автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимизация управления периодическим процессом компостирования в биореакторе

На правах рукописи

МОСКОВЕЦ Андрей Леонидович

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ КОМПОСТИРОВАНИЯ В БИОРЕАКТОРЕ

Специальность 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)1'

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар — 2006

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Пиотровский Дмитрий Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Косачев Вячеслав Степанович;

кандидат технических наук, доцент Левченко Владимир Иванович

Ведущая организация: Кубанский государственный а фарный

университет

Защита состоится " 20 " декабря 2006 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212,100,04 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2а, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2а

Автореферат разослан "20 " ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.04 канд. техн. наук, доцент

АВ. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Снижение плодородия почвы, ужесточение экологических требований и рыночные механизмы хозяйствования в агропромышленном комплексе по-новому ставят задачу переработки органических отходов животноводства и растениеводства. С этой точки зрения перспективным является интенсивное компостирование в биореакторе для получения органического удобрения - компоста.

Основными параметрами процесса компостирования являются температура субстрата и концентрация кислорода. Для получения качественного продукта эти параметры должны быть однородны в течение времени процесса. В существующих устройствах задачи управления процессом решаются с помощью вентилирования н перемешивания субстрата. Применение вентиляции позволяет отводить теплоту экзотермической реакции за счет испарительного охлаждения. Однако при движении по объему субстрата воздух нагревается и увлажняется. Это приводит к возникновению существенной неоднородности параметров процесса и в конечном итоге к получению некачественного продукта. Такой недостаток можно устранить за счет дополнительной подачи воздуха с заданными параметрами при его движении вдоль оси биореактора.

Существующие системы управления периодическим процессом компостирования не используют математическую модель процесса при выработке управляющего воздействия н имеют недостатки, приводящие либо к усложнению системы, либо к дополнительным затратам иа управление процессом и снижению качества получаемого продукта. За последние 30 лет опубликовано более трех десятков работ, в том числе классические работы R.T. Haug (1993), Н-М. Keener (1993), К. Nakasaki (1987), посвященных разработке моделей процесса компостирования. Управление основными параметрами процесса возможно за счет управления системой вентиляции. Однако в на-

стоящее время в литературе нет опубликованных исследований, посвященных оптимальному управлению системой вентиляции.

Поэтому актуальны задачи снижения неоднородности параметров процесса и синтеза оптимального управления системой вентиляции при периодическом процессе компостирования в биореакторе на основе существующих моделей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Куб-ГТУ по теме 8.1.01-05, «Автоматизированное управление техническими и технологическими объектами», § 47.

Цель работы. Целью диссертационной работы является оптимизация управления системой вентиляции при периодическом процессе компостирования в биореакторе и снижение неоднородности параметров процесса за счет управления дополнительной подачей воздуха с заданными параметрами.

Основные задачи исследования. Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:

— разработка модели тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы веитиляшш при дополнительной подаче воздуха с заданными параметрами;

— разработка оптимального управления системой вентиляции биореактора с использованием модели процесса компостирования;

— разработка управления количеством дополнительно подаваемого воздуха для достижения минимальной неоднородности параметров процесса.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы применялись методы теории управления, теории систем и математического моделирования, регрессионного анализа, вычислительной математики. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методик теоретического и экспериментального исследования, применением современных вычислительных методов, согласием экспериментальных данных и результатов теоретического исследо-

вания.

Научная новизна. Научная новизна заключается в получении следующих научных результатов: ,

— поставлена и решена задача оптимального управления системой вентиляции при компостировании в биореакторе в смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности бнореактора;

— разработана модель тепломассообмена субстрата компостирования при дополнительной подаче воздуха с заданными параметрами;

— поставлена и решена задача оптимального управления дополнительным потоком воздуха системы вентиляции с заданными параметрами в смысле снижения неоднородности скорости процесса компостирования по объему субстрата.

Основные положения, выносимые на защиту:

— алгоритм квазиоптимального управления системой вентиляции биореактора в режиме полной рециркуляции;

— способ представления уравнений состояния при дополнительной подаче воздуха с заданными параметрами;

— представление замыкающих соотношений в виде суммы экспонент переменных состояния;

— алгоритм управления подачей дополнительного потока воздуха с заданными параметрами для снижения неоднородности процесса компостирования по объему биореактора.

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты работы позволили добиться снижения неоднородности скорости процесса компостирования по объему субстрата за счет управления дополнительным потоком воздуха. Имитационное моделирование процесса компостирования на модели биореактора НЕКНОР™ показало значительное снижение нагрузки на регулирующий орган при сохранении качества получаемого продукта.

Реализация результатов работы осуществлена на производственной базе федерального государственного учреждения "Краснодарский экспериментальный центр биологической защиты растений". Экспериментальная установка, . реализующая предложенную конструкцию биореактора, и система автоматического управления, функционирующая согласно разработанным алгоритмам, .прошли испытания и рекомендованы к использованию для производства компоста.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции "Перспективы развития пищевой промышленности России" в Оренбурге, 200S г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них: 1 патент, 10 статей (из них 7 в реферируемых журналах), 1 тезисы доклада.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 150 страницах. Работа содержит 53 рисунка, 12 таблиц, библиографию из 91 наименования на 9 страницах и 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика диссертационной работы.

Работа логически разделена на две основные части. В первой части получено оптимальное управление системой вентиляции бнореактора в смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности биореактора. Во второй части работы построена математическая модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции, на

основе которой снижена неоднородность параметров процесса за счет управления подачей воздуха с заданными параметрами вдоль оси биореактора.

В первой главе проведен анализ текущего состояния переработки органических отходов сельского хозяйства, поставлены задачи научного исследования. Основной технической проблемой для поддержания температурного режима является низкая теплопроводность субстрата. Это приводит к невозможности использования теплообменников в биореакторах промышленного масштаба. Поэтому удаление излишков теплоты при компостировании производится с помощью испарительного охлаждения. Для этого через биореактор пропускается воздух из окружающей среды, что гарантирует эффективное охлаждение субстрата и поддержание аэробных условий, однако ведет к возникновению существенной неоднородности параметров процесса и получению некачественного продукта.

Критический анализ отечественных и зарубежных устройств компостирования показал, что существующие конструкции биореакторов имеют общий недостаток: однонаправленный поток воздуха приводит к значительной неоднородности параметров процесса. Возникновение этого явления объясняется тем, что поток воздуха при движении по объему субстрата изменяет свои параметры (нагревается и увлажняется). Это приводит к изменению скорости испарительного охлаждения и в конечном итоге значительному разбросу параметров процесса по объему биореактора,.

Уменьшить неоднородность параметров процесса при однонаправленной вентиляции можно за счет дополнительной подачи воздуха с заданными параметрами при его движении вдоль оси биореактора. Управление количеством подаваемого воздуха позволит добиться минимальной неоднородности параметров процесса. При построении модели тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции содержимое биореактора может быть представлено в виде двухфазной среды. Такой подход в сочетании с представлением субстрата как сплошной среды (O.F. von Meien, D.A.

МксЬеН, 2002) успешно используется для моделирования испарительного охлаждения при твердофазной ферментации зерна кукурузы в микробиологическом производстве.

В настоящее время вопрос оптимального управления периодическим процессом компостирования в биореакторе не исследован. Существующие системы управления не используют математическую модель процесса компостирования при выработке управляющего воздействия и имеют недостатки, приводящие либо к усложнению системы, либо к дополнительным затратам по управлению процессом и снижению качества получаемого продукта.

Во второй главе разработано оптимальное управление системой вентиляции при периодическом процессе компостирования в биореакторе на основе модели процесса.

Основной целью процесса компостирования является биологическая стабилизация (разложение) органических веществ, содержащихся в отходах. Исходный субстрат можно условно разделить на разложимые микроорганизмами (органическая фракция) и неразложимые вещества (зольная фракция). При соблюдении прочих необходимых требований технологии компостирования (саннтаризацкя компоста, поддержание аэробных условий, температурный режим), необходимо добиваться максимально возможного разложения органической фракции исходного субстрата. При компостировании скорость разложения органического вещества обычно описывается уравнением кинетики первого порядка:

(1) (2)

В настоящей работе задача оптимального управления ставится в

ОМу, Ш

кт = *ю ■ (1.066™-1.21<"'_>)-(1-«|(-™)]

смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности бно-реактора. Для идеальных условий процесса (кт постоянно и максимально) можно рассчитать максимальную степень разложения органического вещества. Согласно уравнению кинетики процесса (1), в этом случае масса разложенного органического вещества изменяется по экспоненте и является функцией только времени процесса. В условиях фиксированного времени процесса оценкой качества рассматриваемого управления может служить отношение разложенной массы органической фракции к максимально возможному разложению:

(3)

(4)

Задача оптимального управления поставлена в виде (1) — (4). Показано, что оптимальное управление процессом компостирования заключается в поддержании максимальной скорости в течение всего времени процесса.

Учитывая температурную зависимость скорости компостирования (2) и необходимость обеспечения аэробных условий, оптимальное управление процессом компостирования в биореакторе может быть сведено к задаче управления системой вентиляции в целях поддержания температуры субстрата и обеспечения аэробных условий процесса.

Показано, что использование режима частичной рециркуляции отвечает полученному решению задачи оптимального управления процессом компостирования. Для случая полной рециркуляции возможно только квазн-оптимальное управление, обеспечивающее минимизацию отклонения от полученного оптимального управления.

В качестве упраалення, близкого к оптимальному, предложено не-

пользовать последовательную работу системы вентиляции в режимах вентиляции и рециркуляции, длительность которой изменяется в зависимости от состояния субстрата с учетом модели процесса. Предложен алгоритм, осуществляющий такое управление.

Апробация полученного управления произведена на модели бнореак-тора HERHOF™ Reactor System, Германия. Применение предложенного алгоритма позволило значительно снизить нагрузку на регулирующий орган системы вентиляции при сохранении качественных показателей получаемого продукта.

В третьей главе разработана одномерная модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом, позволяющая описать распределение температуры н влажности субстрата и воздуха системы вентиляции вдоль оси биореактора во времени и пространстве.

Уравнения состояния модели получены из рассмотрения дифференциального баланса теплоты и массы для двухфазной среды, при этом субстрат компостирования рассматривается как сплошная среда. В результате предельного перехода получены уравнения состояния модели тепломассообмена:

ept + G = Ка • (í>, - р, )- g ■ - }

* P. (5)

' дТ &Г

Моделирование тепломассообмена при компостировании требует идентификации эмпирических соотношений Ka, ha, <р\; измерения плотности, порозности и удельной теплоемкости субстрата компостирования, что составляет задачу экспериментального исследования.

В четвертой главе проведена идентификация н проверка адекватно* сти модели тепломассообмена воздуха системы вентиляции с субстратом компостирования. Задачей проведения эксперимента стало: в условиях, идентичных компостированию в биореакторе, организовать тепломассообмен в двухфазной среде н зарегистрировать параметры процесса для последующей идентификации регрессионной модели замыкающих соотношений.

Биологические процессы при компостировании могут быть представлены как точечные источники тепловыделения и влагообразо вания. Задачей эксперимента является исследование физических свойств исходного субстрата компостирования. Поэтому биологические процессы были исключены за счет использования биологически инертного субстрата.

В качестве биологически инертного субстрата, идентичного субстрату компостирования, использовалась смесь соломы пшеницы и земли, увлажненная водой. Земля использовалась как биологически инертный имитатор, близкий по своим физическим свойствам к органическому веществу субстрата компостирования.

Основным результатом измерений в эксперименте является распределенность параметров субстрата. Для этого толщина слоя субстрата была выбрана равной 1.2 м с расположением датчиков температуры на высоте 0.!, 0.6 и 1.1 мот уровня загрузки субстрата.

Тепломассообмен происходил в теплоизолированном экспериментальном биореакторе при принудительной вентиляции субстрата нагретым воздухом. Эксперимент проводился с использованием традиционной системы вентиляции при постоянном расходе воздуха. Расход воздуха изменялся в пределах от 0.020 до 0.060 кг сухого воздуха^с-м2).

Регистрировались следующие параметры процесса: расход воздуха системы вентиляции; температура воздуха на входе и выходе биореактора; влажность воздуха на входе и выходе биореактора; температура субстрата в 3 точках; влажность субстрата до начала эксперимента; влажность верхнего

12

• i

«лол субстрата после эксперимента; влажность нижнего слоя субстрата после эксперимента.

Выли проведены 3 эксперимента, отличающиеся тепловым режимом и расходом воздуха. Первый эксперимент был проведен для определения эмпирических соотношений при постоянном расходе воздуха системы вентиляции, равном 20 м*/ч. Второй эксперимент отличался тепловым режимом и расходом воздуха (11 м3/ч). Его проведение позволило определить влияние расхода воздуха на исследуемые эмпирические соотношения. Третий эксперимент отличался тепловым режимом и расходом воздуха (15 м3/ч) и был проведен для проверки адекватности идентифицированных эмпирических соотношений. По полученным экспериментальным данным была поставлена задача идентификации замыкающих эмпирических соотношений модели Аа{г(,о),

Регрессионные модели замыкающих эмпирических соотношений были задаЕ1Ы в виде суммы экспонент параметров состояния объекта со взаимовлиянием параметров. Для расчета процесса с исследуемым набором параметров регрессионной модели использовалась явная схема интегрирования метода конечных разностей (МКР). Выбор МКР объясняется простотой реализации алгоритма. Явная схема дает возможность отказаться от решения снстсм нелинейных уравнений при расчете каждого шага модели. Для реализации такой схемы уравнения состояния модели (3) представлены в виде уравнений в конечных разностях, на основе которых разработана программа на языке Pascal. Входными данными программы является исследуемый набор параметров редрессионной модели, выходными — графики рассчитанной модели и оценка качества моделирования. Расчет следующего временного слоя параметров модели осуществлялся на основе параметров предыдущего временного слоя. Это позволило хранить в программе параметры процесса только по двум временным слоям и снизить требования к необходимому объему оперативной памяти.

Поиск параметров модели осуществлялся из начального приближения методом градиента. Для учета локальных особенностей рельефа построенной целевой функции использовался адаптивный алгоритм подбора величины шага в направлении вектора антиградиента. Это позволило автоматически увеличивать скорость спуска при благоприятном рельефе и отслеживать резкие перепады направления вектора антиградиента за счет уменьшения шага.

Однако вследствие наличия вычислительных погрешностей поверх» ность целевой функции не является гладкой и имеет изолированные области с локальными экстремумами. Использованный алгоритм выбора длины шага жестко настроен на улучшение процесса на каждом шагу поиска й имеет для этого только одну возможность: дробление величины шага. Поэтому при попадании поиска в такую изолированную область размер шага бесконечно дробится и поиск фактически прекращается. Поэтому было принято решение сочетать поиск градиентным методом с покоординатным спуском и выполнять переход в точку, которая обеспечивает наилучший дня двух методов результат.

Для некоторых параметров модели пробный шаг приводил к резкому ухудшению качества моделирования процесса. Это негативно влияло на использование обоих поисковых методов. Поэтому использовался алгоритм корректировки величины пробного шага поиска, который автоматически уменьшает величину пробного шага по какому-либо параметру, если этот шаг вызывает резкое увеличение целевой функции.

Поскольку размерность параметров регрессионной модели отличается на несколько порядков, для каждого параметра осуществлялся подбор начальной величины пробного шага.

Осмотр поверхности целевой функции обладает высокой степенью распараллеливания вычислений: пробные шаги по двум различным параметрам модели никак не связаны. Поэтому реализация расчета модели процесса в виде отдельной программы на языке Pascal дала возможность распараллелить

, расчеты и с помощью локальной сети задействовать вычислительные ресурсы нескольких компьютеров. Разработанное .программное обеспечение позволило организовать вычислительный кластер на основе обычной лабораторной локальной вычислительной сети и на порядок уменьшить время расчетов (по сравнению с использованием одного персонального компьютера).

Регрессионные модели замыкающих эмпирических соотношений, идентифицированные для первого эксперимента при расходе воздуха 20 м'/ч, имеют следующийвид:

Ка\(Тг, } = 7.44 • 10"* • ехр(- 7.87 ■ 1- Г, )+3.00 -1• ехр(- 2 - )+

2.00 ■ Ш"5 • Тг -ехр(- <р) )• ехр(-1.10 • КГ1 ■ )+ (6)

9.54-10-ехр(з.82 10~* >Г^)-е*р(о.21'Г, )+5.00-Ю~* ~

Ло1(Гд)-862-ехр(бЛ0-10-1-Г() (7)

^1;{Г1,оч[)»1.4010"1-ехр(-4.80.10'3-Г/)+2.20-]0":>'ехр(-2.2б.10-,.лжг}+ ЗЛО-Ю-' Г^-ехр{1.50.л^) е*р(-3.45-10*1-л^)+ (8)

28.23 • л,, • е*р(-6.18 • 10"4-Г,1ехр(-7.84 • Ю-1 - Ге )

Сравнение экспериментальных данных н результатов расчета для первого эксперимента приведено на рисунке 1.

Поскольку за время проведения первого эксперимента расход воздуха не изменялся, установить форму влияния расхода на замыкающие эмпирические соотношения модели по данным одного эксперимента не представляется возможным. Поэтому влияние массового расхода воздуха в на замыкающие эмпирические соотношения модели идентифицировано по данным второго эксперимента при расходе воздуха 11 м3/ч в виде:

Ка{Гг, ¥>„ б) = ехр(5.493 - С - 0.21 <)) ■ ЛГа , ) Ло(Г1,С)=ехр(б.137.С-0.234)Ло](Г1)

(9) (10) (И)

Проверка адекватности осуществлена по результатам-третьего эксперимента при расходе воздуха 15 мэ/ч. На основании проведенного моделирования дня третьего эксперимента и рассчитанных отклонений экспериментальных и модельных данных можно сделать вывод, что при проверке адекватности усредненные отклонения модели не вышли за диапазон отклонений, полученных при идентификации параметров регрессионной модели. Это позволяет сделать вывод, что модель адекватно описывает процесс тепломассообмена при вентиляции субстрата компостирования воздухом.

Рисунок 1 — Температура субстрата на уровне 0.1,0.6 и 1.1 м, экспериментальные данные и результаты расчета первого эксперимента 1 - температура субстрата на уровне 0.1 м, экспериментальные данные; 2-температура субстрата на уровне 0.1 м, расчетные данные;

3 — температура субстрата на уровне 0.6 м, экспериментальные данные;

4 - температура субстрата на уровне 0.6 м, расчетные данные;

5 — температура субстрата на уровне 1.1 м, экспериментальные данные; 6-температура субстрата на уровне 1.1 м, расчетные данные.

Анализируя проведенное моделирование экспериментов, можно отметить хорошее качественное (градиентное) н удовлетворительное количественное совпадение расчетных н экспериментальных данных. Из графиков видно, что среднее отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает 15%, хотя наряду с этим наблюдаются более высокие эпизодические кратковременные отклонения расчетных данных от экспериментально измеренных значений. Такие отклонения можно объяснить нарушением применимости аксиоматики сплошной среды для субстрата компостирования и погрешностями измерений. Тем не менее, модель основана на общих законах сохранения массы и теплоты и применима для оценки влияния управления на объект.

В пятой главе поставлена и решена задача условной оптимизации профиля дополнительной подачи воздуха, обеспечивающего наименьшую неоднородность скорости реакции вдоль оси биореактора, с использованием разработанной математической модели тепломассообмена.

Для сравнения исследуемых профилей подачи воздуха предложен критерий эквивалентности мощности охлаждения систем вентиляции С1Г11 в виде средненнтегралького расхода воздуха системы вентиляции.

Для сравнения систем вентиляции с различными профилями подачи воздуха предложен критерий, позволяющий оценить накопленную неоднородность скорости реакции с момента начала процесса:

т ■

(12)

' О

" О

(13)

Л-(0 = --)/(г,(*)иУя

-" О

н

Ограничения условной оптимизации включают в себя! условие непрерывности потока воздуха; ограничение на максимальный расход воздуха для субстрата компостирования; ограничение на минимальный расход воздуха из требований обеспечения аэробных условий процесса; эквивалентность мощности охлаждения сравниваемых систем вентиляции

Исходя из конструктивной реализации предложенной, системы вентиляции, профиль расхода задан в виде полинома 2 степени:

сМ-7<15>

Параметры В, С приняты независимыми переменными; параметр Л выражен из условия равенства эквивалентной мощности охлаждения, С учетом наложенных ограничений область определена область возможных значений параметров В, С.

Наибольшая температурная неоднородность вносится в процесс в режиме вентиляции биореактора свежим воздухом. Поэтому оптимизация бокового потока проводилась при моделировании режима вентиляции.

Результатом поиска стали следующие значения параметров А, В, С, обеспечивающие минимальное значение целевой функции: А в О, В = 0.059572, С = 0.000214. Отсюда с учетом (15) искомый профиль расхода воздуха: = 0.059572-*+0.000214, я{*)=0.059572. Графики изменения расхода воздуха вдоль оси биореактора для найденного субоптимального профиля подачи и традиционной системы вентиляции представлены на рисунке 2. Из графика видно, что минимальную неоднородность параметров процесса обеспечивает такой профиль подачи, при котором на единицу высоты биореактора обеспечивается дополнительная подача одинакового количества воздуха с заданными параметрами при выполнении требований аэробностн процесса на границе бнореакгора.

Отношение накопленной степени неоднородности ,/*{') для оптимального профиля подачи воздуха к профилю традиционной системы вентиляции приведено на рисунке 3. На рисунке видно, что неоднородность скорости процесса снижена на порядок для рассматриваемого примера. Поскольку полученная функция оптимального расхода воздуха представляет собой прямую, пет смысла исследовать полиномиальное задание функции со степенью более второй.

Рисунок 2 - Расход воздуха С(дг) для традиционной и предложенной системы вентиляции с оптимальным профилем подачи воздуха

Рисунок 3 —Накопленная степень неоднородности У'(/) для сравниваемых систем вентиляции в отношении к оптимальному профилю подачи воздуха

Показано, что конструкция системы вентиляции, реализующая такую подачу воздуха, обеспечивает наилучшую однородность скорости процесса компостирования вдоль оси биореактора при любых значениях мощности системы вентиляции и исходной концентрации разложимых органических веществ.

Моделирование систем вентиляции с различной мощностью охлаждения и исходной концентрацией разложимых органических веществ показало, что для обеспечения однородной скорости процесса компостирования вдоль оси биореактора необходимо и достаточно выполнения двух условий: однородности расположения точечных источников тепловыделения и влагообра-зования (что достигается тщательным перемешиванием субстрата) и использования профиля бокового потока с параметрами Л = В = -с), С = С„. Это дает возможность использовать одну и ту же конструкцию системы вентиляции для различной мощности охлаждения.

Для реализации на практике полученного оптимального профиля подачи воздуха предложена конструкция биореактора для проведения интенсивного процесса компостирования (рисунок 4).

На рисунке обозначены: 1 — корпус биореактора; 2 — перемешивающий, аэрирующий барабан; 3 — отверстия для аэрации

Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить управление основными параметрами процесса компостирования и уменьшить неоднородность параметров процесса за счет реализации оптимального профиля подачи воздуха. Техническая новизна предложенной конструкции подтверждена патентом РФ N»42821.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для периодического процесса компостирования в биореакторе оптимальным в смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности биореактора является управление, при котором в каждый момент времени поддерживается максимальная скорость процесса.

2. Управление системой вентиляции в режиме частичной рециркуляции является оптимальным в смысле качества получаемого продукта. Для режима полной рециркуляции возможно лишь квазиоптимальное управление системой вентиляции, обеспечивающее за один период управления максимальное разложение органического вещества и наиболее полное удаление продуктов метаболизма.

Для получения квазиоптнмального управления системой вентиляции в режиме полной рециркуляции может быть использован разработанный алгоритм, основанный на применении математической модели процесса компостирования. Использование разработанного алгоритма позволило снизить максимальную частоту переключения рабочего органа при сохранении качественных показателей получаемого продукта.

3. Разработана математическая модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции при дополнительной пода-

че воздуха с заданными параметрами.

Проведено экспериментальное исследование тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом при вентиляции. По данным эксперимента идентифицированы параметры и замыкающие эмпирические соотношения разработанной модели тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом при вентиляции, а также проведена проверка ее адекватности.

4. Решена задача условной оптимизации профиля расхода воздуха вдоль оси биореактора. Использование предлагаемой системы вентиляции с найденным субоптимальным профилем расхода воздуха позволяет снизить неоднородность скорости процесса компостирования по объему биореактора более чем на порядок. Это позволяет устранить недостатки существующих конструкций.

5. Показано, что конструкция системы вентиляции, реализующая такую подачу воздуха, обеспечивает наибольшую однородность скорости процесса компостирования вдоль оси биореактора при любых значениях мощности системы вентиляции и исходной концентрации разложимых органических веществ субстрата.

6. Предложена конструкция биореактора для интенсивного компостн-рованля органических отходов, отличающаяся конструкцией системы вентиляции и перемешивания субстрата. Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить управление основными параметрами процесса компостирования и уменьшить неоднородность параметров процесса за счет реализации оптимального профиля подачи воздуха. Техническая новизна предложенной конструкции подтверждена патентом РФ №42821.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

кт - температурно зависимая скорость процесса компостирования, кг разложенных органических веществ/(кг оставшихся органических вещества); км -

скорость процесса при Т=20 °С; - максимально возможная скорость процесса; Л/га(о) - масса органической фракции в начале процесса, кг; -масса органической фракции в момент времени 1 для оцениваемого процесса, кг; М™(г) — масса органической фракции в момент времени 1 для идеального процесса, кп <рг - влшосодержание газовой фазы, кг воды/кг воздуха; -влагосодержание субстрата, кг воды/кг субстрата; Т^ - температура газовой фазы, "С; Т, - температура субстрата, "С; рг - плотность сухого газа, кг/м3; ся - удельная теплоемкость сухого газа, Дж/(кг'К); ср, — удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кгК); с^ — удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); А — удельная теплота испарения воды, Дис/кг; — плотность субстрата, кг субстрата/м3; е - порозность субстрата, м3 пор/м3 субстрата; с^ - удельная теплоемкость субстрата, Дж/(кг*К); - влагосодержание подаваемого воздуха системы вентиляции, кг воды/кг воздуха; Г„ — температура подаваемого воздуха системы вентиляции, °С; <з(х) - профиль подачи воздуха в системе вентиляции как функция расхода воздуха в точке на высоте х от уровня загрузки субстрата, м3/ч; — производная профиля подачи воздуха,

= —{*), м3/ч; I - время процесса, с; х — расстояние от нижнего уровня ах

загрузки субстрата, м; Ка - скорость массопереноса между субстратом и газовой фазой, кг сухого вещества/(с-м3); Аа — скорость теплообмена между субстратом и газовой фазой, Дж/(с*м'-К); <г>* - равновесное влагосодержание субстрата при известных температуре и влагосодержании газовой фазы, кг воды/кг субстрата; С„ — коэффициент влагообразования, кг воды/кг разложенного органического вещества; Ис — теплота окисления разложимых органических веществ, Дж/кг; АГ„ — концентрация разложимых органических веществ, кг разложимых органических веществ/кг субстрата; J{l} — степень неоднородности скорости компостирования вдоль оси биореактора в момент

времени t; f{r,(x\t) - скорость процесса на высоте х от уровня загрузки субстрата в момент времени t; /^(1) - среднеинтегральная скорость компостирования вдоль оси биореакгора в момент времени t; А, В, С - параметры задания профиля расхода воздуха.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Московец АЛ., Усатиков C.B., Пиотровский ДЛ. Постановка задачи и анализ оптимального управления процессом компостирования, - Краснодар, 2004. -45 с. - Деп. в ВИНИТИ 06.12.04, № 1926-В2004.

2. Московец АЛ., Усатиков C.B. Оптимальное управление системой вентиляции биореактора при компостировании. — Краснодар, 2006. - 19 с. — Деп. в ВИНИТИ 25.09.06, № 1171-В2006.

3. Московец АЛ., Усатиков C.B., Пиотровский ДЛ. Уравнения состояния для модели тепломассообмена субстрата компостирования при дополнительной подаче воздуха с заданными параметрами. - Краснодар, 2006. -18 с. - Деп. в ВИНИТИ 25.09.06, № 1170-В2006.

4. Московец АЛ., Усатиков C.B. Идентификация и проверка адекватности модели тепломассообмена субстрата компостирования при неоднородной подаче воздуха системой вентиляции. — Краснодар, 2006. - 44 с. — Деп. в ВИНИТИ 25.09.06, № 1169-В2006.

5. Московец А.Л., Усатиков C.B. Оптимизация дополнительной подачи воздуха с целью снижения неоднородности скорости процесса компостирования в биореакторе. - Краснодар, 2006. - 22 с. - Деп. в ВИНИТИ 04.10.06, № 1200-В2006.

6. Патент РФ №42821, МПК7 С 05 F 17/02. Установка для приготовления компоста / ДЛ. Пиотровский, АЛ. Московец, Д.С. Щеголев. — 4 е.: ил.

7. Пиотровский ДЛ., Московец А.Л. Оптимальное управление процессом компостирования в биореакторе // Тезисы докладов Всероссийской

научно-практической конференции "Перспективы развития пищевой промышленности России". Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. с. 296 - 299.

8. Пиотровский Д.Л., Усатнков C.B., Московец АЛ. Экспериментальное исследование тепломассонереиоса в биореакторе компостирования // Промышленная автоматика. — 2006. — № 1, — С. 26 — 28,

9. Пиотровский Д.Л., Щеголев Д.С., Московец АЛ, Выбор и обоснование метода управления аппаратами по производству органических компо-стов//Научная мысль Кавказа. Приложение. - 2004. - № 12. - С. 134- 136.

10. Пиотровский Д.Л., Московец АЛ. Поддержание объема свободного газового пространства при интенсивном компостировании в биореакторе. -Краснодар, 2004. - б с. - Деп. в ВИНИГГИ 06.12.04, № 1927-В2004.

11. Пиотровский Д.Л., Асмаев М.П., Московец АЛ. Технологии, установки и системы управления для производства органических удобрений // Известия вузов. Пищевая технология. - 2004, - Jtè 5 - 6, С. 97 - 100.

12. Пиотровский ДЛ., Щеголев Д.С., Московец А,Л. Характеристика биогумуса как органического удобрения // Научная мысль Кавказа. Приложение. -2004.-Хз 8.-С. 119-122.

Отпеч. ООО «Фирма Тамзи» Зак.Лг 1276тираж 100 экз. ф А5, (" Краснодар, уя. Паш ко ее гая. 79 Тел 255-73-16

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И УСТАНОВОК

КОМПОСТИРОВАНИЯ

1.1 Актуальность компостирования органических отходов

1.2 Основные аспекты компостирования органических отходов

1.2.1 Экологические аспекты компостирования

1.2.2 Микробиологические аспекты компостирования

1.2.3 Стадии процесса компостирования

1.3 Основные параметры процесса компостирования и методы управления

1.3.1 Основные параметры процесса компостирования

1.3.2 Управление температурой субстрата

1.3.3 Управление влажностью субстрата

1.3.4 Управление концентрацией кислорода

1.3.5 Однородность параметров процесса компостирования

1.4 Анализ существующих технологий, установок и систем управления процессом компостирования

1.4.1 Анализ технологий компостирования

1.4.2 Анализ конструкций и систем управления биореакторами для проведения компостирования

1.5 Постановка задачи исследования Выводы по 1 главе

2 ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ПРИ КОМПОСТИРОВАНИИ

2.1 Постановка и решение задачи оптимального управления процессом компостирования

2.2 Оптимальное управление системой вентиляции биореактора

2.3 Разработка алгоритма квазиоптимального управления системой вентиляции в режиме полной рециркуляции

2.4 Математическая модель биореактора HERHOF™ 43 « 2.5 Апробация разработанного алгоритма квазиоптимального управления системой вентиляции на примере биореактора HERHOF™ Выводы по 2 главе

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА СУБСТРАТА КОМПОСТИРОВАНИЯ С ВОЗДУХОМ СИСТЕМЫ 56 ВЕНТИЛЯЦИИ

3.1 Разработка математической модели тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции

3.1.1 Постановка задачи моделирования

3.1.2 Функциональное представление потока воздуха системы вентиляции вдоль вертикальной оси биореактора

3.1.3 Уравнение модели изменения влагосодержания газовой фазы

3.1.4 Уравнение модели изменения влагосодержания субстрата

3.1.5 Уравнение модели изменения температуры газовой фазы

3.1.6 Уравнение модели изменения температуры субстрата

3.1.7 Уравнения состояния математической модели тепломассообмена 66 3.2 Необходимые параметры модели и эмпирические соотношения 67 Выводы по 3 главе

4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ ♦ ТЕПЛОМАССООБМЕНА СУБСТРАТА КОМПОСТИРОВАНИЯ С 70 ВОЗДУХОМ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ

4.1 Экспериментальное исследование тепломассообмена при компостировании

4.2 Идентификация параметров регрессионной модели

4.3 Проверка адекватности модели 104 Выводы по 4 главе

5 СНИЖЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

КОМПОСТИРОВАНИЯ В БИОРЕАКТОРЕ

5.1 Постановка задачи оптимизации профиля подачи воздуха вдоль оси биореактора для разработанной системы вентиляции

5.2 Решение задачи оптимизации профиля подачи воздуха и анализ полученных результатов * 5.3 Описание предложенной конструкции биореактора

Выводы по 5 главе

В настоящее время ежегодно в пахотных почвах России в среднем минерализуется около 64 млн. тонн гумуса, а восполняется только 27 млн. тонн. Дефицит гумуса составляет 37 млн. тонн [87]. За десять лет содержание гумуса в почвах Краснодарского края уменьшилось на 0,16 % и составило в 2003 году 3,77 %. Вынос растениями элементов питания из почвы компенсируется внесением удобрений и пожнивными остатками только на одну треть [48]. Объясняется указанное обстоятельство резким снижением объемов производства и внесения органических удобрений. Так, за последние 10 лет объем внесения органических удобрений в Краснодарском крае снизился в 6,3 раза и составил в 2004 году 3550 тыс. тонн, или около одной тонны удобрений на один гектар посевной площади. Аналогичная ситуация сложилась и по стране, где на гектар посевной площади вносится всего 0,9 тонн органических удобрений [81]. Вносимые органические удобрения оказывают прямое действие на все свойства почвы (физические, физико-механические, физико-химические) и ее биологическую активность [59], а также на баланс органического вещества, переходя частично в форму гумусовых соединений. Минеральные удобрения таким эффектом не обладают. Создание бездефицитного, а тем более положительного баланса органического вещества в почве представляет обязательное условие интенсификации земледелия страны [87].

Переработка отходов животноводства и растениеводства в органическое удобрение путем аэробного компостирования позволяет решить проблему утилизации отходов и получить ценное органическое удобрение [75] для восстановления баланса органического вещества в почве. Эта технология получила широкое распространение во многих странах.

Целью диссертационной работы является оптимальное управление системой вентиляции при периодическом процессе компостирования в биореакторе с использованием модели процесса и снижение неоднородности параметров процесса за счет управления дополнительной подачей воздуха с исходными параметрами.

В диссертации рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации процесса производства компоста, сформулированы критерии, которым должна удовлетворять система автоматического управления данным процессом. Проведенный с этих позиций критический анализ промышленных систем автоматизации процесса производства компоста, а также существующих технических решений в этой области указал на недостатки конструкций биореакторов и систем управления процессом компостирования.

Работа логически разделена на две основные части. В первой части (2 глава) разработано оптимальное управление системой вентиляции биореактора в смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности биореактора. Показано, что работа системы вентиляции в режиме частичной рециркуляции удовлетворяет требованиям оптимального управления. Для режима полной рециркуляции предложен алгоритм управления, основанный на модели процесса. Использование алгоритма позволило снизить нагрузку на регулирующий орган при сохранении качества получаемого продукта.

Во второй части работы (3-5 главы) построена математическая модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции, на основе которой снижена неоднородность параметров процесса за счет управления подачей воздуха с заданными параметрами вдоль оси биореактора.

Диссертация выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов (АПП) Кубанского Государственного технологического университета (КубГТУ). Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Кубанского государственного технологического университета на 2001.2005 г.г. по теме 8.1.01-05, «Автоматизированное управление техническими и технологическими объектами», § 47.

Результаты работы реализованы в биореакторе - установке для производства компоста, и системе автоматического управления процессом производства компоста, прошедших испытание на производственной базе Федерального государственного учреждения «Краснодарский экспериментальный центр биологической защиты растений».

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- поставлена и решена задача оптимального управления системой вентиляции при компостировании в биореакторе в смысле максимизации качества получаемого продукта либо улучшения режима работы системы автоматики при неизменной производительности биореактора;

- разработана модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции;

- поставлена и решена задача оптимального управления дополнительным потоком воздуха системы вентиляции с заданными параметрами в смысле снижения неоднородности скорости процесса компостирования по объему субстрата.

Практическая ценность работы состоит в разработке алгоритма квазиоптимального управления системой вентиляции биореактора в режиме полной рециркуляции; снижении неоднородности скорости процесса компостирования по объему субстрата за счет управления дополнительным потоком воздуха. На защиту выносятся:

- алгоритм квазиоптимального управления системой вентиляции биореактора в режиме полной рециркуляции;

- модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции, учитывающая дополнительную подачу воздуха с заданными параметрами;

- управление подачей дополнительного потока воздуха с заданными параметрами для снижения неоднородности процесса компостирования по объему биореактора.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность заведующему кафедры АПП КубГТУ, профессору, д.т.н., М.П. Асмаеву; научному руководителю, доценту, к.т.н., Д.Л. Пиотровскому; доценту, к.т.н., В.А. Хазнаферову и коллективу кафедры АПП; профессору кафедры общей математики КубГТУ, д.ф.-м.н., С.В. Усатикову; коллективу Федерального государственного учреждения «Краснодарский экспериментальный центр биологической защиты растений»; ООО «ГИФ» и лично В.В. Горбачеву; ООО «КИП-Сервис»; ОСАО «Россия» и лично Ю.В. Щукину, а также своей семье за доброжелательное отношение, помощь и поддержку при написании работы.

Выводы по 3 главе

1. Получена математическая модель тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции, учитывающая дополнительную подачу воздуха с заданными параметрами, в виде системы дифференциальных уравнений, описывающих тепловой и массовый баланс двухфазной среды для традиционной и предложенной систем вентиляции.

2. По аналитическому виду моделей сделан вывод о снижении неоднородности параметров процесса при использовании предложенной системы вентиляции.

3. Определен перечень необходимых параметров и эмпирических соотношений, требующих идентификации для субстрата компостирования: е, ps, cps, ha{rg,G), Ka(Tg,<ps), (p's{rg,awg). Это составляет задачу экспериментального исследования тепломассообмена воздуха системы вентиляции с субстратом компостирования.

4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА СУБСТРАТА КОМПОСТИРОВАНИЯ С ВОЗДУХОМ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ

Для идентификации регрессионной модели эмпирических соотношений ha(Tg,G), Ka(Tg,<ps) и <p's(Tg,awg) в случае субстрата компостирования необходимо провести экспериментальное исследование тепломассообмена. Далее по экспериментальным данным необходимо провести идентификацию модели поисковыми методами и проверить адекватность полученной модели.

4.1 Экспериментальное исследование тепломассообмена при компостировании

Для идентификации неизвестных эмпирических соотношений разработанной модели в случае субстрата компостирования был разработан и проведен эксперимент [80]. Задачей проведения эксперимента стало: в условиях, идентичных компостированию в биореакторе, организовать тепломассообмен в двухфазной среде и зарегистрировать параметры процесса для последующей идентификации регрессионной модели эмпирических соотношений ha[Tg,G),

Ka(Tg,<ps)n/p](Tg,awg).

Как показано в [49, 68], биологические процессы при компостировании могут быть представлены как точечные источники тепловыделения и влагооб-разования на основе стандартных выражений (2.4) - (2.11). Поскольку задачей эксперимента является исследование физических свойств исходного субстрата компостирования, биологические процессы были исключены за счет использования биологически инертного субстрата.

В качестве биологически инертного субстрата, идентичного субстрату компостирования, использовалась смесь соломы пшеницы и земли, увлажненная водой. Земля использовалась как биологически инертный имитатор, близкий по своим физическим свойствам к органическому веществу субстрата компостирования.

Пропорции исходных материалов были взяты согласно [68, 89]: массовое отношение соломы и земли - 3,5:1; влажность - 65-75%. Размер частиц соломы-до 100 мм [68].

Основное отличие физических свойств субстрата компостирования в условиях лабораторного эксперимента и промышленного биореактора интенсивного компостирования с вертикальным расположением рабочей емкости заключается во влиянии уплотнения на плотность и пористость субстрата. Влияние этого фактора в эксперименте учтено путем измерений данных параметров субстрата.

Большое влияние оказывают также потери теплоты через стенки биореактора. Это обуславливается различным соотношением площади теплообмена через стенки к объему субстрата. В работе [7] показано, что для промышленного биореактора теплообмен через стенки биореактора может составлять 4 - 10% от теплового баланса, в то время как для лабораторного реактора - доходить до 65%. В данном исследовании влияние теплообмена через стенки биореактора было минимизировано с помощью теплоизоляции стенок слоем стекловаты толщиной 50 мм.

Объем исследуемого субстрата выбран из следующих соображений. Поскольку основные различия физических свойств субстрата в промышленном и экспериментальном процессе учтены, основным результатом измерений в эксперименте является распределенность параметров субстрата. Поэтому основное внимание было уделено обеспечению достаточной толщины слоя для регистрации распределенности параметров субстрата (температуры и влагосодержания). Из этих соображений толщина слоя была выбрана равной 1,2 м с расположением датчиков температуры на высоте 0,1, 0,6 и 1,1 м от уровня загрузки субстрата.

Тепломассообмен происходил в экспериментальном биореакторе при принудительной вентиляции субстрата нагретым воздухом. Эксперимент проводился с использованием традиционной системы вентиляции при постоянном расходе воздуха. Расход воздуха согласно данным [68] изменялся в пределах от 0,020 до 0,060 кг сухого воздуха/(с-м ).

Регистрировались следующие параметры процесса:

- расход воздуха системы вентиляции;

- температура воздуха на входе и выходе биореактора;

- влажность воздуха на входе и выходе биореактора;

- температура субстрата в 3 точках;

- влажность субстрата до начала эксперимента;

- влажность верхнего слоя субстрата после эксперимента;

- влажность нижнего слоя субстрата после эксперимента.

Описание проведенных экспериментов и схема автоматизации лабораторной установки приведены в приложении В.

Обработка экспериментальных данных проводилась в пакете Mathcad 2000 (MathSoft, Inc, США, 1999) - рассчитывались тепловой и массовый баланс эксперимента по формулам: где л: - расстояние точки измерения от нижнего уровня загрузки субстрата, м;

Т, - время моделирования процесса, с. т„

4.1) = - JG(/) • [(с^ - | (0 + cpv - | (/) - | (Г))

4.2) 0

Было проведено 3 эксперимента: Э1, Э2 и ЭЗ, отличавшиеся тепловым режимом и расходом воздуха. Графики полученных экспериментальных данных приведены на рисунках 4.1 - 4.9. Экспериментальные данные приведены в таблице 4.1.

80 с

60 А

50 40 30 20 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 240 t -► МИН

Рисунок 4.1 - Температура воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент Э1

1 - температура воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - температура воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - температура воздуха на выходе реактора, ИВА-6А.

1

1

2

- - - ---- ----- кг/кг

0015 pt: 0.005 О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 240 t ^ МИН

Рисунок 4.2 - Абсолютная влажность воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент Э1

1 - абсолютная влажность воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, ИВА-6А.

Рисунок 4.3 - Температура субстрата на уровне 0,1, 0,6 и 1,1 м, эксперимент Э1 1 - температура субстрата на уровне 0,1 м;

80 с

60

50 40 30 20 т lg 10 О

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

МИН t-►

Рисунок 4.4 - Температура воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент Э2

1 - температура воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - температура воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - температура воздуха на выходе реактора, ИВА-6А.

Рисунок 4.5 - Абсолютная влажность воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент Э2

1 - абсолютная влажность воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, ИВА-6А.

Рисунок 4.6 - Температура субстрата на уровне 0,1, 0,6 и 1,1 м, эксперимент Э2 1 - температура субстрата на уровне 0,1 м;

2 3 С

60

50 40 30 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

МИН

Рисунок 4.7 - Температура воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент ЭЗ

1 - температура воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - температура воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - температура воздуха на выходе реактора, ИВА-6А. '

1 1 3 ^ ™

---.г.' . . |

2 1 о'---------

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 t -► МИН

Рисунок 4.8 - Абсолютная влажность воздуха на входе и выходе реактора для датчиков психрометра и контрольного ИВА-6А, эксперимент ЭЗ

1 - абсолютная влажность воздуха на входе реактора, датчик психрометра;

2 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, датчик психрометра;

3 - абсолютная влажность воздуха на выходе реактора, ИВА-6А.

Рисунок 4.9 - Температура субстрата на уровне 0,1, 0,6 и 1,1м, эксперимент ЭЗ 1 - температура субстрата на уровне 0,1 м;

1. A composting apparatus with internal transport system : пат. WO 02/16288 : МПК7 С 05 F 17/02.-2000.

2. Ashley, V. M. Evaluating strategies for overcoming overheating problems during solid state fermentation in packed bed bioreactors / D. A. Mitchell, T. Howes // Biochemical Engineering Journal. 1999. - № 3. - C. 141-150.

3. Bertoldi, M. Comparison of three windrow compost systems / G. Vallini,

4. A. Pera, F. Zucconi // Biocycle. 1982. - № 23. - C. 45-50.

5. Bari, Q. H. Kinetic analysis of forced aeration composting II. Application of multilayer analysis for the prediction of biological degradation / Q. H. Bari, A. Koenig // Waste Management & Research. 2000. - № 18. - C. 313-319.

6. Bach, P. D. Thermal Balance in Composting Operations / K. Nakasaki, M. Shoda, H. Kubota // J. Ferment. Technol. 1987. - T. 65. - № 2. - C. 199-209.

7. Becker, G. Der Rottegrad als Gewahrleistungskriterium fur Kompos-tierungsanlagen // Dissertation. 1997. - Universitat-Gesamthochschule Essen. -Fachgebiet Bauwesen. - Essen. - Germany (self-publisher).

8. Calcada, L. A. Secagem de materiais granulares porosos // Phd Thesis. -1998. Universidade Federal de Rio de Janeiro. - Rio de Janeiro. - Brasil.

9. Calado, V. M. A. Secagem de cereais em leito fixo e fluxos cruzados // Phd Thesis. 1993. - Universidade Federal de Rio de Janeiro. - Rio de Janeiro. - Brasil.

10. Dennison, С. L. Modelling and monitoring of a Herhof biodegradation system // Master's Thesis. 1998. - University of Guelph. - Guelph. - Canada.

11. Finstein, M. S. Composting ecosystem management for waste treatment / F. C. Miller, P. F. Strom // Bio Technology. 1983. - Т. 1. - № 4. - C. 347-353.

12. Gray, K. R. Review of composting. II. The practical process / K. Sherman, A. J. Biddlestone // Processes Biochemistry. 1971. - T. 6. - № 10. C. 2228.

13. Haug, R. T. The Practical Handbook of Compost Engineering. Lewis Publishers. - England. - 1993.

14. Haug, R. T. Composting process design criteria: part IH-aeration // Biocy-cle. 1986. - № 27. - C. 53-57.

15. Haug, R. T. Compost Engineering: Principles and Practice. Ann Arbour Science Publishers, Inc. - USA. - 1980.

16. Hamelers, H. V. M. Modeling composting kinetics: A review of approaches // Reviews in Environmental Science and Biotechnology. 2004. - № 3. -C.331-342.

17. Jeris, J. S. Controlling Environmental Parameters for Optimum Composting. II. Moisture, Free Air Space and Recycle / W.R. Regan // Compost Science. -1973.-T. 14. № 2. - C. 8-15.

18. Liang, C. The influence of temperature and moisture contents regimes on the aerobic microbial activity of a biosolids composting blend / C. Liang, К. C. Das, R. W. McClendon // Bioresource Technology. 2003. - № 86. - C. 131-137.

19. Apsite, A. F. Solid-substrate fermentation of wheat straw to fungal protein / J. J. Laukevics, U. E. Viesturs, R. P. Tengerdy // Biotechnol Bioeng. 1984. - № 26. - C. 1465-1474.

20. Lonsane, В. К. Scale-up strategies for solid-state fermentation / В. K. Lonsane, G. Saucedo-Castaneda, M. Raimbault, S. Roussos, G. Viniegra-Gonzalez, N. P. Ghildyal // Proc Biochem. 1992. - № 27. - C. 259-273.

21. Lide, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics . 1997. - England.

22. Method and machine for decomposing organic waste : пат. WO 00/02832 : МПК6 С 05 F 3/06. 1998.

23. Mitchell, D. A. Biochemical Engineering Aspects of Solid State Bioproc-essing / D. A. Mitchell, M. Berovic, N. Krieger // Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 2000. - № 68. - C. 61-138.

24. Millier, F. C. Composting process control based on interaction between microbial heat output and temperature / M. S. Finstein, S. T. MacGregor, К. M. Psar-ianos //Appl. Eniviron. Microbiol. 1981. -№ 41. - C. 1321-1330.

25. Mancini, M. C. Transferencia de massa em secadores de graos // Phd Thesis. 1996. - Universidade Federal de Rio de Janeiro. - Rio de Janeiro. - Brasil.

26. Mitchell, D. A. Scale-up strategies for packed-bed bioreactors for solid-state fermentation / D. A. Mitchell, A. Pandey, P. Sangsurasak, N. Krieger // Process Biochem. 1999.-№ 35.-C. 167-178.

27. Mitchell, D. A. Mathematical modeling as a tool to investigate the design and operation of the Zymotis packed-bed bioreactor for solid-state fermentation / D. A. Mitchell, O. F. von Meien // Biotechnol Bioeng. 2000. - № 68. - C. 127-135.

28. Mason, I. G. Mathematical modelling of the composting process: A review // Waste Management. 2006. - T. 26. - № 2. - C. 3-21.

29. MacDonald, L. Physical and Mathematical Modelling of the Composting Process // Master's Thesis. 1995. - University of Guelph. - Guelph. - Canada.

30. Nakasaki, К. A New Composting Model and Assessment of Optimum Operation for Effective Drying of Composting Material / K. Nakasaki, J. Kato, T. Akiyama, H. Kubota // J. Ferment. Technol. 1987. - T. 65. - № 4. - C. 441^147.

31. Nagel, F. J. I. Temperature Control in a Continuously Mixed Bioreactor for Solid-State Fermentation / F. J. I. Nagel, J. Tramper, M. S. N. Bakker, A. Rinzema // Biotechnol Bioeng. 2001. - T. 72. - C. 219-230.

32. Narahara, H. Control of water content in a solid-state culture of Aspergillus oryzae / H. Narahara, Y. Koyama, T. Yoshida, P. Atthasampunna // J. Ferment Technol. 1984. - № 62. - C. 453-459.

33. Robinson, J. J. Improving the aerated static pile composting method by incorporation of moisture control / J. J. Robinson, E. I. Stentiford // Compost Science Utilization. 1993. - № 1. - C. 52-68.

34. Ryoo, D. Evaporative temperature and moisture control in a rocking reactor for solid substrate fermentation / D. Ryoo, V. G. Murphy, M. N. Karim, R. P. Tengerdy // Biotechnol Techn. 1991. - № 5. - C. 19-24.

35. Saucedo-Castaneda, G. Heat transfer simulation in solid substrate fermentation / G. Saucedo-Castaneda, M. Gutierrez-Rojas, G. Bacquet, M. Raimbault, G. Viniegra-Gonzalez // Biotechnol Bioeng. 1990. - № 35. - C. 802-808.

36. Sargantanis, J. Effect of operating conditions on solid-substrate fermentation / J. Sargantanis, M. N. Karim, V. G. Murphy, D. Ryoo, R. P. Tengerdy // Biotechnol Bioeng. 1993. - № 42. - C. 149-158.

37. Sangsurasak, P. Validation of a model describing 2-dimensional heat transfer during solid-state fermentation in packed bed bioreactors / P. Sangsurasak, D. A. Mitchell // Biotechnol Bioeng. 1998. - № 60. - C. 739-749.

38. Ginkel, van J. T. Physical Properties of Composting Material: Gas Permeability, Oxygen Diffusion Coefficient and Thermal Conductivity / I. A. van Haneghem, P. A. C. Raats // Biosystems Engineering. 2002. - T. 81. - № 1. - C. 113-125.

39. Verfahren zur Kompostierung von Abfallen und Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens : пат. DE 4021868 А1 Германия : МПК5 С 05 F 9/00 / заявитель и патентообладатель Herhof-Umwelttechnik GmbH ; заявл. 09.07.1990 ; опубл. 14.11.1991.

40. Verfahren und Vorrichtung zur Abfallkompostierung : пат. DE 3637393 C2 Германия : МПК4 С 05 F 9/00 / заявитель и патентообладатель Hofmann, Hermann ; заявл. 20.08.1987 ; опубл. 22.06.1989.

41. Methodenbuch zur Analyse von Kompost // Bundesgiitegemeinschaft Kompost Verlag. Stuttgart. - Germany. - 1998.

42. Municipal Composting Feasibility Study // Cardiff University, 2001. -England. -130 c.

43. Yamada, Y. Aerobic composting of waste activated sludge: Kinetic analysis for microbiological reaction and oxygen consumption / Y. Kawase // Waste Management. 2006. - T. 26. - № 1. - C. 49-61.

44. Агропромышленный комплекс Краснодарского края. Краснодар: Агропромполиграфист, 2004. - 30 с.

45. Устройство для приготовления органоминеральных удобрений : пат. 2020783 Рос. Федерация : МПК6, А 01 С 3/00, С 05 F 3/06 / Бацанов И. Н., Посталов И.Ш., Воинов А.Н.; заявл. 11.03.1992 ; опубл. 15.10.1994.

46. Бацанов, И. Н. Уборка и утилизация навоза на свиноводческих комплексах / Лукьяненков И. И // М.: Россельхозиздат, 1977. 160 с.

47. Болтянский, В. Г. Математические методы оптимального управления // М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. 408 с.

48. Выпирайло, А. Г. Методы переработки и обеззараживания навоза / А. А. Ковалев, В. П. Лосяков // Алма-Ата : Экспресс-информ КазНИИНТИ, 1980. -Вып. 117 (751).-36 с.-Серия 21.10.

49. Васильев, В. А. Применение бесподстилочного навоза для удобрения / М. М. Швецов // М.: Колос, 1983.- 174 с.

50. Долгов, В. С. Гигиена уборки и утилизации навоза // М. : Россель-хозиздат, 1984. 175 с.

51. Звягинцев, Д. Г. Современные проблемы экологии почвенных микроорганизмов // Алма-Ата : Микробиология окружающей среды, 1980. с. 6578.

52. Зубко, Б. И. Особенности технологии переработки и обеззараживания жидкого навоза в процессе анаэробно-метанового сбраживания / А. П. Новосельская, Ю. А. Драч // Киев : Биологическая переработка: Тез. докл. совещ., 1983.-с. 91-93.

53. Коваленко, В. П. Механизация обработки бесподстилочного навоза // М.: Колос, 1985. 156 с.

54. Лыков, А. М. Гумус и плодородие почвы // М.: Московский рабочий, 1985.- 192 с.

55. Лер, Р. Переработка и использование сельскохозяйственных отходов : пер. с англ. / под. ред. А. Н. Шамко // М.: Колос, 1979. 415 с.

56. Леонтьев, П. И. Зависимость количества выделяемой при фильтровании влаги от длины ротора / А. П. Рухленко // Механизация и электрификация сел. хоз-ва, 1978. № 10. - С. 28-29.

57. Установка для переработки органических отходов в компост : пат. 2214991 Рос. Федерация : МПК7 С 05 F 3/06 / Лужков Ю. М.; заявл. 10.12.2002 ; опубл. 27.10.2003.

58. Методические рекомендации по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза и помета // М.: -Колос, 1983.-61 с.

59. Новиков, В. М. Механизация уборки и утилизации навоза / В. В. Игнатова, Ф. Ф. Костанди и др.; под ред. Ф. Ф. Костанди // М.: Колос, 1982. 285 с.

60. Олейников, В. А. Основы оптимального и экстремального управления / Н. С. Зотов, А. М. Пришвин // М.: Высшая школа, 1989. 296 с.

61. Петренко, И. М. Процессы компостирования отходов животноводства и растениеводства: Монография // Кубан. гос. аграр. ун-т. Краснодар: Изд. КубГАУ, 2002. - 328 с.

62. Пузанков, А. Г. Обеззараживание стоков животноводческих комплексов / Г. А. Мхитарян, И. Д. Гришаев // М.: Агропромиздат, 1986. 175 с.

63. Попов, П. Д. Органические удобрения: Справочник / В. И. Хохлов, А. А. Егоров // М.: Агропромиздат, 1998. 206 с.

64. Письменов, В. Н. Уборка, транспортировка и использование навоза // М.: Россельхозиздат, 1975. 200 с.

65. Плановский, А. Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / Николаев П. И. // М. : Издательство «Химия», 1972. 496 с.

66. Пиотровский, Д. JI. Управление процессами производства органических компостов: Монография / Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар: Изд. Куб-ГТУ, 2004.-62 с.

67. Пиотровский, Д. J1. Технологии, установки и системы управления для производства органических удобрений / М. П. Асмаев, A. JI. Московец // Известия вузов. Пищевая технология, 2004. № 5-6, с. 97-100.

68. Пиотровский, Д. J1. Характеристика биогумуса как органического удобрения / Д. С. Щеголев, A. J1. Московец // Научная мысль Кавказа. Приложение. 2004. - № 8. - С. 119 - 122.

69. Пиотровский, Д. JI. Выбор и обоснование метода управления аппаратами по производству органических компостов / Д. С. Щеголев, A. JI. Московец // Научная мысль Кавказа. Приложение, 2004. № 12, с. 134-136.

70. Пиотровский, Д. JI. Экспериментальное исследование тепломассопе-реноса в биореакторе компостирования / С. В. Усатиков, А. Л. Московец // Краснодар, Промышленная автоматика. 2006. - № 1. - С. 26 - 28.

71. Сельское хозяйство России // М. : ФГНУ "Росинформагротех", 2004.-40 с.

72. Севернев, М. М. Важнейшие направления энергосбережения в сель-скохозяйственом производстве // М.: Техника в сел. хоз-ве, 1989, № 3. С. 3-5.

73. Савин, В. Д. Механизация подготовки к использованию органических отходов ферм и комплексов : Обзор, информ. / В. М. Шрамков, Е. И. Жирков и др // М.: ВНИИТЭИагропром, 1992. 44 с.

74. Сурнин, В. И. Использование жидкого навоза // М.: Россельхозиздат, 1978.-64 с.

75. Сю, Д. Современная теория автоматического управления и ее применение ; перевод с англ. ; под ред. д-ра техн. наук проф. Ю. И. Топчеева / А. Мейер // М.: Машиностроение, 1972. С. 544.

76. Тиво, П. Ф. Эффективное использование бесподстилочного навоза / С. Г. Дробот // Минск: Ураджай, 1988. 116 с.

77. Федеральная целевая программа «Повышение плодородия почв России на 2002.2005 годы» // М., 2001. 72 с.

78. Фокина, В. Д. Переработка навоза в биогаз / А. Н. Хитров // М. : НИИТЭИСХ, 1981.-50 с.

79. Экологическая биотехнология ; пер. с англ.; под ред. К. Ф. Форстера, Д. А. Дж. Вейза // JI.: Химия, 1990. Пер. изд.: Великобритания, 1987. - 384 с.: ил.

80. Чудин, Е. И. Тенденции развития оборудования для удаления, хранения и переработки навоза за рубежом : Обзор информ. // М. : ЦНИИТЭИ «Сельхозтехника», 1976. 25 с.

81. Краткий физико-технический справочник ; под ред. К. П. Яковлева // М.: ФизМатГиз, 1960. Т. 1. - 446 с.