مدل‌سازی انتقال جرم فرایند حذف دی‌اکسید کربن از محیط زیست با هدف تولید متان سبز و بهینه‌سازی رشد متانوژن‌ها

زمینه و هدف: غلظت دی‌اکسیدکربن به عنوان مهم‌ترین گاز گلخانه‌ای در اتمسفر در حال افزایش می‌باشد که به عنوان یکی از نگرانی‌های مهم بشر، روش‌های زیادی برای  مقابله آن بررسی شده‌ است. اما استفاده از آن در تولید بیومتان اقتصادی‌تر به‌نظر می‌رسد.  هدف اصلی در این تحقیق بررسی مدل‌سازی فرایند تولید انرژی پاک بیومتان و حذف همزمان دی‌اکسید کربن از محیط زیست است.روش بررسی: در این مقاله برای فرایند تولید بیومتان در بیوراکتور ناپیوسته، با هدف افزایش حجم بیومس فعال، مدل‌سازی انتقال جرم انجام شد. دقت نتایج مدل‌سازی با مقایسه با داده‌های آزمایشگاهی و سینتیکی در قالب مسئله صفر بعدی و بدون تابعیت مکانی بررسی گردید. سپس مطالعه یک بعدی بیوراکتور به‌منظور بررسی پروفایل غلظت هیدروژن و بیومس در طول بیوراکتور و محاسبه حجم فعال انجام شد. از روش پاسخ سطح نیز به منظور بررسی تاثیر سه فاکتور دما، فشار و h/d بر حجم فعال بیوراکتور و یافتن شرایط بهینه استفاده شد. این تحقیق در تابستان 1397 انجام شد.یافته‌ها: نتایج بررسی صفر بعدی تایید کننده دقت مدل‌سازی بود. بررسی یک بعدی نشان داد که پراکندگی رشد بیومس در فاز مایع تابع پروفایل هیدروژن است به‌ شرطی‌که ضرائب نفوذ هیدروژن و بیومس در مایع را برابر درنظر گرفت و در شرایط استاندارد مرتبه بزرگی آن  m^2.s^ -1 10^ -9  بود. نتایج آماری حاصل از روش پاسخ سطح نشان داد که هر سه عامل دما، فشار و h/d تاثیر معنی داری بر میزان حجم فعال بیوراکتور دارند، ضمن این‌که  بیشترین اثر و فشار و دما در اولویت بعدی تاثیرگذاری بودند.بحث و نتیجه گیری: راکتور ناپیوسته با ابعاد 1>h/d  در دما و فشار بالا بهینه‌ترین شرایط را برای تولید بیومتان دارد، ولی اقتصاد فرایند تعیین کننده محدوده عملیاتی است.

Mass Transfer Modeling For CO2 Removal from Environment with the Aim of Green Biomethanation and Methanogens Growth Optimization

Background and Objective: CO2 concentration, as the main greenhouse gas, is growing in atmosphere and many alternatives have been investigated to deal with it. However, harnessing with the aim of biomethanation seems to be more economic.Method: In this study a mass transfer modeling was conducted for a biomethanation process under a batch strategy aiming at maximizing liquid active volume. The accuracy of modeling results was assessed via comparing with experimental data and kinetic results under zerodimension study. Then onedimensional study was conducted in order to investigate biomass and hydrogen concentration profiles within liquid phase of the bioreactor and active volume calculation. Response surface method (RSM) was also served to investigate effect of temperature, pressure and as three main factors on active volume followed by response optimization.Findings: Model accuracy was confirmed by zerodimension study. Onedimensional study was also revealed that biomass growth dispersion within liquid phase depends on hydrogen profile concentration on condition that both hydrogen and biomass diffusion coefficients were assumed to be equal. Their degree of magnification was 109  in standard conditions. RSM showed that the three studied factors significantly affected on bioreactor active volume. Meanwhile, pressure and temperature influenced the most, respectively.Discussion and Conclusion: A batch bioreactor with  and high pressure and temperature met optimal conditions for biomethanation; however, process economy defines operational limitations.