中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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管式光生物反应器中螺旋混合器的径向高度 对光暗循环频率和压降的影响

作者 秦超,雷玉玲,吴晶
作者单位 华中科技大学,能源与动力工程学院,武汉 430074
摘要 将光暗循环频率的无量纲增量与压降的无量纲增量之比定义为光暗循环强化效率,作为混合器的经济 性评价指标。通过计算流体力学方法,比较了带有不同径向高度混合器(H=10mm,15mm 和20mm)的反应 器的光暗循环强化效率。结果表明,在入射光强为800μmol·m-2·s-1 时,通过将H 从20mm 降低到15mm 和10mm,强化效率从12.0% 升高到了22.9% 和22.3%;在光强为375μmol·m-2·s-1 时,强化效率则从 13.4% 变为12.0% 和21.7%。即在这两种光照条件下,径向高度较低的混合器具有更高的光暗循环强化效率。 基于对结果的分析,提出可根据速度场和光照场的协同来设计混合器。
关键词 管式光生物反应器,螺旋混合器,混合器径向高度
DOI 10.3969/j.issn.1674-0319.2018.02.012
Abstract In this work, the effi ciency of light/dark cycle enhancement, defi ned as the ratio of the dimensionless increment of light/dark cycle frequency to the dimensionless increment of pressure, was introduced to evaluate economic performance of mixer. Then, the photobioreactors with different radial height(H=10mm, 15mm and 20mm)of mixers were compared in terms of the efficiency using computational fluid dynamics. The results showed that by reducing radial height from 20mm to 15mm and 10mm, the effi ciency increased from 12.0% to 22.9% and 22.3% when the incident light intensity was 800μmol·m-2·s-1. And when incident light intensity was 375μmol·m-2·s-1, the effi ciency was 13.4%, 12.0% and 21.7% respectively. Namely, in respect of the effi ciency of light/dark cycle enhancement, mixer with a lower radial height performs better than mixer with a higher radial height under these two incident light intensities. Based on the analyzing of the results, this paper proposes that the design of mixers should consider the synergy between velocity fi eld and light fi eld.
Key Words tubular photobioreactor; helical mixer; radial height of mixer; light/dark cycle; fi eld synergy principle
通讯作者 吴晶,副教授。主要研究方向为微藻培养条件的控制、光 生物反应器优化以及微藻能源经济性评价。E-mail:jingwu12@gmail.cm
前言段部分

光生物反 应器因其能实现微藻的高密度培养、控 制污染源和生长环境等[1]特点而成为能源微藻产业化 的关键一环,其中管式光生物反应器因能实现连续 培养、有较高的比表面积而具有产业化的前景[2-3]。 为达到较好的混合效果,在管式光生物反应器中,管 内液体需有较高的循环速度,且使流动长期保持处 于湍流状态[4]。但增加循环速度会造成沿程阻力的增 大[4],且过高的流速产生的剪切力会对藻细胞造成剪 切损伤,不利于藻细胞生长[5]。在不增加循环速度的 条件下,混合器能在管内形成涡流[6],该涡流可以 促进光区与暗区之间的混合[7-8],从而促进光暗循环。 由于闪光效应,光暗循环频率的增加会促进藻细胞的 生长[9-10]。参考文献[8]在全管段布置一种螺旋式静态 混合器,以此来提高光暗循环频率,从而提高产量。 实验表明,加入此种混合器能使反应器内的Chlorella sp.的产量增加37.26%,但添加混合器使耗能增加了 2768%(添加和未添加时耗能分别为0.39W·m-1和 0.0136W·m-1)。因此,如何在低能耗下显著提高反 应器的混合性能,就成为了反应器设计的关键。

器[7-8,11-12]还是外部混合器[3,13-14]的设计均采用试 错法,即采用一个新结构,再评价该结构对混合性 能的影响,而没有明确的优化思路。一方面,光照 梯度方向流速和光暗循环频率对生物产量的影响要 远大于宏观混合参数(如湍动能和湍动能耗散速率) 的影响[15],而光照梯度方向流速与光暗循环频率都 是由管内速度场与管内光照场共同决定,因此需要 采用场协同[16]的思想来优化管内流场。另一方面, 在反应器中,因为暗区与光区沿径向分布[11],且光 暗区和速度场共同决定光暗循环频率,所以混合器 的径向高度对管式反应器混合性能具有重要影响。

带螺旋混合器的管式反应器的旋流数高于带 Kenics混合器的管式反应器、螺旋管式反应器和扭 转式反应器,但压降却比后三者都低[14]。因此本文 以螺旋混合器为例,采用计算流体力学(CFD)和 欧拉-拉格朗日方法,比较不同径向高度时藻细胞经 历的光暗循环频率和相应反应器的总压压降,并用 场协同思想对结果进行分析,为光生物反应器中的 混合器设计提供理论指导。

正文

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引用文本 引用格式 [1]秦超,雷玉玲,吴晶.管式光生物反应器中螺旋混合器的径向高度对光暗循环频率和压降的影响[J].生物产业技术,2018,2:95-101.
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作者
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作者单位
华中科技大学,能源与动力工程学院,武汉 430074
摘要:
将光暗循环频率的无量纲增量与压降的无量纲增量之比定义为光暗循环强化效率,作为混合器的经济 性评价指标。通过计算流体力学方法,比较了带有不同径向高度混合器(H=10mm,15mm 和20mm)的反应 器的光暗循环强化效率。结果表明,在入射光强为800μmol·m-2·s-1 时,通过将H 从20mm 降低到15mm 和10mm,强化效率从12.0% 升高到了22.9% 和22.3%;在光强为375μmol·m-2·s-1 时,强化效率则从 13.4% 变为12.0% 和21.7%。即在这两种光照条件下,径向高度较低的混合器具有更高的光暗循环强化效率。 基于对结果的分析,提出可根据速度场和光照场的协同来设计混合器。
关键词
管式光生物反应器,螺旋混合器,混合器径向高度
DOI
10.3969/j.issn.1674-0319.2018.02.012
Abstract
In this work, the effi ciency of light/dark cycle enhancement, defi ned as the ratio of the dimensionless increment of light/dark cycle frequency to the dimensionless increment of pressure, was introduced to evaluate economic performance of mixer. Then, the photobioreactors with different radial height(H=10mm, 15mm and 20mm)of mixers were compared in terms of the efficiency using computational fluid dynamics. The results showed that by reducing radial height from 20mm to 15mm and 10mm, the effi ciency increased from 12.0% to 22.9% and 22.3% when the incident light intensity was 800μmol·m-2·s-1. And when incident light intensity was 375μmol·m-2·s-1, the effi ciency was 13.4%, 12.0% and 21.7% respectively. Namely, in respect of the effi ciency of light/dark cycle enhancement, mixer with a lower radial height performs better than mixer with a higher radial height under these two incident light intensities. Based on the analyzing of the results, this paper proposes that the design of mixers should consider the synergy between velocity fi eld and light fi eld.
Key Words
tubular photobioreactor; helical mixer; radial height of mixer; light/dark cycle; fi eld synergy principle
通讯作者
吴晶,副教授。主要研究方向为微藻培养条件的控制、光 生物反应器优化以及微藻能源经济性评价。E-mail:jingwu12@gmail.cm
前言段部分

光生物反 应器因其能实现微藻的高密度培养、控 制污染源和生长环境等[1]特点而成为能源微藻产业化 的关键一环,其中管式光生物反应器因能实现连续 培养、有较高的比表面积而具有产业化的前景[2-3]。 为达到较好的混合效果,在管式光生物反应器中,管 内液体需有较高的循环速度,且使流动长期保持处 于湍流状态[4]。但增加循环速度会造成沿程阻力的增 大[4],且过高的流速产生的剪切力会对藻细胞造成剪 切损伤,不利于藻细胞生长[5]。在不增加循环速度的 条件下,混合器能在管内形成涡流[6],该涡流可以 促进光区与暗区之间的混合[7-8],从而促进光暗循环。 由于闪光效应,光暗循环频率的增加会促进藻细胞的 生长[9-10]。参考文献[8]在全管段布置一种螺旋式静态 混合器,以此来提高光暗循环频率,从而提高产量。 实验表明,加入此种混合器能使反应器内的Chlorella sp.的产量增加37.26%,但添加混合器使耗能增加了 2768%(添加和未添加时耗能分别为0.39W·m-1和 0.0136W·m-1)。因此,如何在低能耗下显著提高反 应器的混合性能,就成为了反应器设计的关键。

器[7-8,11-12]还是外部混合器[3,13-14]的设计均采用试 错法,即采用一个新结构,再评价该结构对混合性 能的影响,而没有明确的优化思路。一方面,光照 梯度方向流速和光暗循环频率对生物产量的影响要 远大于宏观混合参数(如湍动能和湍动能耗散速率) 的影响[15],而光照梯度方向流速与光暗循环频率都 是由管内速度场与管内光照场共同决定,因此需要 采用场协同[16]的思想来优化管内流场。另一方面, 在反应器中,因为暗区与光区沿径向分布[11],且光 暗区和速度场共同决定光暗循环频率,所以混合器 的径向高度对管式反应器混合性能具有重要影响。

带螺旋混合器的管式反应器的旋流数高于带 Kenics混合器的管式反应器、螺旋管式反应器和扭 转式反应器,但压降却比后三者都低[14]。因此本文 以螺旋混合器为例,采用计算流体力学(CFD)和 欧拉-拉格朗日方法,比较不同径向高度时藻细胞经 历的光暗循环频率和相应反应器的总压压降,并用 场协同思想对结果进行分析,为光生物反应器中的 混合器设计提供理论指导。

正文
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引用文本
引用格式 [1]秦超,雷玉玲,吴晶.管式光生物反应器中螺旋混合器的径向高度对光暗循环频率和压降的影响[J].生物产业技术,2018,2:95-101.