Matematické modelování zpracování odpodních tuků na bioplyn

Samuel Emebu, MSc.

Doctoral thesis

Abstract:

The need to supplement or replace fossil energy consumption to enhance energy supply has prompted renewable energy development. Especially from biomass degradation, since it is advantageous for its ability to tackle the challenges of energy security and waste management simultaneously. Specifically, the anaerobic digestion (AD) of biomass (lipid) into biogas has been considered. The work highlighted the current state-of-the-art AD models (single-equation model and multi-step dynamic model) with a specific interest in single-step-degradation model (SSDM) a multi-step dynamic model. The SSDM was modelled in such a way that it could be easily applied to control the pressure, pH, and temperature of the AD. Therefore, in addition to modelling the biochemical stage, other processes such as hydrolysis of lipid, mass transfer, heat transfer, and pH of the process were modelled, together with the necessary microbial activity, physicochemical, and thermodynamic parameters modelled as a function of temperature, as well as pressure. Additionally, the biogas bubble growth and motion dynamics, which enable the estimation of biogas bubble diameter, rising velocity, pressure inside and on the bubble at the gas-liquid interface, were also estimated. Most processes considered in the SSDM were modelled theoretical based on data from literature. However, the hydrolysis process involving the degradation of lipid into LCFA, and glycerol was experimentally modelled as a function of temperature (25 to 50 ?C), and the model showed excellent proximity with experimental data, as well as its optimal temperature found to be 45 ?C. Having modelled all processes to be considered in the SSDM, the model was simulated in MATLAB for different scenarios, to effectively evaluate its robustness. These scenarios involved evaluating the performance of the SSDM to analyse the effect of pressure (i.e., over-, atmospheric-, and under-pressure) temperature (i.e., 35, 45, and 60 ?C), pH on the biogas production, as well as a simplified comparison with the experimental production of biogas at atmospheric pressure. Based on these analyses and comparisons it was found that the developed SSDM was quite adequate to predict the AD of lipid into biogas. Although beyond the scope of this work, it was proposed that further comprehensive comparison or optimisation of the model to real-time experimental data of substrate, microbes, dissolved and evolved biogas species concentrations, as well as water vapour together with biogas water content maybe be necessary to fully validate the model.

Abstract:

Potřeba doplnit nebo nahradit spotřebu fosilní energie za účelem zvýšení dodávek energie podnítila rozvoj výroby obnovitelné energie, a to zejména s využitím degradace biomasy. Tento způsob výroby energie je výhodný z hlediska výzev energetické bezpečnosti a nakládání s odpady. Práce se zabývá modelováním anaerobní digesce (AD) biomasy (lipidů) na bioplyn s využitím současných nejmodernější AD modelů (jednorovnicový model a vícekrokový dynamický model). Zvláštní důraz je kladen na jednostupňový degradační model (SSDM), vícestupňový dynamický model. SSDM byl modelován takovým způsobem, že jej bylo možné snadno použít pro simulaci řízení tlaku, pH a teploty AD. Proto byly kromě modelování biochemické fáze modelovány další procesy, jako je hydrolýza lipidů, přenos hmoty, přenos tepla a pH procesu, spolu s nezbytnou mikrobiální aktivitou, fyzikálně-chemickými a termodynamickými parametry modelovanými jako funkce teploty a tlaku. Dále byl odhadnut růst a dynamika pohybu bublin bioplynu, která umožňuje odhadnout průměr bublin bioplynu, rychlost stoupání, tlak uvnitř a na bublině na rozhraní plyn-kapalina. Většina procesů uvažovaných v SSDM byla modelována teoreticky na základě dat z literatury. Proces hydrolýzy zahrnující degradaci lipidů na LCFA a glycerol byl modelován experimentálně v závislosti na teplotě (25 až 50 °C) a model vykazoval velmi dobrou shodu s experimentálními daty. Optimální teplota procesu byla experimentálně stanovena jako 45 °C. Po namodelování všech dílčích procesů, které jsou uvažovány v SSDM, byl celkový model simulován v MATLABu pro různé scénáře, aby bylo možno efektivně vyhodnotit jeho robustnost. Tyto scénáře zahrnovaly vyhodnocení efektivity produkce bioplynu s využitím SSDM v závislosti na tlaku (tj. přetlaku, atmosférického a podtlaku), teplotě (tj. 35, 45 a 60 ?C. Bylo rovněž provedeno zjednodušené srovnání s experimentální výrobou bioplynu za atmosférického tlaku. Na základě těchto analýz a srovnání bylo zjištěno, že vyvinutý SSDM je zcela adekvátní pro predikci AD lipidů do bioplynu. I když je to nad rámec této práce, model byl navržen tak, aby bylo možno provést další komplexní srovnání nebo optimalizaci modelu na experimentální data substrátu, mikrobů, rozpuštěných a vyvinutých druhů bioplynu, jakož i vodní páry spolu s obsahem vody v bioplynu v reálném čase, což je nutné ke komplexnímu ověření modelu.

Keywords

Anaerobní digesce, model jednostupňové degradace, hydrolýza lipidů, evoluce bioplynu, dynamika růstu bublin, odpařování vody, dynamika pH

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 10. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 29. 11. 2023
• Supervisor: doc. Ing. Marek Kubalčík, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Doctoral programme / field:
Automatic Control and Informatics / Automatic Control and Informatics