Biyogaz Üretiminde Methanojen (methan bakterilerinin) Yoğunluğunun Etkisi
Sürekli beslemeli tam karışımlı tank reaktörü (CSTR) kinetik çalışmasından besi (subsrat) tüketim hızı ( dS/ dt)C,
( dS/ dt)C = - m X / YX/S (3, 7)
bu denklemde m, methanojenlerin spesifik büyüme hızı (günlük), X methanojenlerin yoğunluğu, (litrede gram olarak kuru madde), ve YX/S methanojenlerin hücresel verimi (negatif).
Şekil (3,7) de görüldüğü gibi besi tüketim hızını artırmak için, m sabitken, methanojenlerin yoğunluğu daha yüksek seviyede tutulmalıdır. m monod denklemi (şekil 3,8) ile gösterildiği zaman amonyum inhibisyonundan etkilenir ve spesifik büyüme hızını kaybeder.
m = mmax/[ 1+ KS (NH4+ / KN ) VFA (3,8)
Bu denklemde mmax , max spesifik büyüme hızı (1/gün veya gün-1) , KS subsrat doyum sabiti (mg/litre ), KN serbest iyonize amonyumun inhibisyon katsayısı (mg/litre), NH4 serbest amonyumun iyonize eşit konsantrasyonu (mg/litre), VFA methanojenlerin subsratının konsantrasyonu ifade eder (methanojenlerin yediği besi maddesi).
mmax ve YX/S methanojen türlerine bağlı olduğu için, fermentörün çalışmasında bu değerler sabittir. Fermentördeki çevreyi kontrol edebildiğimiz zaman, (mis: pH, hammadde kompozisyonu ve fermente edilmiş sıvı gibi ) VFA ³ KS ve KN ³ NH4 m =mmax değerini elde ederiz.
Yüksek performanslı methan reaktörünü sağlamak için, fermentördeki methanojenlerin hücresel yoğunluğuna odaklanmalıyız. Mühendislik açısından fermentördeki methanojen yoğunluğunu yüksek tutmak için yegane metot budur. (3,7 denkleminde görebildiğimiz gibi). Zhank ve Maekawa [24] , H2 ve CO2 gaz karışımını besi olarak kullanarak bu hipotezin lithotrophik methanojen fermentasyonunda mümkün olduğunu göstermiştir. Biyoreaktör mühendisliğinde yüksek yoğunluklu methanojen hücresini sağlamak için farklı yollarda vardır. Bunlar, UASB (mikrobik granüller) ve yüksek yoğunluklu hücreleri taşıyıcı olarak kullanan sabit ve akışkan yataklı reaktörlerdir.
Methan Fermentasyonunun Kinetik Analizi
Büyüme Formülünün Modellenmesi
Kinetik analiz için ideal bir kemostat (reaktör) olarak mükemmel (tam) karışımlı tank reaktörünü inceledik. Hill (26) ve pek çok araştırmacı , kinetik analizlerin kemostada (reaktöre) dayandığını göstermiştir. Kitamura ve Maekawa [27], yüksek yoğunluklu methanojen sahip akışkan yataklı ve sabit yataklı methan fermentörlri için bir kinetik analiz metodu açıklamışlardır. Bu fermentörler (3,27) resminde görüldüğü gibi methanojen yoğunluklarını reaktör ve reaktör çıkışı arasındaki fark olarak gösterirler. Methanojen hücrelerinin kütlesel dengesine dayanan temel denklem:
V (dX / dt ) =F0X0 + F1X1 – (F0 +F1 ) X2 + (dX / dt )G -KDXV, (3,9)
bu denklemde V, reaktörün çalışma hacmi (litre), X methanojen hücrelerinin yoğunluğu (mg/litre), t zaman (gün), F debi (litre/gün), K0 çürüme katsayısı (1/gün veya gün-1)
(3,9) denklemini F ile bölerek ve X0= 0 ve X1 =0, koyarak biz aşağıdaki denklemi elde ederiz.
V (dX / dt ) = -F0X2 + V (dX / dt )G - KDXV, (3,10)
Kararlı durumda (dx/dt=0 olan reaktörde),
-F0X2 + V (dX / dt )G - KDXV =0 (3,11)
diğer yandan
X = [X’V’ +X2 (V-V’ ) ] /V, (3,12)
X’ ve V’ sırasıyla akışkan yatak ve sabit yataklı reaktörde taşıyıcıdaki hücre yoğunluğunu ve taşıyıcının hacmini ifade etmektedir.
(3,12) denklemi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
(dX / dt )G = m [X’V’ +X2 (V-V’ ) ] /V (3,13)
(3,11) ve (3,13) denklemlerinden,
m = F0X2 / [X’V’ + X2 (V- V’) ] +KD (3,14)
Subsrat Kütlesel Denklemi
V (dS / dt ) = F0S0 – F0S2 – V (- dS/ dt ) C, (3,15),
Bu denklemde S, subsrat konsantrasyonu (mg/litre), C subsrat tüketimi (mg/litre). Kararlı durumda (ds/dt = 0 ),
(S0 – S2 ) F0 / V – ( -dS / dt)C = 0 (3,16),
Yüksek hızlı methan fermentasyonu durumunda hücrelerin yaşamını devam ettirebilmesi için metobolik enerji ihmal edilebilir olduğu için, hücresel büyüme verimi katsayısını aşağıdaki gibi ifade edebiliriz.
YX/S = (dX/dt)G / (- dS/dt)C . (3, 17)
(3,13) ve (3-17) denklemlerinden ,
(-dS / dt )C =m / YX/S [ X’V’ +X2 ( V – V’) ] / V (3,18)
(3,14) ve (3,17) denklemleri (3,18) denklemine konduğunda aşağıdaki denklemi elde ederiz.
VD(S0 –S2)/ [X’V’ +X2(V-V!)]
= { F0X2 / [ X’V’ + X2 (V –V’)]} (1 / YX/S ) + KD/YX/S, (3,19)
D, seyrelme hızıdır ve F0 / V olarak tanımlanır (gün), S0 , S2, X’,X2 , V, ve D, operasyon verisinden bilindiği zaman YX/S ve KD değerlerini de elde edebiliriz. (3,14) ve (3,18) denklemlerinde verilen m değerlerinden kinetik denklemi aşağıdaki gibi elde ederiz.
1/m = 1/mmax + [KS (1 + NH4+ / KN) / mmax] ( 1 / S2), (3,20)
Bu denklemde S2 fermentörün çıkışındaki VFA dır. mmax ve KS gibi kinetik sabitlerini m ve S2 bilindiği için (3,20) denkleminden elde edebiliriz. mmax =subsrat tüketim hızı aşağıdaki denklemden hesaplanabilir.
mmax = YX/Snmax. (3,21),
Kitamura ve Maekawa [27] (3,36) tablosunda gösterildiği gibi Lawrence ve ark. ve Chang ve ark. tarafından bildirildiği gibi klasik methan reaktörü verileriyle karşılaştırmalı olarak büyüme ve kinetik sabitleri elde etmişlerdir.
Extra Biyogaz Üretimi İçin Denklem
Methan fermentöründen kaybedilen ısı enerjisine, atmosferik sıcaklık ve yalıtım değerlerinin etkili olduğu beklenir (şekil 3,22 ye bakınız). Atmosferik sıcaklıklar bölgeye göre değişir. Atmosferik sıcaklıklar , bölgeye göre değiştiği için 3 bölge seçildi (tabloda gösterildiği gibi şekil: 3,38). 0 dan 3’ e kadar tüm ısı transferi katsayısı U parametre olarak kullanılır. Üretilen ısı , %70 verimle çalışan ve biyogaz kullanan yakma kazanı (boiler) tarafından sağlanır ve ısınma enerjisi ile üretilen sıcak su :
QL=Qr + Qh +Qg (3.22)
ham maddeyi ısıtma enerjisi QL = VLVS CP ( t- ti ) / VS ( kilojül/gün ), kayıp ısı transferi Qh = UA ( t - t0 ) 24 (kilojül/gün), buharlaşmayla kaybolan gizli ısı potansiyeli (evaparasyon) Qg = G V Hm (kilojoüle/gün), V volüm (m3) , Cp ham maddenin spesifik sıcaklığı (kilojules kg/C0 ), t fermentör içindeki sıvı sıcaklığı ( C0 ), ti ham maddenin ilk sıcaklığı ( C0 ), VS uçucu organik madde miktarı , t0 , atmosferik (dış ortam) sıcaklık ( C0 ), A fermentörün yüzey alanı (A = 6V2/3 ) (m2) , U ısı transfer katsayısı, H buharlaşan suyun potansiyel sıcaklığı (kilojoule/ kg), ve m fermentörden çıkan gazın kütlesi (kg/gün).
kutuphanem.bilgievi
