ADIN: anaerobic digestion network model

Defossilisation and decarbonisation are key words in today’s energy transition challenge. Biomasses can cover an important role in achieving this transformation by producing green energy and other valuable subproducts. Among the strategies to exploit these resources potential, biomethane obtained through anaerobic digestion is reported as one of the most appealing. Anaerobic Digestion (AD) is a process represented by a series of biological reactions in which microorganisms degrade the organic waste, in absence of oxygen, producing biogas, a mixture of methane, carbon dioxide and other trace gases. Anaerobic digestion modelling is of utmost importance for the comprehension and the optimization of the process. The aim of this work is to develop a new model for the anaerobic digestion process. It describes the system while avoiding the microorganism’s concentration influence. This simplification is balanced by the inclusion of a relevant number of chemical reactions organized in a network structure, describing the process in its completeness, but keeping its characterization simple and relatively straightforward. Inhibitions from different chemical species, temperature and pH effects and thermodynamics equilibrium are also included. A detailed description of the hydrolysis step is present too, as well as an easier and complete procedure to estimate the inlet feedstock of the reactor. The model is validated through literature and industrial cases. Sensitivity analysis and other studies follows to show some results achievable through it.

Nell’ odierna sfida della transizione energetica, defossilizzazione e decarbonizzazione sono concetti chiave. Le biomasse possono ricoprire un ruolo fondamentale nella realizzazione di questa trasformazione attraverso la produzione di energia green e altri sottoprodotti preziosi. La digestione anaerobica è uno delle strategie più attraenti per sfruttare le potenzialità di queste risorse. La digestione anaerobica è un processo che consiste in una serie di reazioni biologiche attraverso cui alcuni microorganismi degradano scarti organici in assenza di ossigeno, producendo biogas (una miscela di metano, anidride carbonica e tracce di altri gas). La modellizzazione della digestione anaerobica è di massima importanza per la comprensione e l’ottimizzazione di questo processo. Diversi modelli sono stati sviluppati, durante gli anni, con questo obbiettivo. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un nuovo modello della digestione anaerobica. Esso descrive il processo senza considerare l’influenza della concentrazione dei microorganismi. Questa semplificazione è bilanciata dall’inclusione di un numero rilevante di reazioni, organizzate in un network, che descrivono il processo nella sua completezza pur mantenendo la sua caratterizzazione abbastanza semplice ed intuitiva. Sono incluse le inibizioni di diverse specie, gli effetti di temperatura e pH e l’equilibrio termodinamico. È presente una descrizione dettagliata dello step di idrolisi e una procedura più semplice e completa per la stima dei substrati in ingresso al reattore. Il modello è validato attraverso casi di letteratura e industriali. Sono stati effettuati analisi di sensitività ed altri studi per mostrare alcuni dei risultati ottenibili attraverso questo.