本文選題：微藻　切入點(diǎn)：光傳遞　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：微藻被認(rèn)為是一種最有潛力替代石油的生物資源,其規(guī)�；囵B(yǎng)已成為制約微藻產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的主要瓶頸之一。迄今為止,學(xué)者們多基于生物學(xué)的角度,重點(diǎn)探討培養(yǎng)條件,如光照、溫度、無機(jī)碳濃度、溶氧等對微藻生長的影響,并開發(fā)出了多種開放式和封閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)。然而,已有研究中卻鮮有基于傳遞現(xiàn)象來深入分析培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)光傳遞、光暗循環(huán)、氣液傳質(zhì)等參數(shù)對微藻培養(yǎng)的影響。這直接制約了高效、規(guī)模化的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析研究了開放式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的光傳遞現(xiàn)象和封閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的氣液傳質(zhì)現(xiàn)象�；谳椛鋫鬏斣�,采用Mie散射理論,分析了培養(yǎng)液內(nèi)微藻細(xì)胞和微氣泡的光學(xué)特性,建立了描述微藻培養(yǎng)體系內(nèi)光分布規(guī)律的一維通用數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)測量微藻培養(yǎng)液內(nèi)的光分布性質(zhì),考察了所建模型的有效性。結(jié)果表明：采用Mie散射理論和輻射傳輸理論相結(jié)合的方法能有效地描述和預(yù)測較大濃度范圍內(nèi)微藻培養(yǎng)液的光分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)測量了光照強(qiáng)度、光的波長和中頻率間歇光(光暗周期和光暗比)對蛋白核小球藻生長的影響。研究發(fā)現(xiàn)：影響蛋白核小球藻生長的主要因素首先是光照強(qiáng)度,其次是光暗比,光暗循環(huán)周期的影響可以忽略。適合蛋白核小球藻培養(yǎng)的光照范圍為50～220μE·m-2·s-1。當(dāng)光照強(qiáng)度較高時,紅光可以促進(jìn)微藻細(xì)胞生長；當(dāng)光照強(qiáng)度較低時,藍(lán)光可以促進(jìn)微藻細(xì)胞生長。采用中頻率間歇光培養(yǎng)時,光暗周期對蛋白核小球藻生長的影響較小,提高光暗比可以有效促進(jìn)蛋白核小球藻的生長。針對開放式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)(跑道池),基于提高中頻率間歇光中光暗比可促進(jìn)微藻生長的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,采用CFD數(shù)值模擬的方法,通過分析跑道池內(nèi)微藻細(xì)胞的受光歷程,結(jié)合培養(yǎng)液內(nèi)的光分布特性,獲得了微藻細(xì)胞的光暗循環(huán)特性。同時,考察了跑道池結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對微藻細(xì)胞光暗循環(huán)特性的影響規(guī)律。研究表明：在5-12rpm下,降低跑道池內(nèi)轉(zhuǎn)槳葉輪的轉(zhuǎn)速、布置導(dǎo)流板和采用V型截面結(jié)構(gòu)的跑道池可有效提高跑道池內(nèi)微藻細(xì)胞的光暗比,進(jìn)而促進(jìn)微藻細(xì)胞生長。針對封閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)(氣升板式光生物反應(yīng)器),探討了反應(yīng)器內(nèi)的CO_2氣液傳質(zhì)現(xiàn)象。采用CFD計(jì)算的方法,模擬了氣升板式光生物反應(yīng)器內(nèi)的氣含率分布,獲得了CO_2的體積傳質(zhì)系數(shù),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。進(jìn)而分析了光生物反應(yīng)器內(nèi)布置直隔板和波紋隔板數(shù)目和位置對氣液傳質(zhì)效果的影響。研究表明：單隔板時,氣液傳質(zhì)系數(shù)隨下降段與上升段截面積比(Ad/Ar)的增大先增大后減少；雙隔板時,氣液傳質(zhì)系數(shù)隨Ad/Ar的增大而減少。對于單、雙隔板的情況,僅當(dāng)Ad/Ar較小時,采用波紋隔板可獲得比直隔板更高的氣液傳質(zhì)效果。本文研究結(jié)果,不僅可為促進(jìn)微藻細(xì)胞的生長提供操作方法,更可為微藻規(guī)�；囵B(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大提供重要的參考依據(jù),對促進(jìn)微藻生物能源發(fā)展具有重要的推進(jìn)作用。
[Abstract]:In this paper , the effects of light transmission , light - dark cycle , gas - liquid mass transfer and other parameters on the growth of microalgae were studied .
In this paper , the effect of light - dark cycle on the growth of microalgal cells was studied by means of CFD numerical simulation .
The gas - liquid mass transfer coefficient decreases with the increase of Ad / Ar . For the case of single - and double - separator , only when Ad / Ar is small , the gas - liquid mass transfer effect is higher than that of straight separator . The results show that not only can the method of operation be provided for promoting the growth of microalgae cells , but also the important reference basis for the design , optimization and amplification of micro - algae large - scale culture system can be provided , and it is important to promote the development of microalgae biomass energy .

【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q949.2

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本文編號：1726648