本文關(guān)鍵詞：能源微藻釜式光生物反應(yīng)器中光能分布吸收與放大的CFD研究

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【摘要】：釜式光生物反應(yīng)器是由發(fā)酵罐反應(yīng)器演化而來(lái),發(fā)酵罐反應(yīng)器具有操作條件穩(wěn)定、工藝成熟、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。光是制約微藻生長(zhǎng)的重要因素,反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中必須充分考慮光能的吸收和利用,這就要求對(duì)反應(yīng)器內(nèi)光分布和吸收進(jìn)行研究。小型釜式光生物反應(yīng)器要用于微藻的大規(guī)模培養(yǎng)必須要進(jìn)行放大,根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)不同攪拌器的混合效果進(jìn)行反應(yīng)器放大對(duì)于微藻工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。本課題采用CFD方法模擬釜式光生物反應(yīng)器內(nèi)藻液中小球藻細(xì)胞濃度N=2.9153×1011 cell/m3時(shí),培養(yǎng)液中無(wú)氣泡及氣含率為5%、10%、15%和氣泡直徑為1、3、5 mm的光能分布。氣泡直徑確定時(shí),隨著氣含率的增加近光源位置光強(qiáng)度增強(qiáng),沿徑向光衰減增加；氣含率確定時(shí),氣泡直徑減小光散射能力增強(qiáng),徑向光衰減加劇。光波長(zhǎng)分別為400-500、500-600、600-700 nm時(shí),藻液光能吸收率隨著入射光強(qiáng)度、氣含率、氣泡直徑的變化而變化,當(dāng)氣含率=7.5%、氣泡直徑=3 mm時(shí),由光能吸收率與入射光強(qiáng)度比得到的參數(shù)Xλ可知,波長(zhǎng)400-500 nm時(shí),Xλ=5.9 m2為最高,波長(zhǎng)在500-600 nm時(shí),Xλ=1.9m2最低。最后,對(duì)釜式光生物反應(yīng)器進(jìn)行了放大研究,500 L釜式反應(yīng)器內(nèi)采用3層攪拌器混合,考察剪切和傳質(zhì)系數(shù)得到翼型槳最佳,雨生紅球藻的異養(yǎng)培養(yǎng)驗(yàn)證了翼型槳的特性。將翼型槳和推進(jìn)槳用于放大直徑為1.8 m、高徑比2.1：1的10T反應(yīng)器,3層翼型槳d/D=0.4時(shí),其剪切和傳質(zhì)性能最佳。
【關(guān)鍵詞】：計(jì)算流體力學(xué) 能源微藻 釜式光生物反應(yīng)器 光強(qiáng)度分布與吸收 反應(yīng)器放大
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ052
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 前言10-12
• 第2章 文獻(xiàn)綜述12-23
• 2.1 光生物反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀12-18
• 2.1.1 開(kāi)放式光生物反應(yīng)器12-14
• 2.1.2 封閉式光生物反應(yīng)器14-18
• 2.2 光能研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀18-21
• 2.2.1 微藻光合作用18-19
• 2.2.2 光生物反應(yīng)器中光分布及光能吸收的研究進(jìn)展19-21
• 2.3 計(jì)算流體力學(xué)及其應(yīng)用軟件21-23
• 2.3.1 概述21-22
• 2.3.2 CFD軟件及工作原理22-23
• 第3章 光生物反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)及輻射傳遞的數(shù)學(xué)模型23-31
• 3.1 流體流動(dòng)的控制方程23-25
• 3.1.1 質(zhì)量守恒方程23
• 3.1.2 動(dòng)量守恒方程23
• 3.1.3 能量守恒方程23-24
• 3.1.4 組分質(zhì)量守恒方程24
• 3.1.5 湍流控制方程24-25
• 3.2 微分方程的離散求解25-26
• 3.3 輻射傳輸方程26-27
• 3.4 輻射模型27-28
• 3.5 光生物反應(yīng)器光源模型28-29
• 3.6 熒光燈的使用,熒光燈的特性29-31
• 第4章 釜式光生物反應(yīng)器內(nèi)的光能分布研究31-45
• 4.1 模型及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)31-32
• 4.1.1 模型的建立31
• 4.1.2 網(wǎng)格的劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)31-32
• 4.2 邊界條件和初始化設(shè)置32-35
• 4.2.1 反應(yīng)器壁面條件32-33
• 4.2.2 參數(shù)設(shè)置33
• 4.2.3 物性參數(shù)設(shè)置33
• 4.2.4 角度離散33-35
• 4.3 藻液及氣泡的光學(xué)特性35-37
• 4.3.1 藻液的光學(xué)系數(shù)35
• 4.3.2 藻液的散射相函數(shù)35-36
• 4.3.3 氣泡的光學(xué)散射系數(shù)36-37
• 4.3.4 氣泡的散射相函數(shù)37
• 4.4 氣泡存在對(duì)光強(qiáng)度分布的影響37-38
• 4.5 氣含率對(duì)光強(qiáng)度分布影響38-41
• 4.6 氣泡直徑對(duì)光強(qiáng)度分布影響41-43
• 4.7 本章小結(jié)43-45
• 第5章 釜式光生物反應(yīng)器內(nèi)的光能吸收研究45-50
• 5.1 體積平均光能吸收率的公式45-46
• 5.2 氣泡直徑對(duì)光能吸收的影響46-48
• 5.2.1 不同波段體積平均光能吸收率46-48
• 5.2.2 體積平均光能吸收率48
• 5.3 光能吸收綜合判斷48-49
• 5.4 本章小結(jié)49-50
• 第6章 釜式光生物反應(yīng)器的放大研究50-63
• 6.1 概述50-52
• 6.1.1 開(kāi)展目的50
• 6.1.2 雨生紅球藻介紹50-51
• 6.1.3 發(fā)酵罐反應(yīng)器及攪拌槳介紹51-52
• 6.2 釜式光生物反應(yīng)器的模擬研究52-55
• 6.2.1 網(wǎng)格劃分52
• 6.2.2 模擬計(jì)算方案52-54
• 6.2.3 500L釜式光生物反應(yīng)器模擬結(jié)果與討論54-55
• 6.3 熱模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證55-57
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料55
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測(cè)量方法55-56
• 6.3.3 結(jié)果與討論56-57
• 6.4 釜式光生物反應(yīng)器的放大模擬研究57-61
• 6.4.1 放大說(shuō)明57
• 6.4.2 釜式光生物反應(yīng)器攪拌器的優(yōu)化過(guò)程57-61
• 6.5 小結(jié)61-63
• 第7章 結(jié)論與展望63-65
• 7.1 主要結(jié)論63-64
• 7.2 前景展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 致謝71-72
• 攻讀碩士期間表發(fā)論文72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：715328