濃度波擴散模型在玉米秸稈厭氧化干發(fā)酵中的應(yīng)用.pdf

1、基于濃度波擴散模型,使用MATLAB7.0軟件,運用最小二乘法,求解出了適宜玉米秸稈厭氧干發(fā)酵的模型系數(shù);并對模型進行了擬合和驗證,實現(xiàn)了對秸稈厭氧干發(fā)酵過程中基質(zhì)特性變化及發(fā)酵進程的數(shù)學(xué)模擬;對玉米秸稈厭氧干發(fā)酵罐散熱過程進行了理論分析,構(gòu)建了發(fā)酵罐的散熱模型,并利用溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行溫度采集,實現(xiàn)了對干發(fā)酵系統(tǒng)溫度的實時監(jiān)測。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.在初始含水量為70％條件下進行玉米秸稈厭氧干發(fā)酵試驗,發(fā)酵溫度為37℃,接種

2、物與底物混合均勻分裝12個發(fā)酵反應(yīng)罐(8 L,Φ145 mm),分別于發(fā)酵第2、4、6、8、10、12、15、18、21、24、27和30d,各取出1罐進行分析。將發(fā)酵料按照縱向尺寸均勻地分12層進行取樣,分析測定每層樣品的揮發(fā)性固形物(VS)含量(W)、揮發(fā)性脂肪酸濃度(S)和甲烷化菌的數(shù)量(B)變化。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),運用MATLAB7.0軟件求解出了濃度波擴散模型方程中的系數(shù)。以初始含水率為75%、80%和85%進行驗證試驗,將所得的

3、的模型系數(shù)與初始含水率為70%條件下的系數(shù)進行比較,結(jié)果表明所得模型系數(shù)在含水率70%~80%時相關(guān)性較好。
　　2.采用 MATLAB微分工具箱中 pdepe函數(shù)并對其進行適當(dāng)修改,利用得到的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)擴散系數(shù)(DS)、生物量的擴散系數(shù)(DB),VFA的最大利用速率(ρm)等濃度波擴散模型系數(shù),并結(jié)合數(shù)值積分,求解出了玉米秸稈干發(fā)酵基質(zhì)中W、S和B隨發(fā)酵時間和發(fā)酵罐空間變化的數(shù)值解。將根據(jù)模型求解的數(shù)值解與試驗實測值

4、進行擬合,結(jié)果表明:在整體驗證時,初始含水率在70%~80%范圍內(nèi),利用求解的濃度波擴散模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測玉米秸稈干發(fā)酵基質(zhì)中VS、VFA和甲烷化微生物數(shù)量的變化;分段驗證時,建立的模型在發(fā)酵前期和中期能很好的預(yù)測實驗過程中物料特性的變化,而在發(fā)酵后期出現(xiàn)了偏差。
　　3.構(gòu)建了厭氧干發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了發(fā)酵料溫度的自動采集,并通過無線傳輸實時顯示和記錄;建立了玉米秸稈厭氧干發(fā)酵的散熱模型,并通過試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進行了驗證