Fermentörlerde Matematik Modelleme

Abstract

Bu çalışmada fermentörlerin dizayn, simulasyon ve kontrolünün sağlanması amacıyla geliştirilmiş olan ilk fermentör dinamik matematik modeli ele alınarak irdelenmiş, belirli sitokiometik ve kinetik katsayıların model sonuçlarına olan etkileri araştırılmıştır. Matematik modelin mevcut bir bilgisayar programında çalıştırılmasıyla kullanılabilir bir araç elde edilmiş olmaktadır. Ayrıca bu çerçevede fermentasyon prosesi ile fermentör sistemlerinin özellikleri ve avantajları incelenmiştir. Matematik modeli oluşturan bileşenler, modele ait kabuller, model parametreleri, model sınırları ve temel kütle denge denklemleri verilmiştir. Matematik model kütle dengelerinden yola çıkılarak su sistemleri için geliştirilmiş bir bilgisayar programında çalıştırılmış, tam karışımlı bir fermentörün çıkış akımındaki VFA ve NH4-N konsantrasyonlarının çeşitli SRT ve HRT sürelerinde değişimleri belirlenmiş ve literatür datalarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca çözünmüş KOI’yi oluşturan Css, Cmo, Ce gibi diğer değişkenlerinde fermentör çıkış akımındaki değerleri belirlenerek çözünmüş KOI oluşumuna ayrı ayrı olan katkıları araştırılmış ve modelde bu konudaki belirsizlik ortadan kaldırılmıştır. Fermentör çıkış akımındaki VFA ve NH4 konsantrasyonlarına çeşitli biyolojik kinetik ve stokiometrik katsayıların etkileri modelde “hassasiyet analizi” yapılarak belirlenmiştir.

In this study, the first fermenter dynamic mathematical model developed to provide the design, simulation and control of the fermenters has been tackled and studied and the effects of certain stoichiometric and kinetic coefficients on the results of the model. With running the mathematical model in an existing computer program, a usable tool has been obtained. In addition, the fermentation process and characteristics and advantages of the fermenter systems have been investigated within this framework. The components constituting the mathematical model, assumptions belonging to the model, model parameters, model limits and basic mass balance equations have been given. Starting from the mass balances, the mathematical model was run in a computer program developed for the water systems, the changes of the concentrations of VFA and NH4-N in the effluent of a fermenter with a complete mixture have been determined at various SRT and HRT times and compared with the data in the literature. In addition, the values of the variables such as Css, Cmo, Ce forming the soluble COD in the fermenter effluent have been determined and their separate contributions to the soluble COD formation and the uncertainty in the model concerning this matter has been eliminated. The effects of the various biological kinetic and stoichiometric coefficients on the VFA and NH4 concentrations in the fermenter effluent have been determined by making a “sensitivity analysis” in the model.