平板气升环流式光生物反应器中多场耦合的传递机理研究

构建适合于微藻生长的光生物反应器是实现微藻高密度培养亟待解决的关键问题之一。由于对反应器内多相流动、光辐射和相间传质机理不清楚，尤其缺乏对光辐射和多场耦合（多相流动-辐射-传质）的研究，光生物反应器一直存在着设计和放大的困难。本项目针对极具应用前景的平板气升环流式光生物反应器内存在的多场耦合传递过程，将理论分析、传递过程实验和数值模拟方法相结合，建立、求解并验证包含多相流动、光辐射和相间质量传递的整体数学模型，研究其多场耦合的传递机理，分析结构参数和操作条件对反应器性能的影响，阐明其动量、光辐射和质量传递原理，揭示其多场耦合机制，寻求提高反应器性能的方法，为平板气升环流式光生物反应器的问题诊断、优化和设计提供基础数据和理论依据。

本项目的主要目标是通过理论分析、数值模拟和传递过程实验，建立光生物反应器内流动、辐射和传质相耦合的机理性数学模型，揭示其传递规律，为光生物反应器的设计、优化和放大提供一定的理论依据。该项目圆满完成了此目标，主要研究结果和成果如下：. （1）首次提出采用box模型和有限体积法相结合模拟微藻培养过程中复合光的传递过程，并将多相流动造成的光暗循环与光辐射和微藻生长相结合，研究了微藻培养过程中光的时空变化规律。. （2）建立了适合光生物反应器设计和放大的集成数学模型，其中包括气液多相流动、相间传质和光生化反应。. （3）根据整体数学模型揭示的光生物反应器中的流动、光辐射和微藻生长的相互作用机理，开发并设计了一套极具应用前景的新型平板气升环流式光生物反应器。. （4）定量测量了新型平板气升环流式光生物反应器内微藻培养过程中的关键参数，对曝气速率和传质进行了优化，有望实现光生物反应器中大规模微藻培养的节能降耗。. （5）依托本项目已在化工重要期刊Chem. Eng. Sci.和化工学报上分别发表论文2篇和1篇，发表核心期刊论文1篇；发表国际、国内会议论文各一篇并皆应邀做口头报告；还有3篇论文在审稿，1篇待整理；部分成果正在申请专利和软件著作权。在本项目的资助下，培养硕士研究生1名，本人由助研晋升为副研，同时基于本项目的研究工作基础，本人获得国家自然科学基金面上项目（21376254）资助。