Energy valorization of agro-industrial wastes and sweet sorghum for the production of gaseous biofuels through anaerobic digestion
Authors: Δαρειώτη Μαργαρίτα 
Published: September 2021

Είναι φανερό ότι οι ανανεώσιμες πηγές έχουν λάβει μεγάλο ενδιαφέρον από τηδιεθνή κοινότητα τις τελευταίες δεκαετίες και διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στηνμείωση του CO2. Η ενέργεια από βιομάζα και απόβλητα θεωρείται ως μία από τιςπλέον κυρίαρχες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας του μέλλοντος. Έτσι, τα οργανικάαπόβλητα όπως κτηνοτροφικά, λύματα, ενεργειακές καλλιέργειες, γεωργικά καιαγροτο-βιομηχανικά υπολείμματα έχουν ιδιαίτερη σημασία, δεδομένου ότι οι πηγέςαυτές δεν ανταγωνίζονται με τις καλλιέργειες τροφίμων της γεωργικής γης. Διάφορεςτεχνολογίες είναι διαθέσιμες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα:θερμοχημικές, βιοχημικές και φυσικοχημικές διεργασίες. Η αναερόβια χώνευση, πουυπάγεται στις βιοχημικές διεργασίες, είναι μια διεργασία που εφαρμόζεται ευρέως.Διάφορα είδη βιομάζας μπορούν να συν-χωνευτούν αναερόβια δημιουργώντας έναομοιογενές μίγμα και αυξάνοντας την απόδοση. Αυτή η τεχνολογία αποτελεί μιαελκυστική επιλογή για τη βελτίωση των αποδόσεων της αναερόβιας χώνευσης τωνυποστρωμάτων λόγω των θετικών συνεργιών που λαμβάνουν χώρα, γεγονός πουαυξάνει την οικονομική βιωσιμότητα των μονάδων παραγωγής βιοαερίου.Η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε στην αξιοποίηση των αγροτο-βιομηχανικώναποβλήτων (π.χ. ελαιοτριβείου, τυροκομείου, βουστασίου) και του γλυκού σόργου.Ελαιουργεία, τυροκομεία και αγροκτήματα αγελάδων είναι αγροτο-βιομηχανίες πουαντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μερίδιο της παγκόσμιας οικονομίας με ιδιαίτεροενδιαφέρον την περιοχή της Μεσογείου. Αυτές οι βιομηχανίες παράγουν εκατομμύριατόνους λυμάτων και μεγάλες ποσότητες υπο-προϊόντων, τα οποία σε πολλέςπεριπτώσεις είναι τελείως ανεκμετάλλευτα και επικίνδυνα για το περιβάλλον. Από τηνάλλη πλευρά, το γλυκό σόργο ως λιγνοκυτταρινούχο υλικό αντιπροσωπεύει έναενδιαφέρον υπόστρωμα για την παραγωγή βιοκαυσίμων λόγω της σύνθεσής του.Πειράματα αναερόβιας συγχώνευσης πραγματοποιήθηκαν με χρήση διαφορετικώνυποστρωμάτων, τα οποία διεξήχθησαν σε διβάθμιο σύστημα αντιδραστήρων συνεχούςλειτουργίας (CSTRs), υπό μεσόφιλες συνθήκες (37°C) και με υδραυλικό χρόνοπαραμονής (HRT) 19 ημέρες (3 d και 16 d, αντίστοιχα). Ο μέγιστος ρυθμός παραγωγήςμεθανίου (1.35 L CH4/LR·d) λήφθηκε χρησιμοποιώντας το μίγμα 55% ελαιοτριβείο,40% τυροκομείο και 5% βουστάσιο με απόδοση μεθανίου 467.53 mL CH4/g VS, ενώεξίσου υψηλός ρυθμός παραγωγής μεθανίου και ίσος με 1.33 L CH4/LR·dπαρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας το μίγμα 90% τυροκομείο και 10% βουστάσιο με 79%απομάκρυνση ολικού COD. Παρόλο που η διαδικασία αναερόβιας χώνευσης σε δύοστάδια υπερτερεί, εν γένει, σε σχέση με τη συμβατική διεργασία ενός σταδίου,πειράματα διεξήχθηκαν χρησιμοποιώντας απόβλητα τυροκομείου και βουστασίου.Πραγματικά, στην επεξεργασία βουστασίου δεν παρατηρήθηκε διαφορά μεταξύ ενόςκαι δύο σταδίων. Αντιθέτως, στην επεξεργασία τυροκομείου, η διεργασία δύο σταδίωνέδωσε καλύτερα αποτελέσματα. Λαμβάνοντας υπόψη τα προαναφερθέντα, το μίγμα 55% ελαιοτριβείο, 40%τυροκομείο και 5% βουστάσιο επιλέχτηκε για περαιτέρω μελέτη και βελτιστοποίηση.Εν συνεχεία, μελετήθηκαν δύο επιπλέον μίγματα όπου γλυκό σόργο προστέθηκε μεσκοπό την προσομοίωση λειτουργίας μίας κεντρικής μονάδας αναερόβιας χώνευσης ηοποία τροφοδοτείται με τοπικά απόβλητα τα οποία θα αντικατασταθούν σε περίοδο μηεποχικής διαθεσιμότητας. Το γλυκό σόργο που χρησιμοποιήθηκε ήταν είτε φρέσκο είτεενσιρωμένο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε έπειτα από επεξεργασία αυτού. Η μέθοδοςπροεπεξεργασίας του ενσιρωμένου σόργου που χρησιμοποιήθηκε ήταν θερμο-αλκαλικήυδρόλυση με σκοπό την διαλυτοποίηση των υδατανθράκων και την απομάκρυνση τηςλιγνίνης που λειτουργεί σαν παρεμποδιστής στην πρόσβαση των ενζύμων στηνκυτταρίνη.Για την βελτιστοποίηση αυτών των μιγμάτων, δύο λειτουργικές παράμετροι (pH καιHRT) εξετάστηκαν. Πειράματα διαλείποντος έργου έγιναν προκειμένου να διερευνηθείη επίδραση του pH στην παραγωγή υδρογόνου, ενώ πειράματα συνεχούς λειτουργίαςδιεξήχθηκαν για την επίδραση του HRT την παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου.Χρησιμοποιώντας το μίγμα 55% ελαιοτριβείο, 40% τυροκομείο και 5% βουστάσιο, ημέγιστη απόδοση παραγωγής υδρογόνου παρατηρήθηκε σε pH 6.0 (0.64 mol H2/molκαταναλ. υδαταν.), ενώ το γαλακτικό οξύ ανιχνεύτηκε ως κύριο μεταβολικό προιόν πουπαρουσίασε μία έντονη συσσώρευση πριν από την περαιτέρω μετατροπή του σεβουτυρικό οξύ και υδρογόνο. Σε συνεχή λειτουργία, ο μέγιστος ρυθμός παραγωγήςυδρογόνου (1.72 L/LR·d) επιτεύχθηκε σε HRT 0.5d, ενώ ο μεθανογόνος αντιδραστήραςπαρουσίασε σταθερότητα με παραγωγή μεθανίου 0.33 L CH4/LR·d σε HRT 25d. Κατάτην επεξεργασία του μίγματος 55% σόργο, 40% τυροκομείο και 5% βουστάσιο, ηβέλτιστη τιμή του pH βρέθηκε να είναι ίση με 5.5 με απόδοση υδρογόνου 0.52 molH2/mol καταν. υδαταν., ενώ η μέγιστη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου σε διβάθμιοσύστημα συνεχούς λειτουργίας παρατηρήθηκε σε HRTs 0.5d και 16d και ήταν ίση με2.14 L Η2/LR·d και 0.90 L CH4/LR·d, αντίστοιχα. Τέλος, αυξάνοντας το ποσοστό τουσόργου στο μίγμα (95%σόργο-5%βουστάσιο), το βέλτιστο pH βρέθηκε να είναι ίσο με5.0 (0.92 mol H2/mol καταν. υδαταν.) μικρότερο σε σύγκριση με τα προηγούμεναμίγματα. Επιπλέον η μέγιστη απόδοση υδρογόνου ελήφθηκε σε μεγαλύτερο HRT (5d),το οποίο μπορεί να οφείλεται στην ύπαρξη λιγνοκυτταρινούχου υλικού, ενώ η μέγιστηπαραγωγή μεθανίου (0.44 L/LR·d) επιτεύχθηκε σε HRT 25d.Περαιτέρω αξιοποίηση του χωνευμένου υπολείμματος μελετήθηκε με χρήσησυνδυασμένου συστήματος υπερδιήθησης/νανοδιήθησης επιτυγχάνοντας επιπρόσθετημείωση του οργανικού φορτίου στο διήθημα. Η μετατροπή της αναερόβια χωνευμένηςιλύος σε λίπασμα αξιολογήθηκε μέσω κομποστοποίησης με γεωσκώληκεςεπιτυγχάνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα στην αύξηση των συγκεντρώσεων N-PK.Επιπλέον αναπτύχθηκε τροποποιημένο μοντέλο της αναερόβιας χώνευσης (ADM1)με στόχο την προσομοίωση της αναερόβιας συγχώνευσης διαφορετικώνυποστρωμάτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι το μοντέλο ήταν σε θέσηνα προβλέψει σε ικανοποιητικό επίπεδο την πορεία των πειραματικών δεδομένων.