Model calibration and development of an anaerobic digestion digital twin through Aspen custom modeler

The AM2HN model proposed by Hassam et al. [27] is an upgraded version of the anaerobic model No. 2 (AM2) that integrated with AM2 the following two significant relevant processes; hydrolysis, explaining the degradation of the total particulate substrate into soluble organic substances, and the ammoniacal Nitrogen release, defining and adding the contribution of released NH4+ to the solution’s alkalinity. This research highlights AM2HN, bringing innovativeness as the idea of developing a unique custom model block capable of replicating the exact behavior of an anaerobic digestion (AD) process in an equation-oriented process modeling tool, the Aspen Custom Modeler (ACM). The development of an AD digital twin was performed through ACM by creating a custom unit, thereby circumventing the regular-laborious procedures of building complicated flowsheets comprising many units in process simulation environments such as the Aspen Plus. In this work, the steady-state engineering equations for the AM2HN were determined, adding to this work’s novelty. Moreover, it proposes an exclusive set of model parameters computed using the ACM and another set of parameters estimated using the standard approach of performing non-linear regressions on Microsoft Excel. The two proposed sets of parameters and the original parameters set documented by Hassam et al. [27] were subjected to a comparative evaluation, comparing their projected AD behavior and critical output variables with reported experimental results and predictions of the ADM1 from the literature. The findings of the comparative assessment inferred that the proposed set 2 parameters were the most suitable and effective in simulating the biogas composition and could satisfactorily estimate most of the critical output features in the anaerobic digestion processes. Significant percentage error reductions were observed concerning proposed set 2 with the original model and the ADM1 simulated results. The percentage error in the estimated biogas production was minimized from a value of 118 % (original) and 64 % (ADM1) to 46 %; moreover, for the simulated biogas composition, percentage errors were lowered by ~ 166 % (wrt original) and ~ 16 % wrt the ADM1.

Il modello AM2HN proposto da Hassam et al. [27] è una versione aggiornata del modello anaerobico n. 2 (AM2) che integrava con AM2 i seguenti due processi rilevanti significativi; idrolisi, che spiega la degradazione del substrato particolato totale in sostanze organiche solubili, e il rilascio di azoto ammoniacale, definendo e sommando il contributo di NH4+ rilasciato all'alcalinità della soluzione. Questa ricerca mette in evidenza AM2HN, portando innovazione come l'idea di sviluppare un blocco modello personalizzato unico in grado di replicare il comportamento esatto di un processo di digestione anaerobica (AD) in uno strumento di modellazione del processo orientato alle equazioni, l'Aspen Custom Modeler (ACM). Lo sviluppo di un gemello digitale AD è stato eseguito tramite ACM creando un'unità personalizzata, aggirando così le normali procedure laboriose di creazione di complicati diagrammi di flusso comprendenti molte unità in ambienti di simulazione di processo come Aspen Plus. In questo lavoro, sono state determinate le equazioni ingegneristiche di stato stazionario per l'AM2HN, aggiungendo alla novità di questo lavoro. Inoltre, propone un set esclusivo di parametri del modello calcolati utilizzando l'ACM e un altro set di parametri stimati utilizzando l'approccio standard dell'esecuzione di regressioni non lineari su Microsoft Excel. I due set di parametri proposti e il set di parametri originale documentato da Hassam et al. [27] sono stati sottoposti a una valutazione comparativa, confrontando il loro comportamento AD previsto e le variabili di output critiche con i risultati sperimentali riportati e le previsioni dell'ADM1 dalla letteratura. I risultati della valutazione comparativa hanno dedotto che i 2 parametri proposti erano i più adatti ed efficaci nel simulare la composizione del biogas e potevano stimare in modo soddisfacente la maggior parte delle caratteristiche critiche di output nei processi di digestione anaerobica. Sono state osservate significative riduzioni percentuali di errore rispetto al set 2 proposto con il modello originale e i risultati simulati ADM1. L'errore percentuale nella produzione stimata di biogas è stato ridotto al minimo da un valore del 118 % (originale) e del 64 % (ADM1) al 46 %; inoltre, per la composizione simulata del biogas, gli errori percentuali sono stati ridotti del ~ 166 % (rispetto al set di parametri originale) e del ~ 16 % rispetto all'ADM1.