Βιοτεχνολογική αξιοποίηση αποβλήτων ελαιοτριβείων για παραγωγή υδρογόνου

Abstract

Olive mill wastes constitute one of the most important environmental problems of the Mediterranean region, because of their thoughtless disposal. It is characteristic that, approximately 95% of the world’s olive oil production is derived from small, family enterprises which are mainly located in Mediterranean countries. The biotechnological exploitation of olive mill wastes for anaerobic hydrogen production was the aim of this thesis. In particularly, the possibility of hydrogen production from semi-solid residue derived from a two-phase centrifugation process (olive pulp) and olive mill wastewater derived from a three-phase centrifugation process (OMW) was examined with mixed anaerobic cultures under mesophilic conditions. The wastes were previously diluted with tap water (1:4), in order to be susceptible to biological treatment. Various experiments in CSTR type reactors showed that, the continuous mesophilic anaerobic hydrogen production is feasible from diluted olive pulp (1:4) and diluted OMW (1:4) as well. The yield of hydrogen production from diluted olive pulp (1:4) was lower than the maximum theoretical yield (4 mol H₂/mol consumed glucose) probably due to the negative effect of partial pressure of hydrogen. The anaerobic digestion model No 1 (ADM1) was properly modified in order to describe the anaerobic hydrogen production. All the model’s critical parameters were determined by fitting the experimental data of continuous anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4), while batch experiments were conducted for their verification. In order to examine the validity and the reliability of the modified model for the description of anaerobic hydrogen production from various types of olive mill wastes, it was also tested in the case of diluted ΟMW (1:4) anaerobic treatment. Pretreatment methods of diluted olive pulp (1:4) were developed and evaluated (physicochemical methods and enzyme hydrolysis) targeting to the increase of soluble carbohydrates available concentration, while in the cases where this was achieved, the effect on hydrogen yield was investigated. This attempt was based on the conclusion derived from batch experiments, which indicated that, the non-soluble carbohydrates contribute to anaerobic hydrogen production only to a very small extent, with their concentration corresponding approximately to 50% of waste content in total carbohydrates. Among the physicochemical methods that were applied (addition of alkaline solution, ozonation, treatment with steam), the treatment with steam (1 bar, 121°C) for 60 min was selected as the optimum method, because the achieved increase in soluble carbohydrates concentration was the highest (about 26%) with the least economic cost. The potential of anaerobic hydrogen production was increased approximately 45% (expressed as mL H₂/g soluble carbohydrates consumed). Two commercial enzyme solutions, Celluclast 1.5L (endo-β-glucanase) and Novozyme 188 (β-glucosidase), were used for the enzymatic hydrolysis of diluted olive pulp (1:4). Conclusively, the potential of anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4) was optimum with the addition of Celluclast 1.5L (50 FPU/g non soluble carbohydrates from substrate) and substrate/mixed culture volume ratio (S/X) equal to 1 in one stage process (Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF) Finally, enzyme (Celluclast 1.5L) was added into the CSTR-type reactor in order to determine the effect in the potential of anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4).

Τα απόβλητα των ελαιοτριβείων αποτελούν ένα από τα σηµαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήµατα της Μεσογείου, λόγω της άκριτης διάθεσης τους. Είναι χαρακτηριστικό ότι, περίπου το 95% της παγκόσµιας παραγωγής ελαιόλαδου παράγεται από µικρές, οικογενειακές επιχειρήσεις Μεσογειακών χωρών. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η βιοτεχνολογική αξιοποίηση των αποβλήτων των ελαιοτριβείων για την αναερόβια παραγωγή υδρογόνου. Ειδικότερα, µελετήθηκε η δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου σε µεσόφιλες συνθήκες από το ηµιστερεό υπόλειµµα διφασικών ελαιοτριβείων (ελαιοπολτός ή olive pulp) και από τα υγρά απόβλητα τριφασικών ελαιοτριβείων (OMW) µε χρήση µικτής αναερόβιας καλλιέργειας µικροοργανισµών. Τα απόβλητα αραιώθηκαν µε νερό βρύσης σε αναλογία όγκων 1:4 αντίστοιχα, ώστε να καταστεί δυνατή η βιολογική επεξεργασία τους. Πειράµατα σε αντιδραστήρες τύπου CSTR κατέδειξαν ότι, η συνεχής µεσόφιλη αναερόβια παραγωγή υδρογόνου είναι εφικτή τόσο από αραιωµένο ελαιοπολτό (1:4) όσο και από αραιωµένο απόβλητο OMW (1:4). Η απόδοση της συνεχούς διεργασίας σε υδρογόνο από αραιωµένο ελαιοπολτό (1:4) προσδιορίστηκε µικρότερη από τη µέγιστη θεωρητική απόδοση (4 mol H₂/mol γλυκόζης που καταναλώθηκε) πιθανότατα λόγω της αρνητικής επίδρασης της µερικής πίεσης του υδρογόνου. Στα πλαίσια αξιοποίησης των πειραµατικών αποτελεσµάτων της παρούσας διατριβής το µαθηµατικό µοντέλο αναερόβιας χώνευσης ADM1 τροποποιήθηκε κατάλληλα, ώστε να καταστεί δυνατή η περιγραφή της αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου. Αρχικά, όλες οι κρίσιµες παράµετροι του µοντέλου προσδιορίστηκαν από τα πειραµατικά δεδοµένα της συνεχούς αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου από αραιωµένο ελαιοπολτό (1:4), ενώ πειράµατα διαλείποντος έργου πραγµατοποιήθηκαν για την επαλήθευσή τους. Προκειµένου να εξεταστεί η εγκυρότητα του τροποποιηµένου µοντέλου και η δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής της αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου από απόβλητα ελαιοτριβείων, το µοντέλο χρησιµοποιήθηκε για την περιγραφή της αναερόβιας επεξεργασίας του αραιωµένου αποβλήτου OMW (1:4) µε στόχο την παραγωγή υδρογόνου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν και εφαρµόστηκαν µέθοδοι προεπεξεργασίας του αραιωµένου ελαιοπολτού (1:4) (φυσικοχηµικές µέθοδοι και ενζυµική υδρόλυση) µε κύριο στόχο την αύξηση της συγκέντρωσης των διαλυτών υδατανθράκων του, ενώ στις περιπτώσεις που αυτό επιτεύχθηκε, διερευνήθηκε η επίδραση τους στην απόδοση της διεργασίας σε υδρογόνο. Η προσπάθεια αυτή βασίστηκε στο συµπέρασµα που προέκυψε από πειράµατα διαλείποντος έργου, σύµφωνα µε τα οποία, οι αδιάλυτοι υδατάνθρακες συνεισέφεραν ελάχιστα στην αναερόβια παραγωγή υδρογόνου µε την εκατοστιαία κατά βάρος περιεκτικότητα τους να αντιστοιχεί περίπου στο 50% της περιεκτικότητας του αποβλήτου σε ολικούς υδατάνθρακες. Μεταξύ των φυσικοχηµικών µεθόδων που εφαρµόστηκαν (προσθήκη αλκαλικού µέσου, οζονισµός, επεξεργασία µε ατµό) ως βέλτιστη µέθοδος επιλέχθηκε η επεξεργασία µε ατµό (1 bar, 121°C) για 60 min, καθώς οδήγησε στο µεγαλύτερο ποσοστό αύξησης των διαλυτών υδατανθράκων (περίπου 26% επί της αρχικής τους συγκέντρωσης), µε το µικρότερο δυνατό οικονοµικό κόστος, αυξάνοντας την απόδοση της διεργασίας σε υδρογόνο περίπου κατά 45% (εκφρασµένη ως mL Η₂/g διαλυτών υδατανθράκων που καταναλώθηκαν). Τα εµπορικά διαλύµατα ενζύµων Celluclast 1.5L (διάλυµα ενδο-β-γλυκανάσης) και Novozyme 188 (διάλυµα β-γλυκοσιδάσης) χρησιµοποιήθηκαν για την ενζυµική υδρόλυση του αραιωµένου ελαιοπολτού (1:4). Συµπερασµατικά, πειράµατα διαλείποντος έργου κατέδειξαν ότι, η απόδοση της αναερόβιας διεργασίας παραγωγής υδρογόνου από αραιωµένο ελαιοπολτό (1:4) καθίσταται βέλτιστη µε την προσθήκη µόνο Celluclast 1.5L σε συγκέντρωση 50 FPU/g αδιάλυτων υδατανθράκων υποστρώµατος και σε αναλογία όγκων υποστρώµατος/µαγιάς µικροοργανισµών (S/X) ίση µε 1 σε διεργασία ενός σταδίου. Τέλος, µελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης του ενζύµου Celluclast 1.5L στην απόδοση της συνεχούς διεργασίας παραγωγής υδρογόνου από αραιωµένο ελαιοπολτό (1:4) στον αντιδραστήρα τύπου CSTR.