Published November 2015 | Version v1
Journal article

Analysis of a periodic optimal control problem connected to microalgae anaerobic digestion

Others:
Modelling and Optimisation of the Dynamics of Ecosystems with MICro-organisme (MODEMIC) ; Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM) ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Mathématiques, Informatique et STatistique pour l'Environnement et l'Agronomie (MISTEA) ; Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut national d'études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut national d'études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
Mathématiques, Informatique et STatistique pour l'Environnement et l'Agronomie (MISTEA) ; Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut national d'études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)
Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (IMAG) ; Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Biological control of artificial ecosystems (BIOCORE) ; Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV) ; Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM) ; Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM) ; Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM) ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Control, Optimization, Models, Methods and Applications for Nonlinear Dynamical Systems (Commands) ; Centre de Mathématiques Appliquées - Ecole Polytechnique (CMAP) ; École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Centre de Mathématiques Appliquées - Ecole Polytechnique (CMAP) ; École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Universidad Tecnica Federico Santa Maria [Valparaiso] (UTFSM)
Programa de Financiamiento Basal from Center of Mathematical Modeling, Universidad de Chile
INRIA Associated team with Chile: DYMECOS

Description

In this work, we study the coupling of a culture of microalgae limited by light and an anaerobic digester in a two-tank bioreactor. The model for the reactor combines a periodic day-night light for the culture of microalgae and a classical chemostat model for the digester. We first prove the existence and attraction of periodic solutions of this problem for a 1 day period. Then, we study the optimal control problem of optimizing the production of methane in the digester during a certain timeframe, the control on the system being the dilution rate (the input flow of microalgae in the digester). We apply Pontryagin's Maximum Principle in order to characterize optimal controls, including the computation of singular controls. We present numerical simulations by direct and indirect methods for different light models and compare the optimal 1-day periodic solution to the optimal strategy over larger timeframes. Finally, we also investigate the dependence of the optimal cost with respect to the volume ratio of the two tanks.

Abstract

International audience

Additional details

Created:
December 4, 2022
Modified:
December 1, 2023