非均匀“光-热-质”复杂条件下的微藻固碳性能及多物理场耦合机理研究

It is one of the important challenges in the field of microalgae CO2 sequestration to analyze the coupling phenomenon and principles of non-uniform distribution of "light-heat-mass" in the microalgae carbon sequestration system. To develop the cultivation system with high efficiency of carbon sequestration is significant as well. The purpose of the project is to enhance the performance of microalgae carbon sequestration system by investigating the dynamic law of the influence environmental factors on the specific growth rate of microalgae, revealing the coupling mechanism of non-uniform multi-physical fields, and proposing a multi-parameter optimization methodology and the evaluation criteria for the column photobioreactor. First, the dynamic influences of the key factors in the process of microalgae carbon sequestration are obtained through theoretical and experimental analyses. The synergetic control methods of optimal environmental factors are carried out. Second, the coupling model of "light-heat-mass" multi-physical fields in photobioreactor is established to disclose the multi-phase and multi-component transport, the non-uniform spatial distribution and the coupling mechanism of multi-physical fields. The "light-heat-mass" synergetic matched principles are further carried out. Finally, based on the above study, the multi-parameter collaborative optimizations of microalgae growth and carbon sequestration are investigated, and the evaluation methodology and criteria for the carbon sequestration system are proposed. The research involves interdisciplinary disciplines including optics, biology, heat transfer and multi-phase flow. The research outcome is significant for the understanding of key fundamental mechanisms in microalgae carbon sequestration system and the development of high-efficiency cultivation system. The study can provide the theoretical support to the large-scale algal carbon reduction as well.

深刻理解微藻固碳培养系统内“光-热-质”非均匀耦合现象及规律，开发具有高效固碳特性的培养系统，是生物质微藻减排领域所面临的重要挑战之一。项目通过探究环境因素对微藻生长速率影响的动态规律，揭示非均匀多物理场耦合机理，提出柱式光生物反应器的多参数优化方法和评价准则，增强系统的固碳性能。首先，通过理论与实验分析获得关键因素对微藻固碳过程的动态影响规律及最优环境因素控制方法；其次，建立光生物反应器内“光-热-质”多物理场耦合模型，揭示不同环境因素下的多相多组分传递机理及多物理场非均匀空间分布规律和耦合机理，提出“光-热-质”一体化匹配原则；最后，基于以上研究对微藻生长和固碳过程进行多参数协同优化，提出系统综合评价方法和准则。研究内容涉及光学-生物学-传热学-多相流等学科交叉，研究成果对于掌握微藻固碳系统中的关键基础问题与研发高效稳定培养系统具有重要的现实意义，亦对大规模微藻减排提供重要的理论支撑。

本项目围绕非均匀“光-热-质”复杂条件下的微藻固碳性能及多物理场耦合机理开展了深入系统的研究，全面完成了项目的各项任务，实现了预期目标。. 针对关键科学问题1-关键环境因素对微藻生长速率影响的动态机理及规律：首次综合考虑了各因素特性，构建了微藻多因素生长动力学模型和生产过程的能量消耗模型；揭示了动态光照条件下微藻细胞的激活光合作用单位占比的变化规律；搭建了微藻固碳光生物反应实验台和生物质人工温室。通过理论模拟与实验验证，获得了影响因素的协同匹配方法，实现了微藻生长速率和固碳效率的优化和控制，形成了多因素微藻固碳效率复杂动力学关联式。针对关键科学问题2-微藻固碳系统中“光-热-质”多物理场耦合规律及非均匀能流输运与传递机制：建立了光生物反应器内“光-热-质”多物理场耦合模型，探析了微藻悬浮液中CO2气泡的动力学行为及微藻固碳特性，揭示了不同型式光生物反应器内多相、多组分传质机理，获得了非均匀多场耦合空间分布规律，提出“光-热-质”一体化匹配原则，强化了气液两相流的传递性能以及微藻物质的传输性能，提出了多种新型光生物反应器。针对关键科学问题3-柱式光生物反应器的多参数优化设计及综合评价方法与准则：首次提出了流场与光强场相协同的强化固碳的有效方法，基于此给出了光生物反应器性能优化的设计与综合评价方法，在低浓度CO2进气条件下优化结构比原始反应器的单位固碳产量增加了30.2%。另外，还研制了光催化、微生物燃料电池等高效稳定的复合型光生物反应固碳实验系统，系统固碳效率从12%提升到25%。. 项目研究成果对掌握高效微藻固碳机理、实现固碳过程的优化协同控制、开发高效微藻固碳技术、推进生物质固碳技术的应用提供了重要的理论支撑。有望在碳捕集利用与封存、吸附燃煤电厂烟气CO2、水下航行器及空间航天器密闭空间内CO2的消除等方面得到应用。正在与中船重工701研究所开展联合研究。. 项目执行期间，共发表学术论文29篇，其中，国际期刊SCI收录论文23篇（JCR一区20篇）；获授权发明专利10项；受邀做国际学术会议主旨报告和特邀报告11次。此外，负责人入选国家“万人计划”青年拔尖人才，获中国动力工程青年科技奖，吴仲华奖励基金优秀青年学者奖，陕西省自然科学一等奖等奖励，还受邀担任国际著名期刊ATE副主编、4个国际期刊的编委及国际学术组织委员等。