本發(fā)明涉及微生物培養(yǎng)光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和模型計(jì)算，特別涉及一種基于微生物消耗與二氧化碳通氣平衡的光生物反應(yīng)器內(nèi)二氧化碳濃度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、目前，人們正在尋求微藻培養(yǎng)的綜合技術(shù)，旨在從生物質(zhì)中分離出各種生物活性物質(zhì)，以提高藻類生產(chǎn)的盈利能力。為了實(shí)現(xiàn)這種發(fā)展，工業(yè)化培養(yǎng)系統(tǒng)的高生產(chǎn)率必須伴隨著在集約化培養(yǎng)生長(zhǎng)條件下控制生物有價(jià)值化合物的生物合成的能力。培養(yǎng)過(guò)程中，二氧化碳占據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源，因此二氧化碳的供應(yīng)方式與策略對(duì)培養(yǎng)效率以及二氧化碳固定效率十分重要?，F(xiàn)有主流二氧化碳供應(yīng)手段為通氣傳質(zhì)，然而現(xiàn)有的通氣策略是粗糙的、浪費(fèi)了大量的能量與物質(zhì)，造成了培養(yǎng)的不精細(xì)，產(chǎn)生了大量的碳逸散，大大降低固碳效率。因此，一個(gè)通用的基于物質(zhì)流平衡的二氧化碳通氣策略預(yù)測(cè)方法需要被研究。

2、為了捕獲碳，無(wú)論是在開(kāi)放式還是封閉式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，曝氣都是必要的。在不考慮碳消耗的情況下引入過(guò)量的二氧化碳，不僅會(huì)導(dǎo)致二氧化碳溢出和固碳效率降低，還會(huì)降低懸浮液的ph值，影響光生物反應(yīng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)。而當(dāng)二氧化碳輸入速率低于二氧化碳消耗速率時(shí)，溶液混合不均勻，并且由于碳源供應(yīng)不足，會(huì)導(dǎo)致光生物反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)速率降低，從而降低固碳速率。然而，目前缺乏確定最佳和平衡曝氣策略的指導(dǎo)來(lái)確定兩者之間的平衡。因此，在光生物反應(yīng)器曝氣策略預(yù)測(cè)方面的進(jìn)展是未來(lái)在大規(guī)模碳捕集中應(yīng)用的關(guān)鍵飛躍。現(xiàn)有的曝氣策略研究大多基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，將培養(yǎng)視為一個(gè)過(guò)程系統(tǒng)，即認(rèn)為光生物反應(yīng)器是一個(gè)均勻分布系統(tǒng)，沒(méi)有較大的梯度，通用性較低。然而，在大型光生物反應(yīng)器中，即使在小型光生物反應(yīng)器中，這種假設(shè)也不符合實(shí)際情況。一些研究人員對(duì)二氧化碳傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，大多數(shù)研究只考慮了通氣補(bǔ)充的影響，沒(méi)有考慮消耗的影響，只有少數(shù)研究人員同時(shí)考慮了通氣和消耗的影響，而在這些考慮微生物消耗量影響的研究中，幾乎都將微生物的消耗量近似為均勻穩(wěn)定的場(chǎng)量，這與大規(guī)模培養(yǎng)時(shí)光生物反應(yīng)器內(nèi)的高梯度不一致。另外，由于光梯度的存在，微生物在懸浮液中不同位置的生長(zhǎng)速度是不同的，因此二氧化碳的消耗速度也不一樣，這就意味著不能把消耗看成是一個(gè)常數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了彌補(bǔ)該領(lǐng)域的空白，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微生物消耗與二氧化碳通氣平衡的光生物反應(yīng)器內(nèi)二氧化碳濃度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)方法，在co2氣液傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，加入了關(guān)于微生物通用生長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)模型，因此不僅包括氣液傳質(zhì)，還包括微生物顆粒的消耗，通過(guò)兩者的平衡來(lái)確定最佳的通氣策略；根據(jù)藻類顆粒的生長(zhǎng)速度來(lái)計(jì)算微生物的co2消耗量，而生長(zhǎng)速度與顆粒接收到的光強(qiáng)有關(guān)，顆粒接收到的光強(qiáng)又與光強(qiáng)傳輸和顆粒流動(dòng)相關(guān)，通過(guò)該微生物通用生長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)模型，支持各種形狀、照明參數(shù)和曝氣策略的光生物反應(yīng)器，并能直觀地觀察到co2濃度分布。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種基于微生物消耗與二氧化碳通氣平衡的光生物反應(yīng)器內(nèi)二氧化碳濃度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，包括：

4、前處理模塊：用于描述光生物反應(yīng)器的物理模型、計(jì)算區(qū)域、初值條件、邊界條件、通氣條件、以及網(wǎng)格劃分條件；

5、流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊：用來(lái)計(jì)算光生物反應(yīng)器內(nèi)氣、液、固三相流動(dòng)分布情況，從而獲得光生物反應(yīng)器內(nèi)固相微生物精確的流動(dòng)分布情況，其中，氣、液兩相作為連續(xù)相通過(guò)歐拉法描述，固相作為離散相通過(guò)拉格朗日法描述；

6、光照傳輸模塊：用來(lái)定量計(jì)算光生物反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)精確分布情況；

7、微生物生長(zhǎng)速率機(jī)理模塊：通過(guò)微生物所受光照強(qiáng)度精確計(jì)算微生物的生長(zhǎng)速率；

8、質(zhì)量傳遞模塊：用來(lái)定量計(jì)算在流動(dòng)情況下的通氣造成的氣液傳質(zhì)補(bǔ)充與微生物消耗共同作用下的二氧化碳濃度場(chǎng)。

9、在構(gòu)建的前處理模塊基礎(chǔ)上通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊獲得的光生物反應(yīng)器內(nèi)固相微生物精確的流動(dòng)分布情況，通過(guò)光照傳輸模塊獲得光生物反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)精確分布情況，進(jìn)而獲得光生物反應(yīng)器內(nèi)每個(gè)固相微生物的精確所受光強(qiáng)；通過(guò)微生物生長(zhǎng)速率機(jī)理模塊計(jì)算精確的微生物生長(zhǎng)速率，根據(jù)生長(zhǎng)速率計(jì)算生長(zhǎng)過(guò)程所消耗的二氧化碳量并構(gòu)建微藻生長(zhǎng)消耗的二氧化碳濃度矩陣，隨后將該矩陣作為源項(xiàng)添加到質(zhì)量傳遞模塊的二氧化碳傳質(zhì)方程中對(duì)微生物光生物反應(yīng)器中的二氧化碳濃度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

10、一種基于微生物消耗與二氧化碳通氣平衡的光生物反應(yīng)器內(nèi)二氧化碳濃度場(chǎng)預(yù)測(cè)方法，具體步驟如下：

11、步驟1、基于任一光生物反應(yīng)器外形與運(yùn)行參數(shù)信息獲得該光生物反應(yīng)器的物理模型，流體計(jì)算區(qū)域，流體計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度初值，流體計(jì)算區(qū)域邊界的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度邊界值，流體中的微生物濃度初值條件，光強(qiáng)邊界條件和光生物反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中的通氣條件；

12、步驟2、根據(jù)步驟1獲取的物理模型與流體計(jì)算區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分好的網(wǎng)格基礎(chǔ)上基于步驟1獲得的所述光生物反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中的通氣條件及流體計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳初值與邊界值、流體中的微生物濃度初值條件、光強(qiáng)邊界條件，以及通過(guò)光照傳輸模塊計(jì)算光強(qiáng)場(chǎng)的初值，構(gòu)建用于預(yù)測(cè)光生物反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)計(jì)算的前處理模塊；

13、步驟3、基于步驟2構(gòu)建的前處理模塊，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊以歐拉法描述光生物反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)，以拉格朗日法描述微生物顆粒的流場(chǎng)流速，并通過(guò)微生物生長(zhǎng)速率機(jī)理模塊計(jì)算微生物的生長(zhǎng)速率，基于生長(zhǎng)速率計(jì)算二氧化碳消耗速率，同時(shí)從拉格朗日框架下構(gòu)建歐拉框架下的二氧化碳消耗矩陣用于后續(xù)二氧化碳傳質(zhì)方程耦合；

14、步驟4、基于步驟2前處理模塊構(gòu)建二氧化碳傳質(zhì)方程，將步驟3構(gòu)建的微生物對(duì)二氧化碳消耗矩陣通過(guò)源項(xiàng)添加到二氧化碳傳質(zhì)方程中，構(gòu)建質(zhì)量傳遞模塊，用于預(yù)測(cè)光生物反應(yīng)器內(nèi)二氧化碳濃度場(chǎng)分布。

15、所述步驟2的具體方法為：

16、步驟2.1基礎(chǔ)網(wǎng)格構(gòu)建

17、基于網(wǎng)格劃分最優(yōu)原則，對(duì)步驟1獲得的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：

18、根據(jù)網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格歪斜度，網(wǎng)格縱橫比，網(wǎng)格邊界區(qū)與內(nèi)部區(qū)，對(duì)光生物反應(yīng)器的物理模型外形尺寸進(jìn)行標(biāo)定；基于網(wǎng)格劃分最優(yōu)原則，對(duì)光生物反應(yīng)器的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)網(wǎng)格歪斜度、縱橫比較高即質(zhì)量差的網(wǎng)格和網(wǎng)格流動(dòng)邊界區(qū)，進(jìn)行網(wǎng)格加密與重新分割以改進(jìn)網(wǎng)格劃分質(zhì)量，然后對(duì)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、邊界、尺寸、體積、拓?fù)潢P(guān)系信息進(jìn)行提取，獲取光生物反應(yīng)器物理網(wǎng)格信息；

19、步驟2.2多相網(wǎng)格補(bǔ)充

20、在步驟2.1劃分的網(wǎng)格基礎(chǔ)上，基于步驟1獲取的光生物反應(yīng)器的通氣參數(shù)，劃分光生物反應(yīng)器的進(jìn)氣入口邊界區(qū)域，得到多相網(wǎng)格分區(qū)信息；在邊界進(jìn)氣、出氣處，根據(jù)步驟1獲取的物理模型將對(duì)應(yīng)區(qū)域劃分為氣體入口、出口區(qū)域邊界；

21、步驟2.3光強(qiáng)場(chǎng)初值條件計(jì)算

22、按照步驟1所獲取的流體計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度初值與流體計(jì)算區(qū)域邊界的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度邊界值，對(duì)網(wǎng)格的邊界區(qū)與內(nèi)部區(qū)直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；根據(jù)步驟1獲取的流體中的微生物濃度初值條件與光強(qiáng)邊界條件，通過(guò)光照傳輸模塊計(jì)算光強(qiáng)場(chǎng)的初值，方法如下：

23、

24、其中，a0是吸光度，i0是入射光強(qiáng)，i是當(dāng)?shù)毓鈴?qiáng)，k是和光波長(zhǎng)有關(guān)的常系數(shù)，b是光入射點(diǎn)到當(dāng)?shù)攸c(diǎn)的距離，也稱光徑，c是光入射的溶液濃度；式(1)為比爾蘭伯特定律描述方程，描述不同濃度與光徑下入射光強(qiáng)與出射光強(qiáng)之間的關(guān)系；當(dāng)入射光之間沒(méi)有相互疊加，即入射光方向平行或溶液濃度過(guò)高光無(wú)法穿透，則直接采用式(1)進(jìn)行光強(qiáng)場(chǎng)分布計(jì)算；當(dāng)入射光存在疊加情況，則改進(jìn)基礎(chǔ)比爾蘭伯特定律，采用如下通過(guò)離散求和的方法對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)光強(qiáng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算：

25、

26、其中，ij代表第j個(gè)網(wǎng)格處的當(dāng)?shù)毓鈴?qiáng)，n代表一共n個(gè)入射光照點(diǎn)位，ii代表第i個(gè)入射點(diǎn)位的入射光強(qiáng)，a0是吸光度，l是第i個(gè)入射點(diǎn)位到第j個(gè)網(wǎng)格處的距離，即光徑；

27、至此，前處理模塊構(gòu)建完成，前處理模塊共包括所述光生物反應(yīng)器的網(wǎng)格信息；流體計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度初值；流體計(jì)算區(qū)域邊界的速度、壓力、相體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳濃度邊界值與光強(qiáng)邊界條件。

28、所述步驟3具體步驟如下：

29、步驟3.1計(jì)算光生物反應(yīng)器內(nèi)微生物顆粒的生長(zhǎng)速率：

30、耦合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、光強(qiáng)傳輸定律、和穩(wěn)態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理作為耦合模型；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中氣液固三相模型對(duì)光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)基(液相)、氣體(氣相)、微生物(固相)的流動(dòng)情況，其中氣相、液相為連續(xù)相，固相為離散相；根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊計(jì)算得到的光生物反應(yīng)器中每個(gè)微生物顆粒位置，獲取其所處的局部網(wǎng)格處的光照強(qiáng)度，通過(guò)拉格朗日法根據(jù)穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)速率計(jì)算公式對(duì)每個(gè)微生物顆粒生長(zhǎng)速率進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)所有微生物顆粒的生長(zhǎng)速率進(jìn)行求平均，得到穩(wěn)態(tài)假設(shè)下的光生物反應(yīng)器中微生物顆粒平均生長(zhǎng)速率，具體步驟如下：

31、步驟3.1.1通過(guò)歐拉法根據(jù)n-s方程求解氣、液連續(xù)相流動(dòng)情況，獲取氣、液連續(xù)相速度、壓力流動(dòng)信息：

32、

33、ρ＝αρ1+(1-α)ρ2???(5)

34、μm＝αμ1+(1-α)μ2?????(6)

35、

36、0<α<1????(8)

37、其中，是流體的速度；ρ是流體的密度；ρ1,ρ2是每相的密度；p是壓強(qiáng)；τ是切應(yīng)力；g是重力；fσ是表面張力；s是源項(xiàng)；μm是流體的粘度；μ1,μ2是每相的粘度；α是其中一相的體積分?jǐn)?shù)；

38、步驟3.1.2在獲得氣、液連續(xù)相速度、壓力流動(dòng)信息后，通過(guò)拉格朗日法對(duì)離散相微生物顆粒通過(guò)牛頓第二定律進(jìn)行速度求解：

39、

40、其中，是顆粒速度，m是顆粒質(zhì)量；是顆粒受到流體的作用力；是曳力；是重力；是壓力梯度；是虛擬質(zhì)量力；是其他力；

41、步驟3.1.3獲取基于光強(qiáng)傳輸定律計(jì)算的光強(qiáng)場(chǎng)分布

42、在步驟3.1.2對(duì)離散相微生物顆粒的速度求解后，即知離散相微生物顆粒位置，根據(jù)式(2)對(duì)每個(gè)離散相微生物顆粒的當(dāng)?shù)毓鈴?qiáng)依據(jù)進(jìn)行獲取，用于下一步計(jì)算每個(gè)離散相微生物顆粒的生長(zhǎng)速率；

43、步驟3.1.4通過(guò)光合作用工廠(psf)描述穩(wěn)態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理計(jì)算每個(gè)離散相微生物顆粒的局部生長(zhǎng)速率：

44、光合作用工廠(psf)為光捕獲系統(tǒng)、反應(yīng)中心和相關(guān)裝置的總和，在給定的光能量作用下產(chǎn)生相應(yīng)的光合產(chǎn)物；psf有三種狀態(tài)：靜息狀態(tài)、激活狀態(tài)和抑制狀態(tài)；psf處于靜息狀態(tài)、激活狀態(tài)和抑制狀態(tài)的概率分別用生長(zhǎng)機(jī)理參數(shù)a、b、c表示；

45、穩(wěn)態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理通過(guò)對(duì)瞬態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理采用穩(wěn)態(tài)假設(shè)而來(lái)，其中瞬態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理方程描述如下：

46、

47、a+b+c＝1??????(12)

48、μ＝kγb-m?????(13)

49、在穩(wěn)態(tài)假設(shè)下，微生物生長(zhǎng)機(jī)理同時(shí)滿足該假設(shè)：

50、

51、將式(14)帶入式(10)-式(13)可以得到如下穩(wěn)態(tài)微生物生長(zhǎng)機(jī)理控制方程，根據(jù)下述方程計(jì)算該顆粒此時(shí)的生長(zhǎng)速率：

52、

53、其中，μ為生長(zhǎng)速率，α,β,δ,γ,k,m均為模型參數(shù)，i代表微生物所受光強(qiáng)，對(duì)所有代表微生物的固相顆粒進(jìn)行平均得到光生物反應(yīng)器平均生長(zhǎng)速率；

54、3.2基于生長(zhǎng)速率與微生物濃度求解二氧化碳消耗速率

55、首先，根據(jù)式(1)中溶液吸光度值與吸光度和濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到溶液的質(zhì)量濃度c，隨后根據(jù)比生長(zhǎng)速率μ計(jì)算時(shí)間dt內(nèi)增長(zhǎng)的微生物質(zhì)量濃度為dc＝μc·dt，根據(jù)單位質(zhì)量的微生物體內(nèi)所含碳量cm可以得到dt時(shí)間內(nèi)消耗的碳量為cconsumption＝dc·cm，通過(guò)方程將消耗的碳量轉(zhuǎn)化為消耗的co2量，其中為co2的相對(duì)分子量，arc為碳的相對(duì)原子量；流體濃度場(chǎng)采用歐拉框架描述，將拉格朗日框架中的數(shù)據(jù)構(gòu)建為歐拉框架下的矩陣，具體如下：

56、首先構(gòu)建一個(gè)尺度與網(wǎng)格數(shù)相同的二氧化碳消耗矩陣并將矩陣中每個(gè)元素初始化為0；然后遍歷所有顆粒，針對(duì)遍歷的每一個(gè)顆粒，搜索其所在的網(wǎng)格，然后將其生長(zhǎng)所消耗的二氧化碳濃度值疊加到該網(wǎng)格索引下的二氧化碳消耗矩陣中；當(dāng)遍歷結(jié)束，將所有二氧化碳消耗值均添加到二氧化碳消耗矩陣中。

57、進(jìn)一步的，所述步驟4中二氧化碳傳質(zhì)方程描述如下：其中，微生物對(duì)二氧化碳的消耗矩陣為：

58、

59、d＝αdl+(1-α)dg????(18)

60、

61、其中，是氣相中二氧化碳濃度，是液相中二氧化碳濃度，是平均二氧化碳濃度，u是流體流速，d是平均擴(kuò)散系數(shù)，dl是液相擴(kuò)散系數(shù)，dg是氣相擴(kuò)散系數(shù)，α是液相體積分?jǐn)?shù)，h是亨利常數(shù)。

62、其中，氣液傳遞的通量j由下式?jīng)Q定：

63、

64、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

65、本發(fā)明基于物理定律的建模，具備較強(qiáng)的通用性，聯(lián)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、光強(qiáng)傳輸定律、微生物生長(zhǎng)機(jī)理與傳質(zhì)定律結(jié)合在一起拓展了生長(zhǎng)速率與二氧化碳濃度預(yù)測(cè)的通用性，使得該模型能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)任意光生物反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)速率與二氧化碳濃度場(chǎng)。具體而言，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、光強(qiáng)傳輸定律、微生物生長(zhǎng)機(jī)理和與傳質(zhì)定律的模擬方法在以下方面具備重要優(yōu)勢(shì)和有益效果：

66、1、高精度高通用預(yù)測(cè)能力：通過(guò)采用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、光強(qiáng)傳輸、微生物生長(zhǎng)機(jī)理、與質(zhì)量傳遞的模型方法，模型整體由物理模型描述而來(lái)，能夠更準(zhǔn)確通用的預(yù)測(cè)光生物反應(yīng)器內(nèi)微生物生長(zhǎng)速率與二氧化碳補(bǔ)充、消耗速率；并可直觀看出二氧化碳消耗分布以及二氧化碳濃度分布，這對(duì)于光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)以及運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)控運(yùn)行參數(shù)具有重要意義：基于模型對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)的二氧化碳消耗分布以及二氧化碳濃度分布的精確預(yù)測(cè)可以在光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)中針對(duì)性提供改進(jìn)，使光生物反應(yīng)器內(nèi)的二氧化碳消耗分布以及二氧化碳濃度分布更加均勻，顯著降低了傳統(tǒng)方式針對(duì)不同形狀尺寸反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)嘗試的成本以及時(shí)間；同時(shí)基于模型對(duì)二氧化碳通氣補(bǔ)充以及微生物生長(zhǎng)消耗的平衡預(yù)測(cè)，可以在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)不同微生物濃度、表面光強(qiáng)下針對(duì)性預(yù)測(cè)出二氧化碳通氣補(bǔ)充效率最高的通氣速率以及通氣濃度，達(dá)到降本增效的目的。

67、2、可解釋性與可理解性：相較于經(jīng)驗(yàn)耦合模型、機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該基于物理定律描述的方法能夠提供更多更具解釋性的結(jié)果。它能夠揭示光生物反應(yīng)器中微生物生長(zhǎng)速率、二氧化碳碳消耗速率和二氧化碳濃度分布與形狀、尺寸、流動(dòng)邊界條件、光強(qiáng)邊界條件等因素的聯(lián)系關(guān)系，為光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)以及運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程，提供更深入的認(rèn)識(shí)：模型將流動(dòng)、光強(qiáng)、生長(zhǎng)、二氧化碳傳質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化分析，將光生物反應(yīng)器從傳統(tǒng)整體的一維黑箱模式變?yōu)榫植康亩嗑S精細(xì)化分布模式；因此可以對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)局部的流動(dòng)、光強(qiáng)、生長(zhǎng)、二氧化碳傳質(zhì)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)與分析，同時(shí)基于物理與機(jī)理的描述可以提供更直觀、更貼近現(xiàn)實(shí)規(guī)律的分析細(xì)節(jié)，從而為光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)以及運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

68、3、低成本性：相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)耦合模型，模型參數(shù)需要針對(duì)不同光生物反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并且需要在同等尺寸形狀的光生物反應(yīng)器下進(jìn)行，本方法僅需獲得微生物生長(zhǎng)機(jī)理參數(shù)，即可針對(duì)任意尺寸、任意光照條件、任意流動(dòng)條件下的光生物反應(yīng)器生長(zhǎng)速率、二氧化碳消耗速率和二氧化碳濃度分布預(yù)測(cè)。大大降低實(shí)驗(yàn)成本。

69、4、靈活性與可拓展性：本方法由四個(gè)獨(dú)立的模塊互相耦合聯(lián)系而來(lái)，因此針對(duì)單一模塊進(jìn)行更換或添加新模塊都不會(huì)影響模型整體的可行性，并且非常簡(jiǎn)單方便。例如，針對(duì)光強(qiáng)傳輸模型對(duì)傳統(tǒng)比爾蘭伯特定律進(jìn)行改進(jìn)考慮更先進(jìn)全面的光強(qiáng)傳輸模型，或?qū)ιL(zhǎng)機(jī)理從光強(qiáng)單因素全瞬態(tài)機(jī)理進(jìn)一步改進(jìn)為雙因素模型，或根據(jù)需要修改為其他因素影響的單因素模型。

70、綜上所述，本發(fā)明基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、光強(qiáng)傳遞、微生物生長(zhǎng)機(jī)理、和質(zhì)量傳遞構(gòu)建的模擬方法可以有效的為光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)調(diào)控預(yù)測(cè)及生長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)以及二氧化碳消耗補(bǔ)充平衡預(yù)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)支持、理論指導(dǎo)以及決策依據(jù)，模型將流動(dòng)、光強(qiáng)、生長(zhǎng)、二氧化碳傳質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化分析，可以對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)局部的流動(dòng)、光強(qiáng)、生長(zhǎng)、二氧化碳傳質(zhì)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)與分析；同時(shí)基于物理與機(jī)理的描述可以提供更直觀、更貼近現(xiàn)實(shí)規(guī)律的分析細(xì)節(jié)，為光生物反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)以及運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供理論指導(dǎo)?；谀Ｐ蛯?duì)二氧化碳通氣補(bǔ)充以及微生物生長(zhǎng)消耗的平衡預(yù)測(cè)，可以在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)不同微生物濃度、表面光強(qiáng)下針對(duì)性預(yù)測(cè)出二氧化碳通氣補(bǔ)充效率最高的通氣速率以及通氣濃度，達(dá)到降本增效的目的。