多級進氣平板式光生物反應器微藻培養性能模擬研究

崔海龍 趙劍光

摘要利用計算流體力學（CFD）方法模擬主要操作參數對多級進氣平板式光生物反應器的混合傳動、傳質及傳光性能的影響。結果表明，當3種操作參數通氣分配比例、反應器底部度數、隔板長度比例分別為1∶2∶3、30°、3∶2∶1時，反應器的混合傳動性能最佳；操作參數分別為1∶3∶2、45°、3∶2∶1時，反應器傳質性能最佳；操作參數分別為3∶2∶1、45°、2∶2∶3時，反應器傳光性能最佳。模擬試驗結果對平板式光生物反應器的優化設計具有重要的參考價值。

關鍵詞多級進氣；光生物反應器；傳動；傳質；傳光；計算流體力學

中圖分類號S188；O359文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-031-03

微藻是一類分布廣泛，光合作用利用度高，只能在顯微鏡下才能分辨其形態的微小藻類類群。隨著對微藻研究的日益成熟，其在食品及保健品、能源、醫藥、環保等領域得到廣泛應用[1]。微藻的大規模商業化培養是未來微藻發展的趨勢，然而用于微藻培養的光生物反應器技術不佳卻嚴重制約微藻的商業化發展[2]。近年來隨著計算流體力學（CFD）技術的發展，CFD技術在光生物反應器的優化設計領域因其研發周期短、成本低、可以全面研究反應器流場特性等優勢而得到了廣泛應用并取得了一定的研究成果，提高了光生物反應器微藻培養性能。

研究光生物反應器微藻培養性能的提升過程中，研究者必須綜合考慮反應器性能的多個因素[3]。因此在反應器優化設計上，該研究與已有的研究光生物反應器文獻中選擇的評價參數相同[4-8]，筆者選擇平均湍動能（ATK）作為評價反應器混合傳動性能的指標，選擇液相體積傳質系數（KLa）作為反應器傳質性能指標，選擇反應器光照徑向速度（U）作為其傳光特性指標，對多級進氣光生物反應器影響微藻培養性能的通氣分配比例、反應器底部度數、隔板長度分配比例進行了研究。

1試驗裝置及網格劃分

試驗裝置及網格劃分見圖1，該試驗構建了多級進氣的平板式光生物反應器，其反應器外圍結構，長寬高為 250 mm×150 mm×420 mm，實際液高為400 mm，裝液體積為15 L，反應器的外壁和導流隔板分別采用5 mm 和3 mm 厚的有機玻璃材料。反應器隔板間隙為15 mm，隔板長度為100 mm，隔板上沿距液面的距離為30 mm。反應器氣體分布器采用內徑6 mm 的塑料軟管，軟管頂部開有3排直徑0.5 mm的通氣氣孔，每個通氣孔間隔1 cm，分布器的中心線與擋板下沿處于同一水平高度。

對建立的幾何模型采用網格劃分軟件ANSYS ICEM CFD（64bit）進行網格劃分，網格類型采用結構化六面體網格。采用流體仿真軟件ANSYS 14.4 Fluent對所建立的平板式生物反應器模型進行模擬計算，由于出氣口的初始速度變化梯度較大，采用局部加密網格，為減少計算量，幾何模型Z方向取其中的1/10，兩面設為周期性界面。

2數值模擬

2.1控制方程

采用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬氣液兩相混合流動，假定流體為連續相，分散相為不可壓縮氣體，且兩相流之間不考慮能量傳遞，也不考慮兩相之間物理化學變化，其控制方程[9]：

質量守恒方程：

t（αqρq）+·（αqρqvq）=mpq（1）

動量守恒方程：

t（αqρqvq）+·（αqρqvqvq）=

-αqp+·τq+

Kpq（vp-vq）+mpq

vpq+mqρqg+αqρqFq

（2）

湍流模型k方程：

t（αqρqkq）+·（αqρqvqkq）=

·αqμeff，qσkkq+αqGk，q-αqρqεq+αqρqkq

（3）

湍流模型ε方程：

t（αqρqεq）+·（αqρqvqεq）=

·αqμeff，qσεεq+αq

εqkq（C1εGk，q-C2ερqεq）+αqρqkq（4）

該研究中氣含率較小，因此，升力、虛擬質量力不是主要影響因素，式（4）中只應用Schiller-Naumann 方法考慮曳力[5，8]的影響。

式中，Cε1、Cε2、σε、σk為湍流參數，α為相體積分數，ε為湍動能耗散率（m2/s3），μeff為有效粘度（Pa·s），mpq為第p相到q相的質量傳遞（kg），K為相間動量傳遞系數，Gk為湍流動能產生項[kg/（m·s3）]。

Xue等[10]在反應器氣液兩相流的基礎上，利用溶質滲透理論和各項湍流理論建立了液相體積傳質系數數學模型，李昱喆等[5]和王淋淋等[8]利用該液相體積傳質系數模型對反應器進行了模擬研究并通過試驗驗證了其準確性和可行性，該研究對于反應器傳質性能繼續采用該數學模型，液相體積傳質系數可表示為：

kLa=2πDLρLεμ0.256εgdb（1-εg）（5）

式中，KLa為溶氧體積傳質系數（s-1），d為氣泡直徑（m），εg為平均氣含率（%），μ為剪切粘度[kg/（m·s）]，ρ為流體密度（kg/m3），D為液相擴散系數（m2/s）。

2.2數值方法與邊界條件

采用標準kε模型模擬湍流，壁面附近流動選用標準的壁面函數法，設置流體為非穩態流動。入口處邊界條件定義為速度入口，其氣相體積分數定義為1，出口處邊界條件定義為壓力出口，出口空氣回流體積分率設為1。液面上部的計算區域初始化設置氣體的體積分數為1。結合試驗觀察，氣泡大小設置為4 mm[5]。設置計算殘差收斂標準小于10-5，時間步長設定為0.001 s。隨迭代時間增加，流場逐漸趨于收斂，當質量殘差曲線在10-3附近，其余殘差曲線分別在10-4附近且變化幅度不大，進出口界面氣體流量差距在0.1%之內且不同監控點變化在1%之內，可認為流場達到收斂狀態[5，8]。

3結果與分析

3.1通氣分配比例對反應器性能的影響在通氣率為9 L/min下對多級進氣光生物反應器上段、中段、下段的通氣分配比例進行了研究，以反應器的混合傳動性能平均湍動能（ATK）作為評價參數。由圖2可知，當反應器上段、中段、下段通氣分配比例為1∶2∶3和1∶3∶2時，反應器混合傳動性能較好，當通氣分配比例為3∶2∶1和3∶1∶2時，反應器混合傳動性能較差，說明在多級進氣反應器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應器的混合傳動性能，當上段通氣比例分布較高時，不利于提升反應器的混合傳動性能。

通氣分布比例對反應器傳質性能的影響見圖3，由圖3可知，當通氣比例為2∶1∶3時，反應器的液相體積傳質系數最低，反應器的傳質性能較差，當通氣比例在3∶1∶2時，反應器的傳質性能也相對較差。然而，當通氣比例在1∶3∶2和2∶3∶1時，反應器的液相體積傳質系數較好，由此可知，適當地提高反應器中段的通氣比例分配可以提高反應器的傳質性能。

由圖4可知，當通氣比例在3∶1∶2時反應器光照方向徑向速度最好，微藻對光能的利用效率最佳。當通氣分配比例在2∶1∶3時，反應器的傳光性能最差。最佳通氣比例下的傳光性能較最差的通氣比例下傳光性能提升了44.1%，其他通氣分配比例對反應器傳光性能影響不大。

3.2底部度數對反應器性能的影響

為優化反應器內部流場，反應器底部左右各去掉一個角，其外壁斜邊與底部形成夾角（底部度數）。反應器的底部度數對反應器混合傳動性能的影響見圖5。由圖5可知，隨著反應器底部度數的增加，反應器的平均湍動能系數逐漸降低，混合傳動性能逐漸變差。當反應器底部度數在45°～60°時，反應器平均湍動能變化幅度較小，當反應器底部度數在60°～75°時，反應器平均湍動能變化幅度較大，受反應器底部度數的變化影響較大。

反應器底部度數對反應器傳質和傳光性能的影響見圖6。由圖6可知，反應器的液相體積傳質系數和光照方向徑向速度變化的趨勢相差不大，都隨著反應器底部度數先逐漸增加，當底部度數在45°時，兩者的數值達到最大，然后隨著底部度數的增加，逐漸降低，說明當反應器底部度數在45°時反應器的傳質性能和傳光性能最佳，提高了微藻的培養性能。

3.3內部隔板分段比例對反應器性能的影響反應器隔板分配比例對反應器性能的影響見圖7，由圖7a和7b可知，當反應器上段、中段、下段的隔板分配比例為3∶2∶1時，反應器的平均湍動能參數和液相體積傳質系數參數最高，而相對應的當反應器隔板的分配比例為1∶2∶3時，反應器的平均湍動能和液相體積傳質系數最低，說明適當提高反應器上段隔板的分配比例可以提高反應器的混合傳動性能和傳質性能。由圖7c可知，當反應器的隔板分配比例在2∶3∶1時，反應器光照方向傳光性能最差，當隔板分配比例在2∶2∶3時，反應器的傳光性能最佳。

4結論

該研究建立了多級進氣平板式光生物反應器幾何模型，采用CFD技術利用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬研究了反應器內氣液兩相流體動力學過程，研究了反應器的通氣分配比例、反應器底部度數、反應器隔板分配比例對光生物反應器混合傳動、傳質、傳光性能的影響。

（1）多級進氣反應器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應器的混合傳動性能，其中當通氣分配比例為1∶2∶3時，反應器混合傳動性能最佳。通氣比例在1∶3∶2時，反應器的液相體積傳質系數較高，當通氣分配比例為3∶1∶2時，反應器的傳光性能最佳。

（2）隨著反應器底部度數的增加，反應器的平均湍動性能逐漸降低。當反應器底部度數在45°時，反應器的傳質性能與傳光性能最佳。

（3）對于反應器內部隔板分配比例研究表明，適當地提高光生物反應器上段隔板的分配比例可以提高反應器混合傳動、傳質性能，當隔板分配比例在3∶2∶1時，反應器的混合傳動、傳質性能最佳。當隔板的分配比例在2∶2∶3時，反應器的傳光性能最佳。

參考文獻

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