شبيه سازي فرآيند توليد گاز متان از پسماندهاي دامي در يك بيوراكتور ناپيوسته

Simulation of Methane Production Process from Livestock Wastes into a Batch Bioreactor

زمينه و هدف: با توجه به اهميت حفظ محيط زيست و ضرورت استفاده از انرژي­ هاي نو و جايگزين سوخت­ هاي مرسوم، استفاده از انرژي هاي تجديد پذير مورد توجه فراوان قرار گرفته است. با توجه به اين ضرورت در اين پژوهش يك بيوراكتور ناپيوسته توليد گاز متان از پسماندهاي دامي مدل­سازي و شبيه سازي شده است. روش بررسي: از سينتيك مونود براي بيان رابطه بين سرعت رشد ميكروارگانيسم‌ها و غلظت سوبسترا استفاده شده است. معادلات مصرف سوبسترا و توليد ميكروارگانيسم ­ها و گاز متان از روش عددي رانگ كوتاي مرتبه چهار حل مي­شوند. اثر غلظت اوليه ميكروارگانيسم ­ها بر توليد گاز متان نيز بررسي شده است. غلظت اوليه سوبسترا و ميكروارگانيسم­ ها به ترتيب g/L 51/74 و g/L 1/61 مي ­باشد. يافته­ ها: نتايج بدست آمده از اين پژوهش نشان داد كه مدل رياضي حدود %8/53 از داده­ هاي آزمايشگاهي انحراف دارد. بر اساس مدل ارايه شده ميزان گاز متان توليد شده پس از 70 روز برابر با g/L 10/29 مي‌باشد. ميزان تجزيه سوبسترا و توليد گاز متان، به زمان ماند سوبسترا بستگي دارد. افزايش غلظت اوليه ميكروارگانيسم­ ها موجب توليد گاز متان در مدت زمان كم­تري مي ­شود. ميزان گاز متان توليدي مستقل از غلظت اوليه ميكروارگانيسم ­ها مي­ باشد. بحث و نتيجه­ گيري: مدل ارايه شده در اين پژوهش مي­تواند براي پيش­گويي مدت زمان مورد نياز براي انجام واكنش، عملكرد بهينه بيوراكتور، طراحي تجهيزات فرآيندي مربوطه، افزايش مقياس تجهيزات، مانند مخزن ذخيره سازي و كنترل مناسب جهت توليد متان با خلوص بالا و حجم بيش­تر در بيوراكتورها مناسب باشد.

Background and Objective: Considering the importance of environmental protection and necessity of using new energy sources and innovative fuels, using of renewable energies have been a great concern. Due to this necessity, in this study, mathematical modeling and simulation of a batch bioreactor to produce methane from livestock waste was investigated numerically. Method: The relationship between microorganism’s growth rate and substrate concentration were established by Monod model. The equations of mathematical model were solved with fourth order Rung Kutta. The effect of initial microorganisms’ concentration on methane production was also investigated. Initial concentration of substrate and microorganisms are 51.74 g/L and 1.61 g/L, respectively. Findings: The results revealed that the mathematical model average deviation from experimental data is 8.53%. The amount of methane produced after 70 days is equal to 10.29 g/L. The substrate disintegration and methane production are a function of substrate retention time. Enhancement in the initial concentration of microorganisms causes methane gas production in less time. The amount of methane gas produced is independent of initial microorganisms’ concentration. Discussion and Conclusion: The model which presented in this study could be used to predict the time required to carry out the reaction, ooptimum performance of bioreactor, the relevant process equipment design, scale up of equipment such as digestive and appropriate control of operation to produce high-purity methane and higher volume of biogas in the bioreactor.