模拟一种新型管状微藻与切内胎充气Photobioreactor:混合性能的改善和闪光效果

文摘

目前,大规模和高效microalgal栽培的关键是实现碳捕获和储存(CCS)技术和生物复苏。同时,管式生物反应器(为PBRs)潜力巨大microalgal栽培由于其高生产力。改善混合性能和闪光效果,一种新型管PBR内胎的切向外管的开发,其径向通风气孔的内管的长度。曝气的方向、曝气速率、光/暗周期(L / D),光线功夫比、平均湍流动能(TKE)和速度之间的协同程度和方向的光场PBR优化了计算流体动力学(CFD)模拟和场协同理论。结果表明,向下一个曝气30°方向和0.7 vvm的曝气速率是最有利于减少死区,提高光/暗周期频率。同心套管PBR相比,光/暗周期频率和切套管PBR的时间增加了78.2%和36.2%,至1.8赫兹和47.8%,分别,TKE增强48.1%从54到80厘米²·年代⁻²。与此同时,场协同理论可以扩展并应用于管状微藻为PBRs的设计,和平均光和速度梯度的协同作用截面增加了38%,至0.69点。切向内胎充气结构生成对称垂直漩涡PBR光明与黑暗之间的区域,大大改善了混合性能和闪光效果。这种新颖的设计可以提供一个更合适的微环境对microalgal培养和生物复苏的承诺应用和提高微藻的产量。

1。介绍

微藻被认为是最有前途的技术之一,碳捕获和储存(CCS)和已确定作为生物柴油生产的优质原料(1,2]。微藻生物资源回收利用也很重要。然而,低生物量生产力microalgal培养系统是商业生产的瓶颈,导致微藻生物燃料的高成本(3]。这种情况能够逆转之前,需要体积生产率的显著改善(4]。这一目标将需要改进的微藻类基因工程和微藻过程工程(5]。然而,与其他工程过程相比,在基因工程很难取得突破。因此,它是非常重要的改善栽培系统相关质量和辐射能量传递,营养吸收,和增长率6]。专注于高效率、大规模microalgal栽培、管式生物反应器(为PBRs)被认为是一个最合适的文化系统。然而,传质较差,墙增长,光抑制,photolimitations限制他们的发展7]。几座生物反应器(为PBRs)为microalgal种植设计的,但实验表征流场的PBR是困难和昂贵的8]。计算流体动力学(CFD)的发展,促进了水动力性能的研究和管状的结构设计为PBRs [1]。

管状为PBRs microalgal种植有很大的潜力,因为他们的高生产率与开放池塘(9]。CFD已广泛应用于流场的模拟管PBR优化培养基的混合。阿齐兹et al。10)研究了一种新型的管状PBR嵌入式静态混合器通过CFD模拟和显示,提出的混合条件和流体动力学PBR比在传统的PBR。之后,秦和吴11]研究了管式PBR的4单元Kenics混合器和1单位使用CFD Kenics混合器,从而证实两种方法提高效率的光/暗周期频率。Gomez-Perez et al。12]研究了壁湍流效应启动子(也就是说,这个概要文件的内胎PBR墙),发现墙上动荡发起人提供更好的混合行为比标准为PBRs 0.2 - -0.25 m / s的流动速度,虽然能量吸收60 - 80%低。基于这项研究,Lei et al。13)开发了一种新型管与螺旋PBR肋骨,混合性能好和闪光效果。此外,吴et al。14]研究了螺旋管的流动动力学CFD和显示稳定的迪恩涡沿轴向运动坐标,虽然没有涡管状部分。螺旋管PBR的混合性能比管式PBR要好得多。而Posten [Perner-Nochta和15]随后集中在管式螺旋管为PBRs PBR使用静态混合器,应用计算流体动力学和轨迹分析检查降低/扩大影响。Gomez-Perez et al。16]讨论了四种类型的扭曲管为PBRs通过CFD模拟和提供了一个重要的贡献对构建一个高效的管状PBR。与此同时,你们et al。8)模拟的一种小说类型的连续的灯笼PBR (LDT)可以生成一个旋涡流场,提高微藻中的质量传递解决方案,类似于扭曲管状PBR的效果。

此外,苏et al。17]研究为PBRs;使用CFD他们设计了一个非稳定的搅拌棒,结果表明,混合造成的垂直速度沿光路酒吧帮助实现同质文化的混合介质,从而提高藻细胞的光合效率。Pruvost et al。18)设计了一个环形PBR,可以准确地控制光和提供非常有效的混合,尤其是沿梯度的文化。Pruvost et al。19)提出了一个减毒环形涡流引起的切向入口,这增加了微藻的位移沿光梯度。同样,佐藤et al。20.)发明了三种小说为PBRs关闭曝气混合使用,包括一个抛物线,管和钻石。仿真结果表明,抛物线传质优势,管是最好的演员Chaetoceros calcitrans培养(1.8倍性能比控制穹顶)。因此,沿着光梯度混合可以提高光合作用的效率,这是新的PBR设计的主要原则。此外,程et al。1)提出用切向射流产生很大顺时针方向垂直涡和二次涡流小说jet-charged切向涡流板PBR (JTSP);该方法可以显著降低死区,提高光/暗圆频率。据郭et al。21),1998年,场协同原理提出了提高对流传热速率通过分析边界层传热机制。的影响取决于协同水平速度和热的流场,以及速度和热梯度之间的协同角(22]。在相同的速度和温度边界条件下,协同水平越高,传热强度越高(23]。基于传热传质之间的相似之处,陈et al。24]推导数学协同为传质方程和用于优化光催化氧化反应器的传质。一般来说,光和混合microalgal培养是非常重要的。沿着光的方向有利于混合光的传播也(CO气体的混合阶段₂)、液相(培养基)和固相(微藻细胞),从而产生一个合适的流动环境和闪光效果,这是有利于microalgal培养(1]。然而,很少有作品报道之间的协同作用的光场和流场管PBR用于microalgal栽培。

在这项工作中,我们提出一种新颖的切线与径向双管通气孔隙内管的长度,内胎的切向外管以加强光和速度梯度之间的协同作用。曝气的方向,曝气速率,光/暗周期(L / D),光线功夫比,平均湍流动能(TKE)和速度之间的协同程度和方向的光场PBR分析计算流体动力学(CFD)和场协同原理。

2。小说PBR的设计和数值模型

2.1。小说PBR的发展

在我们之前的研究25),我们说明了小说的初始概念套管PBR(见图1(一)与曝气),其中包括一个同心双管孔沿管长度。先前的研究结果表明,同心套管PBR提出了以前的工作可以帮助促进高效microalgal种植。如图1(一),微藻培养之间的环形空间外管和内管,通过一系列的径向孔安装在充气内胎的长度,可以提供空气和混合文化。

如数据所示1 (b)和1 (c)在这工作,新切套管PBR可以减少暗区域的体积,从而增加光明与黑暗区域的比例。费尔南德斯et al。26]讨论了光管的分布,发现在正常的室外条件下,地铁几乎没有黑暗领域,直径0.06米。提供的区域有一个光路不到60毫米是光区,切的光明/黑暗比200毫米直径的外管和内管80毫米直径是0.648相比,增加了31.4%到0.493的管大小相同。在某种程度上,增加的比例有利于microalgal明暗区域种植。巴博萨et al。27]研究了周期时间的影响(10 - 100 s)和光分数(0.1 - 1)增长率和生物量产量杜氏盐藻tertiolecta空运的反应堆,结果表明,增加光分数,为一个常数中周期时间,导致增加生物质产量和经济增长率。此外,相比之下造成的漩涡流衰减同轴入口(28),这个新的曝气方法有望降低衰减的涡流管的长度,从而获得更好的性能。

如图1 (b),60°弧被底部的内胎,内外管是由玻璃面板连接缓解海藻粘在墙上在角落附近。如图1,原点位于外管的轴线 - - - - - -轴方向延伸从原点到外管的顶部(照亮区域),以及 - - - - - -轴方向延伸从原点到外管的右侧。作为由佐藤et al。20.),抛物线反应堆(修改传统的面板的角落)有一个锐角缓解附近的海藻粘在墙上。曝气导致两个对称的排气孔位于内胎生产抛物线流,导致藻类的混合效率高,营养物质和溶解气体。同样,佐藤等的仿真结果。20.)表明,藻类、营养物质和溶解气体混合的抛物线。值得注意的是,佐藤等人提出的抛物线不同于图中所示的结构1(一),它不是一个环形体积。此外,微藻的培养效果的环形空间通风外圆管是最好的(29日),可能是因为圆管和环形空间的径向通风造成的一系列的毛孔。因此,这些切线在microalgal栽培双管似乎更好。

2.2。理论模型和CFD模拟

2.2.1。Microalgal栽培的协同原理

之间的协同作用流体层流流场中粒子的速度和温度梯度可以计算使用方程(1)。如果流体速度的方向接近热流的方向,在层流对流换热的效果会更好(24,30.]:

考虑到热通量的PBR几乎是常数,和人造光源下的光的方向也是恒定的,光场和流场之间的协同作用可以计算方程(2),光照强度和吗流速。速度场之间的角度和光线方向指示协同的程度。当角是90°,协调是最糟糕的程度。当是180°或0°,协同的程度是最优的。的绝对值 用于分析的协同作用。的 值是1,所以协同的程度是最好的。

2.2.2。数值数学模型

的Eulerian-Eulerian双流程模型和标准湍流模型被用来模拟的水动力特征在小说中为PBRs流动。泥浆的淡水绿藻c .寻常的牛顿行为显示生物量浓度从0.5到60公斤·m³粘度增加,从1到1.6 m·s¹。的泥浆Nannochlorissp.和Phaeodactylum tricornutum给了相似的结果,也类似于水的物理性质。因此,采用两相流的空气在模拟(31日]。此外,UDF用于分析 曲线。

(1)Euler-Euler两阶段模型。连续性方程计算 在哪里 , , ,和是时间、体积分数、密度和速度矢量的阶段 ,分别。

动量方程中提供 在哪里 , , ,和分压,身体力量,升力,和动态相的粘度系数 ,分别。的上标表明动荡的术语(32]。微藻生长需要恒定的温度,所以这个项目可以简化为两相流的传质传热。

(2)湍流模型。连续相的湍流(营养)是使用标准的捕获模型。标准的方程从实验现象的基础上,总结了半经验的湍流能量的输运方程( )和湍流耗散率( )(31日]。

湍流能量的输运方程是计算使用

接下来,湍流耗散率的输运方程是通过计算

湍流动能, ,结果平均速度梯度。和描述的影响分散相在连续相。是湍流粘性系数,计算使用 在哪里 , ,和模型常数是固定在1.44、1.92和0.09,分别和紊流普朗特数和分别设置为1.0和1.3。

2.2.3。初始边界条件的模拟

入口条件设置基于气液两相速度入口。切线的通气孔隙结构位于两方面,而毛孔同心结构只放在一边,倾斜向下45°( )。曝气率设置为0.3、0.7和1 vvm,这些为PBRs最初装满水。出口基于pressure-outlet边界条件设置,和墙壁都无滑移边界条件。与此同时,光入射的角度被简化为90°。

计算步长为0.1 s进行非定常计算,收敛残留是10⁴。小说的三维网格为PBRs设计与ANSYS 12.1软件ICEM CFD(64位)。由于圆柱切双管结构,通过非结构化网格计算域是分散的。切双管34万的网格,在网格的同心双管共87万名。网格独立实验表明,当网格数量大于前面的网格数量,计算结果的差异是不明显的。四个位置 和 被选出的监控和分析数据。的数据 计算通过UDF(用户定义函数)来评估的程度光线方向和速度矢量之间的协同作用。

2.2.4。光/暗周期的计算

在这个仿真,球形粒子用于表示藻细胞数( )20、直径( )10μm和密度( )1000公斤·m³每0.1秒,他们的位置被记录。最大的粒子跟踪时间设置为60年代。离散随机游走模型是用来模拟粒子的运动为PBRs [8]。粒子受到阻力的影响( )和压力梯度力( ),(所示33] 在哪里速度矢量和吗是粒子速度向量。下标和分别表示颗粒和液体。的价值是0.44,阻力系数计算所需阻力。

根据前面的实验工作25),套管PBR的光区 ,和黑暗的区域 。因此,光的边界区和暗区设置为行, 。据杨et al。34和你们et al。8),这段时间藻细胞经过两次光明/黑暗接口可以被定义为一个光/暗周期时期( )由光的时间( )和黑暗时间( ),和整个人口的平均光/暗周期时间可以通过计算

光/暗周期频率( )和光线功夫比( )计算使用

3所示。结果与讨论

3.1。曝气的效果在小说的表现为PBRs方向

为了优化曝气方向,切套管PBR的流场模拟,和径向速度的值( )和 计算。基于0.3 vvm的曝气速率,横截面流场特性在五个不同的曝气的方向( )进行了分析。不同曝气的路径线方向的横截面 如数据所示2(一)-2(e)和纵向旋涡生成。而五个部分的数据2(一)-2(e),结构向上和水平曝气的方向,在黑暗中流动面积稀疏和无序,导致可怜的混合效应在黑暗区域。穷人在黑暗中混合效应区域不仅阻碍了完整的解散和二氧化碳的混合和营养,但也会造成细胞沉积(1]。

然而,在向下的方向,在黑暗中流动线区域是规则的。吴et al。14使用螺旋管为PBRs]提出,这可以产生强烈的旋转运动附近墙上;最终,没有形成漩涡的螺旋管为PBRs中间部分。螺旋管为PBRs相比,所产生的纵向涡切双管清晰,特别是向下曝气。这种现象可能是因为主流流轴向方向,和对径向扰动螺旋结构几乎没有影响。

此外,与更大的能量和速度驱动微藻漩涡,航天飞机不断光明与黑暗之间的区域,这是有利于微藻的光合作用1]。分析光催化氧化反应器的板式显示生成的多个纵向涡流动有效提高了传质(24]。因此,向下曝气提供了更多的机会,微藻在黑暗中获得足够的混合区,有利于改善传质性能和为PBRs的闪光效果,从而为微藻的生长创造了有利条件。

microalgal增长率的速度为PBRs直接相关,而确定的混合性能为PBRs [35]。数据3(一个)- - - - - -3 (d)显示之间的关系和 在 (在曝气毛孔)/ 85毫米(在墙)在不同曝气的方向。在图3(一个),向上和水平曝气下面的区域价值的双管的切点 线接近0 m / s,这表明微藻细胞可能经历细胞沉积。他们注意,速度大约是0 m / s时,微藻将经历沉淀,所以死区应该尽可能避免( )(6]。同时,新为PBRs向下曝气,速度梯度分布大,两个高峰出现在黑暗的区域。这一现象表明,向下曝气可以显著提高混合效果。王等人。32)发现存在速度梯度之间的黑暗与光明的领域可以使藻细胞更有效地游在黑暗与光明之间的地区。的小说为PBRs提议在这项研究中,所有曝气的流线型曲线方向光区是相似的,有小的值。此外,我们可以看到在图2在光通流面积可能比在黑暗中。如图3 (b)的价值,线的 是一个数量级小于的价值线的 。这种现象可能是由于锚固依赖,类似于上流社会的报道等。36]。曝气的方向,附近的传质增强的墙壁为PBRs非常弱,所以要注意的外围墙壁。在该地区的 ,的向下曝气的PBR 30°的价值大于其他为PBRs。也就是说,曝气面向30°向下实现流扰动在黑暗区域,从而减少质量边界层。在该地区的 ,曝气的PBR 60°以上最大值,使其成为最适合混合光区。然而,在黑暗中面积与曝气向上面向60°价值较低。此外,体现et al。37]表明,沿着光方向可以提高接收混合和传质产生闪光效果,这可能有利于microalgal种植。

根据方程(1)和(2),速度场之间的角度和光线方向代表的协调程度。如图3 (c)下面,在该地区 ,的 向上的价值加气为PBRs是相似的。但是,对于 在 ,向上的PBR 60°曝气有更高 值比向上PBR 30°曝气。在水平和向下曝气条件下,峰值 黑暗的地区接近1,大于向上曝气条件下峰值。然而,在光区,的值 向上的PBR 60°曝气是最大的。通过比较平均 值为PBRs曝气的方向,获得以下关系: 。因此,平均 0.521是最大的价值在30°向下曝气。在图3 (d),在 ,的 值为PBRs充气结构的20°和30°大于向下 其他为PBRs值。与此同时,如图4在30°向下曝气下,平均价值 在 是最大的,达到了0.711。达到最大值时,结构充气30°向下(0.616)。

TKE值反映了PBR的混合性能。许多研究表明TKE越高,混合PBR的性能就越好(10,38,39]。图4显示了平均湍流动能的关系曲线(TKE)在不同曝气的方向。在图4向下的TKE 30°曝气是最伟大的,增加了大约35%到50厘米²·年代⁻²相比60°的TKE向上曝气(10]。更高的TKE值表示的更有效的混合质量,这是关联到一个更合适的环境microalgal增长35]。在图2,可以看出内胎充气可以形成多个纵向为PBRs漩涡。30°向下通风结构可以实现一个明显更好的混合过程,从而极大地提高microalgal的径向速度和TKE价值的解决方案。

此外,如图4曝气速率为0.3 vvm时,光/暗周期频率和光线功夫比增加曝气方向旋转顺时针从上到下。最大光/暗周期频率和时间比率达到1.6赫兹和46%,分别在30°向下通风结构。最小光/暗周期频率和光线功夫比达到1.45赫兹和44%,分别根据结构60°向上曝气。在图2向上,结构与60°的径向流曝气提供了更少的干扰比结构与微藻溶液30°向下曝气。向上的结构与曝气产生细胞沉积降低死区,从而导致在黑暗中无序流区和径向速度不足以推动微藻细胞回光区。同时,结构向上曝气产生的纵向涡流动的光区。尽管这种现象可以提高藻细胞在光区,它不提高闪光效果。根据先前的研究8),增加闪光效应可以有效地提高藻细胞的光合作用。结构与30°向下曝气使纵向旋涡是位于光明与黑暗之间的边界区域,从而为藻细胞提供足够的动能光明与黑暗之间的区域游泳。这些现象提供一个合理的解释最优光/暗周期频率和光明与黑暗之间的最佳光线功夫比地区30°向下曝气造成的结构如图4。换句话说,调整的方向内胎充气可以提高微藻细胞的闪光效果,可以增强公司的解散和扩散₂和改善营养的混合。根据上述比较,PBR的性能综合评估基于平均 ,平均湍动能(TKE),光/暗周期频率( ),和光线功夫比( )。30°向下通风结构优化的协同作用,实现最大的混合光的方向,从而提高闪光效应和传质,帮助创造最好的藻类细胞微环境。

图5介绍了每个部分的流动特性在小说的轴向方向基于CFD PBR。30°方向向下曝气时,纵向旋涡生成PBR的每个部分,和小漩涡出现在光区。主要的纵向涡流,能源和高速度,不仅防止微藻沉没,也推动光明与黑暗之间的微藻细胞区域。此外,光的小漩涡区域顶部的PBR促进充分溶解和天然气(有限公司₂-)混合液体(营养)。相比之下,程等的工作。1板为PBRs],这里主要的漩涡产生的射流板为PBRs有利于气液混合,而二次涡流推动亮区和暗区之间的微藻类。然而,这些漩涡也有类似的功能,提高传质性能和PBR的闪光效果,促进微藻的生长。的横截面 作为一个例子,涡结构对称分布在左右,和在黑暗中流线分布区域显示,气液两相流的混合程度显著提高暗区,有利于藻细胞对光线的游泳区域。恒有限公司₂气体外管,主要的能量漩涡不断补充维护和报答涡旋运动。虽然有些部分在125毫米,375毫米,625毫米,875毫米没有通气小孔,纵向旋涡仍然由于周围绕流曝气形成的。

3.2。曝气率对这部小说为PBRs的性能

根据上述结果,30°向下曝气是最有利于优化 在黑暗中,实现更高的混合区。接下来,基于30°向下曝气,vvm三通气率0.3,0.7 vvm, 1 vvm比较来获得最优曝气速率。图6显示的曲线和 为 和 在不同的曝气率。

在图6(一),在 稍微增加随着曝气速率的增加。的高峰vvm vvm为0.3,0.7,和1 vvm是0.0393 m / s, 0.045 m / s, 0.049 m / s,分别。如图6 (b),在 三下曝气速率比在一个订单小的 。与此同时,随着曝气速率增加而增加 ,而在其他领域,价值仍然几乎相同。如图6 (c),在 ,的三条曲线 几乎一致,峰值可以达到0.996 PBR的底部。顶部的暗区( ),0.7 vvm的曝气速率下,协同效应高于其他通气率和达到的峰值0.646。在光区, 值很低。的价值 在0.3 vvm是最大的,而价值的 下1 vvm是最小的。与此同时,平均 值在0.7 vvm最大(0.603)。在图6 (d)在黑暗中,区域 ,所有的值 接近1。这给了以下关系: 。

在图6的最大值横断面平均水平 0.7 vvm下是最大的。最后,如图7,0.7 vvm的曝气速率更有利于速度场之间的协同作用,光线的方向。径向速度不同的曝气率没有显著的不同。平均 值0.7 vvm ( )是0.69,这意味着0.7 vvm的曝气速率更有利于协同作用,以及最有利于传质和接待。

图7显示不同的曝气率的影响在光/暗周期频率和光线功夫比微藻细胞的结构向下曝气下30°。在藻类培养,闪光效应反映了藻类的周期性暴露光明与黑暗区域或光明与黑暗之间的快速运动区域。vvm 0.3的曝气速率,最小光/暗周期频率和光线功夫率得到1.65赫兹和47.1%,分别。曝气vvm率为1.0时,最大光/暗周期频率和光线功夫率是2.1赫兹和49.1%,分别。结构与30°向下曝气使纵向旋涡是位于光明与黑暗之间的边界区域,从而为藻细胞提供足够的动能光明与黑暗之间的区域游泳。当曝气率从0.3增加到1.0 vvm,足够的动能是液体;此外,漩涡的存在和径向流的增强提高了混合细胞的光明与黑暗之间的区域,从而缩短L / D微藻细胞的周期。此外,如图7,随着曝气体积的增加,切向的TKE PBR达到它的最大价值。当曝气速率增加从0.7到1.0 vvm TKE增加的价值从51到80厘米²·年代⁻²。漩涡是最终的主要干扰力PBR。曝气速率的增加,更多的动能注入文化的解决方案,这促进了漩涡的形成(35,39]。然而,当曝气率太高了,大量的泡沫的存在在一定程度上阻止了气液阶段的混合。这种现象类似于程研究射流曝气PBR et al。1]。因此,结合协同的程度,过多的气体含量在中并不总是有利于解决方案的混合沿着光线方向(8]。因此,当曝气率从0.7增加到1.0 vvm TKE和的值 分别下降了4%和6%。时,曝气率0.7 vvm TKE价值更高,PBR的混合性能更好。简而言之,尽管光/暗周期频率( )和光线功夫比(φ)是最好的1 vvm曝气速率时,混合性能不如0.7 vvm。此外,曝气vvm率为0.7时,闪光效果已经令人满意。因此,0.7的曝气速率vvm这本小说PBR是一种有效的选择。

根据上述比较,PBR的性能综合评估基于平均 ,平均湍动能(TKE),光/暗周期频率( ),和光线功夫比( )。向下一个曝气30°方向和0.7 vvm的曝气速率是最有利于减少死区,提高光/暗周期频率,改善闪光的效果和质量传递,并帮助创造一个更适合藻类细胞的微环境。

3.3。性能比较与同心套管为PBRs切套管为PBRs

为了更好地理解切套管为PBRs在这项工作的优势,这些为PBRs相比同心套管PBR的仿真结果呈现在图1(一)。同心套管为PBRs,内外管同轴,充气完成通过一排气孔位于上下楼(25]。流切套管PBR是对称的。然而,不同的流场分布两岸的同心PBR因为曝气一侧位于( )。因此,在分析,四行 和 同心PBR的选择。的曲线和 在这两个为PBRs给出数据8(一个)- - - - - -8 (d)。

如图8(一个)黑暗的地区,切套管PBR更高的价值有两个峰值速度,同时 ,的同心套管PBR价值很低。然而,在光区 ,峰值出现在的同心套管PBR,达到最大值(0.047 m·s¹)。这些数据表明,综合在切套管PBR混合效果更好。如图8 (b),的线 两个为PBRs是订单低于线 。然而,同心结构墙附近的更大,这表明提高流干扰附近的墙上是一个重要的考虑改善切套管PBR。这种现象似乎是由于权力分散的双方造成的曝气。径向速度的比较表明,切套管PBR为更好的混合性能,但切套管PBR提供了较弱的干扰比同心套管PBR边界层。

如图8 (c)的黑暗区域 ,的 切套管PBR的价值比同心套管PBR的大,这表明切套管PBR的协同作用是更好的在黑暗中区域。然而,在光区 ,的 同心套管PBR价值较高,而在光区 ,的 同心套管PBR的低。这种现象可能是因为墙内胎的干扰。在光区 ,同心套管PBR的流场是被内部管壁表面和流体速度边界层附近的减少使它适合于微藻的生长。相比,在同一位置,切套管PBR切套管PBR的流速 高于的同心PBR由于缺少内壁干扰。因此, 价值的同心套管PBR被暂时高于 切套管PBR的价值。当流体在同心PBR远离表面的内管壁,边界层效应消失,因为过度的流体速度不再是一个组件适合环境。此外, 同心套管PBR的价值降低了。

如图8 (d),在直线上 ,在大多数地区, 切套管PBR的价值大于 同心套管PBR的价值。的范围 在这条线 ,的 价值的同心套管PBR略大。在表1,平均 切套管PBR的值是0.649,大于平均水平 值(0.508)的同心套管PBR 0.3 vvm。因此,切套管PBR的协同程度是更好、更有利于传质。通过比较和 以上,黑暗流扰动区切套管PBR和光线方向和速度场之间的协同作用都是更好的,但墙附近的流动扰动是切向套管PBR结构优化的关键位置。

在这工作,同心套管为PBRs和切套管为PBRs作为仿真对象,流动特性和切套管为PBRs闪光效应和同心套管为PBRs使用流体动力学方法研究了。众所周知,各种管为PBRs已经设计了微藻培养(1)和流场的实验表征PBR是困难和昂贵的8]。因此,计算流体动力学(CFD)是一种重要的流行,和可靠的方法测量管的内部性能PBR [16]。

在我们以前的工作(25),一个同心套管结构制造和研究在实验室实验。潜在的使用同心套管PBR为微藻文化是通过微藻培养实验验证的。特别是,同心套管PBR更适合微藻的生长。实验数据显示,同心套管PBR的生物质产量增加了至少43.6%到107.4%相比常见的管状PBR。同时,场协同理论结合同心套管PBR模拟模式应用于管状微藻为PBRs的设计。光和速度梯度的截面协同程度更高的平均( )的同心套管PBR实验结果(提供了一个理论解释),仿真结果表明,对于为PBRs, TKE价值54厘米²·年代²优于其他值。在15天的文化过程中,同心套管PBR的pH值改变了从7.5到9.0,而常见的PBR改变了从7.5到8.8。PBR的溶解氧浓度波动在6.0和7.0之间mg·L⁻¹,而常见的PBR波动在6.6和10.2之间mg·L⁻¹。这些实验和模拟数据显示,同心套管PBR的混合性能明显优于普通PBR。换句话说,实验结果验证two-tube模型的可靠性。本文的模拟模型切套管PBR开发基于同心套管PBR与高相似度模型和物理模型。仿真结果表明,与同心套管PBR相比,光/暗周期频率和时间切套管的PBR 1.8赫兹和47.8%增长了78.2%和36.2%,分别和TKE增强48.1%,从54到80厘米²·年代⁻²。平均截面上的光和速度梯度的协同作用增加了38%,至0.69点。一般来说,切套管PBR的模型和同心套管PBR成立于这项工作是可靠的,并切套管比同心套管PBR PBR潜力更大。切套管PBR换句话说,是一个更有吸引力的微藻培养和功能选择。

3.4。与其他管为PBRs性能比较

如表所示1,我们比较了PBR其他小说提出了管状为PBRs提出了最近的研究。TKE值PBR的混合性能的关键参数。同心套管PBR相比,切套管PBR的TKE价值增加了近48.1%。徐et al。38)提出了一个通风管空运PBRBotryococcus braunii的TKE值增加从32到74厘米²·年代⁻²通过优化其内部结构。阿齐兹et al。10)还发现,静态混合器后嵌入到管状PBR, PBR的混合条件和水动力性能优于传统的PBR,和TKE值能够达到23厘米²·年代⁻²,这基本上是一致的管状PBR研究结果你们et al。8)使用4个Kenics混合器和一个细胞Kenics混合器( 厘米²·年代⁻²)。此外,这些研究主要是为了调整物理位置提高文化的混合性能的解决方案。这部小说为PBRs提出了工作采取了切线内胎充气结构,产生对称的垂直漩涡PBR的光明与黑暗之间的区域。这些小说结构促进了混合解决方案的性能和显著增加TKE值(80厘米²·年代⁻²)。本研究的研究焦点是类似于程et al。1),改进的混合性能通过使用射流在一盘PBR,增加TKE约35.5%。在这工作,而添加一个静态混合器或引流管,使用可调节的曝气方法更有效地改善了混合性能(或TKE值)的培养基。换句话说,切套管PBR混合提供更好的性能和更适合微藻的生长。

如表所示1,切套管PBR的性能优越的同心套管PBR的光/暗周期频率和光线功夫。特别是,切管PBR的同心套管PBR的1.8倍。这主要是因为切套管PBR生成漩涡之间的光区和暗区,减少了PBR的死区,允许之间的微藻细胞有效游光区和暗区。根据先前的研究,光/暗周期频率和光线功夫管PBR广泛探索率(8,13,16]。你们et al。8)提出了一种基于串行灯笼型通风管PBR,可以有效地提高为PBRs的闪光效果。类似于研究阿齐兹et al。10),添加静态混合器,Kenics混合器等单位,也可以改善PBR的混合性能。然而,这些方法没有产生明显的漩涡在培养基和改进光/暗周期的频率和光线功夫速率是有限的。Gomez-Perez et al。16)开发了一种螺旋PBR文化能产生一个明显的涡流的解决方案,大大提高了光/暗周期PBR的频率,达到高达0.9赫兹,类似于同心套管PBR。接下来,Lei et al。13)设计了一种新型管式PBR与螺旋肋1.4赫兹的最大光暗周期,这是高于提出Gomez-Perez et al。16)和同心套管PBR但低于切套管PBR(1.8赫兹)。据程et al。1,8),一个合适的速度流场和混合能力可以提供一个合适的微藻生长微环境。均匀的速度分布可以在PBR促进微藻的均匀分布,从而减少聚合或沉淀,促进光的渗透和均匀分布,这将促进微藻的生长。与此同时,复杂的旋涡流场的切向套管PBR,尤其是沿着光渗透方向的速度分量,使微藻之间来回移动光明与黑暗区域的解决方案,一个活动更有利于光合作用(见图2)。

根据我们之前的研究(25),大死区形成的同心套管PBR暗区,导致微藻细胞保持在黑暗中带很长一段时间。因此,在同心套管PBR,这些微藻细胞游泳很难向上获得光明。因此,光/暗周期频率和光线功夫切套管PBR的比率远高于同心套管PBR。现有的实验表明,在一些栽培条件下,批量生产的小球藻寻常的在同心双管相比增加了137.50%,在管式PBR [25]。当曝气方向位于30°向下和曝气速率为0.7 vvm同心套管PBR相比,切套管PBR光/暗周期的频率和光线功夫比增加了78.2%和36.2%,至1.8赫兹和47.8%,分别。协同作用的截面平均光和速度梯度增加了38%,至0.69点。一般来说,切套管PBR更有利于提高传质和提高藻细胞的光合效率;它将有更大的潜在的大规模种植的一个文化实验。在我们的后续研究中,我们将构建一个切向套管PBR在实验室规模的实验模型,进一步讨论其性能。本文仿真工作为将来的实验提供了理论的理由。

4所示。结论

在这项研究中,一种新型切套管PBR与径向通风气孔沿管长度提出了基于场协同理论和模拟使用CFD仿真技术。仿真结果如下:

切向内胎充气结构生成对称垂直漩涡PBR光明与黑暗之间的区域,和小说PBR显著提高了传质,强化了闪光效果,减少了死区。同心套管PBR相比,光/暗周期频率和光线功夫切套管PBR的比例增加了78.2%和36.2%,至1.8赫兹和47.8%,分别

向下一个曝气30°方向和0.7 vvm的曝气速率是最有利于提高小说PBR的混合性能,和平均湍流动能(TKE)提高了48.1%,从54到80厘米²·年代⁻²

场协同理论可以应用于管状微藻为PBRs的设计。同心套管PBR相比,平均光和速度梯度的协同作用在截面切套管PBR增长了38%,至0.69。这种新颖的设计可以提供一个更合适的微环境对microalgal培养和生物资源恢复和促进微藻的产量

命名法

缩写

L / D:	光和黑暗的循环周期
TKE:	湍流动能(cm2·年代−2)
PBR:	Photobioreactor。

下标

:	湍流能量项
:	的阶段
:	动荡的任期
:	湍流耗散项。

符号

:	模型常数
:	固体颗粒的直径(μ米)
:	身体力(公斤·m−2·年代−2)
:	压力梯度力(公斤·m−2·年代−2)
:	湍流能量是由于平均速度梯度(cm2·年代−2)
:	分压(Pa)
:	时间(年代)
:	光/暗周期时间(s)
:	流速度矢量(m·s−1)
:	粒子速度矢量(m·s−1)
:	液体的密度(公斤·m−3)
:	体积分数
:	湍流粘性系数(公斤·m−2·年代−2)
:	紊流普朗特数
:	固体颗粒的密度(公斤·m−3)
:	流体的径向速度(m·s−1)
:	阻力系数计算阻力所需
:	光/暗周期频率(赫兹)
:	升力(公斤·m−2·年代−2)
:	拖曳力(公斤·m−2·年代−2)
:	藻细胞数量
:	光时间(年代)
:	黑暗的时间(年代)
:	温度梯度(K)
:	速度矢量(m·s−1)
|因为α|:	协同程度
:	光线功夫比
:	密度(公斤·m−3)
:	分散相在连续相的影响
:	流速的方向之间的角度和热流的方向。

数据可用性

分析数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

旭扬崔负责数据管理,草稿准备、可视化、审查和编辑;Junhong杨负责概念、方法和监督;冯远征负责软件;和张了雯雯负责可视化。所有作者阅读和批准最终的手稿。

确认

作者要感谢天津大学的引擎的国家重点实验室和重点实验室的高效利用中低品位能源、MOE,金融支持。这项工作是由天津高层次创新人才开发特别支持项目和创业团队。这项研究是由中国的天津市自然科学基金(批准号13 jcybjc19000)。

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