Matematické modelování zpracování odpodních tuků na bioplyn

Abstract

Potřeba doplnit nebo nahradit spotřebu fosilní energie za účelem zvýšení dodávek energie podnítila rozvoj výroby obnovitelné energie, a to zejména s využitím degradace biomasy. Tento způsob výroby energie je výhodný z hlediska výzev energetické bezpečnosti a nakládání s odpady. Práce se zabývá modelováním anaerobní digesce (AD) biomasy (lipidů) na bioplyn s využitím současných nejmodernější AD modelů (jednorovnicový model a vícekrokový dynamický model). Zvláštní důraz je kladen na jednostupňový degradační model (SSDM), vícestupňový dynamický model. SSDM byl modelován takovým způsobem, že jej bylo možné snadno použít pro simulaci řízení tlaku, pH a teploty AD. Proto byly kromě modelování biochemické fáze modelovány další procesy, jako je hydrolýza lipidů, přenos hmoty, přenos tepla a pH procesu, spolu s nezbytnou mikrobiální aktivitou, fyzikálně-chemickými a termodynamickými parametry modelovanými jako funkce teploty a tlaku. Dále byl odhadnut růst a dynamika pohybu bublin bioplynu, která umožňuje odhadnout průměr bublin bioplynu, rychlost stoupání, tlak uvnitř a na bublině na rozhraní plyn-kapalina. Většina procesů uvažovaných v SSDM byla modelována teoreticky na základě dat z literatury. Proces hydrolýzy zahrnující degradaci lipidů na LCFA a glycerol byl modelován experimentálně v závislosti na teplotě (25 až 50 °C) a model vykazoval velmi dobrou shodu s experimentálními daty. Optimální teplota procesu byla experimentálně stanovena jako 45 °C. Po namodelování všech dílčích procesů, které jsou uvažovány v SSDM, byl celkový model simulován v MATLABu pro různé scénáře, aby bylo možno efektivně vyhodnotit jeho robustnost. Tyto scénáře zahrnovaly vyhodnocení efektivity produkce bioplynu s využitím SSDM v závislosti na tlaku (tj. přetlaku, atmosférického a podtlaku), teplotě (tj. 35, 45 a 60 ?C. Bylo rovněž provedeno zjednodušené srovnání s experimentální výrobou bioplynu za atmosférického tlaku. Na základě těchto analýz a srovnání bylo zjištěno, že vyvinutý SSDM je zcela adekvátní pro predikci AD lipidů do bioplynu. I když je to nad rámec této práce, model byl navržen tak, aby bylo možno provést další komplexní srovnání nebo optimalizaci modelu na experimentální data substrátu, mikrobů, rozpuštěných a vyvinutých druhů bioplynu, jakož i vodní páry spolu s obsahem vody v bioplynu v reálném čase, což je nutné ke komplexnímu ověření modelu.