微藻培养中气泡混合与内部LED照明对CO2固定效率的CFD模拟优化研究

本研究通过计算流体力学（CFD）模拟，对比分析了圆柱形光生物反应器（PBR）中内部LED照明与气泡混合对小球藻（Chlorella vulgaris）生长及CO2固定效率的影响，揭示了光照均匀性与CO2分布协同优化的重要性，为光生物反应器设计提供了新思路。

　　

在应对气候变化和可持续发展的全球背景下，微藻培养因其高效的CO₂固定能力和生物质生产潜力备受关注。然而，传统光生物反应器（PBR）面临光照分布不均、CO₂传质效率低等挑战，制约了微藻的大规模应用。尤其当藻液浓度较高时，细胞自遮蔽效应会导致深层区域光照不足，而CO₂供应不足或过量均会抑制藻类生长。如何通过反应器设计优化光能利用与碳源供给的协同作用，成为提升生物生产力的关键科学问题。

针对这一难题，芬兰的研究团队在《Algal Research》发表了一项创新研究。该团队基于前期验证的数学模型，采用计算流体力学（CFD）技术，系统比较了三种实验室规模反应器构型中内部LED照明与气泡混合对小球藻（Chlorella vulgaris）生长的影响。研究特别关注了两种气体分布方式（小气泡供应CO₂与大气泡混合）和一种加长型反应器的性能差异，并与传统外部照明-机械搅拌模式进行对比。

关键技术方法包括：1）建立耦合光传输、流体动力学与藻类生长的CFD多物理场模型；2）设计八根LED灯棒的内照明系统；3）采用双气泡策略（2.5% CO₂富集小气泡供碳+大气泡混合）；4）通过ANSYS Fluent软件模拟反应器内CO₂浓度场与光强分布。

微藻生产力模型

研究采用改进的Béchet模型，引入CO₂浓度依赖性项，量化净生物生产力为光合作用与呼吸作用的差值。公式显示，藻类生长同时受局部光强（I_loc）、CO₂浓度（C_CO2）和抑制因子（C_I/(C_I+C_CO2²)）的调控。

藻类培养照明优化

模拟结果表明，内部LED照明较传统外部照明显著提升光照均匀性。在2L反应器中，八根灯棒布局使光能渗透深度增加，有效缓解自遮蔽效应，生物生产力提高17%-23%。

计算方法与边界条件

计算网格在照明区域加密处理（205,200个单元），采用欧拉-欧拉多相流模型模拟气泡运动，耦合辐射传输方程描述光衰减。

实验室规模反应器性能

加长型反应器（LFR）显示更优的CO₂分布均匀性，但小气泡供气系统（SFR）在碳利用率上更具优势。瞬态模拟揭示，气泡尺寸分布直接影响气液传质效率，进而调控藻类生长速率。

结论与意义

该研究证实：1）内部照明通过改善光分布可提升藻类CO₂固定效率；2）气泡混合能替代机械搅拌实现节能；3）反应器几何形状与气体分布方式存在协同优化空间。这项工作为PBR的智能设计提供了量化工具，尤其对开发节能型藻类碳捕获系统具有重要指导价值。研究创新的多尺度建模框架，也为复杂生物-物理耦合系统的模拟树立了新范式。