微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞現(xiàn)象的研究進(jìn)展

陳智杰，姜澤毅，2，張欣欣，3，張欣茹

（1北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2北京科技大學(xué)，北京市高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京100083； 3北京科技大學(xué)，冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

進(jìn)展與述評(píng)

微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞現(xiàn)象的研究進(jìn)展

陳智杰1，姜澤毅1，2，張欣欣1，3，張欣茹1

（1北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2北京科技大學(xué)，北京市高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京100083；3北京科技大學(xué)，冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過(guò)程中光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞現(xiàn)象是影響微藻的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的重要因素。本文重點(diǎn)綜述了光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞現(xiàn)象（光傳遞、傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)量傳遞）及其數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展，分析了光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)光傳遞和傳質(zhì)的影響，總結(jié)影響各傳遞現(xiàn)象的重要參數(shù)，如光吸收系數(shù)、體積傳質(zhì)系數(shù)等，為高效光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及放大提供了參考依據(jù)。

微藻；光生物反應(yīng)器；傳熱；傳質(zhì)；光衰減

微藻（microalgae）是一種能有效利用光能、二氧化碳和水生長(zhǎng)的低等植物，其種類(lèi)繁多、分布廣泛；具有生物量大、生長(zhǎng)周期短、易培養(yǎng)及脂質(zhì)含量高等特點(diǎn)，被國(guó)際上認(rèn)為是一種最有潛力替代石油的生物資源[1]，其規(guī)?；囵B(yǎng)是解決當(dāng)前能源短缺和環(huán)境污染的有效手段。

微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)主要在光生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，以提供微藻生長(zhǎng)必要的營(yíng)養(yǎng)物、光照、CO2、溫度、鹽度和通氣條件等。微藻光生物反應(yīng)器包括開(kāi)放式和封閉式[2-4]，高效光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大是能源微藻規(guī)?；钠款i問(wèn)題之一[1]。高效光生物反應(yīng)器研究主要涉及4個(gè)方面[5]：一是增大反應(yīng)器比表面積；二是增強(qiáng)氣液傳質(zhì)效率；三是提供高效光源；四是提高光傳遞效率。因此，深入研究光生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和光傳遞現(xiàn)象對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源微藻規(guī)?；哂兄匾F(xiàn)實(shí)意義。有鑒于此，本文綜述了光生物反應(yīng)器內(nèi)的各傳遞現(xiàn)象及其數(shù)理模型，闡述了光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸變化對(duì)各傳遞現(xiàn)象的影響，并分析了主要參數(shù)對(duì)各相關(guān)傳遞現(xiàn)象的影響。

1 光生物反應(yīng)器內(nèi)光傳遞現(xiàn)象

1.1 現(xiàn)象描述

植物生長(zhǎng)離不開(kāi)光合作用，光的可獲得性和光照強(qiáng)度是控制光合作用影響微藻細(xì)胞生長(zhǎng)的主要因素[6-7]。然而，光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)多樣，且微藻細(xì)胞自身存在相互遮蔽和光吸收效應(yīng)，使入射光穿過(guò)藻液時(shí)不斷衰減。因此，光在培養(yǎng)體系內(nèi)的分布存在時(shí)空的非線性變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)細(xì)胞密度和透光距離的增加光衰減現(xiàn)象呈上升趨勢(shì)[8-10]。

對(duì)于微藻戶(hù)外培養(yǎng)，不僅存在著光衰減現(xiàn)象，而且光照強(qiáng)度和光照時(shí)間均隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化。在光生物反應(yīng)器研究中，有學(xué)者將培養(yǎng)液的流動(dòng)和光衰減結(jié)合，采用光暗循環(huán)周期[7，11]來(lái)體現(xiàn)光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布，這一參數(shù)直接影響微藻的生產(chǎn)率和CO2固定率。此外，過(guò)量的光照強(qiáng)度還會(huì)引起光抑制作用[12-13]。

因此，建立光生物反應(yīng)器光傳遞數(shù)學(xué)模型有效分析光分布是設(shè)計(jì)高效微藻光生物反應(yīng)器的關(guān)鍵之一。

1.2 數(shù)學(xué)模型

目前，學(xué)者們通常假設(shè)[8，10]光在培養(yǎng)液中傳播方向不變，忽略固體顆粒的光散射，輻射為單色光，采用經(jīng)典光學(xué)理論中Lambert-Beer定律[14]來(lái)描述光生物反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞濃度和光徑對(duì)光衰減的一般規(guī)律，如式（1）。

式中，I為入射光被藻類(lèi)吸收后剩余的光強(qiáng)度，W/m2；I0為入射光強(qiáng)度，W/m2；α為光吸收系數(shù)，m－1；L為光徑，m；ka為比消光系數(shù)，m2/g；X為藻細(xì)胞濃度，g/L。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者利用Lambert-Beer定律的指數(shù)衰減關(guān)系對(duì)多種藻細(xì)胞培養(yǎng)液中的光衰減進(jìn)行研究，得到光衰減經(jīng)驗(yàn)公式，如式（2）～式（5）。

一般情況下，采用Lambert-Beer定律指數(shù)關(guān)系已足夠準(zhǔn)確描述培養(yǎng)液中光分布。然而，由于光散射和可選擇性吸收，隨著藻細(xì)胞濃度的增加，藻細(xì)胞間距逐漸減小，某些情況下細(xì)胞濃度與光衰減的變化關(guān)系會(huì)偏離Lambert-Beer定律[19，20]，呈非線性相關(guān)。

式中，I0為入射光光照強(qiáng)度，W/m2；I為光程L位置的光照強(qiáng)度，W/m2；OD為光學(xué)密度；L為光程，m。

Fernandez等[8]在研究三角褐指藻時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藻細(xì)胞濃度超過(guò)1.3 g/L時(shí)，藻液的光衰減特性不符合Lambert-Beer定律，提出描述光衰減現(xiàn)象較為簡(jiǎn)單的雙曲模型，見(jiàn)式（8）。

式中，At為光衰減系數(shù)；Atmax為最大光衰減度；Kat為光衰減常數(shù)，g/m；K'a為雙曲吸收系數(shù)，m－1；Laverage為平均光徑，m；c為細(xì)胞濃度，g/L。

華東理工大學(xué)朱篤等[21]利用雙曲模型研究聚球藻7942培養(yǎng)液中的光衰減，得到較Lambert-Beer定律更好的光分布。暨南大學(xué)徐明芳等[22]在研究螺旋藻時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用雙曲模型能在較大藻生物量濃度范圍內(nèi)很好的描述光衰減現(xiàn)象。

此外，江西師范大學(xué)張志斌[23]基于藻細(xì)胞中葉綠素對(duì)光的吸收存在的“包裹效應(yīng)”理論，假設(shè)比消光系數(shù)隨藻細(xì)胞濃度增大趨于一個(gè)定值，從而得到光衰減指數(shù)模型，見(jiàn)式（9）。實(shí)驗(yàn)證明該模型在較寬藻細(xì)胞濃度下對(duì)不同藻培養(yǎng)液光衰減都有較好的描述。

式中，A(X)為光衰減系數(shù)，m－1；為細(xì)胞濃度X趨于無(wú)窮大時(shí)的比消光系數(shù)，m2/g；X為藻細(xì)胞濃度，g/L；C為常數(shù)，C=；ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 光吸收系數(shù)

光吸收系數(shù)是 Lambert-Beer定律中的一個(gè)參數(shù)，它與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，主要用于表征光衰減程度。華東理工大學(xué)劉晶璘等[24]分析螺旋藻時(shí)發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基的光吸收系數(shù)與藻液自身的光吸收系數(shù)之比小于1%，藻液的光吸收系數(shù)主要由藻體決定。不同的藻種由于藻體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及光合色素的種類(lèi)與含量不同，光譜吸收特性不同。

在低培養(yǎng)密度時(shí)，目前普遍采用以特征波長(zhǎng)表示的藻細(xì)胞濃度擬合得到光吸收系數(shù)，見(jiàn)式（10）。

式中，α為總光吸收系數(shù)，m－1；ODi為以消光度表示的藻細(xì)胞密度；A，B為常數(shù)，是光衰減系數(shù)；Ex為比消光系數(shù)，m2/g；cx為藻細(xì)胞濃度，g/L。

高細(xì)胞濃度時(shí)，消光系數(shù)可采用雙曲模型來(lái)定義[21]，見(jiàn)式（11）。

式中，A（X）為光衰減系數(shù)，m―1；Amax=670 m-1，b=2.25 g/L；X為藻細(xì)胞濃度，g/L。

清華大學(xué)吳良柏[25]在Bricaud的基礎(chǔ)上，考慮不同波長(zhǎng)光波的能量對(duì)平均吸收系數(shù)的影響，將太陽(yáng)光照近似為溫度5800 K的黑體輻射，得到小球藻液接受太陽(yáng)光照的平均光吸收系數(shù)，見(jiàn)式（12）。

式中，α(λ)為隨波長(zhǎng)變化的光吸收系數(shù)，m－1；λ為波長(zhǎng)，m；c1為第一輻射常量，其值為3.7419×10－16，W/m2；c2為第二輻射常量，其值為 1.4388×10－2，W/m2；Ts為 5000K；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67× 10－8W/(m2/K4)。

華東理工大學(xué)劉晶璘等[24]研究了光吸收系數(shù)的波長(zhǎng)分布特征，得到隨著波長(zhǎng)的增加光吸收系數(shù)基本呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。同時(shí)，基于藻體大小對(duì)光吸收系數(shù)的影響規(guī)律，提出了藻體比消光率的概念，得到藻體顆粒越大的藻種其藻液的比消光系數(shù)越小，在相同幾何尺寸的光生物反應(yīng)器中藻液的平均光強(qiáng)就越高。Cornet[24]提出，當(dāng)藻細(xì)胞濃度較低時(shí)，比消光系數(shù)（ka或k）是一個(gè)常數(shù)，隨著藻液濃度的增加，比消光系數(shù)不再是一個(gè)常數(shù)，會(huì)隨著藻液濃度的增加發(fā)生變化。張志斌[23]實(shí)驗(yàn)研究得到比消光系數(shù)隨著光程的增大而下降，隨細(xì)胞濃度的增大而減少。

2 光生物反應(yīng)器內(nèi)傳熱現(xiàn)象

2.1 現(xiàn)象描述

培養(yǎng)液溫度是微藻細(xì)胞生長(zhǎng)的主要限制因子，同時(shí)影響培養(yǎng)液中的組分?jǐn)U散。光生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布[26-27]涉及氣液流動(dòng)、輻射換熱、蒸發(fā)散熱、生物反應(yīng)熱等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)藻種都有其最佳的生長(zhǎng)溫度范圍。Richmod[28]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于最佳生長(zhǎng)溫度15 ℃時(shí)微藻仍能生存，但當(dāng)溫度超過(guò)其最佳生長(zhǎng)溫度2～4 ℃時(shí)就會(huì)造成藻細(xì)胞的大量死亡。

對(duì)于封閉式光生物反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)液溫度很容易達(dá)到 55 ℃。當(dāng)反應(yīng)器尺寸增大反應(yīng)器體積增大，單位體積的表面積迅速減小，而冷卻效率卻正比于反應(yīng)器表面積，因此傳熱問(wèn)題成為光生物反應(yīng)器規(guī)?；南拗埔蛩豙3]。

2.2 數(shù)學(xué)模型

Gutierrez 等[29]忽略太陽(yáng)與培養(yǎng)液、培養(yǎng)液與外界環(huán)境間的輻射換熱，以及培養(yǎng)液內(nèi)上下液面間的對(duì)流換熱，考慮培養(yǎng)液與壁面的傳熱，建立數(shù)學(xué)模型，如式（13）、式（14）。

式中，Qs、Qst、Qc、Qe、Qr、Qk分別指培養(yǎng)液獲得的太陽(yáng)熱、壁面獲得的太陽(yáng)熱、對(duì)流熱損失量、蒸發(fā)熱損失量、培養(yǎng)液的輻射熱流量、導(dǎo)熱損失熱流量，W；Mw、Mt分別指培養(yǎng)液和壁面的質(zhì)量，kg；Cpw、Cpt分別指培養(yǎng)液和壁面的比熱容，kJ/(kg?K)；Tw、Tt分別指培養(yǎng)液和壁面的溫度，K；Uta、Uwt分別指培養(yǎng)液與環(huán)境和壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，

W /(m2?K)。

Quentin等[27]綜合考慮了太陽(yáng)輻射、大氣輻射、培養(yǎng)液蒸發(fā)等因素，建立數(shù)學(xué)模型如式（15），模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，對(duì)于開(kāi)放池式光生物反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的溫度與環(huán)境溫度有密切關(guān)系，培養(yǎng)液溫度峰值在每天的13時(shí)到16時(shí)之間。

式中，Qra,r、Qra,d、Qra,D、Qre,s、Qra,a、Qre,a、

Qra,g、Qc、Qev、Qb、Qcond分別指反應(yīng)器的輻射熱、太陽(yáng)擴(kuò)散輻射熱、直接太陽(yáng)輻射熱、地面的太陽(yáng)反輻熱、空氣輻射熱、地面輻射熱、對(duì)流換熱、蒸發(fā)熱、氣泡的換熱量和導(dǎo)熱，W；ρw為培養(yǎng)液的密度，kg/m；Vr為反應(yīng)器體積，m3；Cpw為培養(yǎng)液比熱容，kJ/(kg?℃)；Tr為培養(yǎng)液溫度，℃。

目前，關(guān)于光生物反應(yīng)器內(nèi)溫度分布研究主要針對(duì)開(kāi)放式且采用零維模型[27，29]，仍無(wú)法準(zhǔn)確描述微藻培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)液上下溫度差異。與此同時(shí)，為了簡(jiǎn)化傳熱問(wèn)題 Gotez[30]在無(wú)藻情況下分析藻液的熱平衡，建立了封閉式光生物反應(yīng)器的零維數(shù)學(xué)模型。由于封閉式光生物反應(yīng)器內(nèi)溫度分布非均勻性[6]，應(yīng)綜合考慮培養(yǎng)液光學(xué)特性、流動(dòng)狀態(tài)及藻細(xì)胞生物反應(yīng)熱建立沿培養(yǎng)液高度方向的溫度模型。

2.3 相關(guān)參數(shù)

2.3.1 熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率是藻液流體的一個(gè)重要熱物性參數(shù)，是建立光生物反應(yīng)器內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型的必要參數(shù)，目前罕有對(duì)藻液熱導(dǎo)率測(cè)量報(bào)道。清華大學(xué)吳良柏[25]采用 3ω法在 20～38 ℃之間測(cè)量小球藻濃度為C（C=2.7×107個(gè)/m L）和C/2流體的熱導(dǎo)率，得到熱導(dǎo)率在0.58 W/(m?K)到0.62 W/(m?K)之間。

2.3.2 比熱容

比熱容是材料的物性參數(shù)之一。上海交通大學(xué)王爽等[31]利用NETZSCH DSC404型差示量熱掃描儀測(cè)量了3種海藻（紅藻、綠藻和褐藻）粉末在40～550 ℃溫度范圍內(nèi)的比熱容。目前，仍末見(jiàn)藻液流體比熱容測(cè)量報(bào)道，實(shí)際計(jì)算中較多采用近似于水的比熱容。

3 光生物反應(yīng)器內(nèi)氣液傳質(zhì)現(xiàn)象

3.1 現(xiàn)象描述

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)是典型的多相反應(yīng)體系，存在明顯的氣相、液相和固相。微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器內(nèi)空氣或CO2以氣泡形式存在于液相中，以提供光合作用所需的無(wú)機(jī)碳源。光合作用的產(chǎn)物O2必須及時(shí)排除，以避免由于溶氧濃度[3]過(guò)高而導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。由于光生物反應(yīng)器內(nèi)多相流動(dòng)與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸有密切聯(lián)系，隨著光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生變化，反應(yīng)器內(nèi)無(wú)機(jī)碳和溶氧濃度分布將發(fā)生明顯的改變。因此，深入分析供氣條件、光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)CO2和O2體積傳質(zhì)速率的影響規(guī)律，建立無(wú)機(jī)碳和溶氧濃度數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和提高氣液傳質(zhì)效率具有重要的實(shí)際意義。

光生物反應(yīng)器內(nèi)氣液傳質(zhì)包括氣體主流中CO2擴(kuò)散到藻細(xì)胞光合反應(yīng)部位，以及光合作用產(chǎn)物O2從液相主體中排除。二氧化碳從氣泡向藻細(xì)胞內(nèi)光合作用部位的主要擴(kuò)散過(guò)程如圖1所示[32]。

圖1 微藻培養(yǎng)過(guò)程的二氧化碳傳遞過(guò)程示意圖

3.2 數(shù)理模型

Rubio等[33]對(duì)氣升式管狀生物反應(yīng)器進(jìn)行研究，認(rèn)為微藻培養(yǎng)過(guò)程是一個(gè)偽均勻的氣液兩相系統(tǒng)，并假設(shè)：①在極小的時(shí)間間隔內(nèi)，光合作用率（溶氧濃度和無(wú)機(jī)碳濃度）只隨時(shí)間變化；②根據(jù)流體靜力學(xué)，假設(shè)液相的體積流量為常數(shù)；③認(rèn)為與培養(yǎng)液同溫度下，CO2和O2呈飽和狀態(tài)；④認(rèn)為大部分的氣升區(qū)是柱塞流，除了脫氣裝置。根據(jù)組分的質(zhì)量守恒得到無(wú)機(jī)碳和溶氧的控制方程，如式（16）。

該模型能夠以小時(shí)為單位，同時(shí)預(yù)測(cè)上升管和下降管內(nèi)的溶氧水平、CO2的供給量以及pH值變化情況。

浙江大學(xué)程桂林等[34]對(duì)10 L氣升式柱型光生物反應(yīng)器進(jìn)行研究，假設(shè)：①液相連續(xù)流動(dòng)，并忽略氣液間相互作用；②氣泡在液相中分布均勻，且軸向?qū)ΨQ(chēng)；③實(shí)驗(yàn)過(guò)程認(rèn)為溫度、蒸汽壓恒定。根據(jù)質(zhì)量守恒定律運(yùn)用集中參數(shù)法建立了無(wú)機(jī)碳和溶氧的控制方程，如式（17）、式（18）。

式中，[O2]、[CT]為溶氧、溶解的總碳濃度，mol/m3；[O2]*、[CO2]*為液相中氧氣和二氧化碳的飽和濃度，mol/m3；FO2、FCO2為氣相中氧氣和二氧化碳的摩爾流率，mol/s；QL為液體的體積流率，m3/s；KLaLO2、KLaLCO2分別為氧氣和二氧化碳的體積傳質(zhì)系數(shù)，s－1；RO2、RCO2分別為氧氣的生成率和二氧化碳的消耗率，mol?m3/s；DO2、DCO2分別為氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù)，m2?s；s為截面面積，m2；UL為液體的流速，m/s；ε為氣含率。

研究結(jié)果表明上述模型能針對(duì)各自光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較好的模擬溶氧濃度、pH值隨時(shí)間的變化情況，不僅可用于微藻光生物反應(yīng)器培養(yǎng)去除密閉空氣中微量CO2的模擬和預(yù)測(cè)，且對(duì)光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和微藻的高密度培養(yǎng)有指導(dǎo)意義。但是，上述模型均為零維模型，尚末能精確的描述無(wú)機(jī)碳和溶氧濃度的分布，應(yīng)結(jié)合CFD技術(shù)采用多相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，綜合分析不同光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)機(jī)碳和溶氧濃度分布的影響。

3.3 體積傳質(zhì)系數(shù)

化學(xué)工程中，常采用體積傳質(zhì)系數(shù)來(lái)代表反應(yīng)器內(nèi)的總括傳質(zhì)系數(shù)。體積傳質(zhì)系數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)光生物反應(yīng)器性能的常用參數(shù)[2]，它與許多因素相關(guān)，如表觀氣速[35]、黏度[35]、曝氣量及曝氣方式[36]、擴(kuò)散系數(shù)[37]、氣含率[33-34]等。

體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa）是兩個(gè)參數(shù)的乘積，實(shí)際應(yīng)用中由于測(cè)量傳質(zhì)系數(shù)（KL）和有效接觸面積（a）比較困難，因此常將它們并為一項(xiàng)稱(chēng)為體積傳質(zhì)系數(shù)，單位為 h－1。根據(jù)氣液傳質(zhì)理論，描述體積傳質(zhì)系數(shù)的模型有4種[38]：① 結(jié)合尺寸分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的與現(xiàn)象相關(guān)的模擬；② 采用雙膜理論的空間模型；③ 采用Higbie滲透理論的時(shí)間模型；④ 結(jié)合雙膜理論和滲透理論的模型。關(guān)于體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)量方法[32]有3種：亞硫酸鹽法、動(dòng)態(tài)法和定態(tài)法，且以測(cè)量O2的體積傳質(zhì)系數(shù)為主。對(duì)于光生物反應(yīng)器內(nèi)CO2體積傳質(zhì)系數(shù)的確定常采用經(jīng)驗(yàn)公式法[33-34]。

4 光生物反應(yīng)器內(nèi)多相流動(dòng)

4.1 現(xiàn)象描述

微藻細(xì)胞光自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)需保證藻細(xì)胞在培養(yǎng)液中均勻懸浮，通常采用氣升、鼓泡或轉(zhuǎn)槳攪拌的方式實(shí)現(xiàn)。培養(yǎng)液的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響培養(yǎng)液混合時(shí)間、剪切（混合）速率和微藻細(xì)胞的光暗循環(huán)周期，較佳的混合時(shí)間可以保證高的細(xì)胞濃度、使藻細(xì)胞懸浮、消除熱分層、幫助營(yíng)養(yǎng)物均勻分布、提高氣液傳質(zhì)和降低相互遮蔽程度；合理的培養(yǎng)液剪切（混合）速率可以提高氣液傳質(zhì)效率促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，但過(guò)高的剪切（混合）速率會(huì)損傷藻細(xì)胞從而導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡；光暗循環(huán)周期的長(zhǎng)短是影響微藻生產(chǎn)量的重要因素。

此外，根據(jù)生物反應(yīng)器的放大研究可知[39-40]，隨著應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的變化，反應(yīng)器內(nèi)部分的流動(dòng)與傳質(zhì)過(guò)程會(huì)發(fā)生明顯的變化。因此，深入分析光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)多相流動(dòng)的影響，不僅有助于提高微藻生長(zhǎng)速度[3]，而且對(duì)于光生物反應(yīng)器的優(yōu)化和放大具有十分重要的意義。

4.2 CFD模型

關(guān)于生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的研究，前人多采用理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件廣泛應(yīng)用于流場(chǎng)模擬。近年來(lái)，有學(xué)者將其用于模擬不同結(jié)構(gòu)光生物反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，表1列舉了近年CFD技術(shù)在光生物反應(yīng)器中的應(yīng)用。

表1 CFD技術(shù)在光生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的應(yīng)用

4.3 相關(guān)參數(shù)

4.3.1 表觀氣/液速

對(duì)于氣動(dòng)力推動(dòng)的氣升式光生物反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，液體的循環(huán)時(shí)間強(qiáng)烈依賴(lài)于表觀氣速，隨著表觀氣速的提高指數(shù)下降[47]。提高表觀氣速不僅有利于氣液的混合、提高液體循環(huán)速度和增加氣液傳質(zhì)，而且還會(huì)阻止反應(yīng)器溶氧的積聚。表2給出了不同光生物反應(yīng)器內(nèi)表觀氣速和體積傳質(zhì)系數(shù)的比較。從表中可以看出，在相同表觀氣速下，板式光生物反應(yīng)器具有較高的體積傳質(zhì)系數(shù)；采用垂直布置比水平布置更有利于提高體積傳質(zhì)系數(shù)。一般情況下，氣液兩相的表觀速度可表示為式（20）。

式中，Ugs、Ugs分別為氣相和液相的表觀速度，m/s；Vg、V1分別為氣相和液相速度，m/s；A為截面面積，m2。

表2 不同光生物反應(yīng)器內(nèi)表觀氣速和體積傳質(zhì)系數(shù)的比較

4.3.2 氣含率

氣含率是指反應(yīng)器內(nèi)氣相所占的體積分?jǐn)?shù)，是表征氣液兩相體系最重要的參數(shù)。影響氣含率的因素有氣液界面張力、氣泡尺寸、表觀氣速、黏度等，其中表觀氣速對(duì)氣含率的影響最為顯著[53]。測(cè)量氣含率的方法有光纖法、電導(dǎo)法、壓差法和體積膨脹法。一般情況下，多采用壓差法和體積膨脹法。

壓差法根據(jù)不同氣含率流體產(chǎn)生的靜壓不同，測(cè)量局部區(qū)域的平均氣含率，見(jiàn)式（21）。

式中，Δh為壓差計(jì)的讀數(shù)；ΔH為相鄰測(cè)點(diǎn)的間距，m。

4.3.3 黏度

黏度是影響藻液流動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)，通常認(rèn)為光自養(yǎng)情況下黏度與水接近[54]。清華大學(xué)吳良柏等[25]分析小球藻藻液濃度為C（C=2.7×107個(gè)/m L）和C/2的黏度，得到黏度隨濃度的增加而增加，都比純水大，但差異較小，認(rèn)為小球藻流體為牛頓流體。Petkov等[55]分析尖柵列藻屬、綠球藻和porphyridium sordidum 在不同濃度和溫度下的黏度，得到的黏度范圍在0.82～2.62 mPa·s。華東理工大學(xué)劉晶璘等[56]分析鈍頂螺旋藻的流變特性，發(fā)現(xiàn)其藻液屬冪律流體，隨著藻濃度的增加，藻液的稠度系數(shù)增大，藻液變黏稠。

5 結(jié) 語(yǔ)

微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞現(xiàn)象涉及光學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和熱物理等多個(gè)學(xué)科，問(wèn)題尤為復(fù)雜。作者認(rèn)為今后對(duì)于規(guī)?；⒃迮囵B(yǎng)光生物反應(yīng)器的研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行開(kāi)展。

（1）結(jié)合最佳微藻生長(zhǎng)影響因子，分析培養(yǎng)液流動(dòng)、傳質(zhì)及光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)各傳遞現(xiàn)象參數(shù)的影響，提煉培養(yǎng)液氣液傳質(zhì)及流動(dòng)特性對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響機(jī)制。

（2）基于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不同細(xì)胞濃度下藻液流體的相關(guān)物性參數(shù)。

（3）探索各傳遞現(xiàn)象在規(guī)模放大中變化規(guī)律，設(shè)計(jì)適用于微藻規(guī)模培養(yǎng)高效光生物反應(yīng)器。

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Research progress of transport phenomena within photobioreactor for m icroalgae culturing

CHEN Zhijie1，JIANG Zeyi1，2，ZHANG Xinxin1，3，ZHANG Xinru1
（1School of Mechanical Engineering，2Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,3Beijing Key Laboratory for Energy Saving and Em ission Reduction of Metallurgical Industry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Transport phenomena w ithin photobioreactor has a great impact on the grow th rate and biomass production for mass cultivation of m icroalgae. This paper focuses on the transport phenomena w ithin photobioreactor，including light distribution，heat transfer，mass and momentum transfer，and the research progress of mathematical models of each phenomenon. In this review，the effect of the type and scale of photobioreactor on light distribution，mass transfer and other phenomena is discussed，and the important parameters of each phenomenon，such as light absorption coefficient and volumetric mass transfer coefficient are summarized. The review would provide reference for the design，optim ization and scale-up of high efficiency photobioreactor suitable for mass cultivation of microalgae.

m icroalgae; photobioreactor; heat transfer; mass transfer; light attenuation

Q 819；TK 6

A

1000–6613（2012）–07–1407–08

2012-02-06；修改稿日期：2012-02-20。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（FRF-AS-10-005B）。

陳智杰（1980—），男，博士研究生。聯(lián)系人：姜澤毅，副教授。E-mail zyjiang@ustb.edu.cn。