微藻培养光生物反应器内传递现象的研究进展
2012-10-19陈智杰姜泽毅张欣欣张欣茹
陈智杰,姜泽毅,2,张欣欣,3,张欣茹
(1北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2北京科技大学,北京市高校节能与环保工程研究中心,北京100083; 3北京科技大学,冶金工业节能减排北京市重点实验室,北京 100083)
进展与述评
微藻培养光生物反应器内传递现象的研究进展
陈智杰1,姜泽毅1,2,张欣欣1,3,张欣茹1
(1北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2北京科技大学,北京市高校节能与环保工程研究中心,北京100083;3北京科技大学,冶金工业节能减排北京市重点实验室,北京 100083)
微藻规模化培养过程中光生物反应器内传递现象是影响微藻的生长及产量的重要因素。本文重点综述了光生物反应器内传递现象(光传递、传热、传质和传动量传递)及其数学模型研究进展,分析了光生物反应器结构和尺寸对光传递和传质的影响,总结影响各传递现象的重要参数,如光吸收系数、体积传质系数等,为高效光生物反应器的设计、优化及放大提供了参考依据。
微藻;光生物反应器;传热;传质;光衰减
微藻(microalgae)是一种能有效利用光能、二氧化碳和水生长的低等植物,其种类繁多、分布广泛;具有生物量大、生长周期短、易培养及脂质含量高等特点,被国际上认为是一种最有潜力替代石油的生物资源[1],其规模化培养是解决当前能源短缺和环境污染的有效手段。
微藻规模化光自养培养主要在光生物反应器内进行,以提供微藻生长必要的营养物、光照、CO2、温度、盐度和通气条件等。微藻光生物反应器包括开放式和封闭式[2-4],高效光生物反应器的设计、优化和放大是能源微藻规模化的瓶颈问题之一[1]。高效光生物反应器研究主要涉及4个方面[5]:一是增大反应器比表面积;二是增强气液传质效率;三是提供高效光源;四是提高光传递效率。因此,深入研究光生物反应器内流动、传热、传质和光传递现象对于实现能源微藻规模化具有重要现实意义。有鉴于此,本文综述了光生物反应器内的各传递现象及其数理模型,阐述了光生物反应器结构和尺寸变化对各传递现象的影响,并分析了主要参数对各相关传递现象的影响。
1 光生物反应器内光传递现象
1.1 现象描述
植物生长离不开光合作用,光的可获得性和光照强度是控制光合作用影响微藻细胞生长的主要因素[6-7]。然而,光生物反应器结构多样,且微藻细胞自身存在相互遮蔽和光吸收效应,使入射光穿过藻液时不断衰减。因此,光在培养体系内的分布存在时空的非线性变化规律,研究发现随着培养细胞密度和透光距离的增加光衰减现象呈上升趋势[8-10]。
对于微藻户外培养,不仅存在着光衰减现象,而且光照强度和光照时间均随时间呈现周期性变化。在光生物反应器研究中,有学者将培养液的流动和光衰减结合,采用光暗循环周期[7,11]来体现光生物反应器内光分布,这一参数直接影响微藻的生产率和CO2固定率。此外,过量的光照强度还会引起光抑制作用[12-13]。
因此,建立光生物反应器光传递数学模型有效分析光分布是设计高效微藻光生物反应器的关键之一。
1.2 数学模型
目前,学者们通常假设[8,10]光在培养液中传播方向不变,忽略固体颗粒的光散射,辐射为单色光,采用经典光学理论中Lambert-Beer定律[14]来描述光生物反应器内的细胞浓度和光径对光衰减的一般规律,如式(1)。
式中,I为入射光被藻类吸收后剩余的光强度,W/m2;I0为入射光强度,W/m2;α为光吸收系数,m-1;L为光径,m;ka为比消光系数,m2/g;X为藻细胞浓度,g/L。
近年来,国内外有不少学者利用Lambert-Beer定律的指数衰减关系对多种藻细胞培养液中的光衰减进行研究,得到光衰减经验公式,如式(2)~式(5)。
一般情况下,采用Lambert-Beer定律指数关系已足够准确描述培养液中光分布。然而,由于光散射和可选择性吸收,随着藻细胞浓度的增加,藻细胞间距逐渐减小,某些情况下细胞浓度与光衰减的变化关系会偏离Lambert-Beer定律[19,20],呈非线性相关。
式中,I0为入射光光照强度,W/m2;I为光程L位置的光照强度,W/m2;OD为光学密度;L为光程,m。
Fernandez等[8]在研究三角褐指藻时发现,当藻细胞浓度超过1.3 g/L时,藻液的光衰减特性不符合Lambert-Beer定律,提出描述光衰减现象较为简单的双曲模型,见式(8)。
式中,At为光衰减系数;Atmax为最大光衰减度;Kat为光衰减常数,g/m;K'a为双曲吸收系数,m-1;Laverage为平均光径,m;c为细胞浓度,g/L。
华东理工大学朱笃等[21]利用双曲模型研究聚球藻7942培养液中的光衰减,得到较Lambert-Beer定律更好的光分布。暨南大学徐明芳等[22]在研究螺旋藻时发现,采用双曲模型能在较大藻生物量浓度范围内很好的描述光衰减现象。
此外,江西师范大学张志斌[23]基于藻细胞中叶绿素对光的吸收存在的“包裹效应”理论,假设比消光系数随藻细胞浓度增大趋于一个定值,从而得到光衰减指数模型,见式(9)。实验证明该模型在较宽藻细胞浓度下对不同藻培养液光衰减都有较好的描述。
式中,A(X)为光衰减系数,m-1;为细胞浓度X趋于无穷大时的比消光系数,m2/g;X为藻细胞浓度,g/L;C为常数,C=;ε为经验常数。
1.3 光吸收系数
光吸收系数是 Lambert-Beer定律中的一个参数,它与光强度无关,主要用于表征光衰减程度。华东理工大学刘晶璘等[24]分析螺旋藻时发现,培养基的光吸收系数与藻液自身的光吸收系数之比小于1%,藻液的光吸收系数主要由藻体决定。不同的藻种由于藻体细胞的结构、化学组成及光合色素的种类与含量不同,光谱吸收特性不同。
在低培养密度时,目前普遍采用以特征波长表示的藻细胞浓度拟合得到光吸收系数,见式(10)。
式中,α为总光吸收系数,m-1;ODi为以消光度表示的藻细胞密度;A,B为常数,是光衰减系数;Ex为比消光系数,m2/g;cx为藻细胞浓度,g/L。
高细胞浓度时,消光系数可采用双曲模型来定义[21],见式(11)。
式中,A(X)为光衰减系数,m―1;Amax=670 m-1,b=2.25 g/L;X为藻细胞浓度,g/L。
清华大学吴良柏[25]在Bricaud的基础上,考虑不同波长光波的能量对平均吸收系数的影响,将太阳光照近似为温度5800 K的黑体辐射,得到小球藻液接受太阳光照的平均光吸收系数,见式(12)。
式中,α(λ)为随波长变化的光吸收系数,m-1;λ为波长,m;c1为第一辐射常量,其值为3.7419×10-16,W/m2;c2为第二辐射常量,其值为 1.4388×10-2,W/m2;Ts为 5000K;σ为玻尔兹曼常数,5.67× 10-8W/(m2/K4)。
华东理工大学刘晶璘等[24]研究了光吸收系数的波长分布特征,得到随着波长的增加光吸收系数基本呈现平稳下降趋势。同时,基于藻体大小对光吸收系数的影响规律,提出了藻体比消光率的概念,得到藻体颗粒越大的藻种其藻液的比消光系数越小,在相同几何尺寸的光生物反应器中藻液的平均光强就越高。Cornet[24]提出,当藻细胞浓度较低时,比消光系数(ka或k)是一个常数,随着藻液浓度的增加,比消光系数不再是一个常数,会随着藻液浓度的增加发生变化。张志斌[23]实验研究得到比消光系数随着光程的增大而下降,随细胞浓度的增大而减少。
2 光生物反应器内传热现象
2.1 现象描述
培养液温度是微藻细胞生长的主要限制因子,同时影响培养液中的组分扩散。光生物反应器内的温度分布[26-27]涉及气液流动、辐射换热、蒸发散热、生物反应热等复杂的物理化学过程。一般来说,每个藻种都有其最佳的生长温度范围。Richmod[28]研究发现,当温度低于最佳生长温度15 ℃时微藻仍能生存,但当温度超过其最佳生长温度2~4 ℃时就会造成藻细胞的大量死亡。
对于封闭式光生物反应器来说,培养液温度很容易达到 55 ℃。当反应器尺寸增大反应器体积增大,单位体积的表面积迅速减小,而冷却效率却正比于反应器表面积,因此传热问题成为光生物反应器规模化的限制因素[3]。
2.2 数学模型
Gutierrez 等[29]忽略太阳与培养液、培养液与外界环境间的辐射换热,以及培养液内上下液面间的对流换热,考虑培养液与壁面的传热,建立数学模型,如式(13)、式(14)。
式中,Qs、Qst、Qc、Qe、Qr、Qk分别指培养液获得的太阳热、壁面获得的太阳热、对流热损失量、蒸发热损失量、培养液的辐射热流量、导热损失热流量,W;Mw、Mt分别指培养液和壁面的质量,kg;Cpw、Cpt分别指培养液和壁面的比热容,kJ/(kg·K);Tw、Tt分别指培养液和壁面的温度,K;Uta、Uwt分别指培养液与环境和壁面之间的对流换热系数,
W /(m2·K)。
Quentin等[27]综合考虑了太阳辐射、大气辐射、培养液蒸发等因素,建立数学模型如式(15),模拟结果与实验结果都表明,对于开放池式光生物反应器,反应器内培养液的温度与环境温度有密切关系,培养液温度峰值在每天的13时到16时之间。
式中,Qra,r、Qra,d、Qra,D、Qre,s、Qra,a、Qre,a、
Qra,g、Qc、Qev、Qb、Qcond分别指反应器的辐射热、太阳扩散辐射热、直接太阳辐射热、地面的太阳反辐热、空气辐射热、地面辐射热、对流换热、蒸发热、气泡的换热量和导热,W;ρw为培养液的密度,kg/m;Vr为反应器体积,m3;Cpw为培养液比热容,kJ/(kg·℃);Tr为培养液温度,℃。
目前,关于光生物反应器内温度分布研究主要针对开放式且采用零维模型[27,29],仍无法准确描述微藻培养过程中培养液上下温度差异。与此同时,为了简化传热问题 Gotez[30]在无藻情况下分析藻液的热平衡,建立了封闭式光生物反应器的零维数学模型。由于封闭式光生物反应器内温度分布非均匀性[6],应综合考虑培养液光学特性、流动状态及藻细胞生物反应热建立沿培养液高度方向的温度模型。
2.3 相关参数
2.3.1 热导率
热导率是藻液流体的一个重要热物性参数,是建立光生物反应器内传热数学模型的必要参数,目前罕有对藻液热导率测量报道。清华大学吴良柏[25]采用 3ω法在 20~38 ℃之间测量小球藻浓度为C(C=2.7×107个/m L)和C/2流体的热导率,得到热导率在0.58 W/(m·K)到0.62 W/(m·K)之间。
2.3.2 比热容
比热容是材料的物性参数之一。上海交通大学王爽等[31]利用NETZSCH DSC404型差示量热扫描仪测量了3种海藻(红藻、绿藻和褐藻)粉末在40~550 ℃温度范围内的比热容。目前,仍末见藻液流体比热容测量报道,实际计算中较多采用近似于水的比热容。
3 光生物反应器内气液传质现象
3.1 现象描述
微藻培养系统是典型的多相反应体系,存在明显的气相、液相和固相。微藻培养光生物反应器内空气或CO2以气泡形式存在于液相中,以提供光合作用所需的无机碳源。光合作用的产物O2必须及时排除,以避免由于溶氧浓度[3]过高而导致藻细胞死亡。由于光生物反应器内多相流动与反应器结构和尺寸有密切联系,随着光生物反应器结构和尺寸发生变化,反应器内无机碳和溶氧浓度分布将发生明显的改变。因此,深入分析供气条件、光生物反应器结构对CO2和O2体积传质速率的影响规律,建立无机碳和溶氧浓度数学模型对优化光生物反应器结构和提高气液传质效率具有重要的实际意义。
光生物反应器内气液传质包括气体主流中CO2扩散到藻细胞光合反应部位,以及光合作用产物O2从液相主体中排除。二氧化碳从气泡向藻细胞内光合作用部位的主要扩散过程如图1所示[32]。
图1 微藻培养过程的二氧化碳传递过程示意图
3.2 数理模型
Rubio等[33]对气升式管状生物反应器进行研究,认为微藻培养过程是一个伪均匀的气液两相系统,并假设:①在极小的时间间隔内,光合作用率(溶氧浓度和无机碳浓度)只随时间变化;②根据流体静力学,假设液相的体积流量为常数;③认为与培养液同温度下,CO2和O2呈饱和状态;④认为大部分的气升区是柱塞流,除了脱气装置。根据组分的质量守恒得到无机碳和溶氧的控制方程,如式(16)。
该模型能够以小时为单位,同时预测上升管和下降管内的溶氧水平、CO2的供给量以及pH值变化情况。
浙江大学程桂林等[34]对10 L气升式柱型光生物反应器进行研究,假设:①液相连续流动,并忽略气液间相互作用;②气泡在液相中分布均匀,且轴向对称;③实验过程认为温度、蒸汽压恒定。根据质量守恒定律运用集中参数法建立了无机碳和溶氧的控制方程,如式(17)、式(18)。
式中,[O2]、[CT]为溶氧、溶解的总碳浓度,mol/m3;[O2]*、[CO2]*为液相中氧气和二氧化碳的饱和浓度,mol/m3;FO2、FCO2为气相中氧气和二氧化碳的摩尔流率,mol/s;QL为液体的体积流率,m3/s;KLaLO2、KLaLCO2分别为氧气和二氧化碳的体积传质系数,s-1;RO2、RCO2分别为氧气的生成率和二氧化碳的消耗率,mol·m3/s;DO2、DCO2分别为氧气和二氧化碳的扩散系数,m2·s;s为截面面积,m2;UL为液体的流速,m/s;ε为气含率。
研究结果表明上述模型能针对各自光生物反应器结构较好的模拟溶氧浓度、pH值随时间的变化情况,不仅可用于微藻光生物反应器培养去除密闭空气中微量CO2的模拟和预测,且对光生物反应器的优化设计和微藻的高密度培养有指导意义。但是,上述模型均为零维模型,尚末能精确的描述无机碳和溶氧浓度的分布,应结合CFD技术采用多相流动数学模型,综合分析不同光生物反应器结构对无机碳和溶氧浓度分布的影响。
3.3 体积传质系数
化学工程中,常采用体积传质系数来代表反应器内的总括传质系数。体积传质系数是用来评价光生物反应器性能的常用参数[2],它与许多因素相关,如表观气速[35]、黏度[35]、曝气量及曝气方式[36]、扩散系数[37]、气含率[33-34]等。
体积传质系数(KLa)是两个参数的乘积,实际应用中由于测量传质系数(KL)和有效接触面积(a)比较困难,因此常将它们并为一项称为体积传质系数,单位为 h-1。根据气液传质理论,描述体积传质系数的模型有4种[38]:① 结合尺寸分析和实验数据的与现象相关的模拟;② 采用双膜理论的空间模型;③ 采用Higbie渗透理论的时间模型;④ 结合双膜理论和渗透理论的模型。关于体积传质系数的测量方法[32]有3种:亚硫酸盐法、动态法和定态法,且以测量O2的体积传质系数为主。对于光生物反应器内CO2体积传质系数的确定常采用经验公式法[33-34]。
4 光生物反应器内多相流动
4.1 现象描述
微藻细胞光自养培养时需保证藻细胞在培养液中均匀悬浮,通常采用气升、鼓泡或转桨搅拌的方式实现。培养液的流动状态会影响培养液混合时间、剪切(混合)速率和微藻细胞的光暗循环周期,较佳的混合时间可以保证高的细胞浓度、使藻细胞悬浮、消除热分层、帮助营养物均匀分布、提高气液传质和降低相互遮蔽程度;合理的培养液剪切(混合)速率可以提高气液传质效率促进细胞生长,但过高的剪切(混合)速率会损伤藻细胞从而导致藻细胞死亡;光暗循环周期的长短是影响微藻生产量的重要因素。
此外,根据生物反应器的放大研究可知[39-40],随着应器结构和尺寸的变化,反应器内部分的流动与传质过程会发生明显的变化。因此,深入分析光生物反应器结构和尺寸对多相流动的影响,不仅有助于提高微藻生长速度[3],而且对于光生物反应器的优化和放大具有十分重要的意义。
4.2 CFD模型
关于生物反应器内流动的研究,前人多采用理论结合实验研究的方法。随着计算机技术的发展,计算流体力学(CFD)软件广泛应用于流场模拟。近年来,有学者将其用于模拟不同结构光生物反应器内的流动过程,表1列举了近年CFD技术在光生物反应器中的应用。
表1 CFD技术在光生物反应器内流动的应用
4.3 相关参数
4.3.1 表观气/液速
对于气动力推动的气升式光生物反应器来说,液体的循环时间强烈依赖于表观气速,随着表观气速的提高指数下降[47]。提高表观气速不仅有利于气液的混合、提高液体循环速度和增加气液传质,而且还会阻止反应器溶氧的积聚。表2给出了不同光生物反应器内表观气速和体积传质系数的比较。从表中可以看出,在相同表观气速下,板式光生物反应器具有较高的体积传质系数;采用垂直布置比水平布置更有利于提高体积传质系数。一般情况下,气液两相的表观速度可表示为式(20)。
式中,Ugs、Ugs分别为气相和液相的表观速度,m/s;Vg、V1分别为气相和液相速度,m/s;A为截面面积,m2。
表2 不同光生物反应器内表观气速和体积传质系数的比较
4.3.2 气含率
气含率是指反应器内气相所占的体积分数,是表征气液两相体系最重要的参数。影响气含率的因素有气液界面张力、气泡尺寸、表观气速、黏度等,其中表观气速对气含率的影响最为显著[53]。测量气含率的方法有光纤法、电导法、压差法和体积膨胀法。一般情况下,多采用压差法和体积膨胀法。
压差法根据不同气含率流体产生的静压不同,测量局部区域的平均气含率,见式(21)。
式中,Δh为压差计的读数;ΔH为相邻测点的间距,m。
4.3.3 黏度
黏度是影响藻液流动状态的重要参数,通常认为光自养情况下黏度与水接近[54]。清华大学吴良柏等[25]分析小球藻藻液浓度为C(C=2.7×107个/m L)和C/2的黏度,得到黏度随浓度的增加而增加,都比纯水大,但差异较小,认为小球藻流体为牛顿流体。Petkov等[55]分析尖栅列藻属、绿球藻和porphyridium sordidum 在不同浓度和温度下的黏度,得到的黏度范围在0.82~2.62 mPa·s。华东理工大学刘晶璘等[56]分析钝顶螺旋藻的流变特性,发现其藻液属幂律流体,随着藻浓度的增加,藻液的稠度系数增大,藻液变黏稠。
5 结 语
微藻培养光生物反应器内传递现象涉及光学、生物学、化学和热物理等多个学科,问题尤为复杂。作者认为今后对于规模化微藻培养光生物反应器的研究应从以下几个方面进行开展。
(1)结合最佳微藻生长影响因子,分析培养液流动、传质及光生物反应器结构对各传递现象参数的影响,提炼培养液气液传质及流动特性对微藻生长的影响机制。
(2)基于现代实验测试技术,系统认识不同细胞浓度下藻液流体的相关物性参数。
(3)探索各传递现象在规模放大中变化规律,设计适用于微藻规模培养高效光生物反应器。
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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。
中央高校基本科研业务费专项资金项目(FRF-AS-10-005B)。
陈智杰(1980—),男,博士研究生。联系人:姜泽毅,副教授。E-mail zyjiang@ustb.edu.cn。