微生物电解池微分代数方程模型的灵敏度与分岔分析
动力系统
2018-02-20 v1 其他定量生物学
摘要
微生物电解池（MECs）是一种前景广阔的廉价、高效、可持续制氢新技术。然而，要将该技术规模化，我们需要更好地理解器件中的过程。为此，我们提出了一个带有电流代数约束的微生物电解池微分代数方程（DAE）模型。随后我们对该 DAE 系统进行了灵敏度与分岔分析。该模型可应用于批循环 MEC 或连续流 MEC。我们将仿真拟合到批循环 MEC 的电流密度数据后，进行了微分代数灵敏度分析。灵敏度分析指出了在实验特定时刻对电流密度影响最大的参数。特别地，产电菌的生长与消耗参数在峰值电流密度之前具有强烈影响。相对于最大化峰值电流密度，另一种策略是在连续流 MEC 中维持具有非零电流密度的长期稳定平衡。我们刻画了稳定非零电流平衡所需的最小稀释率，并展示了稀释率参数中交换多条平衡曲线间稳定性的跨临界分岔。具体而言，增大稀释率使系统经历三个区间，其稳定平衡分别表现为（i）产甲烷菌的竞争排斥、（ii）共存、以及（iii）产电菌的竞争排斥。正向长期产电仅在后两个区间可行。这些结果提示了如何修改系统参数以提高批循环 MEC 的峰值电流密度或提高连续流 MEC 的长期电流密度平衡值。
引用
@article{arxiv.1802.06326,
title = {Sensitivity and Bifurcation Analysis of a DAE Model for a Microbial Electrolysis Cell},
author = {Harry J. Dudley and Lu Lu and Zhiyong Jason Ren and David M. Bortz},
journal= {arXiv preprint arXiv:1802.06326},
year = {2018}
}