)胞和氣泡均勻分布在培養(yǎng)液中,采用Mie散射理論模擬了光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布情況。本文在研究過程中對氣液兩相進(jìn)行簡化，認(rèn)為藻細(xì)胞和氣泡均勻分布在培養(yǎng)液中。Sánchez等[12]在對氣升式光生物反應(yīng)器內(nèi)氣含率的研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)通氣量的不同，氣含率值選擇在0～15%之間。

1.1輻射傳輸方程(RTE)

在光能輻射過程中,光在傳播的路徑上不斷地被散射和吸收,Fluent 軟件提供了RTE方程(其計(jì)算輻射能傳遞過程中光能傳播方向上能量守恒),在實(shí)際培養(yǎng)過程中藻液和藻細(xì)胞的溫度不高,則原RTE方程中黑體輻射能量項(xiàng)對整個方程的影響可以忽略,所以該方程改進(jìn)為下式:

(1)

其中r為位置向量,s是方向向量,s′為散射方向向量,ds表示的是微元長度,keff,λ與σeff,λ分別為光生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的有效光學(xué)吸收和有效散射系數(shù)[6],σX,λ和σB,λ分別為不含氣泡藻液和在εB氣含率下氣泡的散射系數(shù),Ω′表示的是空間立體角,Iλ(r,s)表示的是在培養(yǎng)液中波長為λ的單色光在位置r沿著s方向傳播的光強(qiáng)度。ΦX,λ(s→s′)和ΦB,λ(s→s′)分別表示藻液和氣泡的散射相函數(shù)。光在反應(yīng)器內(nèi)傳播的過程中受到藻細(xì)胞和氣泡散射作用,方程右側(cè)后兩項(xiàng)分別表示藻細(xì)胞和氣泡對光能的散射量。

培養(yǎng)液的有效吸收系數(shù)keff,λ可以由下式求得:

(2)

由于氣泡對光沒有吸收作用,所以培養(yǎng)液的有效吸收系數(shù)為藻液對光的吸收,其中kL,λ是不含氣泡的藻液對波長為λ的光能的吸收系數(shù),εB為培養(yǎng)液中的氣含率。培養(yǎng)液的有效散射系數(shù)σeff,λ可以通過下式求得:

(3)

1.2體積平均光能吸收率(ALVREA)

光能進(jìn)入微藻培養(yǎng)液中被藻細(xì)胞吸收,要計(jì)算微藻吸收光能的多少，需要計(jì)算在4π微元空間內(nèi)的光強(qiáng)度,光強(qiáng)度與藻細(xì)胞的吸收系數(shù)相乘就得到藻細(xì)胞吸收的光能[13]。在任意微元上特定波長λ從空間各方向輻射光強(qiáng)度之和表示為

(4)

特定波長λ的光能吸收率(LVERA)(W/m3)表示為

(5)

對于不同波長光的總的吸收光能表示為

(6)

在反應(yīng)器內(nèi),氣泡對光能的吸收率為0,對光能起到吸收作用的只有分布在培養(yǎng)液中的藻細(xì)胞,體積平均光能吸收率的物理意義是在整個光生物反應(yīng)器內(nèi)藻細(xì)胞吸收光能的體積平均值,波段λ的體積平均光能吸收率的計(jì)算公式表示為

(7)

其中

(8)

那么反應(yīng)器中藻細(xì)胞對各波段光能的總體吸收率表示為

(9)

1.3藻液和氣泡的光學(xué)特性參數(shù)

1.3.1藻液的光學(xué)特性參數(shù)小球藻吸收與散射系數(shù)通過計(jì)算當(dāng)N=2.915 3×1011cells/m3時不同光波段下的實(shí)驗(yàn)值的平均值得到。具體如下：整個光波段劃分為3個波段:400～500 nm、500～600 nm、600～700 nm,分別求取3個波段內(nèi)微藻吸收系數(shù)和散射系數(shù)實(shí)驗(yàn)值的算術(shù)平均值來表示該波段上藻細(xì)胞的吸收(kL,λ)和散射(σL,λ)系數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1　藻液在3個波段的吸收系數(shù)與散射系數(shù)[14]

Berberoglu等[14]在波長為632.8 nm時通過實(shí)驗(yàn)測定小球藻細(xì)胞的散射相函數(shù)并采用經(jīng)驗(yàn)公式Henyey-Greenstein(H-G)(式(10))對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,H-G公式與實(shí)驗(yàn)值獲得較好的擬合結(jié)果,此時式(10)中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)g=0.979。

(10)

1.3.2氣泡的光學(xué)特性參數(shù)氣泡的散射系數(shù)受到氣泡大小和氣含率的影響,氣泡的散射系數(shù)由下式[15]求得:

(11)

(12)

(13)

其中N表示氣泡密度,AB表示氣泡的投影面積,d為氣泡的直徑,εB為反應(yīng)器內(nèi)的氣含率,VB為單個氣泡的體積。

氣泡的散射相函數(shù)[16]可以表示為:

(14)

其中A=-1、0、1,這3個值分別表示的是后向散射、各向同性和前向散射,對于直徑較大的氣泡主要為前向散射[17],所以取A=1。

1.4光源模型

對于光生物反應(yīng)器內(nèi)光能分布和吸收的模擬,光源的選擇至關(guān)重要,對計(jì)算結(jié)果的可靠性起到最直接的影響,在實(shí)際微藻培養(yǎng)過程中,光源放置在反應(yīng)器內(nèi)的玻璃管內(nèi),可以將光源視為一條向外發(fā)射光能的線,即線光源模型。

線光源模型[18]的表達(dá)式如下:

(15)

式中:Kl為光源單位長度發(fā)射的能量(W/m)。該特性參數(shù)是光源實(shí)際反射能力的表征,通過測試光源總體發(fā)光能量并除以光源的長度得到。

線光源模型的表達(dá)式可以進(jìn)一步得到線光源模型的代數(shù)表達(dá)式為:

(16)

式中:L為光源的半長度;r為點(diǎn)離線光源的距離。

采用冷白熒光燈進(jìn)行光生物反應(yīng)器內(nèi)的光分布模擬,光能量在各個波段上的分布情況如表2所示,通過表中Beam irradiation flux乘以光源的周長就可以得到光源在單位長度上發(fā)射的光能量Kl,λ,其中冷白熒光燈的直徑為12.5 mm。

表2　熒光燈不同波段光通量及光源輻射率[19]

1.5計(jì)算域及邊界條件

1.5.1計(jì)算域三維光生物反應(yīng)器幾何模型如圖1所示,反應(yīng)器高為300 mm,直徑為200 mm,圖中中心空白處為用于盛放光源的石英管,該管長度為180 mm,直徑為15 mm,光源的實(shí)際長度為140 mm,光源在管中靠底放置。采用ANSYS-ICEM劃分網(wǎng)格,整個反應(yīng)器區(qū)域分為多個不同的部分分別繪制結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)最終確定網(wǎng)格數(shù)量為15.3×105,網(wǎng)格質(zhì)量大于0.35。

1.5.2邊界條件實(shí)際過程中,熒光燈管放置在中心石英管中提供光能,石英管直徑大于熒光燈光源直徑,石英管本身對光不吸收,所以其吸收系數(shù)為0,散射系數(shù)為2 m-1,折射率為1.52[19],培養(yǎng)液的折射率設(shè)置為1.34[18]。

圖1　光生物反應(yīng)器幾何模型(a)及網(wǎng)格截面(b)

2結(jié)果與分析

2.1氣泡及氣含率對光強(qiáng)度分布的影響

2.1.1概述采用離散坐標(biāo)模型(DOM)對光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布情況進(jìn)行模擬,光源通過編寫UDF程序添加到ANSYS Fluent 12.0軟件的對應(yīng)接口。在實(shí)際光生物反應(yīng)器中鼓入的氣泡直徑一般在毫米級,所以選擇無氣泡，氣泡的直徑(d)分別為1、3、5 mm及氣含率(ε)分別為5%、10%和15%等不同情況進(jìn)行氣泡特性對光分布影響的模擬研究。

2.1.2氣泡存在對光強(qiáng)度分布的影響光生物反應(yīng)器內(nèi)θ=0截面和z=0時截面的光強(qiáng)度分布如圖2所示,圖2(a)和2(b)分別示出了無氣泡以及ε=10%、d=3 mm的光強(qiáng)度分布云圖。從圖中可以看出光從光源所在的石英管發(fā)出向外發(fā)散,在靠近石英管處光強(qiáng)度大,光在向外傳輸?shù)倪^程中受到藻細(xì)胞的吸收和散射及氣泡的散射,因此出現(xiàn)了光衰減,使得遠(yuǎn)離光源位置的光強(qiáng)度小。圖2(b)中靠近光源處光強(qiáng)為542 W/m2，大于圖2(a)中靠近光源處的光強(qiáng)(418 W/m2)。光生物反應(yīng)器中有氣泡存在時近石英管位置的光強(qiáng)大于沒有氣泡存在的光強(qiáng)度,原因在于氣泡的存在使得從石英管中輻射出來的光在照射到氣泡的時候,一部分光被氣泡迎著光線方向的氣液界面反射,一部分光進(jìn)入氣泡內(nèi)部,氣泡的內(nèi)部壁面又對進(jìn)入氣泡的光進(jìn)行一次反射,還有一部分光受到氣泡的散射,而且在最靠近石英管的位置光強(qiáng)度最大,受到反射和散射的光也最多,所以氣泡的存在使得靠近石英管位置光強(qiáng)度增加很多。隨著光不斷地向外傳輸,當(dāng)徑向距離(r/R)為0.49時，圖2(b)中的光強(qiáng)度衰減到與圖2(a)相同,繼續(xù)向外傳輸,有氣泡條件下的光強(qiáng)度將小于無氣泡情況。說明有氣泡存在條件下光在傳遞方向上衰減速率大于無氣泡的情況。

圖2　光生物反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)度分布云圖

2.1.3氣含率對光強(qiáng)度分布影響實(shí)驗(yàn)考察了光生物反應(yīng)器內(nèi)在無氣泡，氣泡直徑分別為1、3、5 mm,氣含率分別為5%、10%、15%的情況下得到的光強(qiáng)度分布。圖3示出了z=0時氣泡直徑從1 mm到5 mm的徑向光強(qiáng)度分布。從圖3看出沒有氣泡參與的光分布與有氣泡參與的光分布曲線在靠近光源的位置其強(qiáng)度有很大區(qū)別。氣泡不吸收光但具有散射光的能力,光照射到氣泡上被氣泡向不同方向散射,有部分光被直接反射回去,造成光強(qiáng)度在近光源位置處增強(qiáng)。從圖3可以看出氣泡直徑一定時,靠近石英管位置的光強(qiáng)度隨著氣含率的升高不斷增強(qiáng),因?yàn)闅夂试黾邮沟脷馀輸?shù)量增加，總散射能力增強(qiáng),從而近光源光強(qiáng)度增加。從圖3(a)看出,隨著氣含率的增大，近光源光強(qiáng)增大但其增大的幅度在減小,這一點(diǎn)也體現(xiàn)在圖3(b)和圖3(c)中,說明在氣含率增大過程中,氣泡的散射能力增強(qiáng)但是增強(qiáng)的幅度也在減小。

圖3　不同氣含率的光強(qiáng)度在徑向上變化(無氣泡或氣泡直徑分別為1,3,5 mm)

從圖3(a)中還可以看出,雖然氣含率高時靠近光源位置的光強(qiáng)度大,但是隨著遠(yuǎn)離光源距離的增加，光強(qiáng)度明顯減小,減小的幅度隨著氣含率的增大而增大,即氣含率越大,光強(qiáng)度減小越迅速,在r/R=0.26時,氣含率為15%時光強(qiáng)度減小到與氣含率為10%的初始光強(qiáng)度重合,隨著徑向距離的增大,光強(qiáng)度繼續(xù)減小。一方面是由于光源處于反應(yīng)器的中心部位,光能向外發(fā)散,光強(qiáng)度不斷減弱；另一方面是由于藻細(xì)胞的存在對光能的吸收和利用,對于氣含率大的曲線在近光源處其光強(qiáng)度較大,微藻能夠吸收和利用的光能較多,這樣光能在靠近光源位置的消耗就明顯多于氣含率小的情況,所以其衰減速率快,光傳遞到遠(yuǎn)離光源處的能量就明顯少于氣含率小的情況,所以光強(qiáng)度會低于氣含率小的情況。

2.1.4氣泡直徑對光強(qiáng)度分布的影響比較氣含率不變的情況下光強(qiáng)度在徑向上的分布隨著氣泡直徑的變化。當(dāng)氣含率為10%,z=0徑向上的光強(qiáng)度分布情況如圖4所示。當(dāng)氣含率一定時，隨著氣泡直徑減小，近光源光強(qiáng)度增大,說明氣泡直徑小,光散射能力強(qiáng)。圖4中氣泡直徑從1 mm增加到3 mm，此時近光源光強(qiáng)度減小的幅度較大,但隨著氣泡直徑的增大，近光源光強(qiáng)度減小的幅度在減小,說明小氣泡對光散射的能力很強(qiáng)。當(dāng)氣含率一定時，隨著氣泡直徑的減小，光強(qiáng)度增大,增大的幅度比相同氣泡直徑下氣含率增大造成的增幅要大,主要原因在于當(dāng)采用公式(11)計(jì)算氣泡的散射系數(shù)時,散射系數(shù)與氣含率成正比關(guān)系,與氣泡直徑的倒數(shù)成正比關(guān)系。

圖4　當(dāng)氣含率為10%時不同氣泡直徑光強(qiáng)度在徑向上的變化

從上述分析可以得出氣含率和氣泡直徑對光強(qiáng)度分布均有很大的影響,但氣泡直徑的變化對光散射能力的影響作用更大,氣泡的存在使光被散射,造成近光源位置光強(qiáng)度的增強(qiáng),使得光在近光源處更多地被藻細(xì)胞吸收,造成光衰減的加劇,使得遠(yuǎn)離光源位置的光強(qiáng)度小于無氣泡參與的光傳輸過程。文獻(xiàn)[7]采用Mie散射方法,該模型適用于氣泡體積較小的情況,并給出了微氣泡對光分布的影響。本文采用DOM模型,氣泡大小的選擇更加貼近實(shí)際情況,文章更深入地研究了氣泡直徑以及氣含率大小對光分布的影響。

2.2光波段的光能吸收率

2.2.1體積平均光能吸收率(ALVREA)圖5示出了不同氣含率及氣泡直徑下的體積平均光能吸收率從無氣泡增加到氣含率為15%,氣泡直徑從1 mm增加到5 mm的過程中,光能的吸收總是從低到高達(dá)到一個極值后再變小,當(dāng)氣泡直徑為1 mm和3 mm時曲線表現(xiàn)最為明顯。由于氣泡的存在,使得在靠近石英管位置的光強(qiáng)度增大,與沒有氣泡參與的光能吸收相比，靠近光源的藻細(xì)胞吸收更多的光能,遠(yuǎn)離光源的藻細(xì)胞由于光衰減的影響吸收光能要小于無氣泡條件,所以就存在一個最優(yōu)化的條件使得兩部分的吸收光能之和為最大。

圖5　不同氣含率及氣泡直徑下的體積

從圖5可以看出在不同氣泡直徑下平均體積光能吸收率最大值對應(yīng)的氣含率有所不同,氣泡直徑越小,達(dá)到最大平均體積光能吸收率的氣含率越低。當(dāng)氣泡直徑為1 mm時,最大值出現(xiàn)在氣含率為5%時；當(dāng)氣泡直徑為3 mm時最大值出現(xiàn)在氣含率為7.5%時；當(dāng)氣泡直徑為5 mm時最大值出現(xiàn)在氣含率為10%時。從圖5中明顯看出當(dāng)氣泡直徑為3 mm、氣含率為7.5%時,其對光能的吸收總是高于沒有氣泡通入的情況,也高于氣泡直徑為1 mm和5 mm時的情況,說明在3 mm直徑下光能被更高效地吸收,在氣泡直徑3 mm、氣含率為7.5%時,對光能的吸收達(dá)到最大值,該值大于其他各點(diǎn)的體積平均光能吸收率的值,說明此時光能利用最佳。

2.2.2不同波段體積平均光能吸收率不同波段的光有著不同的光能吸收情況,可以通過公式(7)計(jì)算得到。圖6分別示出了光生物反應(yīng)器內(nèi)3個波段光的體積平均光能吸收率,光源的特性Kl,λ值如表3所示,從3個光源參數(shù)可以看出入射光的強(qiáng)度。波長為400～500 nm的光強(qiáng)度介于其他兩波段之間,主要為藍(lán)色光；500～600 nm的綠色光入射光強(qiáng)度最大；波長為600～700 nm的紅色光入射光強(qiáng)度最小。由圖6(a)可以看出：藍(lán)色光波段的體積平均光能吸收率為(20.6～23.4) W/m3；入射光最強(qiáng)的綠光波段光能吸收率最高值為16.7 W/m3,明顯小于藍(lán)光波段的吸收率；而入射光強(qiáng)度最小的紅光波段的吸收率最低為9.75 W/m3,遠(yuǎn)小于入射光強(qiáng)度略大的藍(lán)光波段體積平均光能吸收率。

圖6　3個波段的體積平均光能吸收率

表3　小球藻細(xì)胞濃度為2.915 3×1011 cells/m3時不同波段的Kl,λ與Xλ值

通過參數(shù)Xλ的比較得出,對于小球藻的光培養(yǎng),各波段的模擬結(jié)果表明,藍(lán)色光對于微藻培養(yǎng)的吸收和利用是最高效的,紅色光次之,綠色光能的吸收利用最差,主要由于藻細(xì)胞中富含葉綠素,葉綠素的存在使得藻細(xì)胞對于綠色光的吸收作用差。

3結(jié)論

采用DOM模型研究了小球藻細(xì)胞濃度為2.915 3×1011cells/m3時,氣含率和氣泡直徑對光分布和吸收的影響,氣含率增加、氣泡直徑減小,氣泡的散射能力增強(qiáng),靠近光源區(qū)域光強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)氣含率為7.5%、氣泡直徑為3 mm時藻細(xì)胞對光能的體積平均吸收率最大。小球藻細(xì)胞對400～500 nm,500～600 nm,600～700 nm這3個波段的光能吸收率與光源參數(shù)比值Xλ分別為5.9、1.9、2.9 m2,表明小球藻對藍(lán)光具有更好的吸收能力,對綠光吸收最差。

對于采用通氣的小球藻培養(yǎng)裝置,氣含率和氣體分布器的選擇尤為重要,在實(shí)際的小球藻培養(yǎng)過程中,選擇人工光源就需要選擇藍(lán)光比例較高的光源,這樣既有利于小球藻的生長又有利于能量的充分利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉永平.海藻生物燃料產(chǎn)業(yè)開發(fā)的進(jìn)展[J].中外能源，2009,14(9):31-38.

[2]BERBEROGLU H,GOMEZ P S,PILON L.Radiation characteristics of Botryococcus braunii,Chlorococcum littorale,and Chlorella sp.used for CO2fixation and biofuel production[J].Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer,2009,110(17):1879-1893.

[3]CHISTI Y.Biodiesel from microalgae[J].Biotechnology Advances,2007,25(3):19-26.

[4]POSTEN C,PAVLOV A.Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalgae[J].Engineering in Life Sciences,2009,9(3):165-177.

[5]FRANCO-LARA E,HAVEL J,PETERAT F,etal.Model-supported optimization of phototrophic growth in a stirred-tank photobioreactor[J].Biotechnology & Bioengineering,2006,95(6):1177-1187.

[6]BERBEROGLU H,YIN J,PILON L.Light transfer in bubble sparged photobioreactors for H2production and CO2mitigation[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(13):2273-2285.

[7]陳智杰,姜澤毅,張欣欣.開放式光生物反應(yīng)器內(nèi)光傳輸數(shù)學(xué)模型研究[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2013,6:36-41.

[8]SUH I S,LEE C G.Photobioreactor engineering:Design and performance[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering,2003,8:313-321.

[9]WANG B.Closed photobioreactors for production of microalgal biomasses[J].Biotechnology Advances,2012,30(4):904-912.

[10]TAO Y M.BARNETT S.Effect of light quality on production of extracellular polysaccharides and growth rate of Porphyridium cruentum[J].Biochemical Engineering Journal,2004,19(3):251-258.

[11]KOMMAREDDY A R,ANDERSON G A.Study of light as a parameter in the growth of algae in a photo-bio reactor (PBR)[C]//ASAE Annual International Meeting.Las Vegas,Nevada,USA:A Michigan，2003.

[13]BOYJOO Y,MING A,PAREEK V.Light intensity distribution in multi-lamp photocatalytic reactors[J].Chemical Engineering Science,2013,93(4):11-21.

[14]BERBEROGLU H,GOMEZ P S,PILON L.Radiation characteristics of Botryococcus braunii,Chlorococcum littorale,and Chlorella sp.used for CO2fixation and biofuel production[J].Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer,2009,110(17):1879-1893.

[15]CORPORATION H P.A radiative transfer modeling methodology in gas-liquid multiphase flow simulations[J].Journal of Engineering,2014,2014:1-14.

[16]BOYJOO Y,PAREEK V,MING A,etal.Some aspects of photocatalytic reactor modeling using computational fluid dynamics[J].Chemical Engineering Science,2013,101(14):764-784.

[17]BOYJOO Y,MING A,PAREEK V.CFD simulation of a pilot scale slurry photocatalytic reactor and design of multiple-lamp reactors[J].Chemical Engineering Science,2014,111(8):266-277.

[18]BOYJOO Y,ANG M,PAREEK V.Lamp emission and quartz sleeve modelling in slurry photocatalytic reactors[J].Chemical Engineering Science,2014,111(8):34-40.

[19]WHEATON Z C,KRISHNAMOORTHY G.Modeling radiative transfer in photobioreactors for algal growth[J].Computers & Electronics in Agriculture,2012,87(3):64-73.

CFD Simulation of Light Intensity Distribution and Light Energy Absorption in Tank-Photobioreactor

YE Qing-yuan1,HUANG Jian-ke2,CHEN Jian-pei1

(1.State Key Laboratory of Chemical Engineering; 2.State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract:The light intensity distribution and light energy absorption are affected by the microalgae and the bubbles in the photobioreactor (PBR).The discrete ordinate model (DOM) was used to simulate the light distribution affected by gas holdups and bubble sizes in 3 dimensions PBR.The average local volumetric rates of energy absorption (ALVREA) for different bands of light were proposed.The results showed that the light intensity near light tube was higher and the light attenuation was also faster than those without bubbles in reactor.ALVREA was the best in PBR at 3 mm of the bubble diameter and 7.5% of the gas holdup.Researches on different light bands showed that Chlorella sp.had a greater absorption rate for light at 400-500 nm than any other light band.The results can be used in the design of PBRs and the choice of light system.

Key words:CFD; PBR; light intensity distribution; DOM; ALVREA

收稿日期：2015-08-27

基金項(xiàng)目：國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB200903)

作者簡介：葉慶元(1989-),男,江蘇泗陽人,碩士生,研究方向?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)。 通信聯(lián)系人：陳劍佩,E-mail:chenjianpei@ecust.edu.cn

文章編號：1006-3080(2016)02-0149-08

DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.02.001

中圖分類號：TQ95

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A