微通道内生物膜生长与气液两相流动的耦合作用

发布时间：2020-06-23 00:03

【摘要】：排放到大气中的甲烷气体是一种强效的温室气体,如何有效利用这部分分散的能源物质成为各国研究者的难题。利用生物膜法和微通道反应器相结合的方式对甲烷进行生化转化是一种新型有效的技术,但该微通道反应器是涉及生物膜生长和气液两相流动的复杂生化反应体系,许多问题有待解决。本文通过可视化实验手段,对微通道反应器内生物膜生长和气液两相流动的耦合作用,气液两相流动及传输特性对反应器生化转化性能的影响规律,以及提升反应器内生物膜持有量与强化底物传输,改善反应器性能方面进行了研究。首先对蛇形微通道反应器内气液界面对甲烷氧化菌运动、分布和粘附生长的影响进行了分析,发现由于气液界面对微通道壁面的巨大剪切力,导致生物膜主要分布在角区,主流区壁面上的生物膜持有量较少。生物膜生长过程可分为可逆粘附、快速生长、缓慢生长和成熟稳定阶段,并且由于生物膜减小了微通道的流通面积,气弹和液柱长度随着生物膜生长而减小。生物膜生长过程中,甲烷与氧气的转化率和空时转化量相对应的经历了缓慢增长,快速增长,放缓增长,缓慢下降和稳定波动五个阶段,经过粗糙度改性后的微通道反应器转化率和空时转化量稳定值为6.5%和195mol/(h·m3)左右。在反应器挂膜的基础上,研究了操作工况对气液两相流动及传输特性的影响。气相流量增大,气弹长度增大,反应器的转化率和空时转化量迅速增大,但进一步增大流量会减少反应物的停留时间,转化率和空时转化量开始减小;液相流量增大,气弹长度减小,反应物的停留时间减少,转化率和空时转化量逐渐减小。温度为30°C,p H为7.0时,生物膜的活性最高,生化转化性能最高。物质传输特性和生物膜转化能力是影响微通道反应器性能的两个重要因素。设计了能够强化传质过程的波浪形和折线形微通道反应器,发现波浪形微通道内的生物膜持有量较少,主要以菌落团均匀分布在壁面上,而折线形微通道内折角处的角区形成了大量生物膜,主流区壁面分布着大量菌落,将转化率和空时转化量的稳定值提高到了12.5%和380mol/(h·m3)左右。扰流柱结构进一步强化反应物的传输,并且扰流柱周围的角区有大量生物膜,将折线形微通道的转化率和空时转化量提升到14.5%和465mol/(h·m3)左右。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O359
【图文】：

代谢途径,生物膜法,微通道反应器,甲烷

电力、表面张力及黏附力等作用下，微生物细胞吸附实现对微生物细胞固定的方法。生物膜法具有单位体产物易分离等优势，并且转化过程中能够实现气体反程度降低传质阻力，所以，生物膜法转化甲烷技术已是，应用生物膜法转化甲烷并不能有效解决甲烷难溶题，因此还需要对反应器进行进一步研究。微通道反内部流道特征尺度在 10-1000μm 之间的微型反应器-50000m2/m3 [31,32]。微通道的小尺寸特征和大比表面质特性，以及表面积大、安全性能高、操作性能好、多优点[33-37]。目前，已有大量关于微通道反应器应用生物化学过程等领域的研究报道[38-41]，并且微通道反此，利用微通道反应器进行甲烷生化转化可以有效。综上所述，采用生物膜法和微通道反应器相结合的一条极具前景的新型技术路线。转化技术（Bioconversion Technology of M

气液两相流,微通道,气弹

图 1-2 微通道内典型气液两相流型[82]Figure 1-2 Typical gas-liquid flow pattern in microchannel[82]是微通道内最常见的流型，在很宽的气液占比范围都可以观察柱内存在对流循环作用，能够加速微通道反应器内部的传质，在微通道两相流动中被广泛研究。对于气泡形成机理的研究表其在惯性力、剪切力和压降等作用下克服表面张力束缚的结果主要力的不同，气弹形成的模式可分为挤压模式、剪切模式和等人[86]将毛细管数 Ca 作为判断气泡生成模式的依据，认为毛）时呈挤压模式，Ca>0.01 时多呈剪切模式。挤压模式如图 1.中几乎占据整个微通道，上游的液体流动受阻导致入口处的液压力的作用下而断裂。如图 1.3b 所示，剪切模式下，气弹断剪切力和惯性力是驱动气弹断裂的主要力。介于挤压模式和剪过渡模式。挤压模式下，气弹生产过程的运动速度和压力都存气相进入主通道内，液相剪切力和惯性力加速气弹的移动，气弹受力达到平衡后，气泡以较大的速度移动；在坍塌阶段，气使得其速度下降至初始水平。气弹形成的过程也伴随着巨大的

【参考文献】