Fermentörlerde matematik modelleme
Mathematical modelling of fermenters
- Tez No: 101421
- Danışmanlar: PROF.DR. DERİN ORHON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2001
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
ÖZET Atıksufarın deşarj edildiği abet ortamlarda, özellikle göller, İç denizler ve körfezler gibi hassas bölgelerde karşılaşılan en büyük çevre sorunu ötrofikasyondur. Bu sorunun önlenmesi ancak azot ve fosfor gibi besi maddelerinin kısıtlanması ile gerçekieştirilebilmektedir. Gelişmiş ülkelerde besi maddesi deşarj standartları her gün biraz daha sıkîlaştırılmaktadır. Bu standartlara ulaşabilmek için kullanılması gereken arıtma yönteminin güvenirliliğinin yaraşıra ekonomik ve uygulanabilir olması gerekliliği ise yeni arıtma alternatifleri üzerinde çalışmaların yoğunîaştırılmasına neden olmaktadır. Atıksuyun, biyolojik nutrient gîderiminin (özellikle fosfor giderimi) istenilen düzeyde elde edilebilmesi için yeterli miktarlarda kolay ayrışabilir organik madde içermediği durumlarda sisteme çözünmüş organik madde ilavesi gerekli olmaktadır. Biyolojik nutrient giderim sistemlerinde yeterli miktarlarda uygun karbon kaynağının bulunması sistemin verimli bir şekilde çalışabilmesi açısından önem taşımaktadır. Fermentörîer gerekli olan bu karbon kaynaklarını, sağlamaktadırlar. Ferm.entas.yon, biyolojik nutrient giderim sistemlerinde giderek daha yaygın olarak kullanılan yeni bir prosestir. Bu proseste uçucu yağ asitleri üretilerek biyolojik nutrient giderim sistemi desteklenmektedir. 1970' lere kadar atıksu arıtımı sadece karbon giderimi amacıyla yapıldığından, uçucu yağ asidi üretimi özel bir avantaj sağlamamıştır. 1970 'terin ortalarında Güney Afrika'da biyolojik fosfor giderimi yaygın olarak uygulanmaya başlandığında, anaerobik şartların“İleri Biyolojik Fosfor Giderimi”için gerekli olduğu görülmüştür. Bu sistemlerde anaerobik şartlar boyunca aîıksudaki substrata fermente olarak fosfor giderim, bakterileri tarafından tercih edilen bir fonna dönüştüğünün anlaşılması yaklaşık 5 yıl sonra gerçekleşmiştir.Sön 10 yıl boyunca yapılan araştırmalar fermentasyon ürünlerinin ileri biyolojik fosfor giderim sistemleri ile denitrifikasyon prosesini nasıl etkilediğini göstermek ve fermentasyon prosesinin optimize edilmesi konularında yoğunlaşmıştır. Dünyanın pek çok yerinde, bu konudaki araştırmalar sonuçlanmadan pekçok tam ölçekli fermentör inşa edilmiştir. Gönümüzde matematik modelleme biyolojik arıtma tesislerinin dizayn, simulasyon ve kontrolünde kullanılan önemli bir araçtır. Ancak fermeotörler için matematik model yaklaşımı henüz yaygın değildir. Fermentasyon prosesinin tammlanmasmda şimdiye kadar iki model kavramt ortaya konmuştur ancak bu modeller fermentörlerin dizaynında ve işletilmesinde kullanılamamaktadır. Bu çalışmada fermentörlerin dizayn, simulasyon ve kontrolünün sağlanması amacıyla geliştirilmiş olan ilk fermentör dinamik matematik modeli ele alınarak irdelenmiş, belirli sîtokiometik 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. Bölüm. IFde azot ve fosfor giderim mekanizmaları ve bu parametrelerin gideriminde geçerli olan biyokimyasal süreçler incelenmiştir. Daha sonra azot ve fosforun ayrı ayrı ve birlikte giderildiği sistem konfigürasyonlan hakkında bilgi verilmiş ve kolay ayrışabilir karbon kaynaklarının bu sistemlerin performansları açısından önemi üzerinde durulmuştur. Bölüm IH'te fermentasyon prosesinin tanımı yapılmış ve fermentörlerdeki biyolojik prosesler ele alınmıştır. Günümüzde biyolojik nutrient giderim sistemlerinin performanslarını arttırmak amacıyla kullanılmakta olan fermentör konfigürasyonlan da açıklanmıştır. Bölüm IV'te 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 ferınentörün çıkış XIakımındaki VFA ve NH4-N konsantrasyonlarının çeşitli SET ve BUT sürelerinde değişimleri belirlenmiş ve literatür cfatalanyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca çözünmüş KOFyi oluşturan Css, Cmo, Ce gibi diğer değişkenlerinde fermentör çıkış akımındaki değerleri belirlenerek çözünmüş KOÎ oluşumuna ayn ayrı olan katkıları araştalffliş 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. Son bölümde elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu çalışma modelin ilerîki aşamalarda pratik bir araç olarak kullanılması açısından yararlı olacaktır. XI»
Özet (Çeviri)
MATHEMATICAL MODELLING OF FERMENTERS SUMMARY In the receiving areas where the wastewaters are discharged, especially at the sensitive regions such as the lakes, inland seas and hays, the most important environmental problem is the eutrophication. This problem can only be prevented by the restriction of some nutrients such as the nitrogen and phosphorus. The nutrient discharge standards in the developed countries, are being made more strict by each passing day. The necessity that refining method that should be used to reach these standards must be economical and applicable as well as it must be reliable causes the studies to be focused on the new removal alternatives. When the wastewater does not contain sufficient easily degradable organic matter to achieve the desired level of biological nutrient removal, addition of soluble organic matter is required. The presence of the appropriate source of carbon in adequate quantities in the biological nutrient removal systems bears importance from the viewpoint that the system will operate efficiently. The fermenters provide such sources of carbon those are necessary. The fermentation is a process that is being used gradually more widely in the biological nutrient removal systems. In this process, the biological nutrient removal, system is supported by producing the volatile fatty acids. Until about the 1970's, when wastewater treatment was primarily concerned with carbon removal, the production of W As was of no particular advantage. When biological phosphorus removal was pioneered in South Africa in the mid 1970's, it was observed that anaerobic conditions were benefica! for“enhanced biological phosphorus removal”. It tooks about five years before the wastewater community Xlllrealised, that one of the reasons why anaerobic conditions can be beneficial for enhanced biological phosphorus removal is that during anaerobic conditions the wastewater ferments and changes the substrate into a form preferred by the bio-P removing bacteria. During the last decade, research has focused on showing how the fermenter products improve enhanced biological nutrient removal and demtrification and optimising the fermentation process. In many parts of the world it didn't wait for the researchers to solve all the questions but started building fermenters in fiill-scale. The mathematical modelling today is- an important tool used in the design, simulation and control of the biological treatment plants. However, the mathematical modelling approach is not widespread yet for the fermenters. Two model concepts have been put forward so far in. the definition of the fermentation process, but these models are not used in the design, and operation of the fermenters. In. this study, the first fermenter dynamics 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 nitrogen and phosphorus removal mechanisms and biochemical processes valid in the removal of these parameters have been investigated in the Chapter H. Later, information, on the system, configurations where the nitrogen and phosphorus are removed of separately and simultaneously have been given and it was dwelled upon the importance of the carbon sources those are readily biodegradable as regards the performances of these systems. The definition of the fermentation process has been given in the Chapter M and the biological processes in the fermenters have been tackled. The fermenter configurations used today for the purpose of increasing the performances of the biological nutrient removal systems have also been explained. XIVIn the Chapter IV, the components constituting the mathematical model, assumptions belonging to the model, model parameters, mode! 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 VF A 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 KOI in the fermenter effluent have been determined and their separate contributions to the KOI 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 NH* concentrations in the fermenter effluent have been determined by making a“sensitivity analysis”in the model. In the last chapter, the results obtained have been evaluated. This study will be useful as regards its use of the model as a practical tool at the future stages. XV
Benzer Tezler
- Yarı-kesikli fermantasyonda besleme ve havalandırma profillerinin optimizasyonu
Optimization of feeding and aeration prpfiles in fed-batch fermentation
İLKNUR EMRE
Doktora
Türkçe
2007
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIDVAN BERBER
- Kesikli ve sürekli sistemlerde üretilen mikrobiyal rennin enziminin süt pıhtılaştırma aktivitesinin modellenmesi
Modeling milk clotting activity of microbial rennin enzyme produced in batch and continuous systems
ERGÜL GÜÇLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDURRAHMAN TANYOLAÇ
- Değişik biyokütle kaynaklarından biyoetanol'ün elde edilmesi üzerine bir araştırma
An investigation on bioethanol production from different biomass sources
ASİYE GÜL BAYRAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
BiyoteknolojiEge ÜniversitesiGüneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNNUR KOÇAR
- Portakal atıklarından Aspergillus niger filamentli fungusu kullanılarak sitrik asit üretiminde değerlendirilmesi
Evaluation of orange waste for citric acid prductin by a filamented fungi Aspergilus niger
ECE ÜMMÜ DEVECİ
Doktora
Türkçe
2008
BiyoteknolojiMersin ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZYURT
- Biyoteknolojik yoldan doğal izoamil asetat ve etil asetat aromalarının üretimi üzerinde araştırmalar
Investigations on the biotechnological production of natural isoamyl acetate and ethyl acetate
MURAT YILMAZTEKİN
Doktora
Türkçe
2009
BiyoteknolojiÇukurova ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN ERTEN
PROF. DR. TURGUT CABAROĞLU