Bachelor's Thesis

Design and Implementation of Modular Bioreactor with Use of Wasted Heat

Final Thesis 4.32 MB Appendix 13.9 MB

Author of thesis: Ing. Michal Peterka

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaroslav Bajko

Abstract:

The aim of the thesis is to extend the existing project of further use of waste heat from biodegradation processes and to improve bioreactor design. The first part summarizes the theoretical knowledge of the use of biomass and waste resources. The practical part is initially focused on the development of the bioreactor structure, the following part deals with the use of heat pipes for heat dissipation and the last chapter is about heating the fermenter and collecting the generated gas. Designed construction of the new bioreactor proved to have more advantages than the previous type. Heat pipes have a great potential for heat dissipation from the bioreactor, next steps should lead to a system of interconnected heatpipes and controlled heat dissipation. Biogas consumption initially seemed like a good idea, but the processes within the fermenter are more complex than expected. After a short time, the processes inside the fermenter have stopped, therefore this path of research will require further exploration.

Keywords:

fermenter, bioreactor, biomass, biogas, heat dissipation

Date of defence

20.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil komisi se svojí bakalářskou prací s názvem Návrh a realizace modulárního bioreaktoru s využitím odpadního tepla. Vedoucí práce doc. Petr Baxant přečetl posudky vedoucího a oponenta bakalářské práce. Student odpověděl na 3 otázky oponenta. Ing. Michal Krbal položil dotaz týkající se důvodu použití pětiúhelníkového tvaru pro bioreaktoru a tepelného výkonu tepelné trubice. Student otázky zodpověděl. Ing. Michal Ptáček se zeptal, z kolika tepelných trubic se bude skládat výsledný bioreaktor. Student uvedl, že velikost bioreaktoru záleží na investorovi a na rozměrových možnostech místa instalace. Doc. Jaroslava Orságová položila dotaz týkající se kolísání teplot v bioreaktoru. Další otázka se týkala množství energie, která se získá z jedné vsázky materiálu v bioreaktoru. Student na tyto otázky částečně odpověděl. Doc. Petr Mastný se zeptal, čím jsou způsobeny výrazné výkyvy teploty v bioreaktoru. Student uvedl, že se jedná o chybu měření způsobenou slunečním svitem. Na základě odpovědi tázající poznamenal, že tyto chybové hodnoty měly být odfiltrovány.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical, Electronic, Communication and Control Technology (EECC Bc.)

Field of study

Power Electrical and Electronic Engineering (B-SEE)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D. (člen)
Ing. Branislav Bátora, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Krbal, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Ptáček, Ph.D. (člen)
Ing. František Vybíralík, CSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Student Michal Peterka ve své práci řeší poměrně novou oblast využití energetického potenciálu biodegradačních procesů při kompostování. Cílem bakalářské práce byly nejen rešeršní práce popisující stávající technologie u nás i ve světě, ale hlavně praktické experimenty na dalším typu konstrukce bioreaktoru. Práce navazuje na předchozí bakalářskou práci a vytvořený koncept většího kompostéru, ze kterého lze odebírat teplo pro přípravu TUV a nebo vytápění.
Práce sleduje zadané body zadání a v podstatě naplňuje požadavky osnovy.
Optimalizaci tvaru reaktoru a výpočty efektivních rozměrů jsou však v práci uvedeny jen v základní formě a bez dalšího doporučení. Chybí mi výpočty pro více možných variant tvarového uspořádání.
Student se práci věnoval víceméně během celého semestru, ale jeho aktivita byla spíše průměrná. Reflektoval sice návrhy na realizace experimentů, ale vyžadoval mírnou dopomoc. Tvorba doprovodné dokumentace se soustředila až na konec semestru, z čehož plyne i řada formálních chyb. Za nadbytečné informace považuji i většinu kapitoly 3, zatímco v kapitole 4 jsou jednotlivým typům bioreaktorů věnovány jen velmi stručné komentáře.
Jako pozitivní však hodnotím implementaci technologie výroby bioplynu a experimenty s fermentorem, což přesahuje zámec zadání a nabízí tak další oblast vývoje.  V práci jsou uvedeny nové poznatky, které jsou inovační, jako např. využití teplovodných trubic pro vyvedení tepla z reaktoru.
Práci doporučuji k obhajobě u státní závěrečné zkoušky. Points proposed by supervisor: 75
Display more

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Bajko

Bakalářská práce studenta Michala Peterky se zabývá energetickým využitím biomasy. V rešeršní časti jsou přehledně představeny známé technologie a procesy zpracování organické hmoty, včetně kompostování. Ačkoliv je v názvu i cílech práce zmíněn pojem „bioreaktor“, v textu práce je používán vágně, tj. text neobsahuje vymezení, co bioreaktor je a co již není.

Praktická část je věnována analýze teplotních průběhů v existujícím kompostovacím reaktoru, návrhu konceptů pro vylepšení konstrukce a způsobů jímání tepla z reaktoru. Za velmi cenný počin považuji pilotní provedení odvodu tepla pomocí tepelných trubic a návrh jejich připojení do teplovodního okruhu. Neméně kreativní je experimentální jímání bioplynu a ocenit lze také upřímné zhodnocení experimentu a návrhy na zlepšení.

Cíle práce považuji za splněné v dostatečném rozsahu. Kapitoly na sebe logicky navazují, jsou přehledné a obsahují velké množství grafických podkladů v dobré kvalitě.

Z hlediska nalezených nedostatků práce uvádím tyto jednotlivé body jako připomínky k možné nápravě:

Faktické nedostatky:
• Poměr C/N vyzrálého kompostu je typicky 10/1, nikoliv 25-30/1 jak je uvedeno na str. 27.
• Na str. 40, „vodivost“ je zaměněna za „tepelný tok“, který již je vektorovou veličinou a lze mluvit o uspořádání vláken vůči směru tepelného toku.
• Symbol „l“ v rovnici (5.10) není definován.
• Str. 46: pro uvedené poloměry r_1=4,5 cm a r_2=2 cm platí r_1>r_2, což je v rozporu s Obr. 5-14.
• Citace [23] je nepůvodní, tj. neodkazuje na originální text J. Paina: The Methods of Jean Pain: Another Kind of Garden.

Formální nedostatky:
• Nekonzistentní matematické značení veličin (teplota t, T a "ný"), operací (násobení "hvězdička"a "tečka" ), jednotek (KWh a kWh) a legendy grafů (t [°C] a [°C]).
• Nestandartní použití symbolu „=“ společně s textem, např. str. 40, 46, aj.
• Překlepy (v abstraktu, v jednotkách THh místo TWh), chyby v interpunkci.
• Použití staršího termínu „měrné teplo“ místo „měrná tepelná kapacita“, str. 45.

Další komentáře k práci:

• V práci na str. 34 je uvedeno, že čidlo pro měření teploty okolí je vystaveno slunečnímu záření. Neměří tedy teplotu okolí, ale společně teplotu okolí a solární zisky. Naměřené hodnoty použité pro výpočty tepelných ztrát vedením jsou tedy touto solární složkou značně ovlivněny.
• Vhodným rozšířením pro výpočet tepelných ztrát rovinnou stěnou je zahrnutí tepla odvedeného konvekcí z vnějších stěn reaktoru.

Celkově práci doporučuji k obhajobě s hodnocením C / dobře. Topics for thesis defence:
  1. V jakém místě uvnitř nového reaktoru s tepelnou trubicí bylo umístěno čidlo pro měření teploty?
  2. Jak silná vrstva slámy by se musela použít k izolaci reaktoru, aby tepelné ztráty vedením dosáhly hodnot získaných pomocí izolace 5 cm pěnového polystyrenu, tj. P=13,6 W pro jednu stranu reaktoru s podstavou pětiúhelníku při rozdílu teplot 30,5 °C?
  3. Byla by taková izolace dostatečně prodyšná pro udržení aerobních podmínek v reaktoru?
Points proposed by reviewer: 70
Display more

Grade proposed by reviewer: C

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 221,15 kB