实现闪光效果的不同策略比较——气动混合与闪光照明

摘要： 光生物反应器中微藻光合培养的主要限制在于低培养密度导致收获及下游工艺成本高昂。通常认为强化培养液混合可通过实现闪光效应提升光能利用效率，从而促进细胞生长。另一种方案是采用闪光光源，在无需额外能耗进行快速混合的情况下实现该效应。虽然混合效应已在不同反应器规模上得到研究，但闪光照明实验多集中于小尺度几何结构。此外，针对具有生产规模特征的大光程光生物反应器的此类研究仍较匮乏。通过数值模拟，我们评估了在直径5厘米、充满莱茵衣藻悬浮液的鼓泡塔中，气动混合与闪光照明实现闪光效应的能力。据我们所知，目前文献尚未报道过闪光照明与气动混合对培养生长影响的数值对比研究。要全面比较这两种方法，需要整合流体流动、光场计算及藻类细胞生长动力学的稳健数值工具。本研究通过追踪微米级颗粒模拟藻类运动，计算了鼓泡塔光生物反应器中的三维流??；通过求解不同波长和生物量浓度下的三维辐射传输方程(RTE)获得光谱光场。流场与光场的耦合使我们能够计算单个藻类细胞的时空光照暴露情况，进而估算鼓泡塔反应器不同运行条件下相应的动态光合反应速率。数值模拟发现：在所研究的运行条件下，与闪光效应相比，单纯气动混合的贡献可忽略不计。相反，在工业相关运行条件下，当闪烁频率超过50Hz时，LED闪光照明可使生长速率提升至2.5倍。因此，不仅需要合理选择占空比以防止光抑制，还需同步最大化闪光光效应。这些结果表明，利用LED闪光光源或将成为未来提升光生物反应器生产力的重要途径。