[Digestion] Plug flow digesters

Fri Jun 1 08:29:18 CDT 2007

Alastair is quite correct.

The concept of plug flow is based on a single phase fluid passing through a 
tubular reactor, normally in turbulent flow, since (paradoxically?) that 
means less longitudinal mixing than in laminar flow (slower). The ideal is 
that every particle has the same residence time. Many chemical reactors use 
this principle.

Such a reactor can be quite hard to realize in practice. Extra phases 
complicate things. Solids might settle out. Gaseous products inevitably 
cause a good deal of lateral mixing and usually have be vented at 
intermediate points too. All these deviations are major factors in AD. 
Sausage shaped "long-bag" digesters have been used. There were also some 
anaerobic "ditches" used for palm oil effluent some years ago.

A CSTR (continuous stirred tank reactor) is the opposed 'ideal' in reactor 
design. The classic AD plant approximates to this ideal, although mixing is 
rarely very good. We can measure a mean residence time but an indvidual 
particle might have a residence time anywhere from near zero to almost 
infinity. (This can make regulators nervous, because the operator cannot 
guarantee a minimum residence time.)

A cascade of several CSTRs approximates quite well to an ideal plug flow 
reactor in practice (whatever is flowing through) and may be much more 
suitable for the complex reaction mixture we meet in AD. However, nine small 
digesters will cost far more than one large one. (NB "Cascade" is the 
standard English term for such a series of reactors - it's not peculiar to 
French.)

The usual 2/3 power law for cost estimation suggests that a 900 cu m 
digester will only cost 4.36 times more than ONE 100 cu m one. So nine 100 
cu m digesters will cost more than twice as much as one 900 cu m one.

And, yes, inoculation can be acheived by a recycle. However:
a) in a complex multi-stage process like AD the prevailing microflora in the 
last stage will be quite different from that needed in the first.
b) it's hard (if not impossible) to separate out a concentrated inocolum 
from a fluid discharge (this was the difficulty with the the so-called 
"anaerobic contact process"), so you have a choice between a small and less 
effective inoculum or larger one in a large recycle flow, which further 
increases the size of your digesters.

With a solid discharge things are a little easier, since the liquid fraction 
will carry a good inoculum - but it inevitably limits the maximum inoculum 
size (there is only so much liquid). It would also select in favoir for 
suspended growth, when attached growth on the solids is likely to be richer 
in the most useful species for degradation of solids.

Having said that, the "dry municipal solid waste reactors used in Europe" do 
seem to work quite well. Bear in mind that they are far from dry, however, 
and in practice work much more like a cascade of CSTRs than a plug flow 
reactor, albeit in a single vessel. Most are vigorouly mixed by periodic 
high-rate injection of biogas, which also serves to move the solids through 
the digester.

Duncan

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CONTACT DETAILS
Duncan J Martin, PhD, CEng, CSci, MIEI, MCIWM, MIChemE
24 Townsfield, Cloughjordan, N Tipperary, Ireland
Home: +353 505 42087
Mobile: +353 86 8377 906
Email: duncanjmartin at eircom.net
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----- Original Message ----- 
From: "alastair ward (IGER-NW)" <alastair.ward at bbsrc.ac.uk>
To: "Duncan Martin" <duncanjmartin at eircom.net>; "Socrate Hatoum" 
<socrate at hatoum.com>; "Pierre BUFFIERE" <buffiere at supagro.inra.fr>
Cc: <DIGESTION at listserv.repp.org>; <kopiske at utec-bremen.de>; "Dr. Reinhard 
Rachel" <michael.thomm at biologie.uni-regensburg.de>
Sent: Friday, June 01, 2007 9:23 AM
Subject: RE: [Digestion] Réf. : réunion Hatoum

I think it is difficult to achieve near perfect plug flow with most 
feedstocks anyway, the gas production tends to cause mixing within with wet 
materials. There are the dry municipal solid waste reactors used in Europe, 
these avoid the inoculum problem by recycling the liquid from the output and 
seem to work very well. I have built a small reactor with 4 consecutive 
stages, each behaving like a CSTR but together showing some of the 
advantages of plug flow when a tracer study was carried out (actually the 
behaviour follows a 'tanks in series' model but the engineering calculations 
are not my speciality).

Alastair Ward

________________________________

From: digestion-bounces at listserv.repp.org on behalf of Duncan Martin
Sent: Thu 31/05/2007 20:44
To: Socrate Hatoum; Pierre BUFFIERE
Cc: DIGESTION at listserv.repp.org; kopiske at utec-bremen.de; Dr. Reinhard Rachel
Subject: Re: [Digestion] Réf. : réunion Hatoum

My French is not fluent but I would read this as describing nine reactors in
series, which would approximate quite well to a single plug flow reactor.

Plug flow has been used in AD but is not common. For some feedstocks, like
manure, there is no shortage of inoculum. However, for many feedstocks, lack
of inoculum in the first stage might be a limitation.

Duncan Martin
Ireland

----- Original Message -----
From: "Socrate Hatoum" <socrate at hatoum.com>
To: "Pierre BUFFIERE" <buffiere at supagro.inra.fr>
Cc: <DIGESTION at listserv.repp.org>; <kopiske at utec-bremen.de>; "Dr. Reinhard
Rachel" <michael.thomm at biologie.uni-regensburg.de>
Sent: Thursday, May 31, 2007 7:29 PM
Subject: Re: [Digestion] Réf. : réunion Hatoum

Dear Mr Buffierre
I have received your Mail. The reason I am answering you in English,
is I want to transmit your theories to AD specialists around the
world...
You claim that digestat beein digested in 9 linked together reactors
functioning under the same conditions will block methanogenisation
and promote acedification the effects of which have inhebiting
action....
Please correct me If I have translated you wrong
Best regards
Socrate Hatoum
PS: In primary school The principles of communicating vessels are
taught. you have 100 liter of water you can pour them in a single
vessel having a volume of 100 liter or in 5 communicating vessels of
20 liter each. I do not understand the term "EN CASCADE" you use
instead of COMMUNICATING.

Le 31 mai 07 à 15:18, Pierre BUFFIERE a écrit :

> Monsieur Hatoum,
> Nous avons été coupés ce matin.
> Ce que j'essaie de vous expliquer, c'est qu'en utilisant 9
> réacteurs thermophiles en cascade , vous allez créer des conditions
> très favorables à l'acidification dans le premier réacteur, avec
> une forte production d'AGV et d'hydrogène. Ces fortes
> concentrations vont bloquer la méthanogénèse dans tous les autres
> réacteurs en raison des phénomènes d'inhibition que vous devez bien
> connaitre. Nous avons de nombreuses fois étudié la possibilité de
> faire des systèmes en cascade, qui sur le papier sont plus
> efficaces mais en pratique sont très difficile à faire fonctionner.
>
> De plus, je crois  qu'il est trop tôt pour garantir le coût des
> installations comme vous le faites.
>
> Vous trouverez ci-dessous le message que j'ai adressé à M.
> Dersigny, en concertation avec le directeur de mon laboratoire
> Monsieur Delgenès.
>
> Cordialement,
> P. BUFFIERE
>
>
>> Date: Thu, 24 May 2007 14:08:10 +0200
>> To: christian.dersigny at agri60.fr
>> From: Pierre BUFFIERE <buffiere at supagro.inra.fr>
>> Subject: Re: Réf. : réunion Hatoum
>> Cc: mathilde.schryve at agri60.fr, JP Delgenes,
>> guillaume.bastide at ademe.fr
>>
>> Bonjour,
>> Suite à la présentation d'hier par M. Hatoum, nous avons en
>> interne ce matin examiné les tenants et les aboutissants
>> concernant la technologie proposée.
>> Je vous livre quelques éléménts factuels ainsi que nos conclusions:
>>
>> 0) En préambule, il faut préciser que de nombreuses technologies
>> de traitement des lisiers bovins, porcins, et autres déchets
>> agricoles sont disponibles sur le marché. L'avantage concurrentiel
>> de la technologie proposée par rapport à l'existant doit donc être
>> examiné.
>> 1) La technologie proposée repose sur une digestion thermophile
>> (55°) dans 9 cuves fonctionnant en cascade ; la stabilité
>> biologique des cuves fonctionnant selon ce mode n'est pas du tout
>> assurée, notamment en raison de la rapidité de l'étape
>> d'acidogénèse à cette température, qui peut entraîner d'une part
>> une production d'hydrogène, et d'autre part une production
>> d'acides gras volatils qui risquent de générer des inhibitions
>> dans certains cas;
>> 2) Le temps de traitement annoncé (9 jours) est à considérer
>> moyennant l'effet de dilution: en effet, il s'agit d'un temps de
>> traitement valable pour du lisier bovin à 10% de matière sèche;
>> pour du lisier bovin "brut" , il faudra donc tenir compte de la
>> dilution à l'eau. exemple: pour du lisier bovin à 20% de MS, il
>> faut diluer par 2 et donc le temps de traitement effectif sera de
>> 18 jours.
>> 3) Le brevet déposé par M. Hatoum concerne apparamment la
>> structure de la cuverie et sa capacité à assurer le maintien en
>> température et l'isolation thermique; en aucun cas ce brevet ne
>> garantit le bon fonctionnement biologique de la méthanisation. Par
>> ailleurs, nos compétences en isolation thermique ne nous
>> permettent pas de nous prononcer sur l'apport de cette invention.
>> 4) Le procédé proposé semble plus "gourmant" en énergie que les
>> concurrents (notamment en raison des besoins électriques pour le
>> pompage et le maintien en température).
>> 5) Dans l'état actuel, annoncer des couts, des performances ainsi
>> que des bénéfices annuels de manière aussi catégorique nous semble
>> très prématuré. Il s'agit plutôt d'objectifs souhaitables que de
>> chiffres pouvant être garantis dans l'état actuel des connaissances;
>> 6) De nombreuses contrevérités ont été énoncées lors de la réunion
>> d'hier, notamment à propos de l'élimination des pathogènes (la
>> digestion thermophile tue davantage de pathogène, mais ne les tue
>> pas tous), et d'autres que je n'ai pas notées car le stylo m'en
>> tombait des mains ;
>>
>>
>> En conclusion:
>> Nous considérons que malgré une démarche volontaire et un soucis
>> de développer la méthanisation, le procédé tel que proposé par M.
>> Hatoum n'offre aucune garantie sur les performances finales, tant
>> sur le point de vue technique que financier; passer d'une idée à
>> une réalisation industrielle ne necéssite pas seulement des
>> talents d'ingénieur, mais une phase de développement et de
>> recherche qui a été négligée il me semble.
>> De plus, étant donné l'attitude peu constructive de M. Hatoum vis
>> à vis des réserves évoquées lors de la réunion, il ne nous semble
>> pas opportun de nous impliquer dans une collaboration sur
>> l'amélioration de son dispositif.
>>
>>
>> Cordialement,
>> Pierre BUFFIERE
>>
>>
>>
>>
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