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哈利·J·达德利。;鲁，鲁;任志勇Jason;大卫·M·博茨。

微生物电解槽微分代数方程模型的灵敏度和分岔分析。 （英语） Zbl 1414.37037号

SIAM J.应用。动态。系统。 18，编号2，709-728（2019）。
摘要：微生物电解电池（MEC）是一种廉价、高效、可持续的制氢新技术。在这些设备中，电活性细菌氧化可生物降解的基质，并在外部电路中产生电流。电流在阳极和阴极之间产生电位差，使质子还原形成氢气。产甲烷古菌通过竞争可用底物并产生甲烷来降低系统的效率。为了更好地理解这些器件，我们提出了一个具有电流代数关系的MEC的微分代数方程（DAE）模型。然后，我们对DAE系统进行灵敏度和分岔分析。该模型既可以应用于感兴趣量为最大电流密度的间歇循环MEC，也可以应用于连续流MEC，其中感兴趣量是稳定平衡点处的电流密度间歇循环MEC电流密度数据的模拟。灵敏度分析表明，在实验过程中的特定时间，哪些参数对电流密度影响最大。特别是，电活性细菌的生长和底物消耗参数在峰值电流密度之前有很强的影响。我们还研究了连续流动MEC中的稳定平衡。我们刻画了具有非零电流的稳定平衡所需的最小稀释率，并证明了稀释率参数中的跨临界分岔，该参数在几个平衡曲线之间交换稳定性，增加稀释率会使系统通过三种状态过渡，其中稳定的平衡表现为（i）产甲烷菌的竞争排斥，（ii）共存，或（iii）电活性细菌的竞争排斥。只有在最后两种状态下，正长期电流和产氢才是可行的。这些结果建议了如何修改系统参数以增加间歇循环MEC中的峰值电流密度或增加连续流动MEC中平衡时的电流密度。

引用于2文件

MSC公司：

37N25号 生物学中的动力系统
34A09号 隐式常微分方程，微分代数方程
92C40型 生物化学、分子生物学

关键词：

微生物电解池;微分代数方程;敏感性分析;分叉

软件：

日晷
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{H.J.Dudley}等人，SIAM J.Appl。动态。系统。18，编号2，709--728（2019；Zbl 1414.37037）
全文： 内政部 arXiv公司

参考文献：

[1] D.J.Batstone、J.Keller、I.Angelidaki、S.V.Kalyuzhnyi、S.G.Pavlostathis、A.Rozzi、W.T.M.Sanders、H.Siegrist和V.A.Vavilin，IWA厌氧消化模型1（ADM1）《水科学》。技术。，45（2002），第65-73页。
[2] R.E.Beardmore，指数-1 DAE的稳定性和分岔性质，数字。《算法》，19（1998），第43-53页·Zbl 0946.34004号
[3] K.Brenan、S.Campbell和L.Petzold，微分代数方程初值问题的数值解，应用经典。数学。14，SIAM，费城，1995年。
[4] D.Call和B.E.Logan，无膜单室微生物电解槽的制氢，环境。科学。技术。，42（2008），第3401-3406页。
[5] S.K.Chaudhuri和D.R.Lovley，无介质微生物燃料电池中葡萄糖直接氧化发电，国家生物技术。，21（2003），第1229-1232页。
[6] A.C.Hindmarsh、P.N.Brown、K.E.Grant、S.L.Lee、R.Serban、D.E.Shumaker和C.S.Woodward，SUNDIALS：非线性和微分/代数方程求解器套件，ACM变速器。数学。《软件》，31（2005），第363-396页·Zbl 1136.65329号
[7] S.Hsu、S.Hubbell和P.Waltman，微生物连续培养中单营养竞争的数学理论，SIAM J.应用。《数学》，32（1977），第366-383页·Zbl 0354.92033号
[8] A.Kato Marcus、C.I.Torres和B.E.Rittmann，基于传导的微生物燃料电池生物膜阳极建模，生物技术。生物工程。，98（2007），第1171-1182页。
[9] H.Liu、S.Grot和B.E.Logan，电化学辅助微生物从乙酸盐中制氢，环境。科学。技术。，39（2005），第4317-4320页。
[10] B.E.Logan，为微生物燃料电池提供动力的外源性细菌《微生物自然评论》。，7（2009年），第375-381页。
[11] B.E.Logan、B.Hamelers、R.Rozendal、U.Schroöder、J.Keller、S.Freguia、P.Aelterman、W.Verstraete和K.Rabaey，微生物燃料电池：方法和技术，环境。科学。技术。，40（2006年），第5181-5192页。
[12] L.Lu、D.Hou、Y.Fang、Y.Huang和Z.J.Ren，镍基催化剂用于微生物电解槽中废水高效析氢，Electrochim公司。《学报》，206（2016），第381-387页。
[13] L.Lu、D.Hou、X.Wang、D.Jassby和Z.J.Ren，活性氢捕集防止微生物电解细胞产甲烷，环境。科学。Technol公司。莱特。，3（2016），第286-290页。
[14] L.Lu、N.Ren、D.Xing和B.E.Logan，利用单室微生物电解池利用乙醇-（h2）-共产发酵反应器的废液制氢，Biosens。生物电子。，24（2009），第3055-3060页。
[15] 吕立中、任志杰，废物生物精炼用微生物电解池的研究现状，生物资源。技术。，215（2016），第254-264页。
[16] J.Meiss，微分动力系统，数学。模型。计算。22，费城SIAM，2017年·Zbl 1365.34001号
[17] D.A.Noren和M.A.Hoffman，阐明固体氧化物燃料电池模型中计算活化损失的巴特勒-沃尔默方程和相关近似《电源杂志》，152（2005），第175-181页。
[18] V.B.Oliveira、M.Simo͂es、L.F.Melo和A.M.F.R.Pinto，微生物燃料电池发展综述，生物化学。《工程师杂志》，73（2013），第53-64页。
[19] V.M.Ortiz-Martiánez、M.J.Salar-Garciáa、a.P.de los Riáos、F.J.Hernaández-Fernaándoz、J.a.Egea和L.J.Lozano，微生物燃料电池建模进展，化学。Eng.J.，271（2015），第50-60页。
[20] L.Perko，微分方程与动力系统，施普林格，纽约，2001年·Zbl 0973.34001号
[21] C.Picioreanu、I.M.Head、K.P.Katuri、M.C.M.van Loosdrecht和K.Scott，基于生物膜的微生物燃料电池计算模型《水资源研究》，41（2007），第2921-2940页。
[22] C.Picioreanu、M.C.M.van Loosdrecht、T.P.Curtis和K.Scott，基于模型的pH值和电极几何形状对微生物燃料电池性能影响的评估《生物电化学》，78（2010），第8-24页。
[23] C.Picioreanu、M.C.M.van Loosdrecht、K.P.Katuri、K.Scott和I.M.Head，阳极生物膜厌氧消化微生物燃料电池的数学模型《水科学》。技术。，57（2008），第965-971页。
[24] R.Pinto、B.Srinivasan、M.-F.Manuel和B.Tartakovsky，微生物燃料电池的两种群生物电化学模型，生物资源。技术。，101（2010年），第5256-5265页。
[25] R.P.Pinto、B.Srinivasan、A.Escapa和B.Tartakovsky，微生物电解槽的多种群模型，环境。科学。技术。，45（2011年），第5039-5046页。
[26] K.Rabaey和R.Rozendal，微生物电合成——重新审视微生物生产的电气路线《微生物自然评论》。，8（2010年），第706-716页。
[27] P.J.Rabier和W.C.Rheinboldt，微分代数方程的理论和数值分析《数值分析手册》，P.Ciarlet和J.Lions主编，Handb。数字。分析。8，荷兰北部，阿姆斯特丹，2002年，第183-540页·Zbl 1007.65057号
[28] D.Recio-Garrido、M.Perrier和B.Tartakovsky，生物电化学系统的建模、优化和控制，化学。Eng.J.，289（2016），第180-190页。
[29] S.Reich等人，微分代数方程的局部定性行为，电路系统信号处理。，14（1995年），第427-443页·Zbl 0836.34003号
[30] R.Riaza，正则和非临界奇异DAE的稳定性问题《应用学报》。数学。，73（2002），第301-336页·Zbl 1042.34005号
[31] R.Riaza，微分代数系统：分析方面和电路应用《世界科学》，新泽西州River Edge，2008年·Zbl 1184.34004号
[32] R.A.Rozendal、H.V.M.Hamelers、G.J.W.Euverink、S.J.Metz和C.J.N.Buisman，生物催化电解制氢原理与展望《国际水电杂志》。《能源》，31（2006），第1632-1640页。
[33] H.L.Smith和P.Waltman，恒化器理论：微生物竞争动力学，剑桥大学出版社，英国剑桥，1995年·Zbl 0860.92031号
[34] J.Sotomayor，动力系统的一般分支，《动力学系统》，M.M.Peikoto主编，学术出版社，纽约，1973年，第561-582页·Zbl 0296.58007号
[35] V.Venkatasubramanian、H.Schattler和J.Zaborszky，微分代数系统的局部分支和可行域，IEEE传输。自动化。Control，40（1995），第1992-2013页·Zbl 0843.34045号
[36] 王浩、任志杰，微生物电化学系统平台技术综述，生物技术。Adv.，31（2013），第1796-1807页。
[37] X.C.Zhang和A.Halme，微生物燃料电池过程建模，生物技术。莱特。，17（1995），第809-814页。
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