MATEMATICKÝ MODEL PŮDNÍHO BIOREAKTORU V PROSTŘEDÍ MATLAB A FEMLAB. Marta Palatová, Miloš Kmínek, Jana Finkeová

Podobné dokumenty
MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

Modelování a simulace Lukáš Otte

9 Charakter proudění v zařízeních

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

PROCESNÍ INŽENÝRSTVÍ 12

Měřicí a řídicí technika Bakalářské studium 2007/2008. odezva. odhad chování procesu. formální matematický vztah s neznámými parametry

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

Výzkum vlivu přenosových jevů na chování reaktoru se zkrápěným ložem katalyzátoru. Petr Svačina

algoritmus»postup06«p e t r B y c z a n s k i Ú s t a v g e o n i k y A V

ENERGIE Z ODPADNÍCH VOD

Extrémy funkce dvou proměnných

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

časovém horizontu na rozdíl od experimentu lépe odhalit chybné poznání reality.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Aplikovaná numerická matematika

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Látka toxická pro mikroorganismy a vyšší živočichy i v nízké koncentraci. Do prostředí se dostává: Používá se například:

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

SIMULACE SPOLEHLIVOSTI SYSTÉMŮ HROMADNÉ OBSLUHY. Michal Dorda. VŠB - TU Ostrava, Fakulta strojní, Institut dopravy

VYUŽITÍ MATLABU PRO VÝUKU NUMERICKÉ MATEMATIKY Josef Daněk Centrum aplikované matematiky, Západočeská univerzita v Plzni. Abstrakt

Fentonova oxidace ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku

1. července 2010

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

ekologie Pavel Fibich rovnice rovnice Pavel Fibich Shrnutí Literatura

1 Funkce dvou a tří proměnných

OPTIMALIZACE CHEMICKÝCH STUPŇOVÝCH PROCESŮ POMOCÍ MATLAB SYMBOLIC MATH TOOLBOXU. Vladimír Hanta

Technologie a procesy sušení dřeva

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

Výukový portál Biotechlab

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Technologie a procesy sušení dřeva

MODELOVÁNÍ A SIMULACE

Dynamika soustav hmotných bodů

Numerické řešení 2D stlačitelného proudění s kondenzací. Michal Seifert

Vliv kapilární vodivosti na tepelně technické vlastnosti stavební konstrukce

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Aplikace diferenciálních rovnic řešené příklady VMAT 1 / 11

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Software pro modelování chování systému tlakové kanalizační sítě Popis metodiky a ukázka aplikace

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 3.

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

PŘENOS KYSLÍKU V BIOTECHNOLOGII. Úvod. Limitace metabolismu kyslíkem

Úvod do analytické mechaniky

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Elektronické obvody analýza a simulace

Autokláv reaktor pro promíchávané vícefázové reakce

Zákony ideálního plynu

Neustálené proudění v otevřených korytech. K141 HY3V (VM) Neustálené proudění v korytech 0

PŘEDPROJEKTOVÁ PŘÍPRAVA REKONSTRUKCE ÚV BEDŘICHOV PRŮZKUM SEPARAČNÍ ÚČINNOSTI FLOTACE A FILTRACE

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

KŘIVKOVÝ INTEGRÁL V SYSTÉMU MAPLE

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

1141 HYA (Hydraulika)

IV117: Úvod do systémové biologie

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Roman Snop

Parciální diferenciální rovnice

Skalární a vektorový popis silového pole

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

15 - Stavové metody. Michael Šebek Automatické řízení

Diferenciální rovnice

4EK201 Matematické modelování. 2. Lineární programování

12. Křivkové integrály

Název školy. Moravské gymnázium Brno s.r.o. Mgr. Marie Chadimová Mgr. Věra Jeřábková. Autor

U Úvod do modelování a simulace systémů

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Sledování změn obsahu volného aktivního chloru při dopravě pitné vody

Diferenciální rovnice kolem nás

4EK213 LINEÁRNÍ MODELY

VEKTOR. Vymyslete alespoň tři příklady vektorových a skalárních fyzikálních veličin. vektorové: 1. skalární

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

CHEMICKO-INŽENÝRSKÉ VZDĚLÁVÁNÍ VE STRUKTUROVANÉM STUDIU

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

Základní vlastnosti ploch

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Funkce. Úkol: Uveďte příklady závislosti dvou veličin.

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I. 2. Zpracování měření

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

Maple. Petr Kundrát. Ústav matematiky, FSI VUT v Brně. Maple a základní znalosti z oblasti obyčejných diferenciálních rovnic.

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Získávání dat Metodiky laboratorních testů pro popis vlastností aktivovaného kalu a odpadní vody

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI

Transkript:

MATEMATICKÝ MODEL PŮDNÍHO BIOREAKTORU V PROSTŘEDÍ MATLAB A FEMLAB Marta Palatová, Miloš Kmínek, Jana Finkeová Vysoká škola chemicko-technologická, Ústav počítačové a řídicí techniky 1. ÚVOD Půdní bioreaktor je technicky poměrně jednoduché zařízení, které může být použito k čištění odpadních vod kontaminovaných organickými látkami. Konstrukčně může být realizován jako pevný obdélníkový rám naplněný do určité výšky vrstvou zeminy obsahující mikroorganizmy, které jsou schopné metabolizovat kontaminující organickou látku. Povrch zeminy se rovnoměrně skrápí kontaminovanou vodou a zespoda se odebírá voda vyčištěná. Mikroorganizmy spotřebovávají organickou látku jako zdroj uhlíku, který potřebují ke svému růstu a rozmnožování. Jestliže chceme vytvořit matematický model popisující závislost koncentrace kontaminující složky ve vyčištěné vodě na čase ve vztahu k dalším parametrům, jako jsou průtok vody a obsah kontaminantu na vstupu, můžeme použít různé úrovně zjednodušení. Nejjednodušší model chápe bioreaktor jako systém se soustředěnými parametry, tj. jako dokonale míchanou nádrž. Tento přístup vede na soustavu dvou obyčejných diferenciálních rovnic pro časovou závislost koncentrace kontaminantu a mikroorganizmů, [2]. Složitější přístup bere v úvahu i souřadnici, tedy chápe bioreaktor jako systém s rozloženými parametry. Tento model vede na soustavu dvou parciálních diferenciálních rovnic parabolického typu pro závislost koncentrace kontaminantu a mikroorganizmů na čase a na souřadnici. Řešení modelu tohoto typu s využitím MATLABu a FEMLABu ukazuje tento příspěvek. 2. FORMULACE PROBLÉMU Studovaný půdní bioreaktor, jehož matematický model je dále sestaven a řešen, je realizován jako rám o ploše 2 m 2 s náplní upravené zeminy o výšce vrstvy 2,5 dm obsahující baktérie Pseudomonas stutzeri, které rozkládají chlorované aromatické uhlovodíky. Těchto bakterií se používá k dekontaminaci vody s obsahem 0,5 g/l kyseliny 2,5-dichlorbenzoové. Náplň bioreaktoru sestává ze zeminy smíchané se suspenzí kultury bakterií obsahující 30 g sušiny buněk v 1 litru v poměru 100 l suspenze na 1 m 3 zeminy. S protékající dekontaminovanou vodou je strhávána i část biomasy a bylo odhadnuto, že je to 1 % množství v daném místě. Pro 2,5-dichlorbenzoovou kyselinu bylo zjištěno, že rychlost růstu bakterií na ní lze popsat Monodovým vztahem s hodnotami kinetických konstant K S = 0,086 g/l, µ max = 0,153 h -1. Hodnota koeficientu Y S/X vyjadřujícího spotřebu substrátu na jednotkové množství narostlé biomasy byla zjištěna experimentálně a je rovna 1,65. 3. MATEMATICKÝ MODEL 3.1 Model se soustředěnými parametry Jak již bylo řečeno, v prvním přiblížení můžeme bioreaktor uvažovat jako ideálně míchaný systém, tj. koncentrace mikroorganizmů a kontaminantu jsou ve všech místech bioreaktoru stejné a koncentrace ve výstupním proudu jsou rovny koncentracím uvnitř bioreaktoru. Za těchto předpokladů lze pokládat půdní bioreaktor za systém se soustředěnými parametry.

Matematický model bioreaktoru je pro tento případ tvořen dvěma obyčejnými diferenciálními rovnicemi odvozenými z látkové bilance jednotlivých složek: dx QXpV = µ X dt V (bilance biomasy) (1) ds Q( SF S ) = µ XY S / X dt V (bilance substrátu, tj. kontaminantu) (2) s počátečními podmínkami, které definují počáteční stav při zahájení provozu reaktoru: X ( t = X = 0) 0, S ( t 0) = S0 =. Kinetika růstu mikroorganizmů je dána Monodovým vztahem: S µ = µ max (3) KS + S Význam symbolů je uveden na konci příspěvku. Odvozením a řešením modelu se soustředěnými parametry jsme se zabývali v práci [2], kde je popsán také přístup vycházející z představy, že lze spojitý proces toku vody vrstvou zeminy aproximovat kaskádou míchaných reaktorů. 3.2 Model s rozloženými parametry Ideálně míchaný reaktor, ve kterém jsou koncentrace ve všech místech stejné, neodpovídá reálnému stavu. Pro popis toku hmot bioreaktorem je vhodné použít fyzikální představu pístového toku. Matematický popis pak vede na parciální diferenciální rovnice. Předpokládáme-li pístový tok, musíme vedle nezávisle proměnné čas t uvažovat jako další nezávisle proměnnou souřadnici, konkrétně vzdálenost daného místa od skrápěného povrchu zeminy; označíme ji z. Matematický model bioreaktoru je opět odvozen z látkové bilance jednotlivých složek, oproti kapitole 3.1. je však koncentrace substrátu i koncentrace biomasy závislá nejen na čase, ale též na souřadnici z, tj. S=S(t, z), X=X(t, z). Výsledné rovnice mají tvar X pv Q X =. + µ X A (4) S Q S =. µ X. Y S / X A (5) kde kinetika růstu je opět dána Monodovým vztahem S µ = µ max KS + S Počáteční podmínky, které definují počáteční stav při zahájení provozu reaktoru, jsou X ( 0, z) = X 0, S ( 0, z) = S0 (6) a okrajové podmínky definující situaci na horní a dolní ploše bioreaktoru jsou ( t, 0) X horní okraj: z = 0: = 0 S ( t, 0) = S F (7) (gradient koncentrace biomasy na povrchu bioreaktoru je nulový, koncentrace substrátu na povrchu se rovná koncentraci ve vstupující znečištěné vodě) dolní okraj: z = h: X ( t, h) S( t, h) = 0 (koncentrace biomasy na dně biorektoru je extremální, koncentrace substrátu na dně je extemální - minimální). = 0 (8)

4. VÝSLEDKY 4.1 Model se soustředěnými parametry Pro případ ideálně míchaného reaktoru lze úlohu, sestávající ze dvou obyčejných diferenciálních rovnic řešit se základními znalostmi numerické matematiky a programování pomocí nějakého programovacím jazyka nebo využít nabídky různého simulačního software, více či méně složitého. Mnohdy pro základní představu o chování bioreaktoru tento přístup postačuje. Výhodou tohoto přístupu je názorný pohled na modelovaný proces a jednoduchá realizace modelu. Více viz [2]. 4.2 Model s rozloženými parametry Soustavu dvou parciálních diferenciálních rovnic (PDR) lze řešit např. metodou přímek, tj. převodem na soustavu obyčejných diferenciálních rovnic s časem jako nezávisle proměnnou, nebo využít nějaký komerční program na řešení PDR. Ty existují a jsou obecné či orientované na určitou problematiku. V programovém balíku MATLAB se nabízí jednak toolbox pdetool (pde partial differential equations), jednak samostatný balík FEMLAB. Ve FEMLABu lze využít jednak grafického prostředí pro zadávání problému, jednak přístupu, kdy využíváme vestavěných funkcí. Dále je uveden přepis rovnic (4) a (5) do tzv. formy general S X S Q S 1 + 0 + 0 =. µ X. Y S / X A S X X pv Q X 0 + 1 + 0 =. + µ X A kterou používáme pro zápis úlohy. Počáteční a okrajové podmínky jsou totožné s (6)-(8). Pro popis a řešení jsme použili funkce z FEMLABu; grafické prostředí se nám pro tuto úlohu nezdálo vhodné. Základní část, která vyjadřuje výše napsaný problém, vypadá takto: fem.form='general'; fem.geom=solid1([0 2,5]); fem.mesh=meshinit(fem,'hmax', 0.01); fem.variables={'q',1100,'a',200,'pv',0.01,'ks',0.086,'sf',0.5,'ysx',1.65,'mimax',0.153}; fem.dim={'s','b'}; fem.equ.f={{'-q/a*sx-mimax*s/(ks+s)*ysx*b' '-pv*q/a*bx+mimax*s/(ks+s)*b'}}; fem.equ.da={{1 1}}; fem.bnd.g={{'sf-s' 0} 0}; fem=femdiff(fem); fem.init={{0.5 3}}; fem.sol=femtime(fem,'report','on','tlist', 0:0.01:0.1); Na obrázcích 1 a 2 jsou průběhy koncentrací biomasy a substrátu-kontaminantu po 10 hodinách. Pro náš problém je podstatný průběh koncentrace substrátu ve vodě, která opouští půdní čističku. Z obr.2 je vidět, že znečištění na výstupu z půdního bioreaktoru je po 10 hodinách téměř nulové, dokonce i hodnota koncentrace ve vzdálenosti 2 dm od povrchu je zanedbatelná a tak lze zvažovat, zda není postačující výška čističky pouze 2 dm. Další faktor, který ovlivní parametry půdního bioreaktoru je doba, za kterou by mělo znečištění ve vytékající vodě klesnout pod předem danou hodnotu. (4a) (5a)

Obr.1. Rozložení koncentrace biomasy v závislosti na vzdálenosti od povrchu půdního bioreaktoru po 10 hodinách jeho činnosti. Obr.2. Rozložení koncentrace substrátu (znečištění) v závislosti na vzdálenosti od povrchu půdního bioreaktoru po 10 hodinách jeho činnosti. Pro srovnání a pro případ, kdy uživatel nemá k dispozici programové vybavení pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, jsme úlohu převedli na soustavu obyčejných

diferenciálních rovnic. Použili jsme k tomu metody přímek, kde jsme výšku bioreaktoru rozdělili na 5 dílů a následně získali soustavu 12 obyčejných diferenciálních rovnic. Ty jsme vyřešili v prostředí MATLAB pomocí funkce ode23 a dostali časové průběhy koncentrací biomasy a substátu v různých výškách bioreaktoru. Z nich jsme obdrželi hodnoty koncentrací biomasy a substrátu v závislosti na vzdálenosti od povrchu půdního bioreaktoru. Ty po 10 hodinách jsou na obr.3. 14 biomasa X substrát S 0,6 12 0,5 koncentrace X [g/l] 10 8 6 4 0,4 0,3 0,2 koncentrace S [g/l] 2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 vzdálenost od povrchu [dm] 0 Obr.3. Rozložení koncentrací substrátu a biomasy v závislosti na vzdálenosti od povrchu půdního bioreaktoru po 10 hodinách jeho činnosti. Hodnoty jsou získány metodou přímek. Je zřejmé, že charakter průběhu a i hodnoty jsou téměř stejné. Z FEMLABu dostaneme spojitou křivku, zatímco z metody přímek hodnoty pouze v několika bodech. 5. ZÁVĚR V příspěvku je sestaven matematický model půdního bioreaktoru, resp. půdní čističky. Reaktor je popsán jako soustava s rozloženými parametry a matematický model obsahuje parciální diferenciální rovnice. Jejich řešení je hledáno s využitím FEMLABu. Model umožňuje sledovat vliv různých parametrů bioreaktoru (výška zeminy, skrápěná plocha biorektoru), parametrů kontaminované vody (koncentrace substrátu ve vstupním proudu, objemový průtok znečištěné vody), parametrů zasahujících mikroorganismů (růstová rychlost, výtěžnostní koeficient) na kvalitu dekontaminované vody.

Seznam symbolů: X koncentrace biomasy [g/l] V objem reaktoru (vrstvy zeminy) [l] A průřez reaktoru [dm 2 ] h výška zeminy v reaktoru [dm] Q objemový průtok [l/hod] p V podíl biomasy strhávané v odtoku S koncentrace substrátu [g/l] S F koncentrace substrátu v přítoku [g/l] Y S/X koeficient spotřeby substrátu na 1g vzniklé biomasy µ růstová rychlost mikroorganizmů [h -1 ] µ max maximální růstová rychlost mikroorganizmů [h -1 ] K S saturační konstanta Monodova vztahu [g/l] t čas [h] z souřadnice [dm] Literatura [1] Melzoch, K. a kol.: Modelování bioprocesů, elektronický učební text. Praha : VŠCHT, 2002. http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mb [2] Palatová M., Finkeová J., Kmínek M.: Matematický model půdního dekontaminačního bioreaktoru, MOSIS 2000, Sborník 34. mezinárodní konference Modelování a simulace systémů, str.161-164, ISBN-80-85988-46-1 [3] Femlab. Model Library, COMSOL, Inc., Burlington, MA, 2000 RNDr. Marta Palatová, CSc., Doc. Miloš Kmínek, CSc., Ing. Jana Finkeová, CSc. Vysoká škola chemicko-technologická Ústav počítačové a řídicí techniky Technická 5, 166 28 Praha 6 tel. +420 224 354 295, fax. +420 224 355 053 e-mail: Marta.Palatova@vscht.cz, Milos.Kminek@vscht.cz, Jana.Finkeova@vscht.cz