Αξιοποίηση διοξειδίου του άνθρακα και αναβάθμιση
βιοαερίου με χρήση πράσινου υδρογόνου σε
αντιδραστήρα TBR

Μαρκοπούλου, Αγγελική; Markopoulou, Aggeliki

dc.contributor.author	Μαρκοπούλου, Αγγελική	el
dc.contributor.author	Markopoulou, Aggeliki	en
dc.date.accessioned	2026-02-16T11:43:57Z
dc.date.available	2026-02-16T11:43:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/63450
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.31145
dc.rights	Default License
dc.subject	Ενεργειακή μετάβαση	el
dc.subject	βιολογική μεθανογένεση	el
dc.subject	ανανεώσιμη ενέργεια	el
dc.subject	μεθάνιο	el
dc.subject	υδρογόνο	el
dc.subject	υδρογονοτροφικά μεθανογόνα	el
dc.subject	Power-to-Methane	en
dc.subject	Trickle Bed Reactor	en
dc.subject	βιοαέριο	el
dc.title	Αξιοποίηση διοξειδίου του άνθρακα και αναβάθμιση βιοαερίου με χρήση πράσινου υδρογόνου σε αντιδραστήρα TBR	el
dc.title	Carbon dioxide utilization and biogas upgrading using green hydrogen in a TBR reactor	en
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ IV: ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-07-04
heal.abstract	Η παγκόσμια προσπάθεια απεξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα, σε συνδυασμό με την ανάγκη περιορισμού των συνεπειών της κλιματικής αλλαγής, καθιστά αναγκαία την προώθηση εναλλακτικών ενεργειακών λύσεων με μηδενικές εκπομπές άνθρακα. Στο πλαίσιο αυτό, η μετάβαση σε ένα βιώσιμο ενεργειακό σύστημα, που βασίζεται κυρίως στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αντιμετωπίζει τεχνικές δυσκολίες που σχετίζονται με τη διαλείπουσα φύση της παραγωγής, την αποθήκευση και την εξισορρόπηση προσφοράς και ζήτησης. Μια εξελισσόμενη τεχνολογία που αναδεικνύεται ως καίριο εργαλείο για την αξιοποίηση της πλεονάζουσας πράσινης ενέργειας είναι η διεργασία Power-to-Methane (PtM). Η μέθοδος αυτή αξιοποιεί το υδρογόνο που παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης, σε συνδυασμό με διοξείδιο του άνθρακα, προκειμένου να συντελέσει στη βιολογική παραγωγή μεθανίου, με τη δράση εξειδικευμένων μικροοργανισμών. Το προϊόν της διεργασίας είναι μεθάνιο υψηλής καθαρότητας, κατάλληλο για άμεση χρήση σε δίκτυα διανομής φυσικού αερίου, καθιστώντας την τεχνολογία ιδιαίτερα ελκυστική για την κυκλική αξιοποίηση του άνθρακα. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη και πειραματική διερεύνηση της λειτουργίας ενός αναερόβιου αντιδραστήρα τύπου Trickle Bed Reactor (TBR), σχεδιασμένου για τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς μάζας μεταξύ αερίου και υγρής φάσης κατά τη διεργασία μεθανογένεσης. Ο αντιδραστήρας, συνολικού όγκου 51 λίτρων σε πληρωτικά υλικά, λειτούργησε υπό μεσόφιλες συνθήκες (39°C) και ατμοσφαιρική πίεση για συνολική χρονική περίοδο 166 ημερών. Ως αρχικό βιοκατάλυμα χρησιμοποιήθηκε ενεργός ιλύς προερχόμενη από μονάδα επεξεργασίας λυμάτων, ενώ η αναλογία των τροφοδοτούμενων αερίων H₂ και CO₂ διατηρήθηκε στο στοιχειομετρικό 4:1. Κατά τη διάρκεια των επιμέρους φάσεων λειτουργίας, αξιολογήθηκαν διαφορετικά μίγματα αερίων για την προσομοίωση πραγματικών ρευμάτων βιοαερίου, καθώς και η επίδραση παραμέτρων όπως η πίεση, η σύνθεση της τροφοδοσίας και η μικροβιακή δραστικότητα. Στην τέταρτη φάση πειραμάτων, όπου εφαρμόστηκε μείγμα CH₄/CO₂ (85:25) – αντίστοιχο με αυτό που παρατηρείται σε αντιδραστήρες τύπου UASB – καταγράφηκε η μέγιστη παραγωγή μεθανίου: 3,93 L/LEMPTY_BED/d, με τροφοδοσία H₂ ίση με 14,10 L/LEMPTY_BED/d και συγκέντρωση μεθανίου (μαζί με N₂) 80,8%. Με την ενίσχυση της μικροβιακής κοινότητας μέσω επιπλέον προσθήκης ενεργού ιλύος, η απόδοση του αντιδραστήρα αυξήθηκε σημαντικά, φτάνοντας τα 10,6 L/LEMPTY_BED/d, με περιεκτικότητα εξόδου σε CH₄+N₂ της τάξης του 91,5%. Επιπλέον, η στοχευμένη αύξηση του επιπέδου αμμωνιακού αζώτου (N–NH₃ > 2500 mg/L) με χρήση NH₄Cl είχε ως αποτέλεσμα τον περιορισμό της παραγωγής πτητικών λιπαρών οξέων – ιδίως του οξικού – μέσω αναστολής της οξικοκλαστικής οδού, χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η δράση των υδρογονοτροφικών μεθανογόνων. Η μελέτη αυτή ενισχύει την κατανόηση της βιολογικής μεθανογένεσης υπό συνθήκες κοντά σε πραγματικά σενάρια εφαρμογής, και επιβεβαιώνει την τεχνικοοικονομική σκοπιμότητα της χρήσης TBR αντιδραστήρων ως κρίσιμο κρίκο στην ενεργειακή αξιοποίηση του πλεονάζοντος υδρογόνου και του CO₂.	el
heal.abstract	Global efforts to reduce dependency on fossil fuels, coupled with the urgent need to address climate change, underscore the importance of transitioning to low-carbon energy alternatives. In this context, moving towards a sustainable energy system based primarily on renewable sources presents various technical challenges, particularly those related to the intermittent nature of energy production, storage capacity, and grid balancing. An emerging technology with strong potential for utilizing surplus renewable energy is the Power-to-Methane (PtM) process. This approach converts hydrogen—produced via electrolysis—together with carbon dioxide into methane through the biological activity of specific microorganisms. The resulting methane is of high quality and suitable for direct injection into natural gas networks, making this pathway particularly attractive for circular carbon utilization. This thesis focuses on the experimental investigation of an anaerobic Trickle Bed Reactor (TBR), specifically designed to optimize gas-liquid mass transfer during methanogenesis. The reactor, with a total packed bed volume of 51 liters, operated under mesophilic conditions (39°C) and atmospheric pressure for a total duration of 166 days. Activated sludge from a municipal wastewater treatment facility was used as the inoculum, and the feed gas ratio of H₂ to CO₂ was maintained at the stoichiometric value of 4:1. Different phases of operation were examined, with various synthetic gas mixtures used to simulate real biogas compositions, along with assessment of key process parameters such as gas pressure, feed composition, and microbial performance. In the fourth operational phase, a CH₄/CO₂ mixture (85:25)—similar to that produced in UASB-type digesters—was applied, yielding the highest methane productivity recorded: 3.93 L/LEMPTY_BED/d, with H₂ feeding rate of 14.10 L/LEMPTY_BED/d and CH₄+N₂ output concentration of 80.8%. Following the addition of extra activated sludge to enhance the hydrogenotrophic methanogenic community, methane productivity increased significantly to 10.6 L/LEMPTY_BED/d, with an outlet concentration (CH₄+N₂) of 91.5%. Moreover, elevated levels of ammoniacal nitrogen (N–NH₃ > 2500 mg/L) achieved through NH₄Cl addition were found to suppress volatile fatty acid production—particularly acetate—by inhibiting the acetoclastic pathway, without substantially affecting hydrogenotrophic methanogen growth. This study contributes to a deeper understanding of biological methanation under near-realistic conditions and supports the technical and economic feasibility of using TBR reactors as a key process parameters such as gas pressure, feed composition, and microbial performance. In the fourth operational phase, a CH₄/CO₂ mixture (85:25)—similar to that produced in UASB-type digesters—was applied, yielding the highest methane productivity recorded: 3.93 L/LEMPTY_BED/d, with H₂ feeding rate of 14.10 L/LEMPTY_BED/d and CH₄+N₂ output concentration of 80.8%. Following the addition of extra activated sludge to enhance the hydrogenotrophic methanogenic community, methane productivity increased significantly to 10.6 L/LEMPTY_BED/d, with an outlet concentration (CH₄+N₂) of 91.5%. Moreover, elevated levels of ammoniacal nitrogen (N–NH₃ > 2500 mg/L) achieved through NH₄Cl addition were found to suppress volatile fatty acid production—particularly acetate—by inhibiting the acetoclastic pathway, without substantially affecting hydrogenotrophic methanogen growth. This study contributes to a deeper understanding of biological methanation under near-realistic conditions and supports the technical and economic feasibility of using TBR reactors as a key solution for converting excess hydrogen and CO₂ into storable renewable methane.
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδοπούλου, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113
heal.fullTextAvailability	false