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    室外培养微藻生物质光反应器及反应效率.pdf

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    室外培养微藻生物质光反应器及反应效率.pdf

    CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,232 室外培养微藻生物质光反应器及反应效率 李茂涛 鲁厚芳袁桃陶川东梁斌 四川大学化工学院四川省多相流传质与反应工程重点实验室成都610065 摘要 通过分析和比较文献数据,以户外微藻培养为基准,建立微藻室外封闭培养的光反应计算模型, 对管式微藻反应器的光吸收效率、光合作用效率以及生长模型进行计算,针对不同的光照条件计算反应器的管 径等参数,为微藻过程开发利用提供基础数据。 关键词 微藻微藻生物柴油室外培养生长动力学 随着化石能源的逐渐减少,人们对可再生能 源的关注度越来越高。生物柴油作为其中之一, 已在世界各国得到了广泛的工业化生产,但生物 柴油生产的最大瓶颈是原料来源问题。微藻是一 种光合自养微生物,具有生长速度快、增殖周期 短、光合效率高、营养要求低等特点;微藻细 胞中富含油脂、蛋白质、多糖等多种有价值的物 质,富含油脂的藻种平均油脂含量在20%~50% 之间 J。因此,微藻被认为是具有潜力的油脂生 产物种,也是生物柴油潜在的原料来源。 已经有大量文献报道对微藻培养的研究。 Quentin Be chet 等在一个体积为50L的柱光生物 反应器中培养微藻,以C.sorokiniana为培养藻种, 得到微藻的体积产率为102.2 g/m d,微 藻的总光合效率达到了4.80.5%;在微藻培养 装置的研究方面,E.Molina等在综合考虑了管长、 光反应器里培养液的流速、气升柱高度、光接收 器的构象等众多影响微藻生长的因素后,设计了 一个总体积为0.2 in 的气升管式光生物反应器, 以Phaeodactylum tricomutum为培养藻种,该反应 器中微藻的浓度可达到4 g/L,在稀释速率为0.o4 /h时,微藻的体积产量可达到1.9 Ld,面 积产率为32 g/m d[4 J。Lehr和Posten在一个 体积为50 L的光反应器中培养微藻,以其数据计 算得微藻的面积产率为32.4 g/m d 。J. Doucha等考察了室外平板光生物反应器的微藻培 养产率和光合作用效率,结果表明, 产率可达到38.2 g/in d。 本文对国内海口、成都、拉萨、 微藻培养条件进行比较,结果显示, 的光反应器直径将随光照条件变化, 随不同地区变化较大。 1与计算相关的参数 微藻的面积 二连浩特的 在不同地方 微藻产率也 1.1光反应器的选择 微藻的培养方式目前主要有两种一种为开 放式的跑道池培养;另一种为封闭式培养,又分 为板式和管道式光生物反应器培养。相对于开放 式微藻培养而言,封闭式培养微藻不易受污染, 培养液中水分挥发小,且可以得到比跑道池培养 高510倍的生物质浓度,减轻后续的微藻浓缩能 耗。对于光照强、缺水的地方尤其适合封闭式培 养,封闭培养中,板式和管式光生物反应器都面 临着同样的高固定资产投入的问题,但管式相对 于板式,更容易控制反应器中培养液的均匀有序 混合,而这被认为是提高微藻光合效率的最有效 的途径。因此本文选择管道式光生物反应器。 1.2地点选择 微藻的生长是将太阳能转化为生物质能的过 程,它的生长速率决定于温度、光照强度、二氧 化碳浓度、pH、营养液等众多因素,其中温度和 李茂涛在读研究生。主要研究方向微藻生物柴油、光生物反应器设计、转极性溶剂。联系方式lipuxizi163.corn,328239527 qq.corn。 李茂涛等 室外培养微藻生物质光反应器及反应效率 3l 光照是最重要的因素。地面所能接收到的太阳辐 照能量与该地的经纬度、季节、气候等因素有关, 表i给出了我国几个不同城市的太阳光照情况和温 度情况。 表1中国几个城市的气象数据 同所有生物质生长相同,微藻在低温下生长 缓慢,而高温又可能引起培养液过热而致使微藻 细胞死亡,微藻的适宜生长温度为10~30C。光 照强度的作用也有同样的现象,光照太弱,则光 合作用进行缓慢,不利于生物质的合成,但光照 太强则会发生光抑制,影响微藻生长,不同的微 藻物种生长所需的最适光照强度不同,例如,Pha. eodactylum tricornutum的最适生长光照强度为 185IE/m s,而对Porphyridium eruentum而 言,它的最适生长光强为200E/m s。微藻 培养需要适中的光照强度、温和的温度,同时要 有充足的水源。 假定温度大于l0c【的月份为可培养微藻的月 份,总结上表,可得不同的地点每年可生产微藻 的时间以及可以用来生产微藻的总光能E.,按 照光能与光照强度之间的换算关系1W/m 4.6imol/m s,可计算出每个地方的平均辐 照强度,见表2。 表2 4个地方可生产天数、总光能以及平均光照强度 1.3微藻的相关参数 以小球藻为计算参考微藻,小球藻是一种球 形单细胞淡水藻,直径38ram,一般以BG11或 sE为培养基,最佳培养二氧化碳浓度在3%左右, 培养温度在25℃左右,通气比为0.02 vvm。表3 为文献中小球藻的一般参数括号内为本文所取 的参数。 表3小球藻的一般培养参数 参数 范围基础值 最大比生长速率[ ,/d 光和效率[3],% 消光系数[ ,m /kg 氮利用系数[引,f 微藻生物质浓度[引,GL 0.44~0.7560.615 3.1~5.64.0 36.9~200124.5 1.2~1.31.25 0.721.3 2计算结果与讨论 2.1光能利用效率计算 光能到达地面后,被微藻吸收进行光合作用 合成化学能。光首先透过光生物反应器的透明器 壁进入到微藻培养液中,然后光传到微藻细胞上 被微藻细胞接收利用。 2.1.1管反应器布置与辐射能量 光生物反应器光接收管的排布是大面积培养 微藻人们必须慎重考虑的一个工程因素,其排布 直接影响着太阳光能的利用效率以及地面的面积 利用率。当人们在设计光生物反应器的管道布局 时,应当使光生物反应器的光接收管排布后,管 道与管道之间的相互遮挡尽量小,以便大多数光 接收管能够同时接收到太阳光的辐照,让微藻细 胞进行旺盛的光合作用。增大光接收管与光接收 32 CHEⅣⅡCAL ENGINEERING DESIGN 管之间的距离可以达到这一目标,但是很显然, 这样会降低光能的利用率以及地面面积利用率。 Torzillo 叫等人设计的双层光生物反应器管道布局, 具有管道层数合理、光能利用率与地面面积利用 率高的特点。因此本文参考Torzillo的设计,假定 将光生物反应器也布置为两层,但将光生物反应 器的光接收管排布改为正三角形构型,光接收管 之间的距离设为2倍圆直径距离,见图1。在这种 光接收管排布中,假定光从正上方入射,则光接 收管能够将所有的光线捕获。 暗区 亮区 图1 光生物反应器的管道布置图 光照射到光生物反应器上后,会发生光的透 射、折射、散射以及反射等现象,在这个过程中, 大部分的光能会进入到光生物反应器中,但有少 部分光能会耗散损失。只有进入光生物反应器培 养液中的光能才能被微藻利用而进行光合作用合 成微藻生物质,而直接照射到地面被地面吸收损 耗的光能不会被微藻利用。将被利用的光能记为 光能利用量,入射的光能记为光能的总量,光能 的利用量与光能总量之比,则可以计算出光生物 反应器的光能接收率。 将光在光生物反应器上的折射、透射、反射 以及散射都全部考虑,然后计算光的利用率将是 一件非常复杂且难以完成的工作。有很多工作致 力于研究光反应器的材料,尽量减少光的折射、 反射及散射等,尽量提高光的利用率。本文计算 时,为了简化起见,假定光生物反应器器壁是完 全透明的,对光线的透过率为100%,只考虑光的 入射,不考虑光的折射、反射等。用仅表示光能 的利用率,则由图1得出d的值为 A 式中,A 表示被光生物反应器遮挡的地面面积, A 表示太阳光直射的地面面积。 由于太阳光的入射角会随着一天的时间不同 而变化,因此地面面积利用率Ot的值也会随着太 阳光入射角度的变化而变化。在本文所假定的只 考虑入射光线的前提下,在正三角形布局中见 图2,当入射角小于47。时,光生物反应器能够截 获所有的入射光线,即Ot的值取为1,随着入射角 的继续增大,仅逐渐减小,当入射角为6O。时,0【 取得最小值,然后随着入射角的继续增大,仪的值 会增大,当入射角为9O。时,Ot值又变为1。 图2光能利用率 太阳光照射到地面的能量会随着一天不同的 时间而不同,在早上和下午时分,入射阳光与地 面有一个角度0,地表投影面积与垂直入射面积之 间有个正弦函数关系。假定在一天中,中午直射 时的太阳光平均能量密度值为E ,其余时间的能 量密度可用式E sin0表示,则一天中单位地 面所接收的总光能为 f in0d0 2 假定一天中,光生物反应器接收的能量为E , 根据光生物反应器的光能接收系数仅,可推得 Erd为 E 【E sinOadO 3 定义光生物反应器的光能接收系数为11 ,光 能接收系数为 Erd ._sin0~ado 4 r 一 L斗 I sin dO .10 对上式进行数值积分,可得11 的值为0.85。 2.1.2微藻捕获效率 太阳光透过反应器管壁后,在穿过反应器培 养液的过程中,被微藻和各种介质不断吸收,光 强会随入射距离的增加很快衰减,见图2。假定光 在光生物反应器里的衰减符合LambertBeer定律, 李茂涛等 室外培养微藻生物质光反应器及反应效率 33 则在距离入射表面L处的光强为 ,Ioexp一 6 5 式中,I。为入射光强;B为消光系数;L为光程 长;c 为微藻浓度。 照射到光生物反应器上的光能大部分会被光 生物反应器所吸收,但仍会有部分光会透过光生 物反应器从而没有被利用,见图3。 } { 亮区\ { _\j 光生物反应器、~ 图3光反应器光照分布图 用被利用的光能比总的光能,以光生物反应 器的中心为坐标原点,建立直角坐标系,假定光 生物反应器半径为r,则可得到光生物反应器的单 管吸收效率为 f,0[1一exp一 r2一 ]dx 刀a 一6 式中,分母表示在管直径长度上入射的总光能, 分子表示光在通过光生物反应器后,被光生物反 应器所捕获的能量。由式6可知,光生物反应 器的单管光能利用效率 。与反应器的半径和反应 器中微藻的浓度相关。微藻浓度越大、光生物反 应器半径越大,则光能利用率就越高。求解方程 6可得结果见图4。 1 08 06 碍 较13 d 02 0 0 图4光生物反应器的单管吸收效率随光生物反应器 中微藻的浓度与光生物反应器半径的变化关系 2.1.3光合转换效率 在计算光能时,一般是指全光谱能量。但被 微藻吸收的光中,只有太阳光中440nm附近的蓝 区和680nm附近的红区的光才有光合活性,而这 部分光的能量只占地面所接收太阳光总能量的 45%。因此,将太阳光的有效光谱能量系数 取 为0.45。 微藻接收到太阳光光子后,利用太阳光光子 驱动光合作用的光化学反应发生,所得NADPH和 ATP用于光合作用的暗反应阶段合成碳三化合物。 将该过程简化为方程式 CO2H20nPhotons叫CH2002 7 上述反应中,每产生一个氧分子和一个有机 CH O单元,所消耗的光子数一般认为在lO一12 之间。可以根据得到CH 0的化学能量与所消 耗光子的能量比值估算光合转化反应的理论光能 转化效率。光合作用所利用的光子的平均能量为 223.5kJ/mol。CH 0代表光合作用有机化学产物单 元,它的热值取为482.5kJ/tool。因此,光合反应 理论转化效率为 d ’ 0.18 8 由以上分析可知微藻的理论光合作用效率为 8.1%,但应当注意,该计算值为通过计量关系得 到的值,在实际微藻光合作用中,这个光合作用 效率理论值是难以达到的。事实上,微藻光合作 用中,被色素吸收的光量子有4种可能的命运激 发的能量通过重新分配到色素分子内的原子振动 逐步衰减以热能形式散失;激发的能量以荧光再 现,只见于饱和光强度时;激发的能量通过共振 能传递到邻近的分子;激发的能量进入能量转换, 将光能转换为化学能。其中前两种将会使光子损 失,特别是在光照比较强的时候,很大部分光子 都会以热的形式散失掉。 微藻的实际光合效率与光照强度、环境温度、 培养液流动状况、微藻培养液等密切相关,因此, 微藻的实际光合作用效率只能通过实验测量。 Quentin Be chet等以Chlorella sorokiniana为培养藻 种,在室外未控制温度的前提下,测得小球藻的 光合效率可达到4.80.5% ;Doucha等人在未 控制温度的前提下,在板式光生物反应器中测得 小球藻的光合效率为3.3%l】引。在本文的计算中, 将实际的光合效率 Dh取为4.0%。 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 2.2光生物反应器半径的计算 通过全年Et照光能量E.和微藻对光的转化效 率,可以计算出单位面积的微藻产率。假定通过 微藻培养而固定为微藻有机质的能量为E ,则E 可由下式计算 E , 。 E 0.O344 。E 9 根据蛋白质、碳水化合物以及脂肪等的热值 蛋白质和碳水化合物的热值为16.7O MJ/kg,脂肪 的热值为37.40MJ/kg,假设微藻组织由蛋白、碳 水化合物及油脂组成,单位微藻的能量为 e 16.71一 0一∞ 37.4co0 1o 式中,∞。为油脂的质量百分数,∞ 为灰分百分含 量。忽略微藻的灰分,假定微藻的油脂含量为 33% ,则微藻的热值为23.53 MJ/kg。 对于单管反应器,通过吸收光进行光合反应 的微藻产率为 式中,T为一年中培养微藻的天数; 为微藻同化 氮源时的能量倍增系数。因为微藻在生长中,需 要同化培养基中的氮元素,但所消耗的能量并没 有积累到微藻生物质的热值中,因此在计算微藻 的面积产率时,需在微藻生物质的本征热值基础 上乘以一个能量倍增系数。分析式11可知, 微藻的面积产率和E 相关,而E。 又和光生物反应 器的单管捕光效率相关。以海口为例,计算微藻 的面积产率与微藻浓度和光生物反应器的半径的 关系见图5,可见微藻的面积产率会随光生物 反应器中微藻的浓度和光生物反应器的半径的增 加而增加。将本文所选的四个地方的面积产率放 于一张图上见图6,可见微藻的面积产率随光 照强度的增加而增加,拉萨由于海拔高,光照强 度大,太阳辐照能量多,因此具有最高的面积产 率,图6中从上往下依次为拉萨、二连浩特、海 口、成都。 显然,通过单管吸收光能计算微藻的面积产 率并不能给出管式反应器的直径。上面的计算中, 仅仅从能量转换的角度考虑了微藻的生长,且计 算有一个前提条件是,无论光生物反应器中微藻 的浓度为多少,也无论光生物反应器的半径有多 大,微藻都进行相同效率的光合作用,因此才有微 图5海口的面积产率随光生物反应器中微藻浓度 和反应器的半径的变化关系 亏0姚 0趣S 祷0m 扣 l苴e 0 0 0 图6各地的面积产率随光生物反应器中微藻的浓度 和反应器的半径的变化关系 藻面积产率随光生物反应器中微藻的浓度的增加 以及光生物反应器半径的增加而一直增加的情况 出现。 事实上,当光生物反应器中微藻的浓度升高 以及光生物反应器半径的增加到一定值后,光生 物反应器中各个部位的光照强度由于光衰减会差 别很大,有很多地方的微藻不能够进行有效的光 合作用,因此要计算光生物反应器的半径,还必 须考虑微藻的生长动力学。 光生物反应器内单位体积微藻的生长速率与 微藻浓度成正比。假设微藻的比生长速率为 ,则 微藻的体积生长速率为 y2 c6 12 其中,比生长速率 与平均光照强度的关 系为引 13In 雨a_In J 式中, 为最大比生长速率,本文取为0.615; I 为光反应器中的平均辐照强度;I 是一个经验常 嘶 毗 {;耋葺 艟00 0口0 i 0 一一 曼,暑一 李茂涛等 室外培养微藻生物质光反应器及反应效率 35 数,它的取值会随微藻物种的不同以及培养条件 的不同而不同,一般和微藻的最适生长光强接近, 参考E.Molina 的取值,本文取为200lxmol/m s;n也是一个经验常数,它的取值可以为整 数,也可以为小数,在比生长速率的表达式中, 它是一个拟合参数,可调整,同理,参考E.Moli na的取值1.49,本文通过拟合,取为2。由图3可 推导出平均辐照强度定义为 , J J exp一/3c6,/r 一Ydydx 生生一142 删一 \ 仃r 分析可知,当微藻浓度比较低的时候,大部 分光都透过了反应器,单管捕光效率比较低,光 g 静 .}L E 糌 蛙 生物 一一, 1、、 I一一一 一 、、、 、 生物反应器里各个区域的光照强度都比较大,平 均辐照强度I 就大,比生长速率就大,微藻生长 迅速。当微藻的浓度达到一定值之后,单管捕光 效率就比较高,光生物反应器里的光照强度衰减 迅速,光生物反应器里的平均辐照强度就小,比 生长速率随之变小。 联立12、13、14三式,可以求解出 微藻的体积产率与微藻浓度和光生物反应器半径 的关系,图7中a、b、C、d依次为成都、海口、 二连浩特、拉萨的体积产率图。由图可知,在一 定的光生物反应器半径下,当微藻浓度达到一个 适中的值时,体积产率有最大值。 2 g 一 糌 暑S 巨 一 爵 蛙 d 图7光生物反应器中的微藻的体积产率随微藻的浓度和反应器半径的变化而变化的关系 光生物反应器排布后,在单位面积内,以体 积生长速率计算的微藻产率应当与以面积生长速 率计算的微藻产率相等,以一根光生物反应器来 考虑,假定光生物反应器的长度为L,则可以推得 计算式 y】观 15 式中,d为光生物反应器光接收管的直径;L为光 生物反应器的管长。由式15可知,可以通过 体积产率计算面积产率,以海口为例,求解式 15,可得通过体积产率计算的面积产率。从图8 可见,随着光生物反应器中微藻的浓度提高以及 光生物反应器的半径增大后,通过体积产率计算 的面积产率会下降,原因为当反应器中微藻的浓 度和反应器的半径变大以后,反应器中的平均光 强变低,微藻生长缓慢,因此体积产率变低,从 而面积产率也降低。分析可知,通过从能量转换 的角度计算的微藻面积产率和通过微藻生长动力 学计算的微藻面积产率应当相等,将图5通过能量 转换得到的面积产率图与通过生长动力学计算得 到的面积产率图叠合在一张图上,则得到图9,从 图中可知,交线即为光生物反应器的半径、光生 物反应器中微藻浓度以及微藻面积产率之间的关 系。图9中a、b、c、d分别为成都、海口、二连 浩特、拉萨四个地方的面积产率交线图。 一 一一一 、 、 ~ 36 CHEMICAL ENGINEERING DESlGN 化工设计2013,232 19 E 祷 挂I l屈 0 图8从体积产率出发计算的微藻的面积产率海口 3 结语 吾1. 一一 ,』l l 、、、 / J 、 一t一0、、 一 量 一 静 焉s 惶0 生 C 、I、 假定微藻浓度可以达到1.3 g/L,则通过读取 上图的交线数据,可得在本文所选四个地方的光 生物反应器的管道半径值。 表4本文所选4个地方的光生物反应器 半径及面积产率 b 一_-r r-.≤ 一一 、、、 、】 量 \ 静 l苴0 生 图9各地面积产率交线图 根据太阳光能量转换结合微藻生长动力学的 方法计算,微藻产率较大的地方是光照较强的地 区,如拉萨、二连浩特等,在光照较强的地区, 可以使用较大直径的光反应管。光反应器管径取 值宜在 50110 mm,每天生物产量在l025 g/m 。 参考文献 1 KORBITZ W.Biodiesel production in Europe and North Ameri ca,an encouraging prospect[J].Renewable Energy,1999, 1614107883. 2 CHISTI Y.Biodiesel from microalgae beats bioethanol[J]. 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