Modelowanie matematyczne i badania symulacyjne bioreaktora z wymuszonym napowietrzaniem

• Autorzy: Przysiężnik Michał , Bartecki Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.14313/PAR_248/77

Warianty tytułu

EN

Mathematical Modeling and Simulation Analysis of a Bioreactor with Forced Aeration

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Proces kompostowania jest powszechnie stosowany w gospodarce odpadami jako metoda przekształcania lub stabilizacji odpadów organicznych. Ze względu na złożony, nieliniowy charakter zachodzących w nim zjawisk biologicznych oraz fizykochemicznych, jest on stosunkowo trudny z punktu widzenia predykcji oraz sterowania. Sterowanie procesem ma tu na celu uzyskiwanie w określonym horyzoncie czasowym produktu finalnego, czyli zwykle kompostu spełniającego określone wymagania jakościowe. W artykule zaprezentowano prosty model matematyczny procesu kompostowania z wymuszonym napowietrzaniem, potencjalnie umożliwiającym realizację wspomnianego celu sterowania. Opracowano model drugiego rzędu, z dwiema wielkościami wejściowymi reprezentującymi zewnętrzne oddziaływania na proces. Na podstawie modelu matematycznego przekształconego do postaci równań stanu, zbudowano w środowisku MATLAB/Simulink model komputerowy bioreaktora, który następnie wykorzystano do przeprowadzenia badań symulacyjnych. Pokazano, że możliwe jest oddziaływanie na proces za pomocą wymuszonego napowietrzania, bezpośrednio wpływającego na zmianę temperatury w bioreaktorze, a w konsekwencji również na czas otrzymania końcowego produktu reakcji. Wyniki analizy właściwości dynamicznych procesu, przeprowadzonej z wykorzystaniem modelu zlinearyzowanego wzdłuż wybranej, nominalnej trajektorii stanu, wskazują na zmienny charakter jego stabilności - począwszy od niestabilności w początkowych fazach reakcji, przez stabilizację w fazie pośredniej, aż do stabilności asymptotycznej, zakończonej osiągnięciem stanu równowagi.

EN

The composting process is commonly used in waste management as a method of converting or stabilizing organic waste. Due to the complex, non-linear nature of biological and physicochemical phenomena involved, this process is relatively difficult to predict and control. The control is usually aimed at obtaining the final product, that is, the compost that meets legal standards. The article presents a simple mathematical model of the composting process with forced aeration, which will potentially facilitate the control task. A second order model was developed, with two inputs signals. Based on the mathematical model in the form of the state equations, the computer model of the bioreactor was built in the MATLAB/Simulink environment, which was then used to conduct different simulation tests. It was shown that it is possible to control the process using forced aeration, directly influencing the temperature changes in the bioreactor, and consequently also the time of obtaining the final product of the reaction. The analysis of the dynamic properties of the process performed using its model linearized about some nominal state trajectory shows the changes in its internal stability - starting from the unstable character in the initial phases of the reaction, through stabilization in its intermediate phase, up to the asymptotic stability, ending in the stable equilibrium state.

Słowa kluczowe

PL

proces kompostowania; bioreaktor; modelowanie matematyczne; symulacja komputerowa; linearyzacja modelu; stabilność procesu

EN

composting process; bioreactor; mathematical modeling; computer simulation; model linearization; internal stability

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Robotyka
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 27, nr 2
• Strony: 77--88
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Przysiężnik Michał

• Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Katedra Automatyki, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

• https://orcid.org/0000-0001-5890-0309

autor

Bartecki Krzysztof

• Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Katedra Automatyki, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

• https://orcid.org/0000-0002-5744-808X

Bibliografia

• 1. Bochenek D., Ochrona środowiska w 2018 r., GUS, 2018.
• 2. Forewicz K., Wsparcie proekologicznych inwestycji w banku ochrony środowiska, „Środowisko”, Vol. 526, 2016, 23-27.
• 3. Sidełko R., Seweryn K., Walendzik B., Optymalizacja procesu kompostowania w warunkach rzeczywistych, „Rocznik Ochrona Środowiska”, Vol. 13, 2011, 681-691.
• 4. Nordahl S., Davkota J., Amirebrahimi J., Smith S., Breunig H., Prable C., Satchwell J., Jin L., Brown N., Kirchstetter T., Scown C., Life–Cycle Greenhouse Gas Emissions and Human Health Trade-Offs of Organic Waste Management Strategies, “Environmental Science & Technology”, Vol. 54, 2020, 9200-9209, DOI: 10.1021/acs.est.0c00364.
• 5. Kamyaba H., Limb J., Khademic T., Ho W., Ahmade R., Hashimd H., Siongf H., Keyvanfarg A., Lee C., Greenhouse Gas Emission of Organic Waste Composting: A Case Study of University Technology Malaysia Green Campus Flagship Project, “Jurnal Teknologi”, Vol. 74, No. 4, 2015, 113-117, DOI: 10.11113/jt.v74.4618.
• 6. McNicol G., Jeliazkvski J., Francois J.J., Kramer S., Ryals R., Climate change mitigation potential in sanitation via off-site composting of human waste, “Nature Climate Change”, Vol. 10, 2020, 1-12, DOI: 0.1038/s41558-020-0782-4.
• 7. Poz. 1052, Rozporządzenie ministra środowiska z dnia 11 września 2012 r. w sprawie mechaniczno-biologicznego przetwarzania zmieszanych odpadów komunalnych, na podstawie art. 14 ust. 10 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach (Dz. U. z 2010 r. Nr 185, poz. 1243, z późn. zm.).
• 8. Czekała W., Grzelak M., Rodrigez Carmona P., Witaszek K., Instalacje do przemysłowego kompostowania bioodpadów: wady i zalety, „Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna”, Nr 2, 2013, 23-25.
• 9. Sołowiej P., Koncepcja budowy bioreaktora do kompostowania biomasy - stanowisko badawcze, „Inżynieria Rolnicza”, R. 12, Nr 11, 2008, 227-321.
• 10. Białobrzeski I., Dziejowski J., Symulacyjny model procesu wytwarzania kompostu w biostabilizatorze DANO, „Inżynieria Rolnicza”, R. 19, Nr 14, 2005, 29-36.
• 11. Yamada Y., Kawasa Y., Aerobic composting of waste activated sludge: Kinetic analysis for microbiological reaction and oxygen consumption, “Waste Management”, Vol. 26, No. 1, 2006, 49-61, DOI: 10.1016/j.wasman.2005.03.012.
• 12. Szűcs E., Modelowanie matematyczne w fizyce i technice, 1977, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa.
• 13. Mason I.G., Mathematical modeling of composting process: A review, “Waste Management”, Vol. 26, No. 1, 2006, 3-21, DOI: 10.1016/j.wasman.2005.01.021.
• 14. Finger M.E., Hatch R.T., Aerobic microbial growth in semisolid matrices: heat and mass transfer limitation, “Biotechnology and Bioengineering”, Vol. 18, No. 9, 1976, 1193-1218, DOI: 10.1002/bit.260180904.
• 15. Ajmal M., Aiping S., Uddin S., Awais M., Faheem M., Ye L., Rehman K., Saif Ullah M., Shi Y., A review on mathematical modeling of in-vessel composting process and energy balance, “Biomass Conversion and Biorefinery”, Vol. 12, 2020, DOI: 10.1007/s13399-020-00883-y.
• 16. Vidriales-Escobar G., Rentería-Tamayo R., Alatriste-Mondragón F., González-Ortega O., Mathematical modeling of a composting process in a small-scale tubular bioreactor, “Chemical Engineering Research and Design”, Vol. 120, 2017, 360-371, DOI: 10.1016/j.cherd.2017.02.006.
• 17. Khater G., Bahnasawy A.H., Ali S.A., Mathematical model of compost pile temperature prediction, “Journal of Environmental & Analytical Toxicology”, Vol. 4, No. 6, 2014. DOI: 10.4172/2161-0525.1000242.
• 18. Papračanin E., Petric I., Mathematical modeling and simulation of the composting process in a pilot reactor, “Bulletin of the Chemists and Technologists of Bosnia and Herzegovina”, Vol. 47, 2017, 39-48.
• 19. Kaiser J., Modelling composting as a microbial ecosystem: a simulation approach, “Ecological Modelling”, Vol. 91, No. 1-3, 1996, 25-37, DOI: 10.1016/0304-3800(95)00157-3.
• 20. Petric I., Mustafić N., Dynamic modeling the composting process of the mixture of poultry manure and wheat straw, “Journal of Environmental Management”, Vol. 161, 2015, 392-401, DOI: 10.1016/j.jenvman.2015.07.033.
• 21. Kaczorek T., Teoria układów regulacji automatycznej, 1977, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• 22. Raina M, Bacterial Growth, Review of Basic Microbiological Concepts, 2015, 37-54.
• 23. Skupin P., Metzger M., Oscillatory Behavior Control in Continuous Fermentation Processes, “IFAC-PapersOn-Line”, Vol. 48, No. 8, 2015, 1114-1119, DOI: 10.1016/j.ifacol.2015.09.117.
• 24. Ciesielski A., Nieliniowe sterowanie predykcyjne procesem produkcji bioetanolu metodą fermentacji ciągłej, Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska, 2021.
• 25. Sangsurasak P., Mitchellt D.A., Validation of a model describing two dimensional dynamic heat transfer during solid-state fermentation in packed bed bioreactors, “Biotechnology and Bioengineering”, Vol. 60, No. 6, 1998, 739-749, DOI: 10.1002/(SICI)1097-0290(19981220)60:6<739::AID-BIT10>3.0.CO;2-U.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).