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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4506

Title: Energy from crops: experimental study and dynamic simulation of biogas production by anaerobic digestion of complex substrates
Other Titles: Energia dalle coltivazioni: studio sperimentale e simulazione dinamica della produzione di biogas da digestione anaerobica di substrati complessi
Authors: Stefani, Nicola
Supervisor/Tutor: Colussi, Iginio
Co-supervisor: Cortesi, Angelo
Issue Date: 25-Mar-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Anaerobic digestion (AD) is a biological process which allows the removal of high organic-loading and potentially polluting substances by their transformation into biogas, a mixture of methane and carbon dioxide, prevalently. AD presents many other advantages: it has a low energy consumption and low construction costs with a relatively simple plant technology. Actually, since anaerobic bacteria work more efficiently at room temperature or higher, AD can be profitably applied in developing countries. Biogas production is a foundamental parameter of AD because it is the main index to be considered in a process economic evaluation and also because it gives a measure of its efficiency as well. Moreover, biogas production, and more frequently methane production, is often used as an index set to control the process. With the increase of energy price, the specific biogas production (SGP) of primary and residuals crops has become a goal for economic energy supply and, as a consequence, a rapid and effective method for measuring the gas produced has to be put forward, because there is not an accepted international standard yet. The effective knowledge of biogas production rate allows study of the biological process through macroscopic indicators, easily usable in industrial field, as well. The present study concerns the development and the validation of a technique for biogas production measurement and kinetic determination which adopts bench-mark laboratory-scale experiments with complex solid substrates, i.e. primary and residual energy crops. A laboratory-scale plant was designed and put up to perform this task. The equipment permits to carry out 4 contemporary tests because it is composed of 4 independent gas-lines, each of which connecting an anaerobic reactor to a gas-meter. Data from the experiments were continuously recorded by a data logger. The equipment was tested with synthetic substrate feeds of ethanol and sodium acetate. By a comparison between experimental gas production data and the theoretical ones, stoichiometrically calculated, the range of the error on methane productions resulted within ± 5%. In addition, the presence of oxygen amounts in the mixture, revealed the inconsistency of a test. These positive results allowed the implementation of different experiments to measure biogas produced from natural substrates. Apple, onion, corn straw, potato and winery wastes mixture were therefore tested in various experiments in order to calculate the SGP and SMA of the different crops. A new mathematical model for the description of complex substrate degradation was developed as well. The model was calibrated on the different biological systems and then applyed on real substrates to carry out their COD fractionation, to analyse the biological variable trends and to test the reliability of results. Finally, the reliability of a procedure for the evaluation of a two-step AD as compared to the one-step AD was tested by using apple and potato substrates.
La digestione anaerobica è un processo biologico che permette la rimozione di sostanze con alto carico organico, potenzialmente inquinanti, e la trasformazione di queste in biogas, costituito prevalentemente da metano e anidride carbonica. La digestione anaerobica ha anche ulteriori vantaggi: ha un basso consumo energetico, bassi costi di costruzione degli impianti, uniti ad una tecnologia impiantistica relativamente semplice. Inoltre, poiché i batteri anaerobici lavorano meglio a temperatura ambiente o superiore, si può applicare con profitto nei paesi in via di sviluppo. La produzione di biogas è un parametro fondamentale della digestione anaerobica perché è il principale indicatore cui fare riferimento nella valutazione economica del processo e perché allo stesso tempo fornisce anche una stima della sua efficienza. Inoltre, la produzione di biogas, o ancor più frequentemente quella di metano, è spesso usata come indice cui fare riferimento per un controllo di processo. Con l'aumento del costo energetico, risulta necessario definire correttamente ed efficacemente un metodo di misura del biogas prodotto, in particolare la produzione specifica (SGP) di biogas da biomasse primarie e residuali. Ad es, il test di attività metanogenica specifica (SMA), non ha ancora uno standard internazionale riconosciuto. La conoscenza effettiva della velocità di produzione di metano, infatti, apre la strada alla possibilità di studiare il processo biologico attraverso indicatori macroscopici, facili da applicare anche in un contesto industriale. Il presente lavoro riguarda lo sviluppo e la validazione di un metodo per effettuare la misurazione del biogas e la determinazione delle cinetiche di processo con esperimenti in scala di laboratorio effettuati su substrati complessi, ovvero biomasse primarie e residuali. Per fare ciò, è stato progettato e realizzato un impianto in scala di laboratorio. L'apparecchiatura permette di effettuare 4 prove contemporanee perché è provvista di 4 linee gas indipendenti, ciascuna delle quali connette un reattore anaerobico ad un gasometro. All'impianto è stato affiancato un sistema automatico di acquisizione dati, che permette la registrazione in continuo dei dati di produzione. L'impianto è stato verificato utilizzando alimentazioni di substrati sintetici quali etanolo e acetato di sodio. A seguito del confronto tra i dati di produzione di gas sperimentale e quelli di produzione teorica, calcolata stechiometricamente, l'errore nella risposta è risultato essere contenuto tra i valori di ± 5%. In aggiunta, la verifica del contenuto in ossigeno della miscela ha permesso di scartare le prove non conformi. Questi risultati positivi hanno consentito di passare ad esperimenti condotti su substrati naturali. Sono stati così testati, con i successivi esperimenti, mela, cipolla, patata, paglia di mais e residui solidi della lavorazione del vino, al fine di calcolarne l'SGP e l'SMA. E' anche stato sviluppato un nuovo modello matematico per simulare la degradazione di un substrato complesso. Tale modello è stato dapprima calibrato sui diversi sistemi biologici e in seguito applicato su alcuni substrati reali al fine di operare un frazionamento del COD, analizzare l'andamento delle variabili biologiche e verificare la compatibilità con i risultati sperimentali. Da ultimo, è stata verificata l'affidabilità di una procedura per la valutazione della digestione anaerobica a due fasi e il confronto con quella a fase singola, condotta con campioni di mele e di patate.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2009/2010
Keywords: digestione anaerobica
biogas
dynamic model
anaerobic digestion
crop
complex substrates
degradation
measurement
bacteria
procedure
experimental study
methane
renewable
energy
biomass
plant
biotechniques
sustainable
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ING-IND/25 IMPIANTI CHIMICI
NBN: urn:nbn:it:units-9004
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