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Effect of organic loading rate on anaerobic digestion of raw cheese whey: experimental evaluation and mathematical modeling
International Journal of Chemical Reactor Engineering ( IF 1.6 ) Pub Date : 2020-08-06 , DOI: 10.1515/ijcre-2020-0022
Jazael G. Moguel-Castañeda 1, 2 , Michelle González-Salomón 1 , Hector Hernández-García 3 , Epifanio Morales-Zarate 1 , Hector Puebla 2 , Eliseo Hernandez-Martinez 1
Affiliation  

Abstract Whey is a high strength waste product of cheese manufacture. Anaerobic digestion of cheese allows pollution potential reduction and simultaneously energy production. Organic loading rate (OLR) is an important operating variable for anaerobic digestion (AD) process related to system stability, waste treatment capacity and biogas production. The actual OLR depends on the types of wastes (i.e., content of chemical oxygen demand [COD]) fed into a digester. In this paper, the effect of OLR on the AD process of the raw cheese whey in a semi-continuous up-flow system is studied experimentally and with numerical simulations using a simple dynamical model calibrated with experimental data. The digester operation was performed for 90 days, doubling the OLR every 30 days, from OLR of 2.5–10 gCOD L−1 d−1. Experimental results show that the increase in OLR favors the production of biogas. However, the proportion of methane may decrease. The highest methane yield and the most considerable substrate degradation were obtained at OLR of 5 gCOD L−1 d−1 and 10 gCOD L−1 d−1, respectively. The proposed mathematical model is used to describe the dynamic behavior of key variables as COD, volatile fatty acids (VFA) and methane production. A good fit between the variables estimated by the mathematical model and experimental data was obtained, reaching determination coefficients (R2) greater than 0.8. Therefore, this model might be beneficial in predicting the maximum methane production rate and the maximum OLR that could be used without risking the AD process stability.

中文翻译:

有机负荷率对生奶酪乳清厌氧消化的影响:实验评价和数学建模

摘要 乳清是奶酪生产过程中的一种高强度废品。奶酪的厌氧消化可以减少污染潜力并同时产生能量。有机负荷率 (OLR) 是与系统稳定性、废物处理能力和沼气生产相关的厌氧消化 (AD) 过程的重要操作变量。实际的 OLR 取决于送入消化器的废物类型(即化学需氧量 [COD] 的含量)。在本文中,OLR 对半连续上升流系统中生奶酪乳清的 AD 过程的影响进行了实验研究,并使用一个简单的动力学模型进行了数值模拟,该模型用实验数据校准。蒸煮器操作进行了 90 天,每 30 天将 OLR 加倍,OLR 为 2.5–10 gCOD L-1 d-1。实验结果表明,OLR 的增加有利于沼气的生产。然而,甲烷的比例可能会减少。分别在 5 gCOD L-1 d-1 和 10 gCOD L-1 d-1 的 OLR 下获得最高的甲烷产量和最显着的底物降解。提出的数学模型用于描述关键变量的动态行为,如 COD、挥发性脂肪酸 (VFA) 和甲烷产量。数学模型估计的变量与实验数据拟合良好,决定系数 (R2) 大于 0.8。因此,该模型可能有助于预测可使用的最大甲烷生产速率和最大 OLR,而不会危及 AD 过程的稳定性。分别在 5 gCOD L-1 d-1 和 10 gCOD L-1 d-1 的 OLR 下获得最高的甲烷产量和最显着的底物降解。提出的数学模型用于描述关键变量的动态行为,如 COD、挥发性脂肪酸 (VFA) 和甲烷产量。数学模型估计的变量与实验数据拟合良好,决定系数 (R2) 大于 0.8。因此,该模型可能有助于预测可使用的最大甲烷生产速率和最大 OLR,而不会危及 AD 过程的稳定性。分别在 5 gCOD L-1 d-1 和 10 gCOD L-1 d-1 的 OLR 下获得最高的甲烷产量和最显着的底物降解。提出的数学模型用于描述关键变量的动态行为,如 COD、挥发性脂肪酸 (VFA) 和甲烷产量。数学模型估计的变量与实验数据拟合良好,决定系数 (R2) 大于 0.8。因此,该模型可能有助于预测可使用的最大甲烷生产速率和最大 OLR,而不会危及 AD 过程的稳定性。提出的数学模型用于描述关键变量的动态行为,如 COD、挥发性脂肪酸 (VFA) 和甲烷产量。数学模型估计的变量与实验数据拟合良好,决定系数 (R2) 大于 0.8。因此,该模型可能有助于预测可使用的最大甲烷生产速率和最大 OLR,而不会危及 AD 过程的稳定性。提出的数学模型用于描述关键变量的动态行为,如 COD、挥发性脂肪酸 (VFA) 和甲烷产量。数学模型估计的变量与实验数据拟合良好,决定系数 (R2) 大于 0.8。因此,该模型可能有助于预测可使用的最大甲烷生产速率和最大 OLR,而不会危及 AD 过程的稳定性。
更新日期:2020-08-06
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