Modelowanie matematyczne i badania symulacyjne bioreaktora z wymuszonym napowietrzaniem

Proces kompostowania jest powszechnie stosowany w gospodarce odpadami jako metoda przekształcania lub stabilizacji odpadów organicznych. Ze względu na złożony, nieliniowy charakter zachodzących w nim zjawisk biologicznych oraz fizykochemicznych, jest on stosunkowo trudny z punktu widzenia predykcji oraz sterowania. Sterowanie procesem ma tu na celu uzyskiwanie w określonym horyzoncie czasowym produktu finalnego, czyli zwykle kompostu spełniającego określone wymagania jakościowe. W artykule zaprezentowano prosty model matematyczny procesu kompostowania z wymuszonym napowietrzaniem, potencjalnie umożliwiającym realizację wspomnianego celu sterowania. Opracowano model drugiego rzędu, z dwiema wielkościami wejściowymi reprezentującymi zewnętrzne oddziaływania na proces. Na podstawie modelu matematycznego przekształconego do postaci równań stanu, zbudowano w środowisku MATLAB/Simulink model komputerowy bioreaktora, który następnie wykorzystano do przeprowadzenia badań symulacyjnych. Pokazano, że możliwe jest oddziaływanie na proces za pomocą wymuszonego napowietrzania, bezpośrednio wpływającego na zmianę temperatury w bioreaktorze, a w konsekwencji również na czas otrzymania końcowego produktu reakcji. Wyniki analizy właściwości dynamicznych procesu, przeprowadzonej z wykorzystaniem modelu zlinearyzowanego wzdłuż wybranej, nominalnej trajektorii stanu, wskazują na zmienny charakter jego stabilności - począwszy od niestabilności w początkowych fazach reakcji, przez stabilizację w fazie pośredniej, aż do stabilności asymptotycznej, zakończonej osiągnięciem stanu równowagi.

The composting process is commonly used in waste management as a method of converting or stabilizing organic waste. Due to the complex, non-linear nature of biological and physicochemical phenomena involved, this process is relatively difficult to predict and control. The control is usually aimed at obtaining the final product, that is, the compost that meets legal standards. The article presents a simple mathematical model of the composting process with forced aeration, which will potentially facilitate the control task. A second order model was developed, with two inputs signals. Based on the mathematical model in the form of the state equations, the computer model of the bioreactor was built in the MATLAB/Simulink environment, which was then used to conduct different simulation tests. It was shown that it is possible to control the process using forced aeration, directly influencing the temperature changes in the bioreactor, and consequently also the time of obtaining the final product of the reaction. The analysis of the dynamic properties of the process performed using its model linearized about some nominal state trajectory shows the changes in its internal stability - starting from the unstable character in the initial phases of the reaction, through stabilization in its intermediate phase, up to the asymptotic stability, ending in the stable equilibrium state.