Συγκριτική μελέτη της παστερίωσης σε ζωικά απόβλητα και υπολείμματα τροφίμων στην αναερόβια χώνευση, με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσης βιοαερίου και την τεκμηρίωση της εξυγίανσης

Abstract

The European Union has established a stringent legislative framework for managing of animal by-products (ABP’s) to ensure public health and sustainable development. Within this context, anaerobic digestion (AD) emerges as a holistic and efficient solution for processing these by-products. The AD caters the needs of health issues related to ABP’s. Moreover it improves the quality and value of produced biogas, which is a renewable energy source. The objective of the present study was to assess AD process for biogas production, applying pasteurization on different biomass sources and simultaneously to document the sanitation of final product. This study was conducted at a laboratory scale anaerobic digester. Four different substrates were tested: poultry manure, swine manure, cattle manure, and food waste of both animal and plant origin from food industries and restaurants. According to European Legislation, pasteurization is mandatory in AD, to ensure microbial safety of the final product. Hence, pasteurization at 70°C for 60 minutes was applied to half quantity of biomass sources to access the effect of pasteurization on AD performance. Four experimental AD cycles were conducted, comparing biogas production from pasteurized and unpasteurized substrate samples. The measurements concerned each raw material in terms of: i. the total quantities of biogas produced in ml, throughout the duration of the material's stay within the digester, and ii. the production yields in ml/gr FM (grams of fresh matter) and ml/gr VS (grams of volatile solids). Additionally, microbiological analyses were performed for Salmonella, E. coli, and Enterococcus faecalis on all raw materials, both pasteurized and non-pasteurized, in each batch, both before and after anaerobic digestion. The results showed that: i. the impact of pasteurization on AD performance varied depending on the substrate. Specifically, pasteurization improved slightly biogas production from animal waste, sufficient effect on poultry manure, though there was non effect on biogas production from food waste, according to biogas performances in ml/gr VS (poultry gave 383,89 versus 415,86 from pasteurized, swine gave 346,79 versus 375,86 from pasteurized, bovine gave 325,42 versus 334 from pasteurized and food waste gave 752,69 versus 644,02 from pasteurized) and p-values from each substrate (0,228 for poultry, 0,707 for swine, 0,886 for bovine and 0,151 for food waste). This phenomenon can be attributed to substrate-specific dynamics, highlighting the need for further study and adaptation of the process according to the characteristics of each biomass source and ii. pasteurization is effective in sanitizing final products from microbial agents. Anaerobic digestion, when combined with pasteurization, provides a comprehensive approach to managing animal by-products effectively, contributing to environmental protection and renewable energy production. The broader impacts of this method include reducing greenhouse gas emissions, improving the quality of produced fertilizers, and enhancing the circular economy through waste utilization. The innovation of our research lies in the comparative study of the anaerobic digestion of specific animal by-products, both pasteurized and non-pasteurized, while simultaneously documenting the sanitation of the final product.

H Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει ένα αυστηρό νομοθετικό πλαίσιο για τη διαχείριση των ζωικών υποπροϊόντων (ΖΥΠ), με σκοπό να διασφαλίσει τη δημόσια υγεία και τη βιώσιμη ανάπτυξη. Σε αυτό το πλαίσιο, η αναερόβια χώνευση (ΑΧ) αναδεικνύεται ως μια ολιστική και αποδοτική λύση για την επεξεργασία τους. Επιπρόσθετα, βελτιώνει την ποιότητα και αξία του παραγόμενου βιοαερίου, που θεωρείται ανανεώσιμο καύσιμο. Το αντικείμενο της παρούσης μελέτης ήταν να αξιολογήσει τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης για παραγωγή βιοαερίου, εφαρμόζοντας παστερίωση και χρησιμοποιώντας διαφορετικές πηγές βιομάζας και παράλληλα να τεκμηριώσει την εξυγίανση του τελικού προϊόντος. Η μελέτη διεξήχθη σε εργαστηριακούς αναερόβιους αντιδραστήρες εφάπαξ πλήρωσης και τέσσερα διαφορετικά υποστρώματα μελετήθηκαν: κόπρος ορνίθων, χοίρων και βοοειδών, καθώς και υπολείμματα τροφίμων ζωικής και φυτικής προέλευσης από βιομηχανίες τροφίμων και εστιατόρια. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Νομοθεσία, η παστερίωση είναι υποχρεωτική στην ΑΧ για να εξασφαλιστεί η μικροβιακή ασφάλεια του τελικού προϊόντος. Έτσι, εφαρμόστηκε παστερίωση στους 70°C για 60 λεπτά στα μισά από τα δείγματα, για να αξιολογηθεί το αποτέλεσμα της παστερίωσης στην απόδοση της αναερόβιας χώνευσης. Τέσσερις πειραματικοί κύκλοι ΑΧ πραγματοποιήθηκαν, συγκρίνοντας την παραγωγή βιοαερίου από παστεριωμένα και μη παστεριωμένα δείγματα των υποστρωμάτων. Οι μετρήσεις αφορούσαν στην κάθε πρώτη ύλη αναφορικά με: i.τις συνολικές ποσότητες παραγωγής βιοαερίου σε ml, καθ’ όλη τη διάρκεια παραμονής του υλικού εντός του χωνευτήρα και ii. τις αποδόσεις παραγωγής σε ml/gr FM και ml/gr VS. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκαν μικροβιολογικές αναλύσεις για Salmonella, E. coli, Enterococcus faecalis σε όλες τις πρώτες ύλες, παστεριωμένες και μη, σε κάθε παρτίδα τόσο πριν όσο και μετά την αναερόβια χώνευση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι: i. η επίδραση της παστερίωσης στην απόδοση της ΑΧ ποικίλλει ανάλογα με το υπόστρωμα. Συγκεκριμένα, η παστερίωση βελτίωσε ελαφρώς την παραγωγή βιοαερίου από ζωικά απόβλητα και ιδιαίτερα από την κόπρο ορνίθων, χωρίς να έχει την ίδια επίδραση στα υπολείμματα τροφίμων ζωικής και φυτικής προέλευσης, σύμφωνα με τις αποδόσεις σε βιοαέριο σε ml/gr VS (η κόπρος ορνίθων έδωσε 383,89 έναντι 415,86 της παστεριωμένης, η χοιρινή έδωσε 346,79 έναντι 375,86 της παστεριωμένης, ενώ η κόπρος βοοειδών έδωσε 325,42 έναντι 334 της παστεριωμένης και τα υπολείμματα τροφίμων έδωσαν 752,69 έναντι 644,02 των παστεριωμένων) και τις τιμές p-value (0,228 για κόπρο ορνίθων, 0,707 για κόπρο χοίρων, 0,886 για κόπρο βοοειδών και 0,151 για τα υπολείμματα τροφίμων). Το γεγονός αυτό μπορεί να αποδοθεί στις δυναμικές που είναι ειδικές για κάθε υπόστρωμα, τονίζοντας την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη και προσαρμογή της διαδικασίας ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κάθε υποστρώματος και ii. η παστερίωση είναι αποτελεσματική στην εξυγίανση των τελικών προϊόντων από μικροβιακούς παράγοντες. Η αναερόβια χώνευση, σε συνδυασμό με την παστερίωση, προσφέρει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση στην αποτελεσματική διαχείριση των ζωικών υποπροϊόντων, συμβάλλοντας στην προστασία του περιβάλλοντος και στην παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας. Οι ευρύτερες επιπτώσεις αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, τη βελτίωση της ποιότητας των παραγόμενων λιπασμάτων και την ενίσχυση της κυκλικής οικονομίας, μέσω της αξιοποίησης των αποβλήτων. Η καινοτομία της έρευνάς μας έγκειται στη συγκριτική μελέτη της αναερόβιας χώνευσης συγκεκριμένων ζωικών υποπροϊόντων, μη παστεριωμένων και παστεριωμένων και ταυτόχρονα στην τεκμηρίωση της εξυγίανσης του τελικού προϊόντος.