Developments in Feedstock Analysis and Process Control for Biogas Production

Abstract

A sustainable treatment of organic wastes, generation of renewable energy, reduction of green house gas emissions, limiting the eutrophication and closing the nutrient cycles are several environmental challenges for which anaerobic digestion may be a suitable solution. There is today a large amount of available organic waste materials that could serve as potential feedstock for biogas production. However, their potential to produce biogas may vary significantly and in order to utilise them efficiently it is important to analyse them. One alternative to identify the quality of the feedstock is by performing a biochemical methane potential (BMP) test, a simple batch assay carried out under well-controlled conditions. In order to improve the reliability of such a test, the work described in this thesis investigated how a large number of environmental and experimental factors influenced the methane potential and degradation rate obtained from BMP tests of different material types. For example, correction of the gas volume for ambient temperature and pressure was found to be essential, and neglecting this factor can introduce errors up to 80% at the most extreme conditions when comparing results from different parts of the world. The solubility of both methane and carbon dioxide has been shown to introduce underestimations of gas flow measurements at flows below 1 and 192 L/day, respectively, when a volumetric method based on liquid displacement is used. Furthermore, important factors such as the inoculum to substrate ratio and substrate concentration have been shown to significantly influence both the methane potential and degradation rate, and the optimal settings for these may differ substantially between different inocula and substrate types.



A drawback with BMP tests is the long time needed to follow the biogas production (often >30 days). Generating faster results would make it possible to use the test for alternative applications, e.g. quality checks and pricing of the feedstock. One approach to speed up the result generation is through the use of a kinetic model that predicts the methane potential at an earlier stage. For this purpose, a method was developed that could estimate the BMP of 188 samples within 10% relative root mean squared error just six days after initiating the test.



Besides the limited knowledge of the feedstock, there is a need to improve the operation of anaerobic digesters. They are often operated far below their capacity as a consequence of an inadequate process monitoring and control. Several control strategies have been shown to improve the process operation, but as they often differ in their structure and methodology, there is a need to compare them as well as investigate their compatibility with a certain process. With this in mind, a simulation platform was developed and used to evaluate three previously suggested control strategies. It was found that these control strategies differed significantly in performance and that a control algorithm based on proportional control of pH using a cascade structure was best at both rejecting disturbances and maximising the gas production.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Med snabbare och pålitligare analysresultat finns stora möjligheter till ett ökat utnyttjande av avfallsresurser för produktion av förnybar energi. Resultat från min forskning gör det möjligt att analysera råvaror för biogasproduktion med större säkerhet och med möjligheten att få upp till nio gånger snabbare resultat.



Produktion av biogas har under den senaste tiden ökat kraftigt i världen. Eftersom biogasen produceras från organiskt material är det en förnybar energikälla som ger stora miljövinster då den kan ersätta fossila bränslen. En annan fördel är att den kan framställas från avfall och därmed också tjäna som avfallshantering. Det är kombinationen av avfallshantering och energiproduktion som gör biogas till en intressant teknik för morgondagens energiförsörjning.



Alltjämt återstår dock många utmaningar för att göra processen mer lönsam. Exempelvis har dagens biogasproducenter en ganska dålig kontroll på vad de för in i processen. Råvaran som biogas produceras av kallas substrat och är oftast en form av avfallsprodukt som kan variera kraftigt i kvalitet till följd av expempelvis klimat, samhällsstruktur eller årstid. Dessutom finns det stora mängder outforskade råvaror som skulle kunna användas som substrat. För att kunna utnyttja dessa råvaror effektivare behövs bättre analysinstrument och metoder. I min forskning jag fokuserat på vidareutvecklingen av en sådan metod. Metoden heter BMP (Biochemical Methane Potential) test och går ut på att blanda det substratet man vill undersöka med en ymp bestående av en aktiv blandning mikroorganismer. Mikroorganismerna får sedan bryta ner substratet under kontrollerade förhållanden samtidigt som gasproduktionen mäts. Svaren som ges är hur snabbt materialet bryts ned och hur mycket gas man kan förväntas få, vilka är centrala parametrar i driften och designen av en biogasanläggning. En nackdel med BMP test är att de är långsamma, ofta krävs 30-60 dagar. Med snabbare resultat kan mer försök utföras med nya råvaror och jag har i min forskning kommit fram till en metod som gör det möjligt att korta ned analystiden till bara sex dagar.



Ett annat problem med BMP test är att resultaten från dem kan variera mycket. Huvudanledningen till denna osäkerhet är att testet är av biologisk karaktär, med en komplex blandning av olika mikroorganismer som bryter ned substratet i flera steg. Följaktligen är det viktigt att identifiera de parametrar som har starkast påverkan och införa tydliga riktlinjer kring dessa. Jag har genom ett antal studier undersökt flera av dessa parametrar och kommit fram till ett antal slutsatser som bör leda till mer standardiserade tester. Dessa innefattar bland annat att substratkoncentrationen bör hållas högre än normalt rekommenderat och att förhållandet mellan mängden ymp (mikroorganismer) och substrat bör anpassas efter typ av ymp. Jag har också påvisat att gasvolymer underskattas med den mätutrustning som används i många laboratorier och utvecklat en metod som korrigerar detta samt även undersökt och föreslaget ett tillvägagångsätt för mer standardiserade utvärderingar om hur snabbt ett substrat bryts ned.



BMP test är användbara för att analysera råvaran till biogasproduktion, dock ger de begränsad information om hur processen ska styras. Eftersom råvaran kan variera kraftigt är det fördelaktigt att ha ett kontrollsystem som kan säkerställa en stabil process och samtidigt maximera gasproduktionen eller upprätthåller en viss nedbrytningsgrad. Det finns ett flertal förslag på sådana system, men de är svåra att jämföra med varandra och ganska oprövade i storskaleproduktion. Konsekvensen blir en hög tröskel som måste överträdas innan installationer kan bli verklighet. Jag har utvärderat en metod som gör det möjligt att minska denna tröskel genom att göra det lättare att jämföra kontrollsystem. Metoden bygger på datorsimuleringar av en biogasanläggning där mängder av olika scenarier kan undersökas.



Resultaten i min avhandling kan bidra till en effektivare biogasproduktion samt en mer dynamisk råvarumarknad. Något som i längden bör göra biogasframställning till en mer lönsam och attraktiv lösning för att uppnå ett mer hållbart samhälle.

• author: Strömberg, Sten
• supervisor: Jing Liu
• opponent: Professor Heuwinke, Hauke, Department of Agriculture and Food Economy, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Freising, Germany
• organization: Biotechnology; Environmental and Energy Systems Studies-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: Anaerobic digestion, Process control, Biochemical Methane Potential, Process analysis, Feedstock, Biogas
• defense location: Lecture hall A, at the Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund University, Faculty of Engineering (LTH), Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2015-03-27 10:15:00
• ISBN: 978-91-7000-290-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 305e975d-b5f4-4e82-adf2-de9bf67f57e1 (old id 5146804)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:35:01
• date last changed: 2018-11-21 21:21:08