室外培養(yǎng)微藻生物質(zhì)光反應(yīng)器及反應(yīng)效率

李茂濤 魯厚芳 袁 桃 陶川東 梁 斌

四川大學(xué)化工學(xué)院四川省多相流傳質(zhì)與反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610065

隨著化石能源的逐漸減少，人們對(duì)可再生能源的關(guān)注度越來(lái)越高。生物柴油作為其中之一，已在世界各國(guó)得到了廣泛的工業(yè)化生產(chǎn)，但生物柴油生產(chǎn)的最大瓶頸是原料來(lái)源問(wèn)題。微藻是一種光合自養(yǎng)微生物，具有生長(zhǎng)速度快、增殖周期短、光合效率高、營(yíng)養(yǎng)要求低等特點(diǎn)［1］;微藻細(xì)胞中富含油脂、蛋白質(zhì)、多糖等多種有價(jià)值的物質(zhì)，富含油脂的藻種平均油脂含量在20% ～50%之間［2］。因此，微藻被認(rèn)為是具有潛力的油脂生產(chǎn)物種，也是生物柴油潛在的原料來(lái)源。

已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)微藻培養(yǎng)的研究。Quentin Be＇chet［3］等在一個(gè)體積為50L 的柱光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻，以C. sorokiniana 為培養(yǎng)藻種，得到微藻的體積產(chǎn)率為10 ±2.2 g/ (m2·d)，微藻的總光合效率達(dá)到了4.8 ±0.5%;在微藻培養(yǎng)裝置的研究方面，E. Molina 等在綜合考慮了管長(zhǎng)、光反應(yīng)器里培養(yǎng)液的流速、氣升柱高度、光接收器的構(gòu)象等眾多影響微藻生長(zhǎng)的因素后，設(shè)計(jì)了一個(gè)總體積為0.2 m3的氣升管式光生物反應(yīng)器，以Phaeodactylum tricornutum 為培養(yǎng)藻種，該反應(yīng)器中微藻的濃度可達(dá)到4 g/L，在稀釋速率為0.04/h 時(shí)，微藻的體積產(chǎn)量可達(dá)到1.9 g/ (L·d)，面積產(chǎn)率為32 g/ (m2·d)［4］。Lehr 和Posten 在一個(gè)體積為50 L 的光反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻，以其數(shù)據(jù)計(jì)算得微藻的面積產(chǎn)率為32.4 g/ (m2·d)［5］。J.Doucha 等考察了室外平板光生物反應(yīng)器的微藻培養(yǎng)產(chǎn)率和光合作用效率，結(jié)果表明，微藻的面積產(chǎn)率可達(dá)到38.2 g/ (m2·d)。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)海口、成都、拉薩、二連浩特的微藻培養(yǎng)條件進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，在不同地方的光反應(yīng)器直徑將隨光照條件變化，微藻產(chǎn)率也隨不同地區(qū)變化較大。

1 與計(jì)算相關(guān)的參數(shù)

1.1 光反應(yīng)器的選擇

微藻的培養(yǎng)方式目前主要有兩種:一種為開(kāi)放式的跑道池培養(yǎng);另一種為封閉式培養(yǎng)，又分為板式和管道式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)。相對(duì)于開(kāi)放式微藻培養(yǎng)而言，封閉式培養(yǎng)微藻不易受污染，培養(yǎng)液中水分揮發(fā)小，且可以得到比跑道池培養(yǎng)高5 ～10 倍的生物質(zhì)濃度，減輕后續(xù)的微藻濃縮能耗。對(duì)于光照強(qiáng)、缺水的地方尤其適合封閉式培養(yǎng)，封閉培養(yǎng)中，板式和管式光生物反應(yīng)器都面臨著同樣的高固定資產(chǎn)投入的問(wèn)題，但管式相對(duì)于板式，更容易控制反應(yīng)器中培養(yǎng)液的均勻有序混合，而這被認(rèn)為是提高微藻光合效率的最有效的途徑。因此本文選擇管道式光生物反應(yīng)器。

1.2 地點(diǎn)選擇

微藻的生長(zhǎng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的過(guò)程，它的生長(zhǎng)速率決定于溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、pH、營(yíng)養(yǎng)液等眾多因素，其中溫度和光照是最重要的因素。地面所能接收到的太陽(yáng)輻照能量與該地的經(jīng)緯度、季節(jié)、氣候等因素有關(guān)，表1 給出了我國(guó)幾個(gè)不同城市的太陽(yáng)光照情況和溫度情況。

表1 中國(guó)幾個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)

同所有生物質(zhì)生長(zhǎng)相同，微藻在低溫下生長(zhǎng)緩慢，而高溫又可能引起培養(yǎng)液過(guò)熱而致使微藻細(xì)胞死亡，微藻的適宜生長(zhǎng)溫度為10 ～30℃。光照強(qiáng)度的作用也有同樣的現(xiàn)象，光照太弱，則光合作用進(jìn)行緩慢，不利于生物質(zhì)的合成，但光照太強(qiáng)則會(huì)發(fā)生光抑制，影響微藻生長(zhǎng)，不同的微藻物種生長(zhǎng)所需的最適光照強(qiáng)度不同，例如，Phaeodactylum tricornutum 的最適生長(zhǎng)光照強(qiáng)度為185μE/ (m2·s)，而對(duì)Porphyridium cruentum 而言，它的最適生長(zhǎng)光強(qiáng)為200μE/ (m2·s)。微藻培養(yǎng)需要適中的光照強(qiáng)度、溫和的溫度，同時(shí)要有充足的水源。

假定溫度大于10℃的月份為可培養(yǎng)微藻的月份，總結(jié)上表，可得不同的地點(diǎn)每年可生產(chǎn)微藻的時(shí)間以及可以用來(lái)生產(chǎn)微藻的總光能(Et)，按照光能與光照強(qiáng)度之間的換算關(guān)系1W/m2=4.6μmol/ (m2·s)，可計(jì)算出每個(gè)地方的平均輻照強(qiáng)度，見(jiàn)表2。

表2 4 個(gè)地方可生產(chǎn)天數(shù)、總光能以及平均光照強(qiáng)度

1.3 微藻的相關(guān)參數(shù)

以小球藻為計(jì)算參考微藻，小球藻是一種球形單細(xì)胞淡水藻，直徑3 ～8mm，一般以BG11 或SE 為培養(yǎng)基，最佳培養(yǎng)二氧化碳濃度在3%左右，培養(yǎng)溫度在25℃左右，通氣比為0.02 vvm。表3為文獻(xiàn)中小球藻的一般參數(shù)(括號(hào)內(nèi)為本文所取的參數(shù))。

表3 小球藻的一般培養(yǎng)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 光能利用效率計(jì)算

光能到達(dá)地面后，被微藻吸收進(jìn)行光合作用合成化學(xué)能。光首先透過(guò)光生物反應(yīng)器的透明器壁進(jìn)入到微藻培養(yǎng)液中，然后光傳到微藻細(xì)胞上被微藻細(xì)胞接收利用。

2.1.1 管反應(yīng)器布置與輻射能量

光生物反應(yīng)器光接收管的排布是大面積培養(yǎng)微藻人們必須慎重考慮的一個(gè)工程因素，其排布直接影響著太陽(yáng)光能的利用效率以及地面的面積利用率。當(dāng)人們?cè)谠O(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器的管道布局時(shí)，應(yīng)當(dāng)使光生物反應(yīng)器的光接收管排布后，管道與管道之間的相互遮擋盡量小，以便大多數(shù)光接收管能夠同時(shí)接收到太陽(yáng)光的輻照，讓微藻細(xì)胞進(jìn)行旺盛的光合作用。增大光接收管與光接收管之間的距離可以達(dá)到這一目標(biāo)，但是很顯然，這樣會(huì)降低光能的利用率以及地面面積利用率。Torzillo［10］等人設(shè)計(jì)的雙層光生物反應(yīng)器管道布局，具有管道層數(shù)合理、光能利用率與地面面積利用率高的特點(diǎn)。因此本文參考Torzillo 的設(shè)計(jì)，假定將光生物反應(yīng)器也布置為兩層，但將光生物反應(yīng)器的光接收管排布改為正三角形構(gòu)型，光接收管之間的距離設(shè)為2 倍圓直徑距離，見(jiàn)圖1。在這種光接收管排布中，假定光從正上方入射，則光接收管能夠?qū)⑺械墓饩€捕獲。

圖1 光生物反應(yīng)器的管道布置圖

光照射到光生物反應(yīng)器上后，會(huì)發(fā)生光的透射、折射、散射以及反射等現(xiàn)象，在這個(gè)過(guò)程中，大部分的光能會(huì)進(jìn)入到光生物反應(yīng)器中，但有少部分光能會(huì)耗散損失。只有進(jìn)入光生物反應(yīng)器培養(yǎng)液中的光能才能被微藻利用而進(jìn)行光合作用合成微藻生物質(zhì)，而直接照射到地面被地面吸收損耗的光能不會(huì)被微藻利用。將被利用的光能記為光能利用量，入射的光能記為光能的總量，光能的利用量與光能總量之比，則可以計(jì)算出光生物反應(yīng)器的光能接收率。

將光在光生物反應(yīng)器上的折射、透射、反射以及散射都全部考慮，然后計(jì)算光的利用率將是一件非常復(fù)雜且難以完成的工作。有很多工作致力于研究光反應(yīng)器的材料，盡量減少光的折射、反射及散射等，盡量提高光的利用率。本文計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定光生物反應(yīng)器器壁是完全透明的，對(duì)光線的透過(guò)率為100%，只考慮光的入射，不考慮光的折射、反射等。用α 表示光能的利用率，則由圖1 得出α 的值為:

式中，As表示被光生物反應(yīng)器遮擋的地面面積，Ab表示太陽(yáng)光直射的地面面積。

由于太陽(yáng)光的入射角會(huì)隨著一天的時(shí)間不同而變化，因此地面面積利用率α 的值也會(huì)隨著太陽(yáng)光入射角度的變化而變化。在本文所假定的只考慮入射光線的前提下，在正三角形布局中(見(jiàn)圖2)，當(dāng)入射角小于47°時(shí)，光生物反應(yīng)器能夠截獲所有的入射光線，即α 的值取為1，隨著入射角的繼續(xù)增大，α 逐漸減小，當(dāng)入射角為60°時(shí)，α取得最小值，然后隨著入射角的繼續(xù)增大，α 的值會(huì)增大，當(dāng)入射角為90°時(shí)，α 值又變?yōu)?。

圖2 光能利用率

太陽(yáng)光照射到地面的能量會(huì)隨著一天不同的時(shí)間而不同，在早上和下午時(shí)分，入射陽(yáng)光與地面有一個(gè)角度θ，地表投影面積與垂直入射面積之間有個(gè)正弦函數(shù)關(guān)系。假定在一天中，中午直射時(shí)的太陽(yáng)光平均能量密度值為Ean，其余時(shí)間的能量密度可用式Eansin (θ)表示，則一天中單位地面所接收的總光能為:

定義光生物反應(yīng)器的光能接收系數(shù)為ηr，光能接收系數(shù)為:

對(duì)上式進(jìn)行數(shù)值積分，可得ηr的值為0.85。

2.1.2 微藻捕獲效率

太陽(yáng)光透過(guò)反應(yīng)器管壁后，在穿過(guò)反應(yīng)器培養(yǎng)液的過(guò)程中，被微藻和各種介質(zhì)不斷吸收，光強(qiáng)會(huì)隨入射距離的增加很快衰減，見(jiàn)圖2。假定光在光生物反應(yīng)器里的衰減符合Lambert-Beer 定律，則在距離入射表面L 處的光強(qiáng)為:

式中，I0為入射光強(qiáng);β 為消光系數(shù);L 為光程長(zhǎng);cb為微藻濃度。

照射到光生物反應(yīng)器上的光能大部分會(huì)被光生物反應(yīng)器所吸收，但仍會(huì)有部分光會(huì)透過(guò)光生物反應(yīng)器從而沒(méi)有被利用，見(jiàn)圖3。

圖3 光反應(yīng)器光照分布圖

用被利用的光能比總的光能，以光生物反應(yīng)器的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，假定光生物反應(yīng)器半徑為r，則可得到光生物反應(yīng)器的單管吸收效率為:

式中，分母表示在管直徑長(zhǎng)度上入射的總光能，分子表示光在通過(guò)光生物反應(yīng)器后，被光生物反應(yīng)器所捕獲的能量。由式(6)可知，光生物反應(yīng)器的單管光能利用效率ηa與反應(yīng)器的半徑和反應(yīng)器中微藻的濃度相關(guān)。微藻濃度越大、光生物反應(yīng)器半徑越大，則光能利用率就越高。求解方程(6)可得結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 光生物反應(yīng)器的單管吸收效率隨光生物反應(yīng)器中微藻的濃度與光生物反應(yīng)器半徑的變化關(guān)系

2.1.3 光合轉(zhuǎn)換效率

以黑體溫度10 keV的X射線輻照Al圓柱腔為算例。X射線能注量Φ取4 J·m-2和400 J·m-2兩種條件，其中，低能注量條件下，無(wú)空間電荷限制；高能注量條件下，存在空間電荷限制。X射線的時(shí)間譜為正弦平方脈沖，半高寬τ為25 ns。出射電子的θ方向角分布為余弦分布，φ方向角分布為均勻分布。由于可忽略光電效應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間，所以發(fā)射電子的時(shí)間譜近似取X射線時(shí)間譜。

在計(jì)算光能時(shí)，一般是指全光譜能量。但被微藻吸收的光中，只有太陽(yáng)光中440nm 附近的藍(lán)區(qū)和680nm 附近的紅區(qū)的光才有光合活性，而這部分光的能量只占地面所接收太陽(yáng)光總能量的45%。因此，將太陽(yáng)光的有效光譜能量系數(shù)Φ 取為0.45。

微藻接收到太陽(yáng)光光子后，利用太陽(yáng)光光子驅(qū)動(dòng)光合作用的光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，所得NADPH 和ATP 用于光合作用的暗反應(yīng)階段合成碳三化合物。將該過(guò)程簡(jiǎn)化為方程式:

上述反應(yīng)中，每產(chǎn)生一個(gè)氧分子和一個(gè)有機(jī)CH2O 單元，所消耗的光子數(shù)一般認(rèn)為在10 ～12之間［11］。可以根據(jù)得到CH2O 的化學(xué)能量與所消耗光子的能量比值估算光合轉(zhuǎn)化反應(yīng)的理論光能轉(zhuǎn)化效率。光合作用所利用的光子的平均能量為223.5kJ/mol。CH2O 代表光合作用有機(jī)化學(xué)產(chǎn)物單元，它的熱值取為482.5kJ/mol。因此，光合反應(yīng)理論轉(zhuǎn)化效率為:

由以上分析可知微藻的理論光合作用效率為8.1%，但應(yīng)當(dāng)注意，該計(jì)算值為通過(guò)計(jì)量關(guān)系得到的值，在實(shí)際微藻光合作用中，這個(gè)光合作用效率理論值是難以達(dá)到的。事實(shí)上，微藻光合作用中，被色素吸收的光量子有4 種可能的命運(yùn):激發(fā)的能量通過(guò)重新分配到色素分子內(nèi)的原子振動(dòng)逐步衰減以熱能形式散失;激發(fā)的能量以熒光再現(xiàn)，只見(jiàn)于飽和光強(qiáng)度時(shí);激發(fā)的能量通過(guò)共振能傳遞到鄰近的分子;激發(fā)的能量進(jìn)入能量轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。其中前兩種將會(huì)使光子損失，特別是在光照比較強(qiáng)的時(shí)候，很大部分光子都會(huì)以熱的形式散失掉。

微藻的實(shí)際光合效率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、培養(yǎng)液流動(dòng)狀況、微藻培養(yǎng)液等密切相關(guān)，因此，微藻的實(shí)際光合作用效率只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。Quentin Be＇chet 等以Chlorella sorokiniana 為培養(yǎng)藻種，在室外未控制溫度的前提下，測(cè)得小球藻的光合效率可達(dá)到4.8 ±0.5%［3］;Doucha 等人在未控制溫度的前提下，在板式光生物反應(yīng)器中測(cè)得小球藻的光合效率為3.3%［12］。在本文的計(jì)算中，將實(shí)際的光合效率ηph取為4.0%。

2.2 光生物反應(yīng)器半徑的計(jì)算

通過(guò)全年日照光能量Et和微藻對(duì)光的轉(zhuǎn)化效率，可以計(jì)算出單位面積的微藻產(chǎn)率。假定通過(guò)微藻培養(yǎng)而固定為微藻有機(jī)質(zhì)的能量為Eal，則Eal可由下式計(jì)算:

根據(jù)蛋白質(zhì)、碳水化合物以及脂肪等的熱值(蛋白質(zhì)和碳水化合物的熱值為16.70 MJ/kg，脂肪的熱值為37.40MJ/kg)，假設(shè)微藻組織由蛋白、碳水化合物及油脂組成，單位微藻的能量為:

式中，ω0為油脂的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，ωa為灰分百分含量。忽略微藻的灰分，假定微藻的油脂含量為33%［9］，則微藻的熱值為23.53 MJ/kg。

對(duì)于單管反應(yīng)器，通過(guò)吸收光進(jìn)行光合反應(yīng)的微藻產(chǎn)率為:

式中，T 為一年中培養(yǎng)微藻的天數(shù);ζ 為微藻同化氮源時(shí)的能量倍增系數(shù)。因?yàn)槲⒃逶谏L(zhǎng)中，需要同化培養(yǎng)基中的氮元素，但所消耗的能量并沒(méi)有積累到微藻生物質(zhì)的熱值中，因此在計(jì)算微藻的面積產(chǎn)率時(shí)，需在微藻生物質(zhì)的本征熱值基礎(chǔ)上乘以一個(gè)能量倍增系數(shù)。分析式(11)可知，微藻的面積產(chǎn)率和Eal相關(guān)，而Eal又和光生物反應(yīng)器的單管捕光效率相關(guān)。以?？跒槔?，計(jì)算微藻的面積產(chǎn)率與微藻濃度和光生物反應(yīng)器的半徑的關(guān)系(見(jiàn)圖5)，可見(jiàn)微藻的面積產(chǎn)率會(huì)隨光生物反應(yīng)器中微藻的濃度和光生物反應(yīng)器的半徑的增加而增加。將本文所選的四個(gè)地方的面積產(chǎn)率放于一張圖上(見(jiàn)圖6)，可見(jiàn)微藻的面積產(chǎn)率隨光照強(qiáng)度的增加而增加，拉薩由于海拔高，光照強(qiáng)度大，太陽(yáng)輻照能量多，因此具有最高的面積產(chǎn)率，圖6 中從上往下依次為拉薩、二連浩特、海口、成都。

顯然，通過(guò)單管吸收光能計(jì)算微藻的面積產(chǎn)率并不能給出管式反應(yīng)器的直徑。上面的計(jì)算中，僅僅從能量轉(zhuǎn)換的角度考慮了微藻的生長(zhǎng)，且計(jì)算有一個(gè)前提條件是，無(wú)論光生物反應(yīng)器中微藻的濃度為多少，也無(wú)論光生物反應(yīng)器的半徑有多大，微藻都進(jìn)行相同效率的光合作用，因此才有微藻面積產(chǎn)率隨光生物反應(yīng)器中微藻的濃度的增加以及光生物反應(yīng)器半徑的增加而一直增加的情況出現(xiàn)。

圖5 ?？诘拿娣e產(chǎn)率隨光生物反應(yīng)器中微藻濃度和反應(yīng)器的半徑的變化關(guān)系

圖6 各地的面積產(chǎn)率隨光生物反應(yīng)器中微藻的濃度和反應(yīng)器的半徑的變化關(guān)系

事實(shí)上，當(dāng)光生物反應(yīng)器中微藻的濃度升高以及光生物反應(yīng)器半徑的增加到一定值后，光生物反應(yīng)器中各個(gè)部位的光照強(qiáng)度由于光衰減會(huì)差別很大，有很多地方的微藻不能夠進(jìn)行有效的光合作用，因此要計(jì)算光生物反應(yīng)器的半徑，還必須考慮微藻的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。

光生物反應(yīng)器內(nèi)單位體積微藻的生長(zhǎng)速率與微藻濃度成正比。假設(shè)微藻的比生長(zhǎng)速率為μ，則微藻的體積生長(zhǎng)速率為:

其中，比生長(zhǎng)速率μ 與平均光照強(qiáng)度的關(guān)系為［13］:

式中，μmax為最大比生長(zhǎng)速率，本文取為0.615;Iav為光反應(yīng)器中的平均輻照強(qiáng)度;Ik是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，它的取值會(huì)隨微藻物種的不同以及培養(yǎng)條件的不同而不同，一般和微藻的最適生長(zhǎng)光強(qiáng)接近，參考E. Molina［7］的取值，本文取為200μmol/ (m2·s);n 也是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，它的取值可以為整數(shù)，也可以為小數(shù)，在比生長(zhǎng)速率的表達(dá)式中，它是一個(gè)擬合參數(shù)，可調(diào)整，同理，參考E. Molina 的取值1.49，本文通過(guò)擬合，取為2。由圖3 可推導(dǎo)出平均輻照強(qiáng)度定義為:

分析可知，當(dāng)微藻濃度比較低的時(shí)候，大部分光都透過(guò)了反應(yīng)器，單管捕光效率比較低，光生物反應(yīng)器里各個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度都比較大，平均輻照強(qiáng)度Iav就大，比生長(zhǎng)速率就大，微藻生長(zhǎng)迅速。當(dāng)微藻的濃度達(dá)到一定值之后，單管捕光效率就比較高，光生物反應(yīng)器里的光照強(qiáng)度衰減迅速，光生物反應(yīng)器里的平均輻照強(qiáng)度就小，比生長(zhǎng)速率隨之變小。

聯(lián)立(12)、(13)、(14)三式，可以求解出微藻的體積產(chǎn)率與微藻濃度和光生物反應(yīng)器半徑的關(guān)系，圖7 中a、b、c、d 依次為成都、?？?、二連浩特、拉薩的體積產(chǎn)率圖。由圖可知，在一定的光生物反應(yīng)器半徑下，當(dāng)微藻濃度達(dá)到一個(gè)適中的值時(shí)，體積產(chǎn)率有最大值。

圖7 光生物反應(yīng)器中的微藻的體積產(chǎn)率隨微藻的濃度和反應(yīng)器半徑的變化而變化的關(guān)系

光生物反應(yīng)器排布后，在單位面積內(nèi)，以體積生長(zhǎng)速率計(jì)算的微藻產(chǎn)率應(yīng)當(dāng)與以面積生長(zhǎng)速率計(jì)算的微藻產(chǎn)率相等，以一根光生物反應(yīng)器來(lái)考慮，假定光生物反應(yīng)器的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則可以推得計(jì)算式:

式中，d 為光生物反應(yīng)器光接收管的直徑;L 為光生物反應(yīng)器的管長(zhǎng)。由式(15)可知，可以通過(guò)體積產(chǎn)率計(jì)算面積產(chǎn)率，以?？跒槔?，求解式(15)，可得通過(guò)體積產(chǎn)率計(jì)算的面積產(chǎn)率。從圖8可見(jiàn)，隨著光生物反應(yīng)器中微藻的濃度提高以及光生物反應(yīng)器的半徑增大后，通過(guò)體積產(chǎn)率計(jì)算的面積產(chǎn)率會(huì)下降，原因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)器中微藻的濃度和反應(yīng)器的半徑變大以后，反應(yīng)器中的平均光強(qiáng)變低，微藻生長(zhǎng)緩慢，因此體積產(chǎn)率變低，從而面積產(chǎn)率也降低。分析可知，通過(guò)從能量轉(zhuǎn)換的角度計(jì)算的微藻面積產(chǎn)率和通過(guò)微藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的微藻面積產(chǎn)率應(yīng)當(dāng)相等，將圖5 通過(guò)能量轉(zhuǎn)換得到的面積產(chǎn)率圖與通過(guò)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的面積產(chǎn)率圖疊合在一張圖上，則得到圖9，從圖中可知，交線即為光生物反應(yīng)器的半徑、光生物反應(yīng)器中微藻濃度以及微藻面積產(chǎn)率之間的關(guān)系。圖9 中a、b、c、d 分別為成都、海口、二連浩特、拉薩四個(gè)地方的面積產(chǎn)率交線圖。

圖8 從體積產(chǎn)率出發(fā)計(jì)算的微藻的面積產(chǎn)率(?？?

假定微藻濃度可以達(dá)到1.3 g/L，則通過(guò)讀取上圖的交線數(shù)據(jù)，可得在本文所選四個(gè)地方的光生物反應(yīng)器的管道半徑值。

表4 本文所選4 個(gè)地方的光生物反應(yīng)器半徑及面積產(chǎn)率

圖9 各地面積產(chǎn)率交線圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換結(jié)合微藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的方法計(jì)算，微藻產(chǎn)率較大的地方是光照較強(qiáng)的地區(qū)，如拉薩、二連浩特等，在光照較強(qiáng)的地區(qū)，可以使用較大直徑的光反應(yīng)管。光反應(yīng)器管徑取值宜在Φ50 ～110 mm，每天生物產(chǎn)量在10 ～25 g/m2。

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