Παραγωγή αερίων βιοκαυσίμων από τα απόβλητα βιομηχανίας τροφίμων μέσω βιοτεχνολογικών διεργασιών

Abstract

The aim of the present study was to investigate fermentative hydrogen production and anaerobic digestion of food industry wastes. In particular, the wastes used as substrates for the aforementioned processes were seven different solid baby foods that were returned from the market to the company.Biofuels’ production experiments were conducted both at batch and continuous mode. Thus, initially, methane and hydrogen production were carried out in batch mode. The results showed that all wastes are promising substrates for biofuels production.In the sequence, continuous fermentative hydrogen production experiments were conducted, in order to investigate the effect of the alteration of some key parameters in reactors’ performance. In particular, the type of the reactor, the origin of the inoculum, the hydraulic retention time (HRT) and the pH value were tested. The types of the reactor that were used were three. Thus, a CSTR type reactor and a Draw-Fill reactor were used, while they were fed with the aquatic solution of the mixture of the seven baby foods at an initial carbohydrates’ concentration of 12.43 g/L. Also, an Upflow Column reactor with a support matrix was used which operated with the soluble fraction of the aquatic solution of the mixture of the seven baby foods at an initial carbohydrates’ concentration of 16.5 g/L.According to the results, the maximum hydrogen yields were obtained when using the CSTR type bioreactor. In particular, three different experiments were conducted with the indigenous microbial species in order to investigate the effect of the HRT and of the pH value in the reactors’ performance. The optimum HRT was found to be equal to 6 h, while the respective yield was equal to 101.75 ± 3.71 L H2/kg waste. Furthermore, the optimum pH value was equal to 5.40 ± 0.05, while the respective yield was equal to 141.47 ± 3.64 L H2/kg waste. During the third experiment, the whole reactor operation was done without pH adjustment. The experimental results showed that the indigenous microbial species were able to produce hydrogen without pH adjustment, although the reactor’s performance was quite unstable.Referring to continuous methane production was also conducted in a CSTR type reactor using the mixture of the seven baby foods and as well as the mixture of the effluents of the hydrogenogenic Upflow Column reactor. In the first case, the parameters tested were the HRT (from 10 to 20 d) and as well as the thermal treatment of the feed. The optimum operational period of the reactor was for an HRT value of 10 d, and the thermally treated feed with a concentration equal to 11 g substrate/L (yield 0.24 ± 0.02 L/Lreactor/d). When the reactor operated with the mixture of the effluents of the Upflow Column reactor, its operation was inhibited due to high substrate and chemicals’ concentration.Finally, three different mathematical models were used in order to describe the continuous anaerobic digestion experiments and fermentative hydrogen production experiments conducted in the Upflow Column reactor and in the CSTR type reactor.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου αλλά και η παραγωγή μεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης από τα απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Συγκεκριμένα, τα απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα για τις προαναφερθείσες διεργασίες ήταν επτά διαφορετικές στερεές βρεφικές τροφές οι οποίες αποτελούσαν επιστροφές από την αγορά προς τη βιομηχανία. Πειράματα παραγωγής αερίων βιοκαυσίμων διεξήχθησαν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου αλλά και σε συνεχή συστήματα. Έτσι, αρχικά διερευνήθηκε η παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι όλα τα απόβλητα αποτελούν υποσχόμενα υποστρώματα για την παραγωγή αερίων βιοκαυσίμων. Στη συνέχεια, διεξήχθησαν συνεχή πειράματα ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου στα οποία διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων στις αποδόσεις της διεργασίας. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο τύπος του αντιδραστήρα, η προέλευση της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας, η επίδραση του υδραυλικού χρόνου παραμονής αλλά και του pH. Οι τύποι αντιδραστήρα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τρεις. Έτσι, χρησιμοποιήθηκε αντιδραστήρας τύπου CSTR αλλά και αντιδραστήρας άντλησης – πλήρωσης οι οποίοι τροφοδοτήθηκαν με το υδατικό διάλυμα του μίγματος των επτά βρεφικών τροφών σε συγκέντρωση ολικών υδατανθράκων ίση με 12.43 g/L . Επίσης, χρησιμοποιήθηκε και αντιδραστήρας τύπου ανοδικής ροής με πληρωτικό υλικό, ο οποίος όμως, λειτούργησε με το διαλυτό μέρος του ομογενοποιημένου μίγματος των επτά βρεφικών τροφών σε συγκέντρωση υδατανθράκων ίση με 16.5 g/L.Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν οι χαμηλότερες αποδόσεις σε υδρογόνο καταγράφηκαν στην περίπτωση του αντιδραστήρα άντλησης –πλήρωσης, ο οποίος λειτούργησε σε υδραυλικό χρόνο παραμονής ίσο με 32 h, και με μικτή καλλιέργεια η οποία προήλθε από τον αναερόβιο χωνευτήρα μονάδας επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Οι αποδόσεις αυτές ήταν ίσες με 7.37 ± 0.65 L H2/kg.Στον αντιδραστήρα ανοδικής ροής, ο οποίος λειτούργησε με την ενδογενή μικροβιακή καλλιέργεια, διεξήχθη πείραμα στο οποίο διερευνήθηκε η βέλτιστη τιμή του υδραυλικού χρόνου παραμονής, ο οποίος βρέθηκε να είναι ίσος με 12 h. Οι αποδόσεις που καταγράφηκαν για αυτές τις συνθήκες ήταν ίσες με 8.01 ± 0.76 L H2/kg αποβλήτου. Όσον αφορά τον αντιδραστήρα τύπου CSTR, ο οποίος λειτούργησε επίσης με την ενδογενή μικροβιακή καλλιέργεια, διεξήχθησαν τρία διαφορετικά πειράματα στα οποία διερευνήθηκε η επίδραση του υδραυλικού χρόνου παραμονής, της ρύθμισης του pH αλλά και της μη ρύθμισης του pH στη λειτουργία του αντιδραστήρα. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η βέλτιστη τιμή του ΥΧΠ βρέθηκε να είναι ίση με 6 h, ενώ η απόδοση που καταγράφηκε για αυτές τις συνθήκες ήταν ίση με 101.75 ± 3.71 L H2/kg αποβλήτου. Επιπρόσθετα, η βέλτιστη τιμή του pH ήταν ίση με 5.40 ± 0.05, ενώ η απόδοση που καταγράφηκε ήταν ίση με 141.47 ± 3.64 L H2/kg αποβλήτου. Στο τρίτο πείραμα, η εκκίνηση και όλη η λειτουργία του αντιδραστήρα διεξήχθησαν χωρίς τη ρύθμιση του pH. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ενδογενής μικροβιακός πληθυσμός είχε την ικανότητα να παράγει υδρογόνο χωρίς τη ρύθμιση του pH, όμως η λειτουργιά του αντιδραστήρα ήταν αρκετά ασταθής. Επίσης, πραγματοποιήθηκε συνεχές πείραμα παραγωγής μεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης σε αντιδραστήρα CSTR. Τα απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το μίγμα των επτά βρεφικών τροφών αλλά και το μίγμα των απορροών του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα ανοδικής ροής. Στην πρώτη περίπτωση οι παράμετροι που ελέγχθηκαν ήταν ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (από 10 έως 20 d) αλλά και η θερμική επεξεργασία της τροφοδοσίας του αντιδραστήρα. Η βέλτιστη λειτουργία του αντιδραστήρα καταγράφηκε για υδραυλικό χρόνο παραμονής ίσο με 10 d, και για θερμικά κατεργασμένη τροφοδοσία σε συγκέντρωση ίση με 11 g υποστρώματος/L. Ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου στην περίπτωση αυτή ήταν ίσος με 0.24 ± 0.02 L/Lαντιδραστήρα/d. Στην περίπτωση της λειτουργίας του χωνευτήρα με το μίγμα των απορροών του αντιδραστήρα ανοδικής ροής η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης παρεμποδίστηκε λόγω της υψηλής συγκέντρωσης υποστρώματος αλλά και των χημικών που υπήρχαν στις απορροές του οξεογόνου αντιδραστήρα για τη ρύθμιση του pH, με αποτέλεσμα η διεργασία να αποτύχει. Στα πλαίσια της αξιοποίησης των πειραματικών δεδομένων που προέκυψαν από τα συνεχή πειράματα, χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο ADM1 έτσι ώστε να προβλεφθεί αλλά και να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του αναερόβιου χωνευτήρα CSTR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, μετά από την εύρεση των σημαντικότερων κινητικών παραμέτρων το μοντέλο ήταν ικανό να προβλέψει ικανοποιητικά τη λειτουργία του αναερόβιου χωνευτήρα με υπόστρωμα το μίγμα των επτά στερεών βρεφικών τροφών. Σχετικά με τη διεργασία της ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου στα συνεχή συστήματα, δυο καινούρια μαθηματικά μοντέλα σχεδιάστηκαν και εφαρμόστηκαν στο λογισμικό Aquasim έτσι ώστε να περιγραφούν τα αντίστοιχα πειράματα. Στα μοντέλα αυτά, όλες οι βιομετατροπές που έχουν θεωρηθεί, έχουν σταθερή στοιχειομετρία και αποδόσεις βιομάζας, οι οποίες έχουν προσδιοριστεί μέσω ημίσεων αντιδράσεων ενώ οι ρυθμοί των αντιδράσεων διαφέρουν. Σε όλες τις περιπτώσεις τα μαθηματικά μοντέλα μπόρεσαν να προβλέψουν ικανοποιητικά τις λειτουργίες των αντιδραστήρων, αποδεικνύοντας ότι τα μοντέλα αυτά αποτελούν απαραίτητα εργαλεία για την περιγραφή βιοδιεργασιών όπως η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου.