title: Αξιοποίηση στερεών υπολειμμάτων ζυθοποιίας στην παραγωγή μεθανίου και βιοεξανθρακώματος
title: Valorization of solid brewery residues for methane and biochar production
Creators: name: Πιτσιος Μιχαηλ
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Ένα σημαντικό πρόβλημα που απασχολεί ιδιαίτερα τις σύγχρονες κοινωνίες, είναι η παραγωγή και η διαχείριση στερεών αποβλήτων που προκύπτουν από τις αγροβιομηχανικές δραστηριότητες. Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο, τη μελέτη της αξιοποίησης των υπολειμμάτων βύνης, ως υπόστρωμα στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης για την παραγωγή μεθανίου, καθώς και ως βάση παραγωγής βιοεξανθρακώματος για χρήση ως προσροφητικό υλικό.

Τα υπολείμματα βύνης, αρχικά, χαρακτηρίστηκαν ως προς την στοιχειακή τους σύνθεση και τις μη διαλυτές ίνες (NDF, ADF και ADL). Επιπλέον έλαβε χώρα ο προσδιορισμός της περιεκτικότητάς τους σε υγρασία, ολικά και πτητικά στερεά. Ακολούθησε, η διεξαγωγή δοκιμών για τον προσδιορισμό του βιοχημικού δυναμικού μεθανίου (Biochemical Methane Potential, BMP), με σκοπό την εκτίμηση της βιοαποδομησιμότητας του οργανικού υποστρώματος (υπολείμματα βύνης) κατά την αναερόβια χώνευση και συνεπώς της δυνατότητας παραγωγής μεθανίου από αυτά. Οι δοκιμές BMP, πραγματοποιήθηκαν με λόγο υποστρώματος προς εμβόλιο (SIR) 0.25, βάσει πτητικών στερεών, ενώ ως εμβόλιο χρησιμοποιήθηκε βιολογική ιλύς από μεσοφιλικό αναερόβιο χωνευτήρα μονάδας επεξεργασίας αστικών λυμάτων.

Η παραγωγή βιοεξανθρακώματος από τα υπολείμματα βύνης, πραγματοποιήθηκε μέσω πυρόλυσης σε περιβάλλον με περιορισμένη περιεκτικότητα οξυγόνου και σε θερμοκρασία 600 °C. Στη συνέχεια, το βιοεξανθράκωμα, χαρακτηρίστηκε ως προς την στοιχειακή του σύνθεση και προσδιορίστηκαν η θερμογόνος δύναμη και το σημείο μηδενικού φορτίου. Ακολούθησε η διεξαγωγή πειραμάτων προσρόφησης σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, μέσω των οποίων μελετήθηκε η επίδραση τεσσάρων παραμέτρων στην προσρόφηση δύο βαφών, της ηλιανθίνης και του κυανού του μεθυλενίου. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η επίδραση της δόσης του προσροφητή, του χρόνου επαφής, του pH του διαλύματος και της αρχικής συγκέντρωσης της εκάστοτε βαφής στο διάλυμα. Επιπλέον, μελετήθηκε τόσο η κινητική της προσρόφησης των βαφών στο βιοεξανθράκωμα με εφαρμογή των μοντέλων ψευδο-πρώτης και ψευδο-δεύτερης τάξης, Intraparticle diffusion, Fractional power, Avrami και Elovich, όσο και η ισορροπία της προσρόφησης με χρήση των ισόθερμων Freundlich, Langmuir, Redlich-Peterson και Koble-Corrigan.

Από τα πειράματα αναερόβιας χώνευσης, προέκυψε ότι η χρήση των υπολειμμάτων βύνης ως υπόστρωμα για την αναερόβια χώνευση είναι εφικτή αν και οι ποσότητες μεθανίου ήταν μικρότερες από τις αναμενόμενες. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων προσρόφησης, έδειξαν ότι η προσρόφηση βαφών στο βιοεξανθράκωμα, επηρεάζεται από όλες τις εξεταζόμενες παραμέτρους, είτε θετικά είτε αρνητικά. Το κινητικό μοντέλο που προσαρμόζεται καλύτερα στα πειραματικά δεδομένα είναι το μοντέλο Avrami, ενώ η ισορροπία της προσρόφησης των βαφών στο βιοεξανθράκωμα, περιγράφεται καλύτερα  από τις ισόθερμες Koble-Corrigan και Redlich-Peterson, για την ηλιανθίνη και το κυανό του μεθυλενίου, αντίστοιχα.
description: A major problem of modern societies is the management of solid waste arising from agro-industrial activities. The present study aims to examine and compare the exploitation of brewer’s spent grains as a substrate for the anaerobic digestion process for methane production, as well as for the production of a biochar to be used as an adsorbent material.

The brewer’s spent grains (BSG) were initially characterized regarding their elemental composition and their insoluble fibers (NDF, ADF and ADL). In addition, their moisture content, total and volatile solids were determined. Biochemical Methane Potential (BMP) tests were carried out to assess the biodegradability of the organic substrate (brewer’s spent grains) during anaerobic digestion and hence its ability for methane production. BMP assays were carried out with a substrate to inoculum ratio (SIR) of 0.25, based on volatile solids, while the inoculum used was biological sludge from a mesophilic anaerobic digester of a municipal waste water treatment plant.

On the other hand, biochar production from brewers spent grains was carried out through pyrolysis in an oxygen-limited environment at a temperature of 600 °C. The produced biochar was then characterized as to its elemental composition, calorific value and point of zero charge. Thereafter, adsorption experiments were conducted in batch reactors, through which the effect of four parameters on the adsorption efficiency of two different dyes, i.e. methyl orange and methylene blue, was studied. In particular, the parameters studied were the effect of adsorbent dose, contact time, pH of the solution and initial concentration of the dye. In addition, the kinetics of dye adsorption on biochar was modelled using the pseudo-first and pseudo-second order, Intraparticle diffusion, Fractional power, Avrami and Elovich models. Finally, the adsorption equilibrium was described using Freundlich, Langmuir, Redlich-Peterson and Koble-Corrigan isotherms.

Results from anaerobic digestion experiments, indicated that the use of brewer’s spent grains as a substrate in the anaerobic digestion process is feasible although the produced methane amounts were lower than expected. On the other hand, results from the adsorption experiments showed that the adsorption of dyes on biochar is affected by all the tested parameters, either positively or negatively. The kinetic model that best suited the experimental data is the Avrami model, while the adsorption equilibrium of dyes to biochar is best described by Koble-Corrigan and Redlich-Peterson isotherms, for methyl orange and methylene blue, respectively.