Industrial processes for the valorization of medical waste fractions

Abstract

The present dissertation innovates as regards the research for the valorization of cellulosic and lignocellulosic fractions of medical wastes (MW), aiming to production of energy, fuels, and materials, within the framework of zero waste circular economy. Initially, an extensive literature review was conducted to collect data on MW production, collection and segregation methods, and technologies used for their utilization or final disposal. The design of the experimental study was based on the collected data with a view to highlighting the capabilities of medical cotton and paper waste in energy production by increasing its higher heating value, as well as their use as adsorbents for the decontamination of wastewater. The enzymatic digestion capacity of medical cotton waste and medical paper waste were also studied.More specifically, the adsorption and the higher heating value of medical cot-ton waste have been studied with torrefaction. Pretreatment was performed on a specific temperature range with a maximum at 340oC. Different reaction times have been used in each experiment in order to elucidate the parameters that affect process efficiency. 14 experiments were performed in a blast furnace. A Parr 1341 Plain Jacket Bomb calorimeter was used to measure the calorific value of the samples, whereas ad-sorption was tested for all samples. The simulated wastewater used herein was Methylene Blue solution (C16H18ClN3S.xH2O), whereas the samples were analyzed with a HACH DR6000 UV-VIS spectrophotometer (λ = 664 nm).Kinetic modeling was used, along with the Combined Severity Factor (R0), which unifies in one variable the effect of reaction time and temperature.Box-Behnken's Design of Experiments (DoE) was carried out through the Design Expert program using the Surface Response methodology (RSM) to study the effect of acid hydrolysis on the medical cotton and paper waste fractions to correlate with R0 in terms of experimental results. In this case R0, apart from reaction time and temperature, incorporate the acid concentration used herein. DoE consists of 15 experiments The products obtained from the treatment were studied for their adsorption capacity and their higher heating value (HHV). The experiments were performed in a 3.75 L Parr 4553 batch reactor (autoclave). All the above experiments were conducted at the Industrial Processes Simulation Laboratory, Industrial Management and Technology department, University of Piraeus.The Agilent 1260 Infinity II LC System high performance liquid chromatography (HPLC) system was used to analyze the solid phase samples composition after quantitative saccharification. 30 measurements were made for each material. An Aminex HPX-87H column at 50oC was used. The same procedure was performed in the liquid phase to check for degradation products as well as to determine the kind and the amount of the total sugars. 30 measurements were conducted for the liquid phase and 30 for the solid phase of each material.These solid samples were then used to produce fermentable glucose by enzymatic hydrolysis. Novozymes A / S Cellic® CTec2 enzyme mixture was used to hydrolyze the samples at 50°C. Liquid samples were taken at 24 and 48 hours and then measured using the DNS (Dinitrosalicylic acid) method and Glucotest spectrophotometric method (30 measurements were made for each method and each material at 24 and 48 hours). These experiments were made at the Biotechnology Laboratory, Chemical Engineer Department of National Technology University of Athens.According to the results, the medical cotton waste treated by acid hydrolysis had a better performance as a heat source than paper, Similarly, the hydrolyzed samples proved better adsorbents than the torrefied ones. It also presented a higher conversion efficiency to fermentable glucose than medical paper waste, rendering it more appropriate for bioethanol production. In conclusion, medical cotton waste (MCW) has been proven a suitable and promising source of energy and materials in the context of the zero-waste circular economy.

Η παρούσα διατριβή καινοτομεί στην έρευνα για την αξιοποίηση κυτταρινούχων/λιγνοκυτταρινούχων κλασμάτων νοσοκομειακών αποβλήτων, με σκοπό την παραγωγή ενέργειας, καυσίμων και υλικών, στο πλαίσιο της κυκλική οικονομίας μηδενικών αποβλήτων. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα με σκοπό τη συλλογή δεδομένων σχετικά με την παραγωγή των νοσοκομειακών αποβλήτων, τις μεθόδους συλλογής και διαχωρισμού αυτών και τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την αξιοποίηση ή την τελική διάθεσή τους. Βάσει των δεδομένων που συλλέχθηκαν, σχεδιάσθηκε η πειραματική μελέτη, η οποία πραγματοποιήθηκε με σκοπό να αναδείξει την δυνατότητα του βαμβακιού και χαρτιού νοσοκομειακής προέλευσης για την παραγωγή ενέργειας μέσω αύξησης της θερμογόνου δύναμής του καθώς και τη δυνατότητα χρήσης αυτού ως προσροφητικό μέσο για την απορρύπανση υδάτων. Μελετήθηκε, επίσης, η επεξεργασία του νοσοκομειακού βαμβακιού και του χαρτιού με ενζυμική υδρόλυση . Ειδικότερα, για την εξέταση της προσροφητικότητας καθώς και της ανώτερης θερμογόνου δύναμης του βαμβακιού των νοσοκομειακών αποβλήτων πραγματοποιήθηκε φρύξη (κοιν. καψάλισμα, torrefaction). Η προκατεργασία αυτή πραγματοποιήθηκε σε συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας με μέγιστη τους 340 oC και διαφορετικούς χρόνους παραμονής, προκειμένου να μελετηθούν οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση της διαδικασίας. Πραγματοποιήθηκαν 14 πειράματα σε υψικάμινο. Για τη μέτρηση της θερμογόνου δύναμης στα δείγματα χρησιμοποιήθηκε θερμιδόμετρο Parr 1341 Plain Jacket Bomb και έγιναν 14 μετρήσεις. Στα ίδια δείγματα ελέγχθηκε και η προσροφητικότητα. Για την προσομοίωση των ρυπασμένων υδάτων δημιουργήθηκε διάλυμα που περιείχε μπλε του μεθυλενίου (Methylene Blue, C16H18ClN3S.xH2O), ενώ οι μετρήσεις των δειγμάτων έγιναν σε φασματοφωτόμετρο HACH DR6000 UV-VIS (λ=664 nm). Για την προσομοίωση των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα κινητικά μοντέλα. Αξιοποιήθηκε ο συνδυαστικός παράγοντας σοβαρότητας (Combined Severity Factor, R0) που συνδυάζει σε μία μεταβλητή την επίδραση του χρόνου αντίδρασης και της θερμοκρασίας της φρύξης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μέσω του προγράμματος Design Expert ο πειραματικός σχεδιασμός (Design of Experiments, DoE) κατά Box-Behnken για την εφαρμογή της μεθοδολογίας επιφανειακής απόκρισης (Response surface methodology, RSM) με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της όξινης υδρόλυσης(με χρήση θειικού οξέος) στο κλάσμα βαμβακιού και χαρτιού των νοσοκομειακών αποβλήτων, ώστε να συσχετιστεί με το R0 ως προς τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο πειραματικός σχεδιασμός αποτελείτο από 15 πειράματα για το βαμβάκι και 15 για το χαρτί. Στη συγκεκριμένη περίπτωση το R0, εκτός του χρόνου αντίδρασης και της θερμοκρασίας, εμπεριέχει και τη συγκέντρωση του οξέος που χρησιμοποιήθηκε. Τα προϊόντα που προέκυψαν από την κατεργασία του βαμβακιού μελετήθηκαν ως προς την προσροφητικότητα τους με 15 μετρήσεις, καθώς και ως προς την ανώτερη θερμογόνο δύναμη με 15 μετρήσεις. Τα πειράματα εκτελέστηκαν σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου (τύπου αυτοκλεί-στου) 3,75 L Parr 4553. Όλα τα παραπάνω πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Προσομοίωσης Βιομηχανικών Διεργασιών του τμήματος Βιομηχανικής Διοίκησης και Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου Πειραιά. Για την ανάλυση της σύστασης των δειγμάτων της στερεής φάσης, χρησιμοποιήθηκε το σύστημα υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) 1260 Infinity II LC System, της Agilent με χρήση στήλης Aminex HPX-87H στους 50 oC, μετά από ποσοτική σακχαροποίηση αυτών με την πραγματοποίηση 30 μετρήσεων για κάθε ένα κλάσμα. Η ίδια διαδικασία χρησιμοποιήθηκε και στην ανάλυση της υγρής φάσης, με σκοπό τον προσδιορισμό της ποσότητας και του είδους των συνολικών σακχάρων και τον έλεγχο για προϊόντα αποικοδόμησης αυτών. Πραγματοποιήθηκαν 30 μετρήσεις για την κάθε μία στερεή φάση (βαμβάκι και χαρτί) και 30 μετρήσεις για την κάθε μία υγρή. Τα στερεά δείγματα χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή ζυμώσιμης γλυκόζης μέσω ενζυμικής υδρόλυσης. Το ενζυμικό μείγμα Cellic® CTec2 της Novozymes A/S χρησιμοποιήθηκε για την υδρόλυση των δειγμάτων η οποία πραγματοποιήθηκε στους 50 oC. Δείγματα ελήφθησαν μετά από 24 και 48 ώρες και στη συνέχεια αναλύθηκαν με τη μέθοδο DNS (δινιτροσαλικυλικού οξέος) και της μεθόδου glucotest με χρήση φασματοφωτόμετρου (30 μετρήσεις στις 24 και 30 στις 48 ώρες για κάθε μέθοδο και κάθε υλικό). Αυτά τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Eργαστήριο Bιοτε-χνολογίας της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Μετσόβειου Πολυτεχνείου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το βαμβάκι στα νοσοκομειακά απόβλητα είχε καλύτερη απόδοση από το χαρτί ως πηγή θερμότητας. Ομοίως, απεδείχθη καλύτερο προσροφητικό υλικό, ιδίως μετά από την επεξεργασία της του με όξινη υδρόλυση. Επίσης, παρουσίασε μεγαλύτερη απόδοση μετατροπής σε ζυμώσιμη γλυκόζη από το χαρτί στα νοσοκομειακά απόβλητα, κάτι που το καθιστά μία πολλά υποσχόμενη πηγή ενέργειας και υλικών στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας μηδενικών αποβλήτων.