ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ «ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΑΠΟ ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΗ ΓΛΥΚΕΡΟΛΗ» Δρ. Αθανάσιος Σωτ. Δούναβης Χημικός Μηχανικός, Ph.D, MSc. ΠΑΤΡΑ 2015

2 ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΑΠΟ ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΗ ΓΛΥΚΕΡΟΛΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΣΩΤ. ΔΟΥΝΑΒΗ Για την απόκτηση του Τίτλου του Διδάκτορος του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2015

3 BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF HYDROGEN AND METHANE FROM CRUDE GLYCEROL Dissertation Submitted to the Department of Chemical Engineering of University of Patras by ATHANASIOS SOT. DOUNAVIS In partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering Patras 2015

4

5

6

7 Α φ ι ε ρ ώ σ ε ι ς Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι αφιερωμένη στη μνήμη του πολυαγαπημένου μου πατέρα Σωτήρη, τον οποία «έχασα» πρόσφατα και στη μητέρα μου Ελπίδα. Αθανάσιος Σωτ. Δούναβης i

8 Ευχαριστίες Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Βιοχημικής Μηχανικής & Τεχνολογίας Περιβάλλοντος, στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ) στην Πάτρα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλαν στην ολοκλήρωσή της και συγκεκριμένα: τον Καθηγητή της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, κ. Γεράσιμο Λυμπεράτο για τη διαρκή επιστημονική καθοδήγησή του ως επιστημονικός επιβλέπων και για την αμέριστη υποστήριξή του σε όλη τη διάρκειά της Διατριβής μου. Θεωρώ τον εαυτό μου ιδιαίτερα τυχερό για την ευκαιρία που μου δόθηκε να συνεργαστώ μαζί του, τόσο σε προπτυχιακό όσο και σε μεταπτυχιακό επίπεδο, γιατί αποτελεί έναν αξιόλογο Καθηγητή, αλλά και ΑΝΘΡΩΠΟ, με μακροχρόνια και ουσιαστική εμπειρία στην Επιστήμη του Χημικού Μηχανικού, του οποίου οι συμβουλές και η καθοδήγησή του ως μέντορά μου υπήρξαν πολύτιμες για την περάτωση της Διδακτορικής μου Διατριβής. τον Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Διονύσιο Μαντζαβίνο, τον Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Δημήτριο Βύνιο, τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Μιχαήλ Κορνάρο, τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Χριστάκη Παρασκευά, τον Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, κ. Δημήτριο Βαγενά και τον Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Πέτρο Κουτσούκο, για την ευγένεια και την προθυμία τους να συμμετάσχουν στην Εξεταστική Επιτροπή, τις μεταδιδακτορικές ερευνήτριες Δρ. Ιωάννα Ντάικου και Δρ. Γεωργία Αντωνοπούλου για τη συμβολή τους στην περάτωση της παρούσας διατριβής, καθώς και όλους τους συναδέλφους μου, μεταπτυχιακούς φοιτητές και ερευνητές από το Εργαστήριο και το Ερευνητικό Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής για την ευχάριστη συνεργασία μας. ii

9 Τέλος, θέλω να εκφράσω την ειλικρινή μου ευγνωμοσύνη, εκτίμηση και αγάπη σε όλα τα μέλη της οικογένειάς μου, και ιδιαίτερα στον πολυαγαπημένο μου πατέρα Σωτήρη Δούναβη, τον οποίο «έχασα» πρόσφατα, και στη μητέρα μου Ελπίδα Δούναβη, για την ξεχωριστή και αμέριστη ηθική, αλλά και οικονομική συμπαράστασή τους σε όλα αυτά τα δημιουργικά χρόνια της ζωής μου. Τους ευχαριστώ θερμά για όλα και θέλω να τονίσω πως αν στους καθηγητές μου, ως πνευματικοί μου μέντορες, οφείλω την καλή και πνευματική μου ζωή, στην οικογένειά μου οφείλω την ίδια τη ζωή, τις χαρές της και το νόημά της. Το λιγότερο που μπορώ να κάνω για να τους ευχαριστήσω, είναι να αφιερώσω την εκπόνηση της διδακτορικής μου διατριβής στη μητέρα μου και στη μνήμη του πατέρα μου. Αθανάσιος Σωτ. Δούναβης iii

10 ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ Προσωπικά Στοιχεία Επώνυμο: Δούναβης Όνομα: Αθανάσιος Όνομα πατέρα: Σωτήριος Όνομα μητέρας: Ελπίδα Hμερομηνία γέννησης: Τόπος γέννησης: Αλεξάνδρεια Ημαθίας Διεύθυνση κατοικίας: Κων/πόλεως 82, 26223, Πάτρα Στοιχεία επικοινωνίας: κινητό: Σπουδές - Κατάρτιση Εκπόνηση Διδακτορικής Διατριβής (Δ.Δ.Ε.) Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών Θέμα Διδακτορικής Διατριβής: «Βιοτεχνολογική παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου από ακατέργαστη γλυκερόλη» με βαθμό «ΆΡΙΣΤΑ» Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης (Μ.Δ.Ε.) Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών iv

11 Κατεύθυνση «Ενέργεια και Περιβάλλον» Τελικός βαθμός 8.95 «Άριστα» Θέμα Μεταπτυχιακής Διατριβής: «Ανάπτυξη Αλγορίθμου για την Αυτόματη Βελτιστοποίηση της Παραγωγής Βιοαερίου από Αναερόβιους Χωνευτήρες» 2009 Πρακτική Άσκηση Γενικό Χημείο του Κράτους ( Χημική Υπηρεσία Πάτρας ) Πεδίο Διαπίστευσης - Χημικές Δομές: Τρόφιμα, προϊόντα για ανθρώπινη κατανάλωση Νερό Περιβαλλοντικά δείγματα (νερό - έδαφος - αέρας ιζήματα) Λίπη-έλαια με βαθμό «ΆΡΙΣΤΑ» Δίπλωμα Χημικού Μηχανικού Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών Τελικός βαθμός 7.60/10 «Λίαν καλώς», πρώτη θέση στη βαθμολογία κατάταξης ανάμεσα σε 21 Διπλωματούχους την ημέρα της ορκωμοσίας (30/04/2009) Θέμα Διπλωματικής Εργασίας: «Διεργασία παραγωγής βιοντήζελ από κραμβέλαιο» με βαθμό «ΆΡΙΣΤΑ». Ξένες γλώσσες Αγγλικά (Proficiency) Γερμανικά v

12 Ιταλικά Γνώσεις Η/Υ Κάτοχος Πιστοποιητικού ECDL Core (Internet, MS Office 2003, 2007, 2010) Προγραμματισμός FORTRAN 95 Λογισμικό aquasim, ΗYSYS, Origin Διδακτική Εμπειρία Επικουρικό έργο στο τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών Σύμβαση ορισμένου χρόνου με το Πανεπιστήμιο Πατρών για την επικούρεια των μελών ΔΕΠ του τμήματος Χημικών Μηχανικών στην άσκηση των φοιτητών και τη διεξαγωγή φροντιστηρίων και εργαστηριακών ασκήσεων και στην εποπτεία των εξετάσεων και διόρθωση. Γενική και Ανόργανη Χημεία (χειμερινό εξάμηνο 2009) Δυναμική και Ρύθμιση Διεργασιών (εαρινό εξάμηνο 2010) Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας (χειμερινό εξάμηνο 2010) Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας (εαρινό εξάμηνο 2011) Επιστήμη και Τεχνολογία Πολυμερών (χειμερινό εξάμηνο 2011) Δυναμική και Ρύθμιση Διεργασιών (εαρινό εξάμηνο 2012) Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών (χειμερινό εξάμηνο 2012) Δυναμική και Ρύθμιση Διεργασιών (εαρινό εξάμηνο 2013) Δημοσιεύσεις σε διεθνή περιοδικά με κριτές A.S. Dounavis, I. Ntaikou, G. Lyberatos, (2015). Production of biohydrogen from crude glycerol in an upflow column bioreactor. Bioresource Technology, 198: vi

13 A.S. Dounavis, I. Ntaikou, G. Lyberatos (2015). Production of advanced biobased hydrogen enriched methane from waste glycerol in a two stage continuous system. Waste and Biomass Valorization, under review. Σε προετοιμασία: On the optimization of fermentative hydrogen production from waste glycerol: effect of ph, substrate concentration and concentration of different cations in the medium on yields and distribution of metabolites. Continuous acidification of crude glyverol via attached mixed cultures: Effect feeding mode and attachment matrix on the distribution of metabolites. Δημοσιεύσεις σε Ελληνικά και Διεθνή Συνέδρια με κριτές Α.Σ. Δούναβης, Γ. Σαββογλίδης, Κ. Κράβαρης και Γ. Λυμπεράτος, «Αυτόματη ρύθμιση αναερόβιου χωνευτήρα τύπου CSTR τροφοδοτούμενου με οξικό οξύ», Πρακτικά 8ου Πανελλήνιου Επιστημονικού Συνεδρίου Χημικής Μηχανικής (ΠΕΣΧΜ 8), Θεσσαλονίκη, Μάϊος I. Ntaikou, A.S. Dounavis, I. Koumelis and G. Lyberatos, «Valorisation of waste glycerol via microbial processes in a two stage continuous system», Proceedings of the 7 th Chemical Engineering Conference for Collaborative Research in Eastern Mediterranean Countries-EMCC7, Corfu, Greece, May Α.S. Dounavis, C. Kravaris, G. Lyberatos «Automatic Control of an Anaerobic CSTR Fed with Acetic Acid», Proceedings of 4rd International Conference on Engineering for Waste and Biomass Valorisation, Porto, Portogal, September Κουμέλης Ι., Δούναβης Α.Σ., Ντάϊκου Ι. και Λυμπεράτος Γ., «Συνδιαστική παραγωγή βιοϋδρογόνου και πολυ-υδροξυαλκανοϊκών εστέρων από βιομηχανική γλυκερόλη», Πρακτικά 5ου Συνεδρίου της Επιστημονικής Εταιρείας «Μικροβιόκοσμος», Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Δεκέμβριος vii

14 Α.Σ. Δούναβης, Ι. Ντάϊκου και Γ. Λυμπεράτος, «Επίδραση της συγκέντρωσης υποστρώματος κατά την παραγωγή βιοϋδρογόνου από βιομηχανική γλυκερόλη με ακινητοποιημένους μικροοργανισμούς», Πρακτικά 9ου Πανελλήνιου Επιστημονικού Συνεδρίου Χημικής Μηχανικής (ΠΕΣΧΜ 9), Αθήνα, Μάϊος Ντάϊκου Ι., Κουμέλης Ι., Δούναβης Α.Σ. και Λυμπεράτος Γ., «Αξιοποίηση βιομηχανικής γλυκερόλης μέσω μικροβιακών διεργασιών: παραγωγή υδρογόνου και πολυ-υδροξυαλκανοϊκών εστέρων σε σύστημα δύο σταδίων», Πρακτικά 35 ου Επιστημονικού Συνεδρίου, Ελληνική Εταιρεία Βιολογικών Επιστημών, Ναύπλιο, Μαΐος A.S. Dounavis, I. Ntaikou and G. Lyberatos, «Anaerobic fermentation of crude glycerol for hydrogen production using an up-flow column bioreactor», 13 th World Congress on Anaerobic Digestion (IWA), Santiago de Compostela, Spain, June Dounavis A.S., Ntaikou I. and Lyberatos G., «Biohydrogen production from crude glycerol using immobilized acidogenic cultures effect of substrate concentration on conversion efficiency and yields», 13 th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST 2013), Athens, Greece, Sepetember Α. Μπόνιας, Α.Σ. Δούναβης, Ι. Ντάικου και Γ. Λυμπεράτος, «Οξίνιση βιομηχανικής γλυκερόλης με ακινητοποιημένα βακτήρια: κατανομή μεταβολικών προϊόντων», 5ο Περιβαλλοντικό Συνέδριο Μακεδονίας, Θεσσαλονίκη, Μάρτιος A. Bonias, A.S. Dounavis, I. Ntaikou and G. Lyberatos, «Effect of feeding mode and immobilization matrix on the distribution of metabolites during bacterial acidification of crude glycerol», 12th International Conference on Protection and Restoration of the Environment, Skiathos Island, Greece, July viii

15 Α.Σ. Δούναβης, Ι. Ντάϊκου και Γ. Λυμπεράτος, «Διβάθμιο σύστημα παραγωγής μεθανίου και υδρογόνου από βιομηχανική γλυκερόλη», Πρακτικά 10ου Πανελλήνιου Επιστημονικού Συνεδρίου Χημικής Μηχανικής (ΠΕΣΧΜ 10), Πάτρα, Ιούνιος A.S. Dounavis, I. Ntaikou and G. Lyberatos, «Production of advanced biobased hydrogen enriched methane from waste glycerol in a two stage continuous system», International Conference, Industrial Waste & Wastewater Treatment & Valorisation (IWWATV), President Hotel, Athens, Συμμετοχή σε Ερευνητικά Προγράμματα Ερευνητικό πρόγραμμα «Συγχρηματοδότηση, QLK5-CT : INTEGRATED Integrated Biological Treatment and Agricultural Reuse of Olive Mill Effluents with the Concurrent Recovery of Energy» που χρηματοδοτήθηκε από τη ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ / ΕΥΡΩΠΑΙΚΗ ΕΝΩΣΗ (2009). Ερευνητικό πρόγραμμα «Πρόγραμμα Βασικής Έρευνας Κ. ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ : Περιοδική Βελτιστοποίηση σε Βιοαντιδραστήρες Συνεχούς Λειτουργίας» που χρηματοδοτήθηκε από την ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΕΡΕΥΝΩΝ του Πανεπιστημίου Πατρών ( ). Μεταπτυχιακή υποτροφία στο πλαίσιο του έργου με κωδικό: «09ΣΥΝ » και τίτλο «Ανάπτυξη βιοδιυλιστηρίου για την αξιοποίηση υπολειμμάτων παραγωγής βιοντήζελ προς βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή και προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας» ( ). Μεταπτυχιακή υποτροφία στο πλαίσιο του έργου με κωδικό: «09ΣΥΝ » και τίτλο «Πειραματική ανάπτυξη διεργασιών παραγωγής υδρογόνου και μοντελοποίηση δεδομένων» (2014). Ερευνητής στο τμήμα Βιοτεχνολογίας (Πανεπιστήμιο της Βερόνας - Ιταλία) Project : UASB-scSBR (Upflow Anaerobic Sludge Blanket short-cut ix

16 Sequencing Batch Reactor) for decentralized treatment of municipal wastewater and recovery of valuable products. Funded by the COST Action ES2012 Conceiving wastewater treatment in 2020: energetic, environmental and economical challenges (2014). Συμμετοχή σε Ομάδες Εργασίας και Επιμορφωτικά Σεμινάρια Έργο επόπτη πρακτικής άσκησης στην επιχείρηση «Ένωση Αγροτικών Συνεταιρισμών Πάτρας» στο πλαίσιο του προγράμματος επαγγελματικής κατάρτισης με τίτλο «Τυποποίηση-Εμπορία Προϊόντων Βιολογικής Γεωργίας» (ΙΝΕ / Γ.Σ.Ε.Ε. Δυτ. Ελλάδος) ( ) Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος (Τ.Ε.Ε.) - Τμήμα Δυτικής Ελλάδος, Σύσταση Ομάδας Εργασίας και Ανάθεση έργου με θέμα:«ενεργειακή και Περιβαλλοντική Διαχείριση Αγροτικών-Κτηνοτροφικών Αποβλήτων» ( ) Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος (Τ.Ε.Ε.) - Τμήμα Δυτικής Ελλάδος, Σύσταση Ομάδας Εργασίας και Ανάθεση έργου με θέμα:«τοπικό Σχέδιο για την απασχόληση ανέργων στην Κατασκευή και Συντήρηση Έργων Α.Π.Ε με έμφαση στις δράσεις του προγράμματος «ΉΛΙΟΣ» και Τεχνικές Εξοικονόμησης Ενέργειας και Περιβάλλον» ( ) Συμμετοχή σε επιδοτούμενα επιμορφωτικά σεμινάρια του ΙΝΕ/ΓΣΕΕ στο πλαίσιο του προγράμματος:"συνδικαλιστική Κατάρτιση & Ενίσχυση κοινωνικών Δεξιοτήτων", α) Επικοινωνιακές ικανότητες, β) Δια βίου εκπαίδευση και πιστοποίηση, γ) Οργανωτικές ικανότητες, δ) Εργασιακές σχέσεις (2015) Μέλος σε σωματεία Ελληνικό Δίκτυο Πράσινης Χημείας Ελληνική Εταιρεία Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος (Περιφερειακό Τμήμα Δυτικής Ελλάδος) x

17 Πανελλήνιος Σύλλογος Χημικών Μηχανικών Αναπληρωτής Επιμελητής στη Μόνιμη Επιτροπή Περιβάλλοντος στο Περιφερειακό Τμήμα Δυτ. Ελλάδος του Τ.Ε.Ε. Σύλλογος Εργαζομένων Τεχνικών Επιχειρήσεων (Σ.Ε.Τ.Ε.) xi

18 Περίληψη Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε η βιοτεχνολογική επεξεργασία βιομηχανικής γλυκερόλης με σκοπό την ενεργειακή αξιοποίησή της. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η διεργασία παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου από ακατέργαστη γλυκερόλη, μέσω αναερόβιας επεξεργασίας, σε μια διεργασία δυο σταδίων, υπό μεσόφιλες συνθήκες. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από ακατέργαστη γλυκερόλη με χρήση μικτής καλλιέργειας μικροοργανισμών από το Βιολογικό Καθαρισμό του Δήμου Πατρέων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε συνεχή αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB), ο οποίος λειτούργησε σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24, 36 και 48h και συγκέντρωση υποστρώματος 10, 15, 20 και 25 g/l. H μέγιστη παραγωγή και παραγωγικότητα υδρογόνου εμφανίζεται για μέγιστη συγκέντρωση υποστρώματος 25 g/l και τιμή ph τροφοδοσίας ίση με 7 και ήταν 0,52 ± 0,04 mol H 2 / mol καταναλισκόμενης γλυκερόλης ή 2,94 ± 0,02 L H 2 / L τροφοδοσίας/d ή 107,34 ± 0,70 L H 2 / kg αποβλήτου γλυκερόλης, παρόλο που η κατανάλωση της γλυκερόλης δεν ήταν μέγιστη (83,1%). Για την μελέτη της κινητικής ανάπτυξης των μικροοργανισμών, της κατανάλωσης της γλυκερόλης, αλλά και για τον προσδιορισμό της κατανομής των τελικών προϊόντων, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με καλλιέργεια προερχόμενη από τον H 2 -UFCB, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch) στη μόνιμη κατάσταση κάθε χρονικής περιόδου λειτουργίας του αντιδραστήρα H 2 -UFCB. Επιπρόσθετα, εκπονήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με στόχο τη διεξαγωγή συμπερασμάτων ως προς τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας, όσον αφορά την τροφοδοσία, όπου μελετήθηκε η επίδραση του ph της τροφοδοσίας, καθώς και η επίδραση του ρυθμιστικού διαλύματος (Νa ή Κ). Στο δεύτερο στάδιο μελετήθηκε η περαιτέρω μετατροπή του οργανικού φορτίου σε μεθάνιο με ταυτόχρονη μείωση του οργανικού φορτίου του αποβλήτου. Έγιναν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για τον υπολογισμό του βιοχημικά μεθανογόνου δυναμικού της γλυκερόλης (εμπορικής και βιομηχανικής) και της απορροής του ζυμωτικού αναερόβιου αντιδραστήρα. Τα μεθανογόνα δυναμικά της εμπορικής, xii

19 βιομηχανικής γλυκερόλης ήταν παρόμοια μεταξύ τους, ενώ της απορροής του Η 2 -UFCB κυμάνθηκε 395,6 ± 1,2 L CH 4 / kg COD υποστρώματος. Επιπλέον, μελετήθηκε η αναερόβια χώνευση της γλυκερόλης και της απορροής του ζυμωτικού αντιδραστήρα σε μεθανογόνο χωνευτήρα συνεχούς ανάδευσης (CSTR) σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 20 d. Το συμπέρασμα το οποίο εξήχθη, ήταν ότι η μεγαλύτερη παραγωγικότητα σε μεθάνιο ελήφθη για την απορροή του ζυμωτικού αντιδραστήρα, η οποία ήταν ίση με 0,90 ± 0,02 L CH 4 / d ή 5,99 ± 0,14 L CH 4 / L τροφοδοσίας ή 215,96 ± 3,84 L CH 4 / kg αποβλήτου γλυκερόλης, όπου η απομάκρυνση του COD ήταν 96,6% στη μόνιμη κατάσταση. Χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο ADM1 για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του μεθανογόνου αντιδραστήρα στις περιόδους λειτουργίας του. Εν κατακλείδι, έγινε οικονομική αποτίμηση της παραγωγής αέριων βιοκαυσίμων από ακατέργαστη γλυκερόλη σε μεγαλύτερη κλίμακα, η οποία βασίστηκε στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα. xiii

20 Abstract In the present study, the biotechnological exploitation of industrial glycerol manufacturing process was studied. In particularly, the processes of hydrogen and methane production from crude glycerol in a two-stage continuous process under mesophilic conditions was studied. In the first stage, the fermentative hydrogen production from crude glycerol was investigated in a continuous up-flow packed bed bioreactor (H 2 -UFCB). To its start-up, the reactor was inoculated with activated sludge from a Municipal Wastewater Treatment Plant. Subsequently, the bioreactor was operated at Hydraulic Retention Times (HRTs) of 24, 36 and 48 h with different feed glycerol concentrations, i.e. 10, 15, 20 and 25 g /L. Although glycerol consumption was not complete (83,1%), it was shown that, in terms of both volumetric hydrogen production and molecular hydrogen yield, better values were obtained for a higher organic load and for a feed ph value of 7, leading to 2.94 ± 0.02 L H 2 / L feed/d or ± 0.70 L H 2 / kg waste glycerol and 0.52 ± 0.04 mol H 2 /mol glycerol consumed. Further experiments were performed in batch reactors with cultivation derived from the H 2 -UFCB effluent, as soon as the H 2 -UFCB reactor reached steady state. The aim of these experiments was the investigation of the kinetics of microorganisms growth, glycerol consumption and of the generation of metabolic products. The effect of ph in the feed and the influence of the type of buffer solution (Na or K) were studied through batch experiments, aiming at the assessment of the optimum operating conditions. In the second stage, the conversion of the organic load to methane gas was investigated. Batch reactors were used for the study of the biochemical methane potential of glycerol (both commercial and industrial) and of the effluent of the fermentative hydrogenogenic reactor. The biochemical methane potentials of both commercial and industrial glycerol were found to be comparable. The effluent of the fermentative hydrogenogenic reactor produced ± 1.2 L CH 4 / kg COD. Moreover, anaerobic digestion of both glycerol (commercial and industrial) and of the effluent from the fermentative bioreactor was xiv

21 conducted in a conventional CSTR for an HRT of 20 d. The methane production was 0.90 ± 0.02 L CH 4 / d or 5.99 ± 0.14 L CH 4 / L feed or ± 3.84 L CH 4 / kg waste glycerol, while COD removal at steady state was 96.6%. The process of anaerobic digestion was simulated with the use of the anaerobic digestion model No 1 (ADM1). Finally, a preliminary economic evaluation a gaseous biofuels production process from crude glycerol was made, based on the experiments conducted at laboratory scale. xv

22 Πρόλογος Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η αξιοποίηση της ακατέργαστης γλυκερόλης με μικροβιακή μετατροπή για παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου σε διβάθμιο σύστημα: ένα αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB), ο οποίος τροφοδοτείτο με ακατέργαστη γλυκερόλη με αποτέλεσμα την παραγωγή υδρογόνου και ένα αντιδραστήρα υπό συνεχή ανάδευση (CH 4 -CSTR), ο οποίος τροφοδοτείτο με την απορροή του H 2 -UFCB, η οποία είναι πλούσια σε πτητικά λιπαρά οξέα και 1,3- προπανοδιόλη, με αποτέλεσμα την παραγωγή μεθανίου. Το σύστημα της παραγωγικής διεργασίας λειτουργεί στη μεσόφιλη περιοχή (35 o C) και διεξήχθη έρευνα για διάφορες χρονικές περιόδους ως προς τη συγκέντρωση του υποστρώματος, τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) και το ph της τροφοδοσίας του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα (H 2 -UFCB). Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή της πορείας της πειραματικής διαδικασίας του αντιδραστήρα CH 4 -CSTR. Τέλος, έγινε τεχνοοικονομική μελέτη για την αξιοποίηση των παραγόμενων αέριων βιοκαυσίμων (H 2 και CH 4 ) προς ηλεκτρική και θερμική ενέργεια. Διάρθρωση της εργασίας Η Διδακτορική Διατριβή περιλαμβάνει, εκτός από τον παρόντα Πρόλογο, άλλα επτά Κεφάλαια, τη Βιβλιογραφία και τον κατάλογο Σχημάτων, Πινάκων και Εικόνων. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια ανασκόπηση στο ενεργειακό πρόβλημα, στις ενεργειακές πηγές, στην ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, στα βιοκαύσιμα με τις ενεργειακές καλλιέργειες, καθώς και στην γλυκερόλη ως παραπροϊόν της παραγωγής του βιοντήζελ και τις εφαρμογές της. Στο Κεφάλαιο 2 της Διατριβής παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο για τα αέρια βιοκαύσιμα βιομάζας (υδρογόνο, μεθάνιο και hythane) και παρουσιάζεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρονται: α) η ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου, οι ιδιότητές του και οι παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια xvi

23 παραγωγή του, β) οι βασικές αρχές, η μικροβιολογία, τα υποστρώματα της αναερόβιας χώνευσης, καθώς και οι παράγοντες που την επηρεάζουν και γ) η ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου (hythane) σε διβάθμιο σύστημα αντιδραστήρων. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται αναλυτικά η εργαστηριακή διάταξη για τα πειράματα παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου που διεξήχθησαν, καθώς και για τα πειράματα για τον προσδιορισμό των αντίστοιχων βέλτιστων συνθηκών. Επιπλέον, αναφέρονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την διεξαγωγή των πειραμάτων και οι μέθοδοι και τεχνικές, οι οποίες εφαρμόστηκαν για τις εργαστηριακές αναλύσεις. Στα Κεφάλαια 4 και 5 πραγματοποιείται η αναλυτική παρουσίαση και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων των πειραμάτων παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου, ενώ στο Κεφάλαιο 5 γίνεται επιπροσθέτως, η παρουσίαση του μαθηματικού μοντέλου (ADM1) της αναερόβιας χώνευσης της γλυκερόλης και της απορροής του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται τεχνοοικονομική μελέτη και ανάλυση της αξιοποίησης των παραγόμενων αέριων βιοκαυσίμων (H 2 και CH 4 ), ενώ στο Κεφάλαιο 7 συνοψίζονται τα βασικότερα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις, που προέκυψαν από την παρούσα εργασία. Τέλος, παρατίθενται όλες οι βιβλιογραφικές πηγές, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν. xvii

24 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο Το ενεργειακό πρόβλημα σήμερα Το ενεργειακό πρόβλημα στην Ελλάδα Πηγές Ενέργειας Μη Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Βιομάζα Τα πλεονεκτήματα της βιομάζας ως πηγής ενέργειας Τα μειονεκτήματα της Βιομάζας Ενεργειακή Αξιοποίηση της Βιομάζας Εφαρμογές Βιοκαύσιμα Ενεργειακές καλλιέργειες Η γλυκερόλη ως παραπροϊόν της παραγωγής βιοντήζελ 21 Κεφάλαιο 2. Αέρια Βιοκαύσιμα από Βιομάζα Α. Υδρογόνο 26 Α.1. Εισαγωγή 26 Α.2. Υδρογόνο από τη βιομάζα 29 Α.2.1. Ζύμωση βιομάζας 31 Α.3. Φυσικές και χημικές ιδιότητες υδρογόνου 32 Α.4. Αποθήκευση υδρογόνου 35 Α.4.1. Αποθήκευση με συμπίεση 36 Α.4.2. Αποθήκευση με υγροποίηση 38 Α.4.3. Αποθήκευση σε προηγμένα υλικά 39 Α Προσροφητικά υλικά 41 Α Μεταλλικά υδρίδια 42 Α.4.4. Μεταφορά και διανομή υδρογόνου 43 xviii

25 Α.5. Αναερόβια παραγωγή υδρογόνου 45 Α.5.1. Αντιδραστήρες 45 Α.5.2. Μικροοργανισμοί 47 Α.5.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή υδρογόνου 48 Α Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) 48 Α Τα συστατικά και το υπόστρωμα 49 Α ph 50 Α H μερική πίεση του υδρογόνου 51 Α Η θερμοκρασία 52 Β. Μεθάνιο 53 B.1. Οι αρχές της αναερόβιας χώνευσης 53 B.2. Περιγραφή των σταδίων 55 B.3. Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης 57 B.4. Υποστρώματα 62 B.5. Συστήματα-αντιδραστήρες 63 Β.6. Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση 65 Β.6.1. Η θερμοκρασία 65 Β.6.2. To ph και η αλκαλικότητα 66 Β.6.3. Τα θρεπτικά υλικά 68 Β.6.4. Οι τοξικές ουσίες 69 Β.6.5. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) 71 Β.7. Κινητική και μοντελοποίηση της αναερόβιας χώνευσης 71 Β.7.1. Κινητική ανάπτυξης μικροοργανισμών 71 Β.7.2. Κινητική παρεμπόδισης μικροοργανισμών 74 Β.7.3. Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) 76 Γ. Ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου (hythane) σε διβάθμιο σύστημα αντιδραστήρων 82 xix

26 Κεφάλαιο 3. Υλικά και Μέθοδοι 3.1. Ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη Μέθοδοι προσδιορισμού διαφόρων παραμέτρων Γενικά Χρωματογραφία αερίων Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων και αιθανόλης Μέτρηση περιεκτικότητας βιοαερίου σε υδρογόνο και μεθάνιο Μέτρηση παραγόμενου βιοαερίου Προσδιορισμός γλυκερόλης και 1,3-προπανοδιόλης Προσδιορισμός ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών Προσδιορισμός χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) Προσδιορισμός αλκαλικότητας Μέτρηση ph Μέτρηση της ειδικής επιφάνειας των φορέων προσκόλλησης Εξέταση φορέων προσκόλλησης σε ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και προετοιμασία δειγμάτων Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή υδρογόνου Πειράματα σε αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος Προσδιορισμός βέλτιστων συνθηκών Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή μεθανίου Πειράματα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για την εύρεση μεθανογόνου δυναμικού Λογισμικό Aquasim 112 xx

27 Κεφάλαιο 4. Παραγωγή υδρογόνου από γλυκερόλη 4.1. Εισαγωγή Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου σε συνεχή αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H2-UFCB) Παραγωγή υδρογόνου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με καλλιέργεια προερχόμενη από τον H2-UFCB Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Α Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Β Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Γ Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Δ Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Ε Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Ζ Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Η Πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Θ Σύγκριση αποδόσεων για τα πειράματα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου για κάθε χρονική περίοδο Σύγκριση αποδόσεων μεταξύ των πειραμάτων σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου και του αντιδραστήρα H2-UFCB για κάθε χρονική περίοδο Πειράματα διαλείποντος έργου για προσδιορισμό βέλτιστων συνθηκών Επίδραση ρυθμιστικού διαλύματος (Νa ή Κ) στην παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων 156 xxi

28 Επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης υποστρώματος στην παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων Χαρακτηρισμός φορέων προσκόλλησης βιομάζας SEM 192 Κεφάλαιο 5. Παραγωγή Μεθανίου από εμπορική, βιομηχανική γλυκερόλη και απορροή του Η 2 -UFCB 5.1. Εισαγωγή Προσδιορισμός μεθανογόνου δυναμικού σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Πείραμα BMP) Συνεχής παραγωγή μεθανίου Μαθηματική προσομοίωση της αναερόβιας χώνευσης σε συνεχή αντιδραστήρα με το ADM Αρχικές συνθήκες, δεδομένα εισόδου και παραδοχές Πρόβλεψη μοντέλου για τη συνεχή διεργασία της παραγωγής μεθανίου από γλυκερόλη Τροποποίηση στην πρόβλεψη μοντέλου για τη συνεχή διεργασία της παραγωγής μεθανίου από γλυκερόλη Πρόβλεψη μοντέλου για τη συνεχή διεργασία της παραγωγής μεθανίου από την απορροή του H2-UFCB 230 Κεφάλαιο 6. Οικονομική αποτίμηση της παραγωγής αέριων βιοκαυσίμων από ακατέργαστη γλυκερόλη 6.1. Εισαγωγή Συνολικό κόστος παραγωγής Κόστος πρώτης ύλης Κόστος πάγιου κεφαλαίου Περιγραφή εξοπλισμού μονάδας παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου Περιγραφή κόστους των κυψελών καυσίμων 246 xxii

29 Μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (ΣΗΘ) Κόστος βοηθητικών παροχών Κόστος άμεσης εργασίας Παραγωγή προϊόντων Παραγωγή αέριων βιοκαυσίμων Παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από υδρογόνο Παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από μεθάνιο Εκτίμηση συνολικού κόστους παραγωγής 254 Κεφάλαιο 7. Συμπεράσματα 260 Βιβλιογραφία 264 xxiii

30 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.1. Υπάρχουσες τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας 13 Σχήμα 1.2. Θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας 15 Σχήμα 1.3. Βιοχημική μετατροπή της βιομάζας 16 Σχήμα 1.4. Η ροή της Βιομάζας για την παραγωγή των Βιοκαυσίμων 17 Σχήμα 1.5. Το μόριο της γλυκερόλης 21 Σχήμα Α.1. Πρώτες ύλες και εναλλακτικές διεργασίες για παραγωγή του υδρογόνου 27 Σχήμα Α.2. Βραχυπρόθεσμες, Μεσοπρόθεσμες και Μακροπρόθεσμες τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου 28 Σχήμα Α.3. Η πυκνότητα του αέριου υδρογόνου ως συνάρτηση της πίεσης, σε θερμοκρασία δωματίου 37 Σχήμα Α.4. Πρότυπο δοχείο που περιέχει συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο 38 Σχήμα Α.5. Σχηματική αναπαράσταση μηχανισμών αποθήκευσης στερεού υδρογόνου: (α) απορρόφηση, (β) προσρόφηση 40 Σχήμα Α.6. Δεξαμενές αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου: (α) εσωτερικός εναλλάκτης με τη μορφή «δακτυλιδιού» (β) σύστημα πολλαπλών αυλών εναλλακτών 43 Σχήμα B.1. Σχηματική αναπαράσταση της αναερόβιας χώνευσης της σύνθετης οργανικής ύλης (οι αριθμοί αναπαριστούν τις βακτηριακές ομάδες που εμπλέκονται) 57 xxiv

31 Σχήμα Β.7.1. Σχηματική αναπαράσταση της κινητικής Monod 73 Σχήμα Β.7.2. Συνολική δομή του μοντέλο ADM1 77 Σχήμα Ποσοστό υδρογόνου στο παραγόμενο βιοαέριο σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 117 Σχήμα Συγκέντρωση γλυκερόλης στην τροφοδοσία και στον αντιδραστήρα (g/l) συναρτήσει του χρόνου για όλες τις χρονικές περιόδους 118 Σχήμα Η κατανάλωση της γλυκερόλης στον αντιδραστήρα για όλες τις χρονικές περιόδους 119 Σχήμα Μεταβολή του ph για τον αντιδραστήρα και την τροφοδοσία σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 120 Σχήμα Αντιδράσεις μεταβολικών προϊόντων για την παραγωγή του εξανοϊκού οξέος 122 Σχήμα Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα κατά την παραγωγή του υδρογόνου σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 123 Σχήμα Η συγκέντρωση της 1,3-προπανοδιόλης και της αιθανόλης στον αντιδραστήρα σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 124 Σχήμα Ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου και του υδρογόνου σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 125 Σχήμα Η παραγωγικότητα σε υδρογόνο (L H 2 / kg αποβλήτου γλυκερόλης) για όλες τις χρονικές περιόδους 126 xxv

32 Σχήμα Μεταβολισμός της γλυκερόλης 133 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Α 138 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Β 140 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Γ 142 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Δ 144 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει xxvi

33 του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Ε 146 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνο, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Ζ 148 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Η 150 Σχήμα (α) Η παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης, (β) η παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, (γ) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (δ) το ποσοστό του υδρογόνου, (ε) η συγκέντρωση της γλυκερόλης και (στ) η μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου, στο πείραμα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου από την μόνιμη κατάσταση της χρονικής περιόδου Θ 152 Σχήμα Σύγκριση στις στοιχειομετρίες παραγωγής υδρογόνου στα πειράματα τύπου διαλείποντος έργου και στο συνεχή υδρογονοπαραγωγό αντιδραστήρα (H 2 - UFCB), για όλες τις χρονικές περιόδους 155 Σχήμα Παραγόμενο υδρογόνο σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 158 Σχήμα Συντελεστές απόδοσης σε υδρογόνο σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 159 xxvii

34 Σχήμα Πτητικά Λιπαρά Οξέα (ΠΛΟ) που παράχθηκαν σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 161 Σχήματα Παραγωγή 1,3-προπανοδιόλης σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 162 Σχήματα Παραγωγή αιθανόλης σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 163 Σχήμα Διαλυτό χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (d-cod) σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 165 Σχήμα Ποσοστιαία (%) κατανάλωση διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (d-cod) για ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και για ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 166 Σχήμα Κατανάλωση γλυκερόλης για ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και για ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 167 Σχήμα Ποσοστιαία (%) κατανάλωση γλυκερόλης σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 168 Σχήμα Συγκέντρωση βιομάζας σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 170 Σχήμα Διακύμανση του ph σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Na και σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 171 Σχήμα Παραγόμενο υδρογόνο σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l και 20g/L 176 xxviii

35 Σχήμα Συντελεστές απόδοσης σε υδρογόνο σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l και 20 g/l 177 Σχήμα Πτητικά Λιπαρά Οξέα (ΠΛΟ) που παράχθηκαν σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 178 Σχήμα Παραγωγή 1,3-προπανοδιόλης σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 180 Σχήμα Παραγωγή αιθανόλης σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 181 Σχήμα Διαλυτό χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (d-cod) σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 182 Σχήμα Ποσοστιαία (%) κατανάλωση διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (d-cod) σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 183 Σχήμα Κατανάλωση γλυκερόλης για αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l και 20 g/l 185 Σχήμα Ποσοστιαία (%) κατανάλωση γλυκερόλης σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 186 Σχήμα Συγκέντρωση βιομάζας σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 188 Σχήμα Διακύμανση του ph σε αρχική συγκέντρωση υποστρώματος 10 g/l ή 20 g/l 189 Σχήμα Πορώδες του Poro Ring πριν τη χρήση 192 xxix

36 Σχήμα Σύσταση του Poro Ring 193 Σχήμα Δείγμα από την τροφοδοσία του αντιδραστήρα Η 2 -UFCB 194 Σχήμα Δείγμα από την απορροή του αντιδραστήρα Η 2 -UFCB 195 Σχήμα Βακτήρια στην απορροή του αντιδραστήρα Η 2 -UFCB 195 Σχήμα Παραγωγή μεθανίου από γλυκόζη στα πειράματα διαλείποντος έργου 202 Σχήμα Παραγωγή μεθανίου από εμπορική γλυκερόλη στα πειράματα διαλείποντος έργου 202 Σχήμα Παραγωγή μεθανίου από βιομηχανική γλυκερόλη στα πειράματα διαλείποντος έργου 203 Σχήμα Παραγωγή μεθανίου από απορροή του Η 2 -UFCB στα πειράματα διαλείποντος έργου 204 Σχήμα Παραγωγή μεθανίου από 1,3-προπανοδιόλη στα πειράματα διαλείποντος έργου 204 Σχήμα Μεθανογόνα δυναμικά (L CH 4 / L υποστρώματος) της Γλυκόζης, της Εμπορικής και Βιομηχανικής Γλυκερόλης, της απορροής του Η 2 -UFCB και της 1,3- προπανοδιόλης (PDO) 205 Σχήμα Η ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε μεθάνιο σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 208 xxx

37 Σχήμα Οι ρυθμοί παραγωγής του βιοαερίου και του μεθανίου σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 209 Σχήμα Μεταβολή του ph αντιδραστήρα σε σχέση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 210 Σχήμα Μεταβολή της συγκέντρωσης των στερεών σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 211 Σχήμα Το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο για τον αντιδραστήρα και την τροφοδοσία για όλες τις χρονικές περιόδους 212 Σχήμα Συγκέντρωση του οξικού οξέος σε συνάρτηση με το χρόνο 216 Σχήμα Θεωρητική και πειραματική παραγωγή μεθανίου (L/d) 217 Σχήμα Απεικόνιση του μαθηματικού μοντέλου της αναερόβιας χώνευσης της γλυκερόλης 221 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) 223 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα για το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) 224 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του οξικού οξέος στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) 224 xxxi

38 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του διαλυτού ΧΑΟ στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) 225 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής της βιομάζας στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) 225 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) μετά από τροποποίηση 227 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα για το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) μετά από τροποποίηση 228 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του οξικού οξέος στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) μετά από τροποποίηση 228 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του διαλυτού ΧΑΟ στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) μετά από τροποποίηση 229 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής της βιομάζας στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με γλυκερόλη (εμπορική και ακατέργαστη) μετά από τροποποίηση 229 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με την απορροή του H 2 -UFCB 232 xxxii

39 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα για το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με την απορροή του H 2 -UFCB 232 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του οξικού οξέος στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με την απορροή του H 2 -UFCB 233 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του διαλυτού ΧΑΟ στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με την απορροή του H 2 - UFCB 234 Σχήμα Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής της βιομάζας στις περιόδους που ο αντιδραστήρας τροφοδοτήθηκε με την απορροή του H 2 -UFCB 234 Σχήμα 6.1. Σχηματική αναπαράσταση της διεργασίας 238 Σχήμα 6.2. Κόστος κατασκευής δεξαμενής αποθήκευσης από σκυρόδεμα προς την παροχή αποβλήτου (m 3 /d) 242 Σχήμα 6.3. Κόστος κατασκευής ανοξείδωτου χαλύβδινου αντιδραστήρα προς τον όγκο του (m 3 ) 243 Σχήμα 6.4. Κόστος τοποθέτησης των αναδευτήρων προς τον όγκο του μεθανογόνου αντιδραστήρα (m 3 ) 244 Σχήμα 6.5. Το συνολικό κόστος παραγωγής και τα συνολικά έσοδα συναρτήσει της δυναμικότητας 257 xxxiii

40 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1.1. Ενεργειακές καλλιέργειες ευρείας κλίμακας σε παγκόσμιο επίπεδο 19 Πίνακας Α.1. Φυσικές και χημικές ιδιότητες υδρογόνου, μεθανίου και βενζίνης 34 Πίνακας Α.2. Ενεργειακές πυκνότητες διαφόρων καυσίμων 35 Πίνακας Α.3. Ορισμένοι κύριοι αγωγοί υδρογόνου 44 Πίνακας B.1. Χρήση διαφορετικού αποδέκτη ηλεκτρονίων ανάλογα με το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (ORP) 58 Πίνακας B.2. Γένη μεθανογόνων μικροοργανισμών και υπόστρωμα μεθανογένεσης 61 Πίνακας Β.7.1. Εκφράσεις του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης, ως συνάρτηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος 73 Πίνακας Β.7.2. Η δομή του ADM1 80 Πίνακας Λειτουργικά χαρακτηριστικά του H 2 - UFCB 116 Πίνακας Τα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα σε όλες τις χρονικές περιόδους 128 Πίνακας Ρυθμοί παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου και αποδόσεις σε υδρογόνο για όλες τις χρονικές περιόδους 129 Πίνακας Συγκεντρώσεις κύριων μεταβολικών προϊόντων, 1,3-προπανοδιόλης και αιθανόλης στον αντιδραστήρα σε κάθε χρονική περίοδο 130 xxxiv

41 Πίνακας Αποδόσεις όλων των προϊόντων που παρήχθησαν κατά την κατανάλωση της γλυκερόλης σε όλες τις χρονικές περιόδους λειτουργίας του αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής, H 2 -UFCB 135 Πίνακας Στοιχειομετρικές αποδόσεις όλων των προϊόντων που παρήχθησαν κατά την κατανάλωση της γλυκερόλης στα πειράματα τύπου διαλείποντος έργου, με καλλιέργεια προερχόμενη από την απορροή του H 2 -UFCB (όπου ΠΛΟ είναι τα Πτητικά Λιπαρά Οξέα) 154 Πίνακας Σύνοψη αποτελεσμάτων για τους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με ρυθμιστικό διάλυμα Νa 172 Πίνακας Σύνοψη αποτελεσμάτων για τους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με ρυθμιστικό διάλυμα K 173 Πίνακας Μοριακές αποδόσεις προϊόντων για τα πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με ρυθμιστικό διάλυμα Νa 173 Πίνακας Μοριακές αποδόσεις προϊόντων για τα πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με ρυθμιστικό διάλυμα K 174 Πίνακας Σύνοψη αποτελεσμάτων για τους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με αρχική φόρτιση υποστρώματος 10 g/l 190 Πίνακας Σύνοψη αποτελεσμάτων για τους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με αρχική φόρτιση υποστρώματος 20 g/l 190 Πίνακας Μοριακές αποδόσεις προϊόντων για τα πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με αρχική φόρτιση υποστρώματος 10 g/l 191 xxxv

42 Πίνακας Μοριακές αποδόσεις προϊόντων για τα πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με αρχική φόρτιση υποστρώματος 20 g/l 191 Πίνακας 5.1. Τα χαρακτηριστικά της αναμεμιγμένης απορροής του Η 2 -UFCB 198 Πίνακας 5.2. Λειτουργικά χαρακτηριστικά του CH 4 -CSTR σε οργανικό υλικό, στην είσοδο του αντιδραστήρα. 206 Πίνακας 5.3. Τα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα CH 4 -CSTR 213 Πίνακα 5.4. Ρυθμοί παραγωγής βιοαερίου και μεθανίου και αποδόσεις σε μεθάνιο για τον CH 4 -CSTR στις μόνιμες καταστάσεις 215 Πίνακας Δεδομένα εισόδου που προστέθηκαν στη δομή του ADM1 219 Πίνακας Η εκτίμηση του μοντέλου για την αρχική βιομάζα και των αδρανών της 222 Πίνακας Τροποποιήσεις στις κινητικές παραμέτρους του μοντέλου 226 Πίνακας Εκτίμηση παραμέτρων για την απορροή του Η 2 -UFCB 231 Πίνακας 6.1. Ανάλυση συνολικού κόστους παραγωγής 239 Πίνακας 6.2. Κόστος εξοπλισμού παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου 245 Πίνακας 6.3. Κατανομή του κόστους κατασκευής των PEMFC 248 Πίνακας 6.4. Εκτιμήσεις του κόστους της παραγόμενης ισχύος σε κυψέλες καυσίμου SOFC και MCFC 249 xxxvi

43 Πίνακας 6.5. Εκτίμηση Κόστους 255 Πίνακας 6.6. Συνεισφορά στο κόστος παραγωγής 255 Πίνακας 6.7. Κόστη σε ευρώ για κάθε διαφορετική δυναμικότητα 256 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ Εικόνα 3.1. (1) Εμπορική γλυκερόλη και (2) Βιομηχανική γλυκερόλη 87 Εικόνα Βασικά χαρακτηριστικά ενός χρωματογράφου αερίων 88 Εικόνα Χρωματογράφος αερίων (GC) με ανιχνευτή φλόγας ιονισμού (FID) 90 Εικόνα Χρωματογράφος αερίων (GC) με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD) 91 Εικόνα Σύστημα μέτρησης του όγκου του παραγόμενου βιοαερίου σε ισορροπία 93 Εικόνα Σύστημα μέτρησης του όγκου του παραγόμενου βιοαερίου στην άνω θέση του πλωτήρα 93 Εικόνα Υγρή χρωματογραφία υψηλής επίδοσης (HPLC) 94 Εικόνα Διαδικασία διήθησης υπό κενό 95 Εικόνα Φούρνος για τη θέρμανση του διηθημένου οργανικού δείγματος με περίσσεια διχρωμικού καλίου 97 xxxvii

44 Εικόνα Φωτόμετρο για τον προσδιορισμό του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου 97 Εικόνα Πεχάμετρο 99 Εικόνα Κεραμικοί κυλινδρικοί δακτύλιοι (poro-rings) 100 Εικόνα Λουτρό θερμοκρασίας ο C 102 Εικόνα Αντιδραστήρας κλίνης ανοδικής ροής, όπου (1) η αέρια δειγματοληψία, (2) η υγρή δειγματοληψία και (3) η είσοδος της τροφοδοσίας (με κόκκινο χρώμα) 102 Εικόνα Αντλία σταθερής παροχής τροφοδοσίας 103 Εικόνα Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 107 Εικόνα Αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας: (1) η είσοδος της τροφοδοσίας, (2) η υγρή δειγματοληψία, (3) η έξοδος της απορροής και (4) η φιάλη της απορροής (με κόκκινο χρώμα) 108 Εικόνα Περισταλτική αντλία: (1) είναι η είσοδος και (2) η έξοδος της τροφοδοσίας (με κόκκινο χρώμα) 109 Εικόνα Αντιδραστήρες διαλείποντος έγου για την εύρεση μεθανογόνου δυναμικού 111 xxxviii

45 - 1 -

46 Κεφάλαιο Το ενεργειακό πρόβλημα σήμερα Τα ορυκτά καύσιμα χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια για να δημιουργηθούν. Η αλόγιστη χρήση και σπατάλη τους αποτελεί ανευθυνότητα στις επόμενες γενιές και συνεπάγεται μεγάλο οικονομικό και περιβαλλοντικό κόστος. Η συγκέντρωση του κόσμου στα μεγάλα αστικά κέντρα, η ένταση των δραστηριοτήτων, τα μέσα μεταφοράς και γενικότερα ο τρόπος ζωής οδήγησαν στην αύξηση των ενεργειακών αναγκών με αποτέλεσμα την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Από τα μέσα του 18 ου αιώνα, όταν κατασκευάστηκε η πρώτη ατμομηχανή σηματοδοτήθηκε η έναρξη της βιομηχανικής επανάστασης. Έκτοτε, με ταχύτατους ρυθμούς περνώντας από διάφορα στάδια (ηλεκτρισμός, ανάπτυξη των συγκοινωνιών, κλπ) φτάσαμε στη σημερινή εποχή, την εποχή των τεχνολογικών αλμάτων και της ενεργειακής πρόκλησης. Η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στην συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων, τα οποία τείνουν να μειώνονται ανάλογα με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας, οι οποίες διαρκώς αυξάνονται, καθώς και με τις εκπομπές αέριων ρύπων, οι οποίοι εκλύονται στην ατμόσφαιρα κατά την κατανάλωση ενέργειας. Είναι αρκετά εύκολο να κατανοήσουμε τι σημαίνει αύξηση της καταναλισκόμενης ενέργειας αν αναλογισθούμε το πλήθος των διαθέσιμων ηλεκτρικών συσκευών οικιακής χρήσης σήμερα, σε σύγκριση με τις διαθέσιμες συσκευές, πριν 30 χρόνια, ή τον αριθμό των αυτοκινήτων, τα οποία κυκλοφορούν τώρα στους δρόμους σε σύγκριση με το παρελθόν. Το 1973, όταν εκδηλώθηκε η πρώτη ενεργειακή κρίση και η τιμή του πετρελαίου πενταπλασιάστηκε μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα, διαπιστώθηκε η άμεση σχέση της ενεργειακής πολιτικής και της εθνικής ανεξαρτησίας μιας χώρας και συνειδητοποιήθηκε το γενικότερο πρόβλημα του «εξαντλήσιμου» των ενεργειακών αποθεμάτων. Κατά την περίοδο αυτή εξαγγέλλθηκαν για πρώτη φορά προγράμματα εξοικονόμησης ενέργειας και αναζητήθηκαν εναλλακτικές πηγές αντί των ορυκτών καυσίμων

47 Η εξάντληση των ενεργειακών πόρων επιφέρει ενεργειακές κρίσεις λόγω της γεωγραφικά άνισης κατανομής τους και αποτελεί μια από τις αιτίες γεωπολιτικών και οικονομικών κρίσεων. Για λόγους γεωστρατηγικής και γεωοικονομίας δεν υπάρχουν αξιόπιστα στοιχεία για τα αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου, είναι όμως βέβαιο ότι υπάρχουν ακόμη κοιτάσματα υδρογονανθράκων σε περιοχές του πλανήτη, τα οποία δεν έχουν ακόμη εντοπισθεί. Η ενέργεια, ως εμπορικό αγαθό με ανταλλακτική αξία, αποτελεί μέχρι σήμερα αντικείμενο ανταγωνισμού επιχειρήσεων και κερδοσκοπίας, με αποτέλεσμα να παρατηρείται συνεχής διακύμανση των τιμών των πετρελαιοειδών και μη ομαλή εφαρμογή των νόμων της προσφοράς και ζήτησης. Σε διεθνές επίπεδο, οι τιμές του πετρελαίου φαίνεται οτι επηρεάζονται σημαντικά από στρατιωτικά, πολιτικά και οικονομικά συμφέροντα. Η αστάθεια στις τιμές των πετρελαιοειδών τα τελευταία χρόνια, η ανάγκη για διασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού των χωρών, η αλλαγή των κλιματικών συνθηκών του πλανήτη, η αύξηση της ενεργειακής εξάρτησης από τις εισαγωγές, σε συνδυασμό με την έκρηξη της ενεργειακής ζήτησης των αναδυόμενων οικονομιών, ιδίως της Κίνας και της Ινδίας, καθιστά ολοένα και επιτακτικότερη την ανάγκη καθιέρωσης ενός νέου σχεδίου δράσης σε τοπικό και διεθνές επίπεδο, προκειμένου να επιτευχθεί άμβλυνση του προβλήματος. Συνοψίζοντας, θα ήταν δυνατόν να λεχθεί, ότι είναι ιδιαίτερα δύσκολο να εκτιμηθούν με ικανοποιητική ακρίβεια οι ενεργειακές εξελίξεις, τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα. Σε κάθε περίπτωση όμως, η αγορά της ενέργειας στο μέλλον θα καθορισθεί από την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, τις περιβαλλοντικές μεταβολές και από την ωρίμανση των νέων τεχνολογιών. Με τα μέχρι στιγμής γνωστά στοιχεία, τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου είναι συγκεντρωμένα σε λίγες μόνον χώρες. Η Μέση Ανατολή προμηθεύει σήμερα το 30% της παγκόσμιας αγοράς σε πετρέλαιο, ενώ διαθέτει περισσότερα από τα μισά αποθέματα υδρογονανθράκων. Παράλληλα, τα μισά από τα συνολικά αποθέματα φυσικού αερίου - 3 -

48 ανήκουν σε δύο μόνο χώρες, τη Ρωσία και το Ιράν. Σήμερα, το 50% των ενεργειακών αναγκών της Ευρωπαϊκής Ένωσης καλύπτονται από εισαγωγές, ενώ περίπου το 70% των αναγκών της αναμένεται να καλύπτονται με εισαγωγές το 2030, αν διατηρηθούν βεβαίως οι σημερινές τάσεις. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις αναλυτών, μέχρι το 2020 η παγκόσμια πρωτογενής ενέργεια θα καλύπτεται σε ποσοστό 90% από τα ορυκτά καύσιμα. Η αύξηση των συγκεντρώσεων των θερμοκηπιακών αερίων στην ατμόσφαιρα αλλά και η υποβάθμιση του περιβάλλοντος σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο δεν αφήνουν περιθώρια εφησυχασμού. Τέλος, οι νέες τεχνολογίες στον ενεργειακό τομέα βασίζονται κυρίως στις καθαρές τεχνολογίες ορυκτών καυσίμων και στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι τεχνολογίες δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα θα πρέπει να επιλύσουν ζητήματα όπως για παράδειγμα την πιθανή αύξηση του ph των ωκεανών από την έκχυση του CO 2 στα βάθη της θάλασσας, ή το κόστος εφαρμογής της τεχνολογίας αυτής. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σαφώς μπορούν να συνεισφέρουν ως ένα βαθμό τόσο στην ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού όσο και στην προστασία του περιβάλλοντος, εμφανίζουν όμως σημαντικές τεχνολογικές αδυναμίες και απαιτούν τεράστιες επενδύσεις Το ενεργειακό πρόβλημα στην Ελλάδα Τα κύρια προβλήματα στη χώρα μας σχετίζονται άμεσα με το λανθασμένο ενεργειακό μοντέλο που εφαρμόζει. Η χώρα μας χαρακτηρίζεται από υψηλή ενεργειακή ένταση (παραγόμενες kwh ανά μονάδα Ακαθάριστου Εθνικού Προϊόντος), υψηλή εξάρτηση από πετρέλαιο και λιγνίτη που αποτελούν τα πλέον ρυπογόνα καύσιμα, και άσκοπη κατανάλωση ενέργειας στον οικιακό και στον τριτογενή τομέα. Για την αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος πρέπει να ληφθούν μέτρα που θα στηρίζονται στους εξής άξονες όπως: αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας: - 4 -

49 i. διαχωρισμός ενέργειας - οικονομικής ανάπτυξης ii. στην αύξηση της ωφέλιμης ενέργειας σε σχέση με την καταναλισκόμενη μείωση της κατανάλωσης υποκατάσταση των συμβατικών ενεργειακών πηγών με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και εξασφάλιση των προϋποθέσεων (οικονομική ανάπτυξη, νομισματική σταθερότητα, ορθός καταμερισμός του πλούτου, σταθερότητα τροφοδοσίας ενεργείας) μιας μακροχρόνιας στρατηγικής επιτυχούς εκμετάλλευσης των ΑΠΕ. Η ευαισθητοποίηση των καταναλωτών με σκοπό την αλλαγή στάσεως και συμπεριφοράς, όχι μόνο σε προσωπικό επίπεδο αλλά και σε επίπεδο παραγωγής, αξιοποιώντας παράλληλα και τη σύγχρονη τεχνολογία, οδηγεί στην εξοικονόμηση καθαρής και φθηνής ενέργειας. Σε σχέση με την διαχείριση των ενεργειακών πόρων, θα πρέπει να υιοθετηθούν: σχέδια προστασίας των σημαντικών οικοσυστημάτων της χώρας, αλλαγές στις γεωργικές καλλιέργειες, διαχειριστικά σχέδια για τους υδάτινους πόρους, μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας για ψύξη-θέρμανση, προώθηση καινοτόμων καθαρών τεχνολογιών, δημιουργία υποδομών για την αντιμετώπιση ακραίων καιρικών φαινομένων, συστήματα επίβλεψης των δασών ανά την επικράτεια, δράσεις καταπολέμησης της ερημοποίησης, εκστρατείες ευαισθητοποίησης της Ελληνικής κοινωνίας Πηγές Ενέργειας Πηγή Ενέργειας ή Ενεργειακή Πηγή ονομάζουμε κάθε φυσικό πόρο που δίνει ενέργεια. Παρόλ αυτά, ο συχνά χρησιμοποιούμενος όρος "Πηγές Ενέργειας" δεν ευσταθεί από επιστημονική σκοπιά, διότι σύμφωνα με το νόμο διατήρησης της ενέργειας, η ενέργεια ούτε δημιουργείται αλλά ούτε και καταστρέφεται. Απλά αλλάζει μορφές. Γενικά όμως ο - 5 -

50 όρος "Πηγές Ενέργειας" περιγράφει τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας χρήσης. Οι πηγές ενέργειας ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες: Μη ανανεώσιμες Ανανεώσιμες Μη Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ως μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας χαρακτηρίζονται οι πηγές, οι οποίες δεν αναπληρώνονται ή αναπληρώνονται εξαιρετικά αργά για τα ανθρώπινα μέτρα, με φυσικές διαδικασίες. Στις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνονται κυρίως ο γαιάνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, γνωστά και ως ορυκτά καύσιμα, καθώς και η πυρηνική ενέργεια, η οποία είναι η ενέργεια, η οποία απελευθερώνεται κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις σχάσεως. Βέβαια, η φύση δεν σταματά να δημιουργεί ούτε γαιάνθρακα ούτε πετρέλαιο. Αν αναλογισθούμε όμως, ότι η ανθρωπότητα καταναλώνει ημερησίως τόση ποσότητα ορυκτών καυσίμων όση μπορεί η φύση να δημιουργήσει σε χίλια περίπου χρόνια, αντιλαμβανόμαστε πλέον την έννοια της ανανεωσιμότητας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) έχουν οριστεί οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον. Είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας, τις οποίες χρησιμοποίησε ο άνθρωπος πριν στραφεί έντονα στη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον ενώ η αξιοποίησή τους περιορίζεται μόνον από την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών, οι οποίες αποσκοπούν στη δέσμευση του δυναμικού τους. Το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών εμφανίσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε την τελευταία δεκαετία με τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων, τα οποία σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Παράλληλα, οι ΑΠΕ συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον - 6 -

51 διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος, ο οποίος ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι μορφές των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας είναι: Αιολική ενέργεια Η εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου από τον άνθρωπο αποτελεί μία πρακτική που βρίσκει τις ρίζες της στην αρχαιότητα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, αποτελούν τα ιστιοφόρα και οι ανεμόμυλοι. Σήμερα, για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούνται οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ). Οι ανεμογεννήτριες, είναι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική ενέργεια με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνουμε την μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ηλιακή ενέργεια Με τον όρο ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας, οι οποίες προέρχονται άμεσα από τον ήλιο. Το φώς και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία σήμερα αξιοποιεί ένα μηδαμινό ποσοστό της προσπίπτουσας στην επιφάνεια του πλανήτη μας ηλιακής ενέργειας με τριών ειδών συστήματα: τα θερμικά ηλιακά, τα παθητικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Βιομάζα Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη, η οποία έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, περιλαμβάνεται στην κατηγορία αυτή οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο βιομάζα εννοούμε τα φυτικά και δασικά υπολείμματα (καυσόξυλα, κλαδοδέματα, άχυρα, πριονίδια, ελαιοπυρήνες, κουκούτσια), τα ζωικά απόβλητα (κοπριά, άχρηστα αλιεύματα), τα φυτά, τα οποία καλλιεργούνται στις ενεργειακές φυτείες για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας, - 7 -

52 καθώς επίσης και το ζυμώσιμο κλάσμα των αστικών απορριμμάτων και τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων και της βιομηχανίας μεταποίησης αγροτικών προϊόντων. Γεωθερμική ενέργεια Η γεωθερμία είναι μια ήπια και πρακτικά ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή, η οποία μπορεί με τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες να καλύψει ανάγκες θέρμανσης και ψύξης, αλλά και σε ορισμένες περιπτώσεις να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η γεωθερμία προσφέρει ενέργεια χαμηλού κόστους, ενώ δεν επιβαρύνει το περιβάλλον με εκπομπές βλαβερών ρύπων. Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια η οποία στηρίζεται στην εκμετάλλευση και τη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού των λιμνών και της κινητικής ενέργειας του νερού των ποταμών, σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής του στροβίλου, μετατρέπεται η κινητική ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια, με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνεται η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το σύνολο των έργων και εξοπλισμού μέσω των οποίων γίνεται η μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε ηλεκτρική, ονομάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο. Ενέργεια από τη θάλασσα Η ενέργεια από παλίρροιες αξιοποιεί την έλξη του ηλίου και της σελήνης, η οποία προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται, καθώς ανεβαίνει και αναγκάζεται να περάσει, όταν κατεβαίνει, μέσα από ένα στρόβιλο με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Η ενέργεια από κύματα αξιοποιεί την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Η ενέργεια από τους ωκεανούς αξιοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, με τη βοήθεια θερμικών κύκλων

53 Οι ΑΠΕ εκτός από τα περιβαλλοντικά οφέλη έναντι των ορυκτών καυσίμων πλεονεκτούν και σε άλλους διάφορους τομείς. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ΑΠΕ είναι: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, οι οποίοι με το πέρασμα του χρόνου εξαντλούνται. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής ενώ παράλληλα μειώνονται οι απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας πιο ορθολογική χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται μερικές φορές από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση υποβαθμισμένων, οικονομικά και κοινωνικά, περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που στηρίζονται στη συμβολή των ΑΠΕ (π,χ. καλλιέργειες θερμοκηπίου με γεωθερμική ενέργεια). Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα, οι ΑΠΕ παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους όπως: - 9 -

54 Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος, έτσι ώστε η παραγόμενη ενέργεια να μεταφερθεί ή να αποθηκευθεί. Έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για μεγάλη παραγωγή απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις. Παρουσιάζουν συχνά διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους, οι οποίες μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή γενικά δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους συνήθως οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσής τους. Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων παραμένει ακόμη υψηλό Βιομάζα Σε γενικές γραμμές θα μπορούσε να αναφερθεί, ότι η χρήση της βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας είναι η αντιστροφή της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Η βιομάζα είναι ανανεώσιμη, καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος για να αναπληρωθεί, ότι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Η ενέργεια της βιομάζας είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια μετασχηματίζεται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης. Κατά τη διάρκεια διεργασιών, όπως η καύση, η βιομάζα απελευθερώνει την ενέργειά της, υπό τη μορφή θερμότητας ενώ παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο αντικαθιστά το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο απορροφήθηκε κατά την ανάπτυξη του φυτού Τα πλεονεκτήματα της βιομάζας ως πηγής ενέργειας Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας για παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του

55 ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO 2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της όξινης βροχής. Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης, που είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. Η εξασφάλιση εργασίας και η συγκράτηση των αγροτικών πληθυσμών στις παραμεθόριες και τις άλλες γεωργικές περιοχές, συμβάλλει δηλαδή η βιομάζα στην περιφερειακή ανάπτυξη της χώρας Τα μειονεκτήματα της Βιομάζας Τα μειονεκτήματα που συνδέονται με τη χρησιμοποίηση της βιομάζας και αφορούν, ως επί το πλείστον, δυσκολίες στην εκμετάλλευσή της, είναι τα εξής: Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία, ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η διακύμανση στα ποιοτικά χαρακτηριστικά της Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της, έναντι των ορυκτών καυσίμων. Οι δαπανηρότερες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Η μεγάλη διασπορά και η εποχική παραγωγή της. Εξαιτίας των παραπάνω μειονεκτημάτων και για την πλειονότητα των εφαρμογών της, το κόστος της βιομάζας παραμένει, συγκριτικά προς το πετρέλαιο, υψηλό. Ήδη, όμως, υπάρχουν εφαρμογές, στις οποίες η αξιοποίηση της βιομάζας παρουσιάζει οικονομικά οφέλη. Επιπλέον, το πρόβλημα του υψηλού κόστους βαθμιαία μειώνεται, αφ ενός λόγω της ανόδου των τιμών του πετρελαίου, αφ ετέρου και σημαντικότερο, λόγω της βελτίωσης και ανάπτυξης των τεχνολογιών αξιοποίησης της βιομάζας. Τέλος, πρέπει

56 κάθε φορά να συνυπολογίζεται το περιβαλλοντικό όφελος, το οποίο, αν και συχνά δεν μπορεί να αποτιμηθεί με οικονομικά μεγέθη, εντούτοις είναι μεγάλης σημασίας για την ποιότητα της ζωής και το μέλλον της ανθρωπότητας Ενεργειακή Αξιοποίηση της Βιομάζας Εφαρμογές Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (παραγωγή θερμότητας, ψύξης, ηλεκτρισμού κ.λ.π.) είτε με απ ευθείας καύση, είτε με μετατροπή της σε αέρια, υγρά ή/και στερεά καύσιμα μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών (Σχήμα 1.1.)

57 Σχήμα 1.1. Υπάρχουσες τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας (www.kape.gr) Επειδή η αξιοποίηση της βιομάζας αντιμετωπίζει συνήθως τα μειονεκτήματα της μεγάλης διασποράς, του μεγάλου όγκου και των δυσχερειών συλλογής-μεταποίησηςμεταφοράς-αποθήκευσης, επιβάλλεται η αξιοποίησή της να γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον τόπο παραγωγής της. Έτσι, αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευχερέστατα σε πληθώρα εφαρμογών

58 Η θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας οδηγεί είτε στην απ ευθείας παραγωγή ενέργειας (καύση), από την οποία προέρχεται το 97% της παγκόσμιας βιοενέργειας, είτε στην παραγωγή καυσίμου, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόνομα (Σχήμα 1.2.). Οι σύγχρονες τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας έχουν εξελιχθεί σε τέτοιο βαθμό, ώστε να αποτελούν πλέον μια αξιόπιστη και ανταγωνιστική επιλογή. Εκτός από τα γνωστά καυσόξυλα, η καύση της βιομάζας γίνεται συνήθως με την καύση θρυμμάτων ξύλου (wood chips) ή συσσωματωμάτων (pellets) σε σύγχρονους λέβητες υψηλής τεχνολογίας (www.kape.gr). Η πυρόλυση αποτελεί μία από τις πολλά υποσχόμενες θερμοχημικές τεχνολογίες για την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, με τη μετατροπή της σε χρήσιμα καύσιμα (Demirbas et al., 1998). Σύμφωνα με αυτή την τεχνολογία, η βιομάζα θερμαίνεται απουσία οξυγόνου παράγοντας ένα πλούσιο σε υδρογονάνθρακες αέριο μίγμα, ένα πλούσιο σε άνθρακα στερεό υπόλειμμα και ένα υγρό καύσιμο υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, το βιοέλαιο. Το βιοέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο του πετρελαίου (έχει λίγο μικρότερη από τη μισή θερμογόνο δύναμη του πετρελαίου) σε εφαρμογές θέρμανσης (λέβητες, φούρνους κ.λ.π.) αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (μηχανές εσωτερικής καύσης κ.ά.). Η πυρόλυση της βιομάζας αποτελεί την οικονομικότερη διεργασία ηλεκτροπαραγωγής, κυρίως σε εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας. Η αεριοποίηση, είναι ένα είδος πυρόλυσης, η οποία λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες, και έχει ως αποτέλεσμα, την άμεση παραγωγή μίγματος μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου (synthesis gas), με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου. Το μίγμα αυτό, στη συνέχεια μπορεί να μετατραπεί καταλυτικά σε αμμωνία, μεθανόλη ή άλλα προϊόντα. Οι σχετικές τεχνολογίες όμως βρίσκονται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο και θα απαιτηθεί σημαντική περαιτέρω προσπάθεια

59 προκειμένου να μπορέσουν τα πιλοτικά προγράμματα να καταστήσουν την εφαρμογή τους οικονομικά συμφέρουσα, σε μεγάλη κλίμακα. Σχήμα 1.2. Θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας Η χημική επεξεργασία της βιομάζας, περιλαμβάνει την παραγωγή βιοντήζελ. Το βιοντήζελ, είναι το τελικό προϊόν της αντίδρασης μετεστεροποίησης των τριγλυκεριδίων, με κάποια αλκοόλη μικρού μοριακού βάρους. Τα τριγλυκερίδια αποτελούν το κύριο συστατικό (σε ποσοστό μέχρι και 98% κ.β.) των φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών. Ως αλκοόλη χρησιμοποιείται συνήθως η μεθανόλη, λόγω του χαμηλού κόστους και των φυσικών και χημικών πλεονεκτημάτων που διαθέτει. Ειδικοί καταλύτες (π.χ. ισχυρές βάσεις, και ένζυμα) βοηθούν την αντίδραση, η οποία πραγματοποιείται σε χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες (Gerpen et al., 2006). Η βιοχημική μετατροπή της βιομάζας, οδηγεί στην παραγωγή υγρών ή αερίων καυσίμων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας αλλά και στον τομέα των μεταφορών (Σχήμα 1.3.). Οι κυριότερες βιολογικές διεργασίες περιλαμβάνουν την αναερόβια χώνευση, διεργασία κατά την οποία λαμβάνεται μεθάνιο, τη βιολογική παραγωγή υδρογόνου, την παραγωγή βιοαιθανόλης και την αερόβια χώνευση κατά την οποία παράγεται εδαφοβελτιωτικό υλικό

60 Σχήμα 1.3. Βιοχημική μετατροπή της βιομάζας 1.6. Βιοκαύσιμα Βιοκαύσιμο λέγεται το υγρό ή αέριο καύσιμο που παράγεται από βιομάζα και ειδικότερα: Βιοντήζελ (πετρέλαιο βιολογικής προέλευσης): Οι μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (ΜΛΟ-FΑME) που παράγονται από φυτικά ή και ζωικά έλαια και λίπη και είναι ποιότητας πετρελαίου ντίζελ, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Bιοαιθαvόλη: Η αιθανόλη, η οποία παράγεται από Βιομάζα ή από το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα αποβλήτων, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Βιοαέριο: Το καύσιμο αέριο, το οποίο παράγεται από Βιομάζα ή από το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών και αστικών αποβλήτων, το οποίο μπορεί να καθαρισθεί και να αναβαθμισθεί σε ποιότητα φυσικού αερίου, για χρήση ως βιοκαύσιμο, ή το ξυλαέριο. Bιομεθαvόλη: Η μεθανόλη, η οποία παράγεται από Βιομάζα, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Βιοδιμεθυλαιθέρας: Ο διμεθυλαιθέρας, ο οποίος παράγεται από Βιομάζα, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Βιο-ΕΤΒΕ: Ο τριτοταγής- αιθυλο-βουτυλαιθέρας (ΕΤΒΕ), ο οποίος παράγεται από βιοαιθανόλη, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Το κατ όγκο ποσοστό του Βιο- ΕΤΒΕ, το οποίο υπολογίζεται ως βιοκαύσιμο, είναι 47% επί του συνόλου του

61 Βιο-ΜΤΒΕ: Ο τριτοταγής- μεθυλο-βουτυλαιθέρας (ΜΤΒΕ), ο οποίος παράγεται από βιομεθανόλη, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Το κατ όγκο ποσοστό του Βιο- ΜΤΒΕ, το οποίο υπολογίζεται ως βιοκαύσιμο είναι 36% του συνολικού του. Συνθετικά Βιοκαύσιμα: Οι συνθετικοί υδρογονάνθρακες ή τα μίγματα συνθετικών υδρογονανθράκων, τα οποία παράγονται από Βιομάζα. Βιοϋδρογόνο: Το υδρογόνο, το οποίο παράγεται από Βιομάζα ή βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών και αστικών αποβλήτων, για χρήση ως βιοκαύσιμο. Καθαρά Φυτικά Έλαια: Τα έλαια, τα οποία παράγονται από ελαιούχα φυτά μέσω συμπίεσης, έκθλιψης ή ανάλογων μεθόδων, φυσικά ή εξευγενισμένα αλλά μη χημικώς τροποποιημένα, όταν είναι συμβατά με τον τύπο του χρησιμοποιούμενου κινητήρα ή εξοπλισμού και τις αντίστοιχες απαιτήσεις εκπομπών αερίων ρύπων. Σχήμα 1.4. Η ροή της Βιομάζας για την παραγωγή των Βιοκαυσίμων (Σαραβάκου et al., 2014)

62 Τα βιοκαύσιμα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) στα αέρια και β) στα υγρά, καθότι σε γενικές γραμμές έχουν διαφορετικές προοπτικές, όσον αφορά την χρήση τους. Η παγκόσμια κοινότητα προσανατολίζεται προς την ενεργειακή κυρίως χρήση των αερίων βιοκαυσίμων και ειδικότερα προς την παραγωγή (ή συμπαραγωγή) ηλεκτρισμού και θερμότητας από το αέριο σύνθεσης (θερμοχημική αεριοποίηση βιομάζας), το βιοαέριο από αναερόβιους χωνευτήρες και ΧΥΤΑ, και σε μικρότερο βαθμό σήμερα από το βιοϋδρογόνο. Για το τελευταίο, επιφυλάσσεται μια ευρύτερη χρήση που στο μέλλον θα περιλαμβάνει την αξιοποίησή του, τόσο για ηλεκτροπαραγωγή σε μικρή κλίμακα όσο και για την κίνηση οχημάτων μέσω των κυψελών καυσίμου (fuel cells). Θεωρείται δε το καύσιμο του μέλλοντος, η βάση της κοινωνίας του υδρογόνου, της μετά το πετρέλαιο εποχής. Τα υγρά βιοκαύσιμα όπως το βιοντήζελ, η βιοαιθανόλη και η βιομεθανόλη, με την εξαίρεση των βιοελαίων από πυρόλυση Βιομάζας, προορίζονται σχεδόν αποκλειστικά για την κίνηση οχημάτων, αρχικά σε ανάμιξη σε μικρά ποσοστά με τα αντίστοιχων ιδιοτήτων συμβατικά καύσιμα, που προβλέπεται ν αυξάνονται σταθερά για τουλάχιστον τα 15 επόμενα χρόνια - ορισμένα αυτοκίνητα ντίζελ έχουν σήμερα τη δυνατότητα να κινηθούν με αυτούσιο Βιοντίζελ (Β100), ενώ είναι ήδη διαθέσιμα σε πολλές χώρες πλειοκαύσιμα αυτοκίνητα Ενεργειακές καλλιέργειες Τα ενεργειακά φυτά είναι επίλεκτα είδη φυτών, τα οποία καλλιεργούνται και συλλέγονται κυρίως ως βιομάζα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας αλλά και ως υπόστρωμα, τα συστατικά του οποίου είναι δυνατόν να μετατραπούν σε αλκοολούχα και αέρια καύσιμα ή σε βιομηχανικά χημικά. Οι ενεργειακές καλλιέργειες περιλαμβάνουν φυτά πλούσια σε περιεκτικότητα σακχάρων (ζαχαροκάλαμο, ζαχαρότευτλο, γλυκό σόργο) ή αμύλου (αραβόσιτος, μανιότη), υψηλής περιεκτικότητας σε κυτταρίνη (kenaf, elephant grass) και φυτά με μεγάλη περιεκτικότητα υδατανθράκων (jojoba, γαλατσίδα, ελαιόσποροι όπως ο ηλίανθος). Ακόμα, η βακτηριακή αναερόβια χώνευση των υδροχαρών φυτών, όπως τα θαλάσσια φύκη, τα φύκη του γλυκού νερού και ο εξαιρετικά

63 γρήγορος σε ανάπτυξη υδατικός υάκινθος, παράγει πολύ υψηλές αποδόσεις μεθανίου. Έτσι και αυτά τα φυτά κατατάσσονται στις ενεργειακές καλλιέργειες (Glazer et al., 1995). Οι σημαντικότερες παγκοσμίως χρήσεις της βιομάζας που προέρχεται από τέτοιου είδους καλλιέργειες, σε αναπτυγμένες χώρες, παρουσιάζονται στον Πίνακα Πίνακας 1.1. Ενεργειακές καλλιέργειες ευρείας κλίμακας σε παγκόσμιο επίπεδο (www.kape.gr) Τόνοι ή Χώρα Καλλιέργεια Τελικό προϊόν Χρήσεις στρέμματα/έτος Βραζιλία ζαχαροκάλαμο αλκοόλη ΗΠΑ καλαμπόκι αλκοόλη Γαλλία Άλλες χώρες της Ε.Ε. Σουηδία ζαχαρότευτλα, σιτάρι, κ.λ.π. ελαιοκράμβη & ηλίανθος ιτιά αλκοόλη βιοντήζελ ψιλοτεμαχισμένο ξύλο καύσιμο μεταφοράς καύσιμο μεταφοράς καύσιμο μεταφοράς καύσιμο μεταφοράς καύση 9 εκατομμύρια τόνοι/έτος 4 εκατομμύρια τόνοι/έτος τόνοι/έτος τόνοι/έτος στρέμματα/έτος Ειδικότερα στην Ελλάδα, εξαιτίας των ευνοϊκών κλιματικών συνθηκών, πολλές καλλιέργειες προσφέρονται για ενεργειακή αξιοποίηση και δίνουν υψηλές στρεμματικές αποδόσεις. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι του καλαμιού, της αγριαγκινάρας, του σακχαρούχου σόργου, του μίσχανθου, του ευκάλυπτου και της ψευδοακακίας, για τις οποίες, τα τελευταία χρόνια, γίνεται εντατική μελέτη εφαρμογής στις ελληνικές συνθήκες. Ενδεικτικά παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία για τα παραπάνω είδη ενεργειακών καλλιεργειών: Το καλάμι είναι φυτό ιθαγενές της Νότιας Ευρώπης. Δίνει υψηλές αποδόσεις, πάνω από 3 τόνους το στρέμμα. Είναι φυτό πολυετές, δηλαδή σπείρεται άπαξ και κάθε χρόνο γίνεται συγκομιδή του, και, μετά την πρώτη εγκατάσταση, οι μόνες δαπάνες αφορούν τα έξοδα συγκoμιδής του. Έχει, συνεπώς, χαμηλό ετήσιο κόστος καλλιέργειας. Η παραγόμενη από το καλάμι βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί σε μονάδες εσωτερικής καύσης, για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικού ρεύματος

64 Η αγριαγκινάρα είναι ένα άλλο σημαντικό φυτό, κατάλληλο για ενεργειακή αξιοποίηση, το οποίο προσαρμόζεται θαυμάσια στις ελληνικές συνθήκες. Είναι φυτό πολυετές, με υψηλές αποδόσεις της τάξεως των 2,5-3 τόνων/στρέμμα. Το κυριότερο, όμως, πλεονέκτημά του είναι ότι η ανάπτυξή του λαμβάνει χώρα από τον Οκτώβριο έως τον Ιούνιο και, συνεπώς, αναπτύσσεται με το νερό των βροχοπτώσεων (δηλαδή δεν απαιτεί άρδευση). Η παραγόμενη από την αγριαγκινάρα βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές παρόμοιες με αυτές του καλαμιού. Το γλυκό σόργο είναι ένα C 4 φυτό και, ως καλλιέργεια, χαρακτηρίζεται από υψηλό ρυθμό φωτοσύνθεσης ανάμεσα στις υπόλοιπες φυτικές καλλιέργειες, η οποία προσδίδει υψηλό δυναμικό απόδοσης βιομάζας, υψηλό ποσοστό εύκολα ζυμώσιμων σακχάρων και καύσιμων οργανικών ινών. Το γλυκό σόργο έχει αποδειχθεί ότι έχει πολύ καλή προσαρμοστικότητα και απόδοση, ιδίως στις νότιες περιοχές της Ευρωπαϊκής Ένωσης και το χαμηλό κόστος σποράς. Βιοχημικά, το γλυκό σόργο μπορεί να υποστεί επεξεργασία είτε μέσω ζύμωσης των διαλυτών σακχάρων προς αιθανόλη (FAO et al., 2002) ή προς υδρογόνο (Claassen et al., 2004), ή μέσω αναερόβιας χώνευσης της βιομάζας του φυτού (Jerger et al., 1987, Richards et al., 1991, Chynoweth et al., 1993) ή του στερεού υπολείμματος της διεργασίας της εκχύμωσης εκχύλισης του φυτού (Stamatelatou et al., 2003) Σύμφωνα με τους Alexopoulou et al., 1999, το γλυκό σόργο προσαρμόζεται γρήγορα στον Ελλαδικό χώρο και φυτρώνει σε όλες τις περιοχές από το βορρά μέχρι το νότο και υψομετρικά από την επιφάνεια της θάλασσας μέχρι τα 800 μέτρα, καθώς επίσης είναι ικανό να φυτρώνει και σε ποικίλους τύπους χώματος. Επιπρόσθετα, έρευνες υποστηρίζουν για το γλυκό σόργο και την καλλιέργειά του σε διάφορες περιοχές της Ελλάδος, την ποικιλία c.v. Keller, η οποία έχει αποδειχθεί ότι είναι η καταλληλότερη για καλλιέργεια στον Ελλαδικό χώρο, καθώς προσαρμόζεται πολύ εύκολα και προσφέρει υψηλή παραγωγικότητα (Panoutsou et al., 1999)

65 Επίσης, στη Βόρεια Ευρώπη, όπου είναι πολύ διαδεδομένες οι ενεργειακές καλλιέργειες, καλλιεργούνται σήμερα διάφορα πολυετή φυτά για ενεργειακούς σκοπούς. Στη Σουηδία π.χ. καλλιεργούνται στρέμματα με ιτιά, της οποίας η κοπή γίνεται κάθε τέσσερα χρόνια. Η παραγόμενη ποσότητα βιομάζας, αφού προηγουμένως ψιλοτεμαχισθεί, οδηγείται σε μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού Η γλυκερόλη ως παραπροϊόν της παραγωγής βιοντήζελ Η γλυκερόλη αποτελεί την εμπειρική ονομασία της χημικής οργανικής ένωσης προπανο- 1,2,3-τριόλη, η οποία είναι μία τρισθενής αλκοόλη. Η γλυκερόλη περιέχει στο μόριο της τρεις υδροξυλομάδες, στις οποίες οφείλει την υδατοδιαλυτή της ικανότητα και την υδρόφιλη φύση της (Rahmat et al., 2010). Αποτελεί ένα βιομηχανικό προϊόν με ένα φάσμα χρήσεων μεταξύ των οποίων ως διαλύτης, μέσο διαβροχής, πλαστικοποιητής, καθώς επίσης και ως πρώτη ύλη στην παραγωγή τροφίμων, φαρμάκων, καλλυντικών, βερνικιών, σαπώνων και εκρηκτικών υλών (όπως η νιτρογλυκερίνη) (Wang et al., 2001). Επιπλέον, ένα ποσοστό αυτής χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο της ζάχαρης σε διαβητικούς ή ως καθαρτικό (Wang et al., 2001, Da Silva et al., 2009). Σχήμα 1.5. Το μόριο της γλυκερόλης Η γλυκερόλη απαντάται στη φύση σε όλα τα ζωικά και φυτικά λίπη στη μορφή γλυκεριδίων. Όταν αυτά τα λίπη υποστούν μετεστεροποίηση με την προσθήκη αλκοόλης (μεθανόλη ή αιθανόλη) σε αλκαλικό περιβάλλον (συνήθως χρησιμοποιούνται ως καταλύτες το καυστικό νάτριο, NaOH, ή το καυστικό κάλιο, KOH ) για τον σχηματισμό βιοντήζελ, η γλυκερόλη ανακτάται στην αρχική της μορφή ως παραπροϊόν της αντίδρασης σε ποσοστό 10% επί του παραγόμενου προϊόντος (Meesters et al., 1996, Papanikolaou et al., 2000, 2002a, Gonzalez-Pajuelo et al., 2004, Mu et al., 2006, Da Silva et al., 2009)

66 Η γλυκερόλη θεωρείται πολύ φθηνή, έως και μηδενικού κόστους, ως υπόστρωμα εξαιτίας της εφαρμογής σε ευρεία κλίμακα παραγωγής μεθυλεστέρων αλειφατικής αλυσίδας βιοντήζελ από φυτικά έλαια, μια διεργασία που οδηγεί στην παράπλευρη παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων γλυκερόλης. Η μείωση των αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων με άμεσο αποτέλεσμα την αύξηση των τιμών στη διεθνή αγορά, καθώς και η ρύπανση του περιβάλλοντος από τη χρήση τους, καθιστά επιτακτική ανάγκη την παραγωγή βιοκαυσίμων, όπως έχει επιβληθεί από την Ευρωπαϊκή Κοινοτική Οδηγία EU 2003/30/EC, όπου στόχος της ήταν μέχρι το τέλος του 2020 το 5,75% των καυσίμων να προέρχεται από τα βιοκαύσιμα. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται παγκοσμίως μια αλματώδης αύξηση στην σύνθεση βιοντήζελ, με την οποία διοχετεύονται τεράστιες ποσότητες γλυκερόλης (ως παραπροϊόν) στη βιομηχανία (Zeng et al., 2002, Hirschmann et al., 2005). Συγκεκριμένα η παγκόσμια παραγωγή βιοντήζελ το 2003 ήταν περίπου 1,8 δισεκατομμύρια λίτρα, ενώ στην Ευρωπαϊκή Ένωση παρουσίασε μέση ετήσια αύξηση 34,5% κατά την περίοδο , η οποία αντιστοιχεί σε επίπεδο παραγωγής 26 φορές μεγαλύτερο από αυτό του Το 2006 η παραγωγή βιοντήζελ στην Ευρωπαϊκή Ένωση ανήλθε σε τόνους, σημειώνοντας αύξηση 54% σε σχέση με το 2005 (European Biodiesel Board, 2006). Η Γερμανία παράγει το μισό βιοντήζελ της Ευρώπης (54%) και μέρος του διατίθεται σε πρατήρια καυσίμων, ενώ μεγάλες παραγωγοί χώρες είναι η Γαλλία και η Ιταλία. Σημειώνεται ότι το 2012 στην Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε.) λειτουργούσαν περίπου 200 εργοστάσια παραγωγής βιοντήζελ με δυναμικότητα παραγωγής που ξεπερνά τους 10 εκατομμύρια τόνους, ενώ σύμφωνα με τους στόχους της Κομισιόν, οι χώρες της Ε.Ε. θα έπρεπε να καταναλώνουν 11 εκατομμύρια τόνους βιοντήζελ μέχρι το 2010 και διπλάσια περίπου ποσότητα μέχρι το Στις Η.Π.Α., που είναι η δεύτερη παραγωγός βιοντήζελ σε παγκόσμιο επίπεδο, η παραγωγή από 25 εκατομμύρια γαλόνια το 2004, 18-πλασιάστηκε στα 450 εκατομμύρια γαλόνια το Σχετικά με τη βιομηχανία στις Η.Π.Α., λειτουργούν 45 μονάδες

67 παραγωγής βιοντήζελ, ενώ άλλες 54 βρίσκονται υπό κατασκευή (European Biodiesel Board, 2006). Η δυναμικότητα της βιομηχανίας παραγωγής βιοντήζελ των ΗΠΑ σήμερα υπολογίζεται στα 1,85 δισεκατομμύρια γαλόνια. Μάλιστα μεγάλες εταιρείες που δραστηριοποιούνται στην παραγωγή βιοαιθανόλης, στρέφονται πλέον και στην παραγωγή βιοντήζελ. Το 30% των αμερικανών αγροτών χρησιμοποιεί ήδη ένα ποσοστό βιοντήζελ στα καύσιμα των αγροτικών οχημάτων τους. Αποτέλεσμα αυτής της αύξησης είναι οι βιομηχανίες παραγωγής βιοντήζελ να αντιμετωπίζουν προβλήματα διάθεσης της γλυκερόλης εξαιτίας της τεράστιας συσσώρευσής της που έχει οδηγήσει στο μηδενισμό της εμπορικής της αξίας (Willke et al., 2004, Dharmandi et al., 2006) Υπολογίζεται ότι για κάθε 9 kg βιοκαυσίμου που παράγονται, δημιουργείται 1 kg γλυκερόλης (Dasari et al., 2005). Η γλυκερόλη που παράγεται στις μονάδες σύνθεσης βιοντήζελ καθαρίζεται και διοχετεύεται στις διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Η αναμενόμενη συνέχιση της πτώσης της τιμής της θα καθιστούν οικονομικά ασύμφορο τον καθαρισμό της ακατέργαστης μορφής της από τις μονάδες παραγωγής βιοντήζελ. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να βρεθούν άλλοι τρόποι αξιοποίησης του παραπροϊόντος αυτού. Επιπρόσθετα, η βιομηχανική, ακατέργαστη γλυκερόλη (χωρίς να υποστεί δηλαδή κάποιου είδους καθαρισμό αρχικά πριν την τελική χρήση της) δύναται να αποτελέσει μια πρώτη ύλη για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, μέσω της αξιοποίησής της με χημικές και βιοτεχνολογικές μεθόδους. Αναφορικά με τις χημικές μεθόδους αξιοποίησης της βιομηχανικής γλυκερόλης, αυτές δύνανται να περιλαμβάνουν την μετατροπή της σε χημικά συστατικά ή καύσιμα, μέσω διαφόρων ειδών χημειο-επιλεκτικής κατάλυσης. Παραδείγματα τέτοιων καταλύσεων αποτελούν η επιλεκτική οξείδωση για την παραγωγή γλυκερικού οξέος, δι-υδρόξυακετόνης ή μεσοξαλικού οξέος, η καταλυτική αφυδάτωση για την παραγωγή ακρολεΐνης, η πυρόλυση και εξαέρωσή της για την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου, αλλά και η επιλεκτική trans-εστεροποίηση της γλυκερόλης για την παραγωγή μονογλυκεριδίων-γαλακτωματοποιητών (Johnson et al., 2007). Ωστόσο, οι εν λόγω μέθοδοι δεν επιτρέπουν την απευθείας χρήση της βιομηχανικής γλυκερόλης, στην

68 περίπτωση που στην τελευταία περιέχονται υψηλά ποσά διαφόρων υπολειμμάτωνακαθαρσιών (Fan et al., 2009). Εν αντιθέσει, μια από της πλέον ελπιδοφόρες μεθόδους αξιοποίησης της ακατέργαστης γλυκερόλης αποτελεί η δυνατότητα της βιομετατροπής της σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας, μέσω των μικροβιακών ζυμώσεων. Παραδείγματα τέτοιων προϊόντων αποτελούν η δι-υδροξυ-ακετόνη, το ηλεκτρικό οξύ, το κιτρικό οξύ, το προπιονικό οξύ, το μικροβιακό λίπος, η αιθανόλη, τα πολύ-υδρόξυ-αλκανοϊκά οξέα καθώς επίσης και η 1,3-προπανοδιόλη (Papanikolaou et al., 2002, Lee et al., 2004a, Ito et al., 2005, Koller et al., 2005, Yazdani et al., 2007, Papanikolaou et al., 2008, Pyle et al., 2008, Amaral et al., 2009, Da Silva et al., 2009, Andre et al., 2010, Fan et al., 2010, Chatzifragkou et al., 2011). Επιπλέον, είναι εφικτή η αναερόβια αποικοδόμηση της βιομηχανικής γλυκερόλης μέσω της διεργασίας της οξεογένεσης, με επόμενο στάδιο την μεθανογένεση, για την παραγωγή βιολογικού αερίου, αποτελούμενου από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (Antoni et al., 2007, Athanasoulia et al., 2014, Dounavis et al., 2015a, Dounavis et al., 2015b). Εξ αυτών των κατευθύνσεων, το μεγαλύτερο ενδιαφέρον και ιδιαιτέρως από πλευράς δυνατότητας εφαρμογής της διεργασίας σε βιομηχανική κλίμακα, συγκεντρώνει η βιοτεχνολογική μετατροπή της βιομηχανικής γλυκερόλης σε 1,3-προπανοδιόλη, συμπεριλαμβανομένων και άλλων δευτερευόντων προϊόντων όπως οξικό οξύ, βουτυρικό οξύ, αιθανόλη, 2,3-βουτανοδιόλη και υδρογόνο (Deckwer et al., 1995, Biebl et al., 1999, Zeng et al., 2002; Zeng et al., 2011, Bonias et al., 2014)

69 - 25 -

70 Κεφάλαιο 2. Αέρια Βιοκαύσιμα από Βιομάζα Α. Υδρογόνο Α.1. Εισαγωγή Το υδρογόνο που υφίσταται κυρίως δεσμευμένο στο νερό και σε οργανικές ενώσεις αποτελεί περισσότερο από το 70% της γήινης επιφάνειας (Dunn et al., 2002). Αποτελεί μία χρήσιμη "πρώτη ύλη" για ποικίλες βιομηχανικές δραστηριότητες και ένα σημαντικότατο καύσιμο. Σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, η παγκόσμια ετήσια παραγωγική δυνατότητα σε Η 2 προσεγγίζει σήμερα τα 400 δισεκατομμύρια m 3. Αυτή η ποσότητα ισοδυναμεί με 360 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου, ή με το 10% της παγκόσμιας παραγωγής πετρελαίου το Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ποσότητας υδρογόνου παράγεται στις πετροχημικές βιομηχανίες, χρησιμοποιώντας κυρίως υδρατμούς για την αναμόρφωση του φυσικού αερίου. Το υδρογόνο καταναλώνεται συνήθως επιτόπου και δεν πωλείται στην αγορά. Χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη για τον εξευγενισμό του πετρελαίου (π.χ. υδρογονοαποθείωση) και για την παρασκευή λιπασμάτων, πλαστικών, διαλυτών, και άλλων βιομηχανικών προϊόντων. Μόνο το 5% του υδρογόνου μπορεί να χαρακτηριστεί ως "εμπορικό προϊόν" και να μεταφερθεί αλλού σε υγρή ή σε αέρια μορφή (Dunn et al., 2002). Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από πλήθος ευρέως διαθέσιμων πρώτων υλών συμπεριλαμβανομένων των διάφορων ορυκτών καυσίμων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, με χρήση διαφορετικών τεχνολογιών ανά περίπτωση (Momirlan et al, 2002).: Από ορυκτά καύσιμα (αναμόρφωση του φυσικού αερίου, αεριοποίηση άνθρακα) Από βιομάζα (διεργασίες αξιοποίησης της βιομάζας) και Από νερό (ηλεκτρόλυση του νερού, διάσπαση του νερού σε υψηλή θερμοκρασία και πυρηνική ενέργεια)

71 Αιολική Ηλιακή Υδάτων Γεωθερμική Ξυλεία Ανανεώσιμες Άλγη Αλκοόλες από Βιομάζα Διανεμημένη παραγωγή Ηλεκτρόλυση Αεριοποίηση Ζύμωση/Αναμόρωση Μεταφορές Η 2 Ηλεκτρόλυση Αεριοποίηση Ζύμωση/Αναμόρωση Πυρηνική Άνθρακας Φυσικό αέριο ή Βιοαέριο Πετρέλαιο Με δέσμευση του άνθρακα Μη Ανανεώσιμες Σχήμα Α.1. Πρώτες ύλες και εναλλακτικές διεργασίες για παραγωγή του υδρογόνου (Marnellos et al., 2008) Η διαθεσιμότητα των πρώτων υλών, η ωριμότητα της τεχνολογίας, οι εφαρμογές και η ζήτηση της αγοράς, ο τρόπος διαχείρισης και το κόστος δύνανται να επηρεάσουν την απόφαση για την βέλτιστη επιλογή τεχνολογίας για παραγωγή υδρογόνου. Μια επισκόπηση των διαφόρων πρώτων υλών και των τεχνολογιών που σχετίζονται με την παραγωγή υδρογόνου παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1. Στην αγορά υπάρχουν ήδη διαθέσιμες διάφορες τεχνολογίες για τη βιομηχανική παραγωγή του υδρογόνου. Η πρώτη εμπορική τεχνολογία, η οποία χρονολογείται από τις αρχές της δεκαετίας του '20, είναι η ηλεκτρόλυση του νερού (Marban et al, 2007). Εντούτοις, στη δεκαετία του '60, η βιομηχανική παραγωγή του υδρογόνου άρχισε να μετατοπίζεται προς την χρήση του φυσικού αερίου, το οποίο αποτελεί σήμερα την κυριότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου. Γενικά, όλες οι μέθοδοι παραγωγής

72 υδρογόνου μπορούν να ταξινομηθούν σε βραχυπρόθεσμες (2010), μεσοπρόθεσμες ( ) και μακροπρόθεσμες ( ) (Σχήμα Α.2.) Ανανεώσιμες Ηλεκτρόλυση από ανανεώσιμο ηλεκτρισμό Αεριοποίηση βιομάζας (με ή χωρίς δέσμευση του CO2) Φωτοχημική Αναμόρφωση ορυκτών καυσίμων (Φ.Α., Πετρέλαιο, Άνθρακας) με δέσμευση του CO2 Χωρίς CO 2 Ηλεκτρόλυση ορυκτών καυσίμων για παραγωγή ηλεκτρισμού με δέσμευση του CO2 Πυρηνικά Κεντρικές μονάδες αναμόρφωσης φυσικού αερίου Αποκεντρωμένες μικρές μονάδες αναμόρφωσης φυσικού αερίου Ορυκτά Υδρογόνο από το πετρέλαιο Υδρογόνο από τον άνθρακα Ηλεκτρόλυση ορυκτών καυσίμων για παραγωγή ηλεκτρισμού Βραχυπρόθεσμα (2010) Μεσοπρόθεσμα (2015) Μακροπρόθεσμα(>2025) Σχήμα Α.2. Βραχυπρόθεσμες, Μεσοπρόθεσμες και Μακροπρόθεσμες τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου (Marnellos et al., 2008) Ανάλογα με την κλίμακα της εφαρμογής, οι διεργασίες παραγωγής υδρογόνου χαρακτηρίζονται ως αποκεντρωμένες (π.χ. μικρές εγκαταστάσεις σε σταθμούς ανεφοδιασμού, η παραγωγική ικανότητα των οποίων κυμαίνεται από 100 έως kg Η 2 ανά ημέρα) και κεντρικές (μεγάλες εγκαταστάσεις όπου η δυναμικότητα προσεγγίζει τα kg Η 2 ανά ημέρα). Οι βασικές τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου περιλαμβάνουν: Την αεριοποίηση του γαιάνθρακα (με προαιρετικές διεργασίες την συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την δέσμευση του άνθρακα) Την αναμόρφωση του φυσικού αερίου με ατμό (με προαιρετική τη δέσμευση και αποθήκευση του άνθρακα) Την αεριοποίηση της βιομάζας

73 Τις πυρηνικές διεργασίες (θερμοχημική διεργασία Θείου-Ιωδίου υψηλών θερμοκρασιών, συμβατική ηλεκτρόλυση του νερού και ηλεκτρόλυση σε υψηλές θερμοκρασίες) Ηλεκτρόλυση με τη χρήση αιολικής ενέργειας (με προαιρετική την συμπαραγωγή ενέργειας). Εάν το υδρογόνο παράγεται από ανανεώσιμη και πυρηνική ενέργεια ή από το φυσικό αέριο και τον γαιάνθρακα με δέσμευση και αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα (CCS), τότε δύναται σε μεγάλο ποσοστό το ανθρακικό αποτύπωμα να είναι ουδέτερο. Εάν το υδρογόνο παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού, δημιουργούνται εκπομπές από τις αντίστοιχες διεργασίες παραγωγής της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή τη στιγμή, το υδρογόνο παράγεται κατά ένα μεγάλο μέρος από τα ορυκτά καύσιμα χωρίς CCS (48% από το φυσικό αέριο, 30% από τα απαέρια πετροχημικών/χημικών διεργασιών, 18% από τον άνθρακα και το υπόλοιπο από την ηλεκτρόλυση). Εντούτοις, η χρήση του Η 2 για ενεργειακές εφαρμογές απαιτεί αποδοτικότερες χαμηλού κόστους διεργασίες, με ουσιαστικά μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η αποκεντρωμένη παραγωγή είναι η καλύτερη επιλογή για την ενίσχυση της αγοράς δεδομένου ότι ελαχιστοποιεί τις ανάγκες για την εγκατάσταση υποδομών διανομής, αφού τόσο η μεταφορά όσο και η αποθήκευση του υδρογόνου με τα σημερινά δεδομένα θεωρείται οικονομικά ασύμφορη. Όμως είναι λιγότερο αποδοτική από τη μεγάλης κλίμακας κεντρική παραγωγή και καθιστά τις τεχνικές CCS μη εφαρμόσιμες στην πράξη. Α.2. Υδρογόνο από τη βιομάζα Η βιομάζα είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία θα μπορούσε να διαδραματίσει έναν ουσιαστικό και σημαντικό ρόλο σε ένα διαφοροποιημένο και βιώσιμο ενεργειακό μίγμα. Η βιομάζα μπορεί να οριστεί ως οποιαδήποτε ανανεώσιμη πηγή άνθρακα, όπως τα ξύλα, τα υπολείμματα από το ξύλο, οι γεωργικοί καρποί και τα υπολείμματά τους. Τα βιομηχανικά και αστικά απόβλητα θεωρούνται επίσης συχνά ως βιομάζα λόγω των υψηλών ποσοστών τους σε οργανικά απόβλητα (Ni et al, 2006). Σήμερα, αποτελεί την πηγή για το 14% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Οι πρώτες ύλες της βιομάζας μπορούν να μετατραπούν σε προηγμένα βιοκαύσιμα με τη χρήση θερμο-χημικών και

74 βιολογικών διεργασιών. Η καύση, η πυρόλυση, η ταχεία πυρόλυση (flash pyrolysis ή liquefaction) και η αεριοποίηση είναι οι τέσσερις θερμοχημικές διεργασίες. Η άμεση βιοφωτόλυση, η έμμεση βιοφωτόλυση, η βιολογική αντίδραση μετατόπισης του υδραερίου, η φωτοζύμωση και η ζύμωση απουσία φωτός ανήκουν στις βιολογικές διεργασίες. Η βιομάζα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί υδρογόνο χωρίς να απαιτούνται σημαντικές τεχνολογικές προκλήσεις και μεταβολές. Η βιομάζα δύναται λοιπόν να αποτελέσει την πλέον πρακτική και αειφόρο (χωρίς παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα) επιλογή για την παραγωγή υδρογόνου. Δεδομένου ότι η βιομάζα είναι ανανεώσιμη και καταναλώνει το ατμοσφαιρικό CO 2 κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής της, η συνεισφορά της σε εκπομπές CO 2 είναι μηδενική σε αντίθεση με τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Οι διεργασίες για την παραγωγή του υδρογόνου από βιομάζα μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες (Ni et al, 2006): Άμεσοι μέθοδοι παραγωγής (π.χ., αεριοποίηση, πυρόλυση όμοια με αυτή στην περίπτωση του άνθρακα) Έμμεσοι τρόποι παραγωγής μέσω της αναμόρφωσης των παραγόμενων βιοκαυσίμων (π.χ. βιοαέριο, βιοέλαιο) Διεργασίες μεταβολισμού για την διάσπαση του νερού μέσω της φωτοσύνθεσης, ή για την διεξαγωγή της αντίδρασης μετατόπισης του υδραερίου με χρήση φωτοβιολογικών οργανισμών. Η καύση αφορά στην άμεση οξείδωση της βιομάζας με αέρα, για τη μετατροπή της χημικής ενέργειας της βιομάζας σε θερμότητα, μηχανική ή ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας εξοπλισμό όπως οι σόμπες, οι φούρνοι, οι λέβητες ή οι αεριοστρόβιλοι. Δεδομένου του ότι η ενεργειακή απόδοση είναι χαμηλή (10 30%) και οτι τα προϊόντα της διεργασίας αποτελούν αέριους ρύπους, η καύση δεν μπορεί να θεωρηθεί ως η καταλληλότερη διεργασία για την βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου. Κατά την ταχεία πυρόλυση της βιομάζας, αυτή θερμαίνεται στους Κ σε πίεση bar απουσία αέρα. Ένας διαλύτης ή ένας καταλύτης μπορεί να προστεθεί στη διεργασία

75 Άλλες θερμοχημικές (πυρόλυση και αεριοποίηση) και βιολογικές (βιοφωτόλυση, βιολογική αντίδραση μετατόπισης του υδραερίου ζύμωση) διεργασίες είναι εφικτές και έχουν συγκεντρώσει την προσοχή και το ενδιαφέρον πολλών για την παραγωγή υδρογόνου (Ni et al, 2006). Στη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου (dark fermentation), οι μικροοργανισμοί, εν απουσία οξυγόνου, μεταβολίζουν τις οργανικές ουσίες προς διάφορα μεταβολικά προϊόντα, τα οποία περιλαμβάνουν εκτός από οξέα (οξικό, προπιονικό, βουτυρικό) και υδρογόνο. Η συγκεκριμένη διεργασία μπορεί να διεξαχθεί με χρήση τόσο καθαρών όσο και μεικτών καλλιεργειών. Η διεργασία αυτηή συγκεντρώνει περισσότερα πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος και ευκολία στο χειρισμό (Valdez-Vazquel et al., 2005). Α.2.1. Ζύμωση βιομάζας Η ζύμωση είναι μια αναερόβια διεργασία απουσία φωτός, όμοια με την αναερόβια χώνευση, για την παραγωγή υδρογόνου. Τα βακτήρια, τα οποία παράγουν το υδρογόνο στο σκοτάδι μπορούν να καλλιεργηθούν σε καθαρές καλλιέργειες ή να εμφανισθούν σε μικτές καλλιέργειες, όπως η αναερόβια χώνευση της λυματολάσπης ενός βιολογικού καθαρισμού. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής του υδρογόνου με αυτή την διαδικασία προέρχεται από τον αναερόβιο καταβολισμό διάφορων υποστρωμάτων. Αντίθετα από τη βιοφωτόλυση, κατά την οποία παράγεται μόνο H 2, τα προϊόντα της ζύμωσης απουσία φωτός είναι συνήθως H 2 και CO 2, τα οποία συνδυάζονται με άλλα αέρια, όπως το CH 4 ή με το υδρόθειο (H 2 S), ανάλογα με την αντίδραση και το χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα. Η ποσότητα του παραγόμενου υδρογόνου από τη ζύμωση απουσία φωτός εξαρτάται από το ph, τη θερμοκρασία, τον τύπο του αντιδραστήρα, τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) και τη μερική πίεση του αερίου (Wang et al., 2009). Για τη βέλτιστη παραγωγή υδρογόνου, το ph πρέπει να διατηρείται μεταξύ 5 και 6 (Fang et al, 2002). Η μερική πίεση του H 2 είναι μια ακόμα σημαντική παράμετρος, η οποία επηρεάζει την παραγωγή υδρογόνου. Όταν η συγκέντρωση του υδρογόνου αυξάνεται, η αντίδραση μετατοπίζεται προς τη δημιουργία οξειδωμένων υποστρωμάτων (μεταβολικά προϊόντα), όπως λακτόζη,

76 αιθανόλη, ακετόνη, βουτανόλη ή αλανίνη, τα οποία, στη συνέχεια, μειώνουν την αναμενόμενη παραγωγή υδρογόνου (Niel et al, 2003). Α.3. Φυσικές και χημικές ιδιότητες υδρογόνου Το υδρογόνο έχει το χαμηλότερο σημείο ζέσεως (20 Κ ή -253 ο C) και πήξεως (14 Κ ή ο C). Το σημείο ζέσεως ενός αέριου καυσίμου είναι μια κρίσιμη παράμετρος, επειδή καθορίζει τη θερμοκρασία, στην οποία πρέπει να ψυχθεί, προκειμένου να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί ως υγρό. Σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, καύσιμα τα οποία είναι αέρια, δύσκολα μπορούν να αποθηκευθούν και να μεταφερθούν, δεδομένου του ότι πρέπει να αποθηκευθούν σε υψηλής πίεσης φιάλες αερίου ή ως υγρά σε κρυογενικές δεξαμενές (θερμοκρασίες κάτω από 200 K). Το υδρογόνο είναι ένα ελαφρύ, άχρωμο, άοσμο, άγευστο και μη τοξικό αέριο, το οποίο βρίσκεται στον αέρα στις συγκεντρώσεις περίπου 100 ppm (0,01%) (Basile et al., 2003). Είναι το αφθονότερο στοιχείο στον κόσμο, που αποτελεί 75% του κλάσματος μάζας και πάνω από 90% του ατομικού κλάσματος (Barbieri et al., 2005). Στην γη, το ελεύθερο υδρογόνο εμφανίζεται μόνο σε αμελητέες ποσότητες, επομένως αυτό δεν μπορεί να θεωρηθεί ως πρωταρχική πηγή ενέργειας. Είναι χημικά πολύ ενεργό και μπορεί εύκολα να σχηματίσει ενώσεις με πολλά άλλα στοιχεία. Σαν ενεργειακός φορέας πρέπει να παραχθεί. Οι πιο άφθονες και προσιτές τροφοδοσίες του υδρογόνου είναι το νερό, η αμμωνία, το έλαιο και το φυσικό αέριο. Οι ιδιότητες που συμβάλλουν στη χρήση του ως καύσιμο είναι οι ακόλουθες: Όρια ευφλεκτότητας: Το υδρογόνο έχει ένα ευρύ φάσμα ευφλεκτότητας σε σύγκριση με άλλα καύσιμα. Επομένως, οι μηχανές υδρογόνου μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικότερα σε αποκλειστικά «φτωχά» μίγματα (lean mixtures) απ ότι οι μηχανές βενζίνης. Λιγότερο από το 4% κατ όγκο του υδρογόνου παράγει με τον αέρα ένα καύσιμο μίγμα (Chiappetta et al., 2008). Ενέργεια ανάφλεξης: Το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης (0.02 MJ)

77 Όρια έκρηξης (Detonation limits): Το υδρογόνο είναι εκρηκτικό σε μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων όταν εγκλωβίζεται, εντούτοις, σε αντίθεση με τα άλλα καύσιμα, είναι πολύ δύσκολο να εκραγεί όταν είναι ελεύθερο. Θερμοκρασία ανάφλεξης: Σε σύγκριση με τα άλλα καύσιμα, το υδρογόνο έχει την υψηλότερη θερμοκρασία ανάφλεξης. Ταχύτητα καύσης/φλόγας (flame): Η ταχύτητα καύσης υδρογόνου είναι σχεδόν μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν της βενζίνης. Διάχυση: Το υδρογόνο έχει πολύ υψηλή διαχυτότητα. Αυτή η ικανότητά διάχυσης στον αέρα είναι αρκετά μεγαλύτερη από τη βενζίνη και είναι συμφέρουσα για δύο κύριους λόγους (Basile et al., 2001): α) αυτό διευκολύνει το σχηματισμό ενός ομοιόμορφου μίγματος καυσίμου και αέρα, και β) εάν υπάρξει μια διαρροή υδρογόνου, το υδρογόνο διαχέεται γρήγορα. Κατά συνέπεια, μη ασφαλείς συνθήκες μπορούν να αποφευχθούν ή να ελαχιστοποιηθούν. Πυκνότητα: Το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλή πυκνότητα. Αυτό οδηγεί σε δύο προβλήματα όταν χρησιμοποιείται σε μια εσωτερική μηχανή καύσης (Basile et al., 2001): α) ένας πολύ μεγάλος όγκος μηχανής είναι απαραίτητος για να αποθηκεύσει αρκετό υδρογόνο και να δώσει στο όχημα μια επαρκή κινητήρια δύναμη, και β) η πυκνότητα ενέργειας ενός μίγματος υδρογόνου αέρα, και ως εκ τούτου το έργο εξόδου, μειώνεται. Συγκεκριμένα, το αέριο υδρογόνο είναι ελαφρύτερο του αέρα (με σχετική πυκνότητα 0,08988 kg/m 3 ) και το υγρό υδρογόνο είναι ελαφρύτερο του νερού (με σχετική πυκνότητα 0,0708 kg/l). Σε σύγκριση με μια μηχανή καύσης βενζίνης, η εκπομπή των οξειδίων του αζώτου είναι πολύ μικρότερη για την μηχανή που τροφοδοτείται με υδρογόνο. Το προϊόν της καύσης υδρογόνου με τον αέρα είναι υδρατμοί και προκαλείται ρύπανση, όταν περιορίζεται η μέγιστη θερμοκρασία καύσης. Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες καύσης (< 2300 Κ) οι οποίες είναι μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του υδρογόνου (858 Κ) (Alfadhel et al. 2005). Οι χημικές και φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου, του μεθανίου και της βενζίνης δίνονται στον Πίνακα Α

78 Πίνακας Α.1. Φυσικές και χημικές ιδιότητες υδρογόνου, μεθανίου και βενζίνης (Huang et al., 2008) Ιδιότητες υδρογόνο μεθάνιο βενζίνη Μοριακό Βάρος (g / mol) 2,016 16,04 Περίπου 110 Πυκνότητα (kg/m 3 ) σε Ρ = 1 atm = MPa, Τ = 0 o C Πυκνότητα υγρού Η 2 σε 20 Κ (kg/m 3 ) Σημείο βρασμού (K) Μέγιστη θερμαντική ισχύς (MJ / kg) Ελάχιστη θερμαντική ισχύς (MJ / kg) Όρια ευφλεκτότητας (% vol) Όρια εκρηκτικότητας (% vol) Ενέργεια ανάφλεξης (mj) - σε στοιχειομετρικό μίγμα - σε κατώτερο όριο αναφλεξιμότητας Ταχύτητα φλόγας στον αέρα (cm / s) 0,09 0, (υγρή) 70, ,2 111, ,5 47, , ,6 18,3-59 6,3 13,5 1,1 3,3 0,02 0,29 0, n/a Τοξικότητα μη τοξικό μη τοξικό Τοξικό πάνω από 50 ppm

79 Α.4. Αποθήκευση υδρογόνου Αν και η παραγωγή, η αποθήκευση και οι τεχνολογίες μεταφοράς υδρογόνου χρησιμοποιούνται εμπορικά στην χημική και πετρελαιοχημική βιομηχανία, οι τεχνολογίες θεωρούνται ακριβές για περαιτέρω χρήση σε ενεργειακές εφαρμογές. Η ανάπτυξη εμπορικά βιώσιμης τεχνολογίας αποθήκευσης υδρογόνου θεωρείται ως μια από τις πιο κρίσιμες προκλήσεις από τεχνολογική άποψη, στην αποδοτική χρήση του υδρογόνου ως ενεργειακό φορέα (Edwards et al., 2007, Crabtree et al., 2004, Harris et al., 2004, Kikkinides et al., 2008). Το υδρογόνο περιέχει περισσότερη ενέργεια κατά βάρος (ειδική ενέργεια) από κάθε άλλη ουσία. Πίνακας Α.2. Ενεργειακές πυκνότητες διαφόρων καυσίμων (Kikkinides et al., 2008) Καύσιμο Ενεργειακή πυκνότητα κατά βάρος (kwh/kg) Ενεργειακή πυκνότητα κατ όγκο (kwh/l) Βενζίνη 12,7 8,7 Diesel 12,6 10,6 Λιγνίτης 8,2 7,6 Φυσικό αέριο 13,9 2,6 Υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG) 13,9 5,6 Υδρογόνο-αέριο (200 bar) 33,3 0,53 Υδρογόνο-υγρό 33,3 2,37 Μεθανόλη 5,6 4,4 Είναι αναμενόμενο ότι η οικονομία του υδρογόνου απαιτεί δύο τύπους συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου, έναν για στατικές εφαρμογές και έναν για κινητές εφαρμογές (οχήματα). Κάθε σύστημα έχει τους δικούς του περιορισμούς και απαιτήσεις. Ωστόσο, είναι αποδεδειγμένο ότι οι κινητές εφαρμογές είναι πολύ πιο απαιτητικές αντιμετωπίζοντας τις παρακάτω ανάγκες (Agrawal et al., 2005, Edwards et al., 2007): Υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο υδρογόνου ανά μονάδα όγκου, εξαιτίας περιορισμών χώρου και βάρους, ειδικά στην αυτοκινητοβιομηχανία

80 Χαμηλές πιέσεις λειτουργίας για λόγους ασφαλείας. Θερμοκρασία λειτουργίας από -50 C ως 150 C. Υψηλούς ρυθμούς φόρτισης και αποφόρτισης του υδρογόνου για εφοδιασμό των οχημάτων σε σύντομους χρόνους. Σχετικά χαμηλό κόστος του συστήματος αποθήκευσης. Οι προαναφερθείσες απαιτήσεις επιβάλλουν την αντιμετώπιση αρκετών επιστημονικών και τεχνολογικών προκλήσεων για την ανάπτυξη αποτελεσματικών συστημάτων αποθήκευσης σε κινητές εφαρμογές. Δυστυχώς, μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν συστήματα αποθήκευσης υδρογόνου που να ανταποκρίνονται σε όλα τα παραπάνω κριτήρια. Οι στατικές εφαρμογές, από την άλλη, δεν έχουν περιορισμούς βάρους και χώρου, μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες και έχουν την επιπλέον ικανότητα να αντισταθμίζουν τους χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης. Οι σύγχρονες εμπορικά εφαρμόσιμες τεχνολογίες αποθήκευσης υδρογόνου έχουν επικεντρωθεί σε δοχεία υψηλής πίεσης ( bar) ή σε υγρό υδρογόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (20-30 Κ). Αποθήκευση του υδρογόνου σε εξαντλημένους ταμιευτήρες υδρογονανθράκων αποτελεί μια πιθανή εναλλακτική λύση, αποδοτική σε κόστος, αλλά μόνο για στατικές εφαρμογές (Taylor et al., 1986, Venter et al., 1997, Stone et al., 2005). Η χρήση προηγμένων υλικών για την αποθήκευση του υδρογόνου που περιλαμβάνουν προσροφητές, μεταλλικά και χημικά υδρίδια κλπ, μπορεί να αποτελέσει μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση, ωστόσο, η ανάγκη για μεγάλες ποσότητες των υλικών αυτών σε συνδυασμό με το κόστος καθώς και ζητήματα αντιστρεπτότητας και κυκλικής σταθερότητας περιορίζουν προς το παρόν την παραπάνω μέθοδο σε εφαρμογές μικρής κλίμακας. Α.4.1. Αποθήκευση με συμπίεση Η αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου (Compressed Gas Hydrogen - CGH 2 ) αποτελεί εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία αποθήκευσης. Με δεδομένο, ότι το υδρογόνο έχει χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα όγκου, πρέπει να συμπιεστεί σε πολύ υψηλή

81 πίεση ώστε να αποθηκευτεί επαρκής ποσότητα υδρογόνου σε περιορισμένο όγκο, ένα πρόβλημα, το οποίο συναντάται ιδιαίτερα σε κινητές εφαρμογές. Επιπλέον το υδρογόνο δεν θα πρέπει να θεωρείται ιδανικό αέριο για πιέσεις μεγαλύτερες των 150 bar (Wetzel et al., 1998), όπως φαίνεται στο Σχήμα Α.3.. Σχήμα Α.3. Η πυκνότητα του αέριου υδρογόνου ως συνάρτηση της πίεσης, σε θερμοκρασία δωματίου (Kikkinides et al., 2008) Έτσι, διαπιστώνεται ότι σε θερμοκρασία δωματίου, η πυκνότητα του συμπιεσμένου υδρογόνου στα 350 bar είναι περίπου 23 g/l, και στα 700 bar είναι περίπου 40 g/l. Βιομηχανικά πρότυπα για αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου είναι στα 350 bar, με έναν απώτερο στόχο τα 700 bar. Δοχεία πίεσης έως 700 bar μπορούν να πετύχουν πυκνότητα αποθήκευσης ~6% wt. και 30 g/l. Ωστόσο απαιτούν τη χρήση ακριβών σύνθετων υλικών ώστε να επιτευχθούν οι διαφορετικοί στόχοι. Ο συνδυασμός ποικιλίας διαφορετικών υλικών αυξάνει σημαντικά το κόστος του δοχείου αποθήκευσης. Σχηματική απεικόνιση ενός πρότυπου δοχείου αποθήκευσης αερίου υδρογόνου υψηλής πίεσης φαίνεται στο Σχήμα Α.4.. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα της αποθήκευσης συμπιεσμένου υδρογόνου (CGH 2 ) είναι ότι αποτελεί μία σχετικά απλή και ταχεία διαδικασία, αφού ο εφοδιασμός της δεξαμενής ενός οχήματος μπορεί να ολοκληρωθεί μέσα σε 3 λεπτά. Εξαιτίας αυτών των

82 πλεονεκτημάτων, η μέθοδος CGH 2 έχει υιοθετηθεί σε πολλά πρότυπα οχήματα με κυψέλες καυσίμου (von Helmolt et al., 2007). Τα κύρια μειονεκτήματα σχετίζονται με τις σχετικά χαμηλές ογκομετρικές και σταθμικές πυκνότητες, συγκρινόμενες με διαφορετικές μεθόδους αποθήκευσης. Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα για τη διαδεδομένη χρήση της μεθόδου είναι η φοβία του κοινού για τα θέματα ασφαλείας που σχετίζονται με τις εξαιρετικά υψηλές πιέσεις των δοχείων υδρογόνου κατά τη λειτουργία ενός κοινού επιβατικού αυτοκινήτου. Εντούτοις, πρόσφατα αποτελέσματα δοκιμών έχουν δείξει ότι δοχεία κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά, τα οποία λειτουργούν σε πιέσεις των 700 bar είναι πιθανό να είναι στην πραγματικότητα περισσότερο ασφαλή απ ότι τα δοχεία χαμηλής πίεσης που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία (Felderhoff et al., 2007, Zhang et al., 2005). Περισσότερες λεπτομέρειες αναφορικά με τη λειτουργία της διεργασίας της μεθόδου αποθήκευσης καθώς και συναφή ενεργειακά ζητήματα που προκύπτουν υπάρχουν σε πιο εξειδικευμένες αναφορές (Kikkinides et al., 2008). Σχήμα Α.4. Πρότυπο δοχείο που περιέχει συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο (von Helmolt et al., 2007) Α.4.2. Αποθήκευση με υγροποίηση Η αποθήκευση υγρού υδρογόνου (LH 2 ) αποτελεί μια επίσης εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία. Υγρό υδρογόνο αποθηκεύεται σε ατμοσφαιρική πίεση σε κρυογενικές δεξαμενές σε θερμοκρασία 20,3 K με πυκνότητα 70,8 g/l, η οποία είναι σχεδόν διπλάσια

83 της πυκνότητας του συμπιεσμένου υδρογόνου στα 700 bar. Μία κρυογενική δεξαμενή 68 L μπορεί να περιέχει περίπου 5 kg LH 2, το οποίο είναι επαρκές για να κινήσει ένα επιβατικό αυτοκίνητο για απόσταση 500 km. Δεξαμενές LH 2 μπορούν να πληρωθούν σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα και είναι πολύ πιο ασφαλείς σε κρυογενικές θερμοκρασίες από ότι οι υψηλής πίεσης δεξαμενές υδρογόνου. Το κύριο μειονέκτημα της αποθήκευσης υγροποιημένου υδρογόνου είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας που σχετίζεται με τις διαδικασίες ρευστοποίησης και τη συνεχή «εξάτμιση» κατά την αποθήκευση (Zhang et al., 2005). Η απαιτούμενη ενέργεια για να υγροποιηθεί το υδρογόνο είναι περίπου το 30-40% του ενεργειακού περιεχομένου του αερίου και για το λόγο αυτό μειώνει σημαντικά τη συνολική απόδοση του συστήματος. Οι χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, συγκρινόμενες με τις περιβαλλοντικές συνθήκες θερμοκρασίας (300 Κ), οδηγούν σε αναπόφευκτη ροή θερμότητας προς το περιβάλλον εξαιτίας των τριών βασικών μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας: αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία, από τους οποίους ο πρώτος και ο τρίτος είναι οι κυρίαρχοι μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας προς το περιβάλλον (von Helmolt et al., 2007, Felderhoff et al., 2007). Α.4.3. Αποθήκευση σε προηγμένα υλικά Μια εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους αποθήκευσης υδρογόνου αποτελεί η αποθήκευση υδρογόνου σε προηγμένα στερεά υλικά τα οποία λειτουργούν ως μικροδεξαμενές αποθήκευσης του υδρογόνου σε ατομική ή μοριακή μορφή. Η παραπάνω μέθοδος αποθήκευσης αναφέρεται συχνά ως μέθοδος αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου διότι το υδρογόνο αποτελεί μέρος του στερεού υλικού μέσω φυσικοχημικών δεσμών. Στην παρούσα φάση υπάρχουν δύο θεμελιώδεις μηχανισμοί αποθήκευσης στερεού υδρογόνου με αντιστρεπτό τρόπο: η απορρόφηση και η προσρόφηση. Κατά την απορρόφηση, το υδρογόνο απορροφεί από τον κύριο όγκο του υλικού, το οποίο δρα ως σπόγγος. Σε απλά κρυσταλλικά μεταλλικά υδρίδια η απορρόφηση λαμβάνει χώρα με την ενσωμάτωση του υδρογόνου σε ατομική μορφή στις ενδόθετες θέσεις του κρυσταλλικού

84 πλέγματος (Schlapbach et al., 2001) μέσα από μια σειρά σταδίων όπως φαίνεται στο Σχήμα Α.5.(α). Η προσρόφηση από την άλλη μεριά λαμβάνει χώρα μέσα από την αλληλεπίδραση των μορίων του υδρογόνου με τα τοιχώματα των πόρων του προσροφητικού υλικού (Σχήμα Α.5.(β)) και διακρίνεται σε φυσική και χημική ρόφηση ανάλογα με τις δυνάμεις προσρόφησης, οι οποίες λαμβάνουν χώρα σε κάθε περίπτωση. Ένας τρίτος μηχανισμός αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου λαμβάνει χώρα μέσω χημικών αντιδράσεων (Stone et al., 2005, Schlapbach et al., 2001). Σχήμα Α.5. Σχηματική αναπαράσταση μηχανισμών αποθήκευσης στερεού υδρογόνου: (α) απορρόφηση, (β) προσρόφηση. Η αποθήκευση στερεού υδρογόνου παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα από την άποψη της ασφάλειας δεδομένου ότι απαιτούνται ηπιότερες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας σε σχέση με τις μεθόδους συμπιεσμένου και υγροποιημένου υδρογόνου, αντίστοιχα. Ανασκόπηση των κυριότερων επιτευγμάτων στην ανάπτυξη υλικών αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου υπάρχει σε μια σειρά από σχετικές μελέτες στη βιβλιογραφία (Wetzel et al., 1998, Schlapbach et al., 2001, Dornheim et al., 2006, Seyad et al., 2004, Sakintun et al., 2007, Berube et al., 2007, Thomas et al., 2007). Τα υλικά, τα οποία αναπτύσσονται ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου, οφείλουν να ικανοποιούν τους στόχους της ελάχιστης χωρητικότητας 6,5% wt. και 65 g/l σε υδρογόνο, σε θερμοκρασίες μεταξύ 60 και 120 C και πιέσεις μικρότερες από 150 bar για εμπορικές εφαρμογές (http://www.doe.gov). Επιπλέον το κόστος του υλικού

85 αποθήκευσης πρέπει να μην είναι υψηλό για να μπορεί η μέθοδος αποθήκευσης να είναι ανταγωνιστική με τις συμβατικές τεχνολογίες (Sakintun et al., 2007). Α Προσροφητικά υλικά Η αποθήκευση του υδρογόνου μέσω προσρόφησης σε σχετικά χαμηλές πιέσεις ( 150 bar) και θερμοκρασία δωματίου παρέχει το πλεονέκτημα της αυξημένης ασφάλειας σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες όπου απαιτείται είτε πολύ υψηλή πίεση είτε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Το γεγονός ότι το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλό κανονικό σημείο ζέσεως και κρίσιμη θερμοκρασία (20,3 K και 33,25 K, αντίστοιχα) αποκλείει τη δυνατότητα συμπύκνωσης μέσα στους πόρους ενός προσροφητικού υλικού σε συνήθεις θερμοκρασίες. Επομένως η φυσική ρόφηση λαμβάνει χώρα λόγω δυνάμεων van der Waals με το σχηματισμό μονομοριακής στοιβάδας στην επιφάνεια των πόρων του υλικού. Για μονομοριακή κάλυψη στους 77 K το προσροφημένο ποσό υδρογόνου αυξάνει γραμμικά με την ειδική επιφάνεια των προσροφητικών υλικών (Schlapbach et al., 2001, Sakintun et al., 2007). Ανθρακούχα προσροφητικά υλικά (ενεργοί άνθρακες, νανο-σωλήνες και νανο-ίνες άνθρακα, κ.α.) έχουν αποτελέσει αντικείμενο έρευνας τα τελευταία 15 χρόνια. Δυστυχώς ο αρχικός ενθουσιασμός από ανακοινώσεις και μελέτες με ασυνήθιστα υψηλές τιμές αποθηκευτικής ικανότητας σε υδρογόνο από ανθρακούχα υλικά, έδωσε τη θέση του στο σκεπτικισμό λόγω του εντοπισμού σφαλμάτων και παραλείψεων στις πειραματικές μετρήσεις και στην αδυναμία επαναληψιμότητας των τιμών αυτών. Επιπλέον προσπάθειες θεωρητικής πρόβλεψης των παραπάνω ιδιοτήτων μέσα από λεπτομερείς υπολογιστικές μοριακές προσομοιώσεις σε ανθρακούχα υλικά φανέρωσαν την αδυναμία των υλικών αυτών να επιτύχουν αποθήκευση επαρκούς ποσότητας υδρογόνου (Sakintun et al., 2007). Έτσι σήμερα, τα ανθρακούχα υλικά έχουν πάψει να θεωρούνται ως ικανοποιητικά μέσα αποθήκευσης υδρογόνου για εμπορικές εφαρμογές, εκτός εάν η μονάδα αποθήκευσης λειτουργεί σε θερμοκρασίες μικρότερες των 80 K, ή/και σε πιέσεις μεγαλύτερες των 150 bar, συνθήκες, οι οποίες θεωρούνται απαγορευτικές για κινητές εφαρμογές. Άλλες ιδέες, οι οποίες αφορούν στον εμποτισμό της επιφάνειας του υλικού

86 με οξείδια μετάλλων για την ενίσχυση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης βρίσκονται ακόμα σε πρώιμο στάδιο έρευνας (Li et al., 2007a). Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί πιο εξεζητημένα υλικά και πορώδεις δομές τόσο σε πειραματικό όσο και σε θεωρητικό επίπεδο (Li et al., 1999; Rowsell et al., 2005) η μετάβαση όμως από το στάδιο της έρευνας σε αυτό της παραγωγής απoτελεί μια μακρόχρονη και καθόλου εγγυημένη διαδικασία. Α Μεταλλικά υδρίδια Τα μεταλλικά υδρίδια μελετώνται ως πιθανοί φορείς αποθήκευσης υδρογόνου από τη δεκαετία του 70. Η αρχή της αποθήκευσης σε μεταλλικά υδρίδια βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα του υδρογόνου σχηματίζουν δεσμούς με τα άτομα του μεταλλικού πλέγματος σε χαμηλές πιέσεις. Τα μεταλλικά υδρίδια διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες με βάση τους τύπους των πλεγμάτων των μεταλλικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται ως αποθηκευτικά μέσα (Sakintun et al., 2007). Τα σύνθετα υλικά από μέταλλα μετάπτωσης εξακολουθούν να είναι σημαντικά για την χρήση τους ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου. Πολλές μελέτες έχουν γίνει με σκοπό να βελτιωθούν οι ικανότητες απορρόφησης υδρογόνου (και προφανώς και εκρόφησης) γεγονός που οδήγησε στην ανακάλυψη νέων μεταλλικών υδριδίων βασισμένων σε ενώσεις σπανίων γαιών μετάλλων μετάπτωσης βασισμένων στο Ti ή στο Zr, στο Mg αλλά και σε ενώσεις στερεάς μορφής βασισμένες στο V. Τα βασικότερα προβλήματα που εμφανίζονται στη χρήση των μεταλλικών υδριδίων για αποθήκευση του υδρογόνου είναι η αντιστρεπτότητα κατά την περιοδική φόρτιση-αποφόρτιση του υλικού, οι χαμηλοί ρυθμοί φόρτισης-αποφόρτισης καθώς και το μεγάλο βάρος των υλικών αυτών ειδικά για κινητές εφαρμογές. Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο η προσρόφηση όσο και η απορρόφηση είναι εξώθερμες διεργασίες, κατά συνέπεια κατά τον σχεδιασμό τους απαιτείται η παράλληλη ανάπτυξη συστήματος διαχείρισης της παραγόμενης θερμότητας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται πολύπλοκες γεωμετρικές διατάξεις εναλλακτών θερμότητας όπως πολλαπλοί αυλοί, εσωτερικές σπείρες εναλλακτών, κλπ. (Dimitrakakis et al., Σχήμα Α.6.)

87 Σχήμα Α.6. Δεξαμενές αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου: (α) εσωτερικός εναλλάκτης με τη μορφή «δακτυλιδιού» (β) σύστημα πολλαπλών αυλών εναλλακτών ( Kikkinides et al., 2008). Α.4.4. Μεταφορά και διανομή υδρογόνου Το υδρογόνο μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες ποσότητες μέσω υπόγειων αγωγών (αέριο υδρογόνο) ή με δεξαμενόπλοια (υγρό υδρογόνο). Επί του παρόντος, η μεταφορά υδρογόνου μέσω αγωγών χρησιμοποιείται είτε σε σύνδεση μεταξύ της παραγωγής και των γύρω χώρων χρήσης (μέχρι 10 km) ή σε πιο εκτεταμένα δίκτυα (περίπου 200 km). Ο Πίνακας Α.3. παρουσιάζει ένα κατάλογο των κυριότερων υφιστάμενων αγωγών υδρογόνου (Pottier et al., 1995). Για την κατασκευή των αγωγών υδρογόνου, είναι αναγκαία η χρήση του χάλυβα, ο οποίος είναι ανθεκτικός ως προς την θραύση κατά την χρήση υδρογόνου υπό πίεση, ιδίως για το πολύ καθαρό υδρογόνο (περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 99,5%). Εμβολοφόροι συμπιεστές αερίου, οι οποίοι που χρησιμοποιούνται για το φυσικό αέριο, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για το υδρογόνο χωρίς σημαντικές τροποποιήσεις του σχεδιασμού. Ωστόσο, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην σφράγιση (για την αποφυγή διαρροών του υδρογόνου) και στην επιλογή των βασικών υλικών για τα μέρη που υπόκεινται σε μηχανική κόπωση. Η χρήση

88 των φυγοκεντρικών συμπιεστών για το υδρογόνου δημιουργεί περισσότερα προβλήματα, τα οποία οφείλονται στην εξαιρετική χαμηλή πυκνότητα του υδρογόνου. Κατά κανόνα, η μετάδοση του υδρογόνου μέσω αγωγών απαιτεί μεγαλύτερη διάμετρο σωληνώσεων και μεγαλύτερη δύναμη συμπίεσης από τις αντίστοιχες διαστάσεις αγωγών φυσικού αερίου για την ίδια απόδοση ενέργειας. Ωστόσο, λόγω των χαμηλότερων απωλειών πίεσης στην περίπτωση του υδρογόνου, οι σταθμοί συμπίεσης μπορούν να είναι τοποθετημένοι δύο φορές μακρύτερα μεταξύ τους. Σε οικονομικό επίπεδο, σε περισσότερες από τις μελέτες διαπιστώθηκε, ότι το κόστος της μεταφοράς του υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα είναι μεγαλύτερο περίπου 1,5-1,8 φορές του κόστους της μεταφοράς φυσικού αερίου. Πίνακας Α.3. Ορισμένοι κύριοι αγωγοί υδρογόνου (Pottier et al., 1995) Τοποθεσία AGEC, Alberta, Canada Air Liquide, France Air Products, Houston, TX Air Products, Louisiana Chemische Werke Huls Cominco, B.C., Canada Gulf Petroleum Canada Hawkeye Chemical, Iowa ICI Bilingham, Έτος Λειτουργίας Από το 1987 Από το 1966 Από το 1969 Από το 1990 Από το 1938 Από το 1964 Από το 1987 Διάμετρος (mm) Μήκος (km) Πίεση (kpa) Καθαρότητα 273 3,7 3,79 99,9% Διάφορες 290 6,48-10 Καθαρό και παραγόμενο ,35-5,5 Καθαρό , ,5 Παραγόμενο 5 0,6 > % 168, ,5% 152 3,2 2, Pure

89 U.K. Philips Petroleum Από το ,9 12 Προς αντιμετώπιση της ζήτησης της κατανάλωσης, το υδρογόνο μπορεί να μεταφέρεται και να διανέμεται σε περιφερειακό επίπεδο, είτε ως αέριο είτε ως υγρό, με αγωγούς ή σε ειδικές περιπτώσεις, σε δοχεία με οδικές και σιδηροδρομικές μεταφορές. Αέριο (και υγρό) υδρογόνο κατά την μεταφορά υπόκειται σε αυστηρές ρυθμίσεις που να διασφαλίζουν τη δημόσια ασφάλεια, οι οποίες σε ορισμένες χώρες είναι πολύ περιοριστικές. Μεταφορά αερίου ή υγρού υδρογόνου σε ασυνεχή τρόπο πραγματοποιείται και σήμερα κατά περιστασιακή χρήση ή για χρήστες με χαμηλό όγκο. Το κόστος της ασυνεχούς μεταφοράς είναι πολύ υψηλό (αυτό μπορεί να φθάνει μέχρι και 2-5 φορές το κόστος παραγωγής). Α.5. Αναερόβια παραγωγή υδρογόνου Α.5.1. Αντιδραστήρες Οι αντιδραστήρες, οι οποίοι συνήθως χρησιμοποιούνται για τη συνεχή παραγωγή υδρογόνου είναι οι αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάμιξη (CSTR), οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης (packed-bed), οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized-bed), οι αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (sequencing-batch reactors, SBR) και οι αντιδραστήρες με μεμβράνες (membrane reactors). αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάμιξη (CSTR) Οι αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάμιξη (CSTR) είναι οι αντιδραστήρες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται συχνότερα για τη συνεχή αναερόβια βιολογική παραγωγή υδρογόνου (Li et al., 2007b, Hawkes et al., 2007). Στους αντιδραστήρες αυτού του τύπου, οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται αιωρούμενοι μέσα στο υγρό μέσο και η

90 ομοιογένεια της υγρής φάσης, η οποία επιτυγχάνεται με μηχανική ανάδευση, εξασφαλίζει το ότι η εκροή του αντιδραστήρα θα έχει την ίδια σύσταση με το υγρό, καθώς και το ότι ο χρόνος παραμονής των στερεών (και συνεπώς των μικροοργανισμών) θα είναι ίδιος με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση της βιομάζας στο ομογενοποιημένο υγρό να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. αντιδραστήρες σταθερής κλίνης (packed-bed) και ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized-bed) Η εξεύρεση τεχνικών για τη συγκράτηση της βιομάζας σε έναν αναερόβιο αντιδραστήρα παραγωγής υδρογόνου οδήγησε στην ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων. Η λειτουργία τους βασίζεται στην ικανότητα των μικροοργανισμών να προσκολλώνται σε στερεή επιφάνεια (όπως πολυ(βινυλο)αλκοόλη, ενεργό άνθρακα κ.ά.) σχηματίζοντας μια βιολογική μεμβράνη (biofilm) ή μεταξύ τους σχηματίζοντας συσσωματώματα χαλαρής (flocks) ή πυκνής (granules) δομής. Η πρώτη περίπτωση λαμβάνει χώρα σε αντιδραστήρες με κατάλληλο πληρωτικό υλικό (αντιδραστήρες σταθερής κλίνης ή αναερόβια φίλτρα ανοδικής ή καθοδικής ροής και ρευστοποιημένες κλίνες), ενώ η δεύτερη περίπτωση λαμβάνει χώρα σε αντιδραστήρες που ευνοούν τη συσσωμάτωση των μικροοργανισμών (αντιδραστήρας ανοδικής ροής μέσα από κλίνη ιλύος (UASB) και αντιδραστήρας εναλλασσόμενης ανοδικής και καθοδικής ροής (ABR)). Κατά συνέπεια, ο χρόνος παραμονής της βιομάζας που συνδέεται από τον υδραυλικό χρόνο παραμονής, με αποτέλεσμα η συγκέντρωσή της να αυξάνεται σημαντικά. αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (sequencing-batch reactors, SBR) Η λειτουργία των αντιδραστήρων διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (SBR) για παραγωγή υδρογόνου απαιτεί τη βελτιστοποίηση του λόγου R/S, όπου R o χρόνος αντίδρασης και S ο χρόνος καθίζησης. Οι Lin et al., 2003 διαπίστωσαν ότι, η παραγωγή υδρογόνου σε αντιδραστήρα SBR (35 ο C, ph= 6,7, 82 g σακχαρόζης/l/d, R/S= 5,6) ήταν 1,3 mol H 2 /mol εξόζης, συγκρίσιμη με την απόδοση 1,15 mol H 2 /mol εξόζης που επιτεύχθηκε σε αντιδραστήρα CSTR παρόμοιας οργανικής φόρτισης (Kyazze et al., 2006)

91 αντιδραστήρες με μεμβράνες Οι αντιδραστήρες με μεμβράνη (membrane bioreactor, MBR) έχουν θεωρηθεί κατάλληλοι τόσο για την αερόβια όσο και για την αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων. Η λειτουργία τους στηρίζεται στην ύπαρξη μιας μεμβράνης, η οποία δεν είναι διαπερατή από τη βιομάζα. Τα πλεονεκτήματα των αντιδραστήρων με μεμβράνη είναι η αύξηση της συγκέντρωσης βιομάζας και συνεπώς η αύξηση του ρυθμού απομάκρυνσης του οργανικού υποστρώματος, η μείωση του όγκου του αντιδραστήρα εξαιτίας της αύξησης του ρυθμού απομάκρυνσης και απορροή απαλλαγμένη από βιομάζα (Oh et al., 2004). Ο κυριότερος περιορισμός αυτής της τεχνολογίας είναι το υψηλό κόστος των μεμβρανών. Ελάχιστες προσπάθειες έχουν γίνει μέχρι σήμερα για την αναερόβια βιολογική παραγωγή υδρογόνου χρησιμοποιώντας αντιδραστήρες με μεμβράνες (MBR) (Cheng et al., 2003, Lee et al., 2004b, Oh et al., 2004). Οι Noike et al., 2003 αναφέρουν ότι, ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου (2,6 L H 2 /L/d), ο ειδικός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου (0,03 L H 2 /g VSS/d) και η απόδοση (117 ml Η 2 /g εξόζης) σε έναν αντιδραστήρα MBR μπορούν να συγκριθούν με τα αντίστοιχα μεγέθη ενός αντιδραστήρα CSTR (1 L H 2 /L/d, 0,42 L H 2 /g VSS/d, 131 ml Η 2 /g εξόζης). Α.5.2. Μικροοργανισμοί Οι Gray et al., 1965 κατηγοριοποίησαν τους υδρογονοπαραγωγούς μικροοργανισμούς σε τέσσερις βασικές ομάδες: Αυστηρά αναερόβιοι ετερότροφοι μικροοργανισμοί που δεν διαθέτουν σύστημα κυτοχρώματος (Clostridia, Methanobacteria, κ.λπ.). Αυστηρά αναερόβιοι ετερότροφοι που διαθέτουν σύστημα κυτοχρώματος με μοναδικό γνωστό αντιπρόσωπο το Desulfovibrio desulfuricans. Ετερότροφοι επαμφοτερίζοντες που διαθέτουν κυτοχρώματα και η κυρίως παραγωγή υδρογόνου γίνεται μέσω της διάσπασης μυρμηκικού οξέος (Enterobacteria, κ.λ.π)

92 Φωτοσυνθετικά βακτήρια και φύκη που παράγουν υδρογόνο μέσω του NADH αξιοποιώντας την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι Kosaric et al., 1988 παρουσίασαν αναλυτικά τους έως τότε γνωστούς ετερότροφους υδρογονοπαραγωγούς μικροοργανισμούς, ενώ οι Nandi et al., 1998 ακολουθώντας παρεμφερή κριτήρια κατάταξης παρουσίασαν μια σημαντική εργασία όπου οι υδρογονοπαραγωγοί οργανισμοί κατατάσσονται ανάλογα με την ανεκτικότητά τους στο οξυγόνο (αναερόβιοι, επαμφοτερίζοντες, αερόβιοι) και την ικανότητα αξιοποίησης του ηλιακού φωτός ως πηγή ενέργειας. Τις περισσότερες φορές για την παραγωγή υδρογόνου χρησιμοποιούνται μικτές καλλιέργειες αντί καθαρών καλλιεργειών, καθώς μπορούν να μεταβολίσουν μεγάλο εύρος από υποστρώματα σε μη άσηπτες συνθήκες, καθιστώντας τη λειτουργία του βιοαντιδραστήρα ευκολότερη σε επίπεδο χειρισμών και οικονομικότερη (Valdez- Vazquez et al., 2005). Α.5.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή υδρογόνου Η παραγωγή του υδρογόνου εξαρτάται από λειτουργικούς παράγοντες της διεργασίας όπως ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, τα συστατικά και το υπόστρωμα, το ph, η μερική πίεση του υδρογόνου, η θερμοκρασία και το είδος των μικροοργανισμών. Α Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) Οι Li C et al., 2007 μελετώντας τα αποτελέσματα αρκετών ερευνών ήταν δύσκολο να καταλήξουν στη βέλτιστη τιμή για τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) ενός βιοαντιδραστήρα παραγωγής υδρογόνου. Οι βέλτιστες τιμές HRT για την παραγωγή υδρογόνου από γλυκόζη και σακχαρόζη κυμαίνονταν από 3-8 h, με ελάχιστη τιμή 1 h (Chang et al., 2002) και μέγιστη τιμή 13,7 h (Fang et al., 2004). Οι Lin et al., 1999 πραγματοποίησαν πειράματα για την παραγωγή του υδρογόνου από γλυκόζη, χρησιμοποιώντας μικτή μικροβιακή καλλιέργεια σε χρόνους παραμονής 48, 36, 24, 12, και 6h και παρατήρησαν ότι σε HRT = 6h επιτεύχθηκε η μεγαλύτερη στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο (1,7 mol H 2 / mol γλυκόζης). Ωστόσο, για την παραγωγή

93 υδρογόνου από σύνθετα υποστρώματα (όπως άμυλο, απόβλητα ζυθοποιίας κ.α.) απαιτούνται μεγαλύτερες τιμές HRT πιθανότατα λόγω του χαμηλού ρυθμού υδρόλυσης του υποστρώματος. Πλήθος ερευνητών που μελετούν την παραγωγή υδρογόνου σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας CSTR, εφαρμόζουν χαμηλό ph και μικρούς χρόνους HRT οδηγώντας πιθανότατα σε έκπλυση τα αργά αναπτυσσόμενα μεθανογόνα βακτήρια, μειώνοντας ταυτόχρονα το μέγεθος του αντιδραστήρα, το κόστος κατασκευής και λειτουργίας του (Li C et al., 2007). Α Τα συστατικά και το υπόστρωμα Η συγκέντρωση υποστρώματος συνήθως διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην αποδοτικότητα ενός συστήματος παραγωγής βιοϋδρογόνου (Fan et al. 2004), επιφέροντας αλλαγές στο ρυθμό παραγωγής, στα μεταβολικά μονοπάτια (Yu et al., 2001a, 2001b) ή/και στη συνολική αποδοτικότητα. Η επίδραση της διαφορετικής συγκέντρωσης υποστρώματος μπορεί να οφείλεται σε παρεμπόδιση ενζυμικών μηχανισμών ή να έχει έμμεση επίδραση, π.χ. λόγω πτώσης του ph της καλλιέργειας. Σε καλλιέργειες με σακχαρόζη παρατηρήθηκε ότι τόσο η συνολική παραγωγή, όσο και η μοριακή απόδοση παρουσίαζαν αυξητική τάση για συγκεντρώσεις 5-20 g/l, ενώ για συγκέντρωση άνω των 30 g/l παρουσίαζαν μείωση, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται ανάλογη αλλαγή στο ρυθμό παραγωγής (Chen et al. 2003). Για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί και στην προσθήκη ανόργανων θρεπτικών συστατικών και ιχνοστοιχείων τα οποία απαιτούνται για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Ο φώσφορος και ο σίδηρος αποτελούν σημαντικά συστατικά που προάγουν την παραγωγή υδρογόνου από βακτήρια (Hawkes et al., 2002). Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι, η περιορισμένη συγκέντρωση σε σίδηρο όχι μόνο οδηγεί σε μείωση της παραγωγής σε υδρογόνο αλλά και σε αύξηση της παραγωγής σε αλκοόλες (π.χ. αιθανόλη και βουτανόλη) (Lee et al., 2001) με τη βέλτιστη συγκέντρωση σιδήρου να κυμαίνεται από 10 mg Fe 2+ /L (Liu et al., 2004) έως 353 mg

94 Fe 2+ /L (Lee et al., 2004). Επίσης, οι Hawkes et al., 2002 μελετώντας όλα τα δεδομένα της βιβλιογραφίας κατέληξαν ότι, ο βέλτιστος λόγος C/P για την παραγωγή υδρογόνου είναι ίσος με 130. Ανάλογο είναι και το συμπέρασμα που προκύπτει από τη μελέτη των Lin et al., 2004a, σύμφωνα με την οποία ο βέλτιστος λόγος C/P για την παραγωγή υδρογόνου από σακχαρόζη είναι ίσος με 120. Το άζωτο είναι το πιο απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Oι Lin et al., 2004b μελέτησαν την παραγωγή υδρογόνου σε τέσσερις διαφορετικές συγκεντρώσεις σακχαρόζης με 0,9 g N/L και λόγους C/N ίσους με 130, 98, 47 και 40 και παρατήρησαν ότι, η μέγιστη απόδοση σε υδρογόνο (327 ml H 2 /g εξόζης) επιτεύχθηκε για λόγο C/N ίσο με 47. Α ph Το ph μπορεί να επηρεάσει την ενεργότητα της υδρογονάσης (παρεμπόδιση για χαμηλές τιμές του ph), το δίκτυο μεταβολισμού των υποστρωμάτων και να συμβάλλει στην καταστολή της δράσης των μεθανογόνων βακτηρίων που καταναλώνουν υδρογόνο (Li et al., 2007). Ερευνητές αναφέρουν ότι η βέλτιστη απόδοση σε υδρογόνο, λαμβάνει χώρα για τιμές ph μεταξύ 5 και 6 (Fang et al., 2002, Fan et al., 2004). Οι Zoetemeyer et al., 1982 παρατήρησαν το μεγαλύτερο ρυθμό παραγωγής υδρογόνου από γλυκόζη σε ph = 5,7 και ΗRT = 4h. Επιπλέον, αυτές οι τιμές του ph, επιλέγονται ως βέλτιστες και για την καταστολή των μεθανογόνων μικροοργανισμών (Fang et al., 2002, Van Ginkel et al., 2001). Ανάλογα με το είδος των χρησιμοποιούμενων μικροοργανισμών η βέλτιστη τιμή του ph για την παραγωγή υδρογόνου μπορεί να διαφέρει αρκετά. Η διακύμανση αυτή είναι της τάξης των πέντε μονάδων, ξεκινώντας από την τιμή 4-4,5 (Ren et al., 1997), ενώ έχει βρεθεί βέλτιστη τιμή 9 για καλλιέργειες σε σακχαρόζη (Lee et al., 1999). Καλλιέργειες του βακτηρίου Citrobacter sp. Y19 με γλυκόζη ως υπόστρωμα, απέδειξαν ότι η βέλτιστη απόδοση υδρογόνου επιτυγχάνεται σε τιμές ph 6-7, ενώ για μεγαλύτερες και μικρότερες τιμές η απόδοση μειώνεται αισθητά. Σε ph 4 δεν παρατηρείται καθόλου παραγωγή υδρογόνου (Oh et al., 2003)

95 Το γένος clostridium παράγει υδρογόνο χρησιμοποιώντας την οξειδoαναγωγική δράση της φερρεδοξίνης και τη δράση του ενζύμου της υδρογονάσης. Η δράση όμως της υδρογονάσης, παρεμποδίζεται από τις χαμηλές τιμές του ph (Dabrock et al., 1992, Afschar et al., 1986). Επιπρόσθετα, το ph επιδρά και στο μεταβολικό δίκτυο της μικροβιακής καλλιέργειας, οδηγώντας στην παραγωγή διαφορετικού τύπου οργανικών οξέων, ανάλογα με τις συνθήκες. Αναφορές επιβεβαιώνουν ότι περισσότερο βουτυρικό οξύ παράγεται σε ph= 4-6 (Kapdan et al., 2006), ενώ ίσες ποσότητες οξικού και βουτυρικού οξέος παράγονται σε ph= 6,5-7 (Fang et al., 2002). Α H μερική πίεση του υδρογόνου Η παραγωγή του υδρογόνου δεν ευνοείται θερμοδυναμικά, με αύξηση της μερικής πίεσης του υδρογόνου (Thauer et al., 1977), γιατί η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων υδρογόνου μπορεί να προκαλέσει παρεμπόδιση στη δράση του ενζύμου της υδρογονάσης (Kondratieva et al., 1983). Η χαμηλή μερική πίεση υδρογόνου φαίνεται να ευνοεί την παραγωγή του και στην περίπτωση μικτών και καθαρών καλλιεργειών. Οι Van Andel et al., 1984 επίσης παρατήρησαν ότι μειώνοντας την μερική πίεση του υδρογόνου, ο λόγος οξικό/ βουτυρικό αυξάνεται, κάτι που οδηγεί και σε αυξημένη απόδοση υδρογόνου. Η μερική πίεση του υδρογόνου και του διοξειδίου του άνθρακα σε έναν αναερόβιο αντιδραστήρα θα πρέπει να διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα, ώστε να ενισχυθεί η απόδοση της διεργασίας σε υδρογόνο και αυτό επιτυγχάνεται με πολλούς τρόπους όπως έντονη ανάδευση για να αποφευχθεί ο κορεσμός Οι Lay et al., 2000 αναφέρουν ότι μια αύξηση στην ταχύτητα ανάδευσης ενός συνεχούς αντιδραστήρα, αναδευόμενου με μαγνητικό αναδευτήρα (από 100 στις 700 στροφές / min) προκάλεσε σημαντική αύξηση στον ημερήσιο ρυθμό παραγωγής υδρογόνου, από άμυλο. απαέρωση με αδρανές αέριο (π.χ. άζωτο, αργό) Οι Mizuno et al., 2000 αναφέρουν ότι η απαέρωση με άζωτο σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας CSTR οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης από 120 σε 195 ml H 2 /g

96 εξόζης, ενώ οι Tanisho et al., 1998 διαβιβάζοντας αργό στην αέρια φάση, πέτυχαν αύξηση στο NADH, άρα και στο υδρογόνο. χρήση μεμβρανών που είναι διαπερατές από το υδρογόνο Οι Liang et al., 2002 εμβάπτισαν στο ανάμικτο υγρό του αντιδραστήρα μια μεμβράνη διαπερατή από το υδρογόνο, με στόχο την απομάκρυνση του υδρογόνου από τον αντιδραστήρα, με αποτέλεσμα η απόδοση να αυξηθεί από 110 σε 130 ml H 2 /g εξόζης Α Η θερμοκρασία Η μικροβιακή ανάπτυξη, η παραγωγή του υδρογόνου, η κατανομή των μεταβολικών προϊόντων και η αποδόμηση του υποστρώματος επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Η θερμοκρασιακή κλίμακα για την αναερόβια βιολογική παραγωγή υδρογόνου διακρίνεται σε τρεις περιοχές (Li et al., 2007): στη θερμοκρασιακή περιοχή περιβάλλοντος (15-30 ο C), στη μεσόφιλη (32-39 ο C) και στη θερμόφιλη (50-64 ο C) Αποτελέσματα έχουν δείξει ότι η απόδοση σε υδρογόνο αυξάνει με τη θερμοκρασία. Μια πιθανή εξήγηση που μπορεί να δοθεί είναι ότι η υδρογονάση, το κομβικό ένζυμο για την παραγωγή υδρογόνου, έχει βέλτιστη θερμοκρασία μεταξύ 50 ο C και 70 ο C (Koesnandar et al., 2001). Επιπρόσθετα, στη θερμόφιλη περιοχή, οι ρυθμοί των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, είναι πιο γρήγοροι απ ότι στις μεσόφιλες συνθήκες, και έτσι η θερμόφιλη ζύμωση των υδατανθράκων επιτρέπει μεγαλύτερες οργανικές φορτίσεις και μικρότερους υδραυλικούς χρόνους παραμονής (Ahn et al., 2002). Αντιθέτως όμως, οι θερμόφιλες διεργασίες θεωρούνται λιγότερο σταθερές στις περιβαλλοντικές αλλαγές και παρουσιάζουν μεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις (εξαιτίας των υψηλότερων θερμοκρασιών) από τις μεσόφιλες, γεγονός που καθιστά τη μεσόφιλη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου

97 περισσότερο ελκυστική και ενεργειακά συμφέρουσα από την παραγωγή υδρογόνου στη θερμόφιλη περιοχή. Β. Μεθάνιο B.1. Οι αρχές της αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια χώνευση αποτελεί μια από τις βασικές και πιο παραδοσιακές μεθόδους επεξεργασίας της βιολογικής ιλύος που παράγεται κατά την πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια επεξεργασία των αστικών αποβλήτων (McCarty et al., 1982). Ο ορισμός της αναερόβιας χώνευσης είναι η βιολογική διεργασία κατά την οποία οργανικό υλικό, απουσία οξυγόνου, μετατρέπεται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (De Mes et al., 2003). Σήμερα, η αναερόβια επεξεργασία με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την σταθεροποίηση της παραγόμενης λάσπης στις μονάδες βιολογικής επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών λυμάτων. Παράλληλα, η συγκεκριμένη μέθοδος χρησιμοποιείται για την επεξεργασία στερεών απορριμμάτων (Metcalf et al., 1991, Fruteau et al., 1997, Nopharatana et al., 1998), αστικών λυμάτων και βιομάζας για παραγωγή ενέργειας (Angelidaki et al., 2003, Gerardi et al., 2003, Gunaseelan et al., 1997, Jerger et al., 1987) και αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο (Tsonis et al., 1988, Fernandes et al., 1991, Lettinga et al., 1991, Haberl et al., 1991, Wuzsik et al., 1980). Σε πολλές περιπτώσεις, η παραγωγή μεθανίου δεν απαιτεί βιοαντιδραστήρες υψηλής τεχνολογίας και έτσι μπορεί να εφαρμοστεί σε χώρες που δεν μπορούν να επενδύσουν σημαντικά ποσά σε υποδομές (Αγγελής et al., 2007). Κατά την αναερόβια χώνευση, τα ηλεκτρόνια που παράγονται από τη διάσπαση της οργανικής ύλης, χρησιμοποιούνται ώστε να ανάγουν τον άνθρακα στην πιο ανηγμένη οξειδωτική του κατάσταση (-4 στο CH 4 ). Στην περίπτωση αυτή, οι οργανικές ενώσεις μετατρέπονται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα σύμφωνα με την Eξίσωση B.1.: ( a b n a b n a b C H O n ) H 2 O ( ) CO2 ( ) CH n a b (Εξίσωση B.1.)

98 Από την αντίδραση (Eξίσωση B.1.) είναι φανερό ότι η ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου αερίου μίγματος (βιοαέριο) σε μεθάνιο εξαρτάται από την οξειδωτική κατάσταση του άνθρακα στο υπόστρωμα. Επομένως, οι υδατάνθρακες μετατρέπονται σε ίσες ποσότητες μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, η μεθανόλη και τα λιπίδια σε περισσότερο μεθάνιο από διοξείδιο του άνθρακα, το μυρμηκικό οξύ και το οξαλικό οξύ δίνουν μεγαλύτερη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα από μεθάνιο, ενώ δεν παράγεται καθόλου μεθάνιο από την υδρόλυση της ουρίας (Schink et al., 1988). Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (1 atm, 0 o C), κάθε mole μεθανίου έχει όγκο 22,4 L και είναι ισοδύναμο με 64 g COD, και έτσι η μέγιστη θεωρητική παραγωγή σε μεθάνιο είναι ίση με 0,35 L CH 4 /g COD που αποδομείται. Το βιοαέριο που παράγεται αποτελείται από: 55-75% κ.ο. μεθάνιο, 25-50% κ.ο. διοξείδιο του άνθρακα και 1-5% κ.ο άλλα αέρια (όπως υδρογόνο, υδρόθειο, κ.ά.). Το παραγόμενο βιοαέριο από έναν αναερόβιο χωνευτήρα μπορεί να καεί επιτόπου σε καυστήρες για παραγωγή θερμότητας, για τη θέρμανση του χωνευτήρα, καθώς και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, συνεισφέροντας έτσι σημαντικά στη μείωση του ενεργειακού κόστους (De Mes et al., 2003). Η αναερόβια επεξεργασία παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα σε σχέση με την αερόβια επεξεργασία των αποβλήτων (Gerardi et al., 2003). Κάποια από αυτά είναι: η δυνατότητα αποδόμησης φυσικών συστατικών που αποδομούνται δύσκολα (π.χ. λιγνίνη) η δυνατότητα αποδόμησης ξενοβιοτικών ενώσεων (π.χ. χλωριωμένοι αλειφατικοί υδρογονάνθρακες) η παραγωγή μεθανίου η μείωση παθογόνων μικροοργανισμών μπορεί να επεξεργαστεί υγρά απόβλητα με υψηλό οργανικό φορτίο παράγεται μικρή ποσότητα σταθεροποιημένης ιλύος οι απαιτήσεις σε θρεπτικά συστατικά (όπως Ν και Ρ) είναι μικρές

99 καταναλώνεται ελάχιστη σχετικά ενέργεια, κυρίως για θέρμανση η παραγόμενη λάσπη είναι κατάλληλη για εδαφοβελτιωτικό οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί μπορούν να διατηρηθούν χωρίς τροφοδοσία για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, χωρίς σημαντική μείωση της ενεργότητάς τους Εν αντιθέσει, τα κυριότερα μειονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης σε σχέση με τη διεργασία της ενεργού ιλύος είναι: απαιτούνται μεγαλύτεροι χρόνοι παραμονής εξαιτίας της αργής μικροβιακής ανάπτυξης των μεθανογόνων βακτηριδίων. Εξαιτίας αυτού, απαιτούνται μεγαλύτεροι βιοαντιδραστήρες και αυξάνεται το κόστος απαιτείται μεγάλο χρονικό διάστημα για την εκκίνηση της διεργασίας, που μπορεί να διαρκέσει από 8 έως και 12 εβδομάδες. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με τη λειτουργία σε ετήσια βάση των μονάδων αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων, ώστε να υπάρχουν μεγάλες ποσότητες αναερόβιων μικροοργανισμών που είναι διαθέσιμες να αποτελέσουν τη «μαγιά» σε νέους αντιδραστήρες (Gavala et al., 1996) η μεγάλη ευαισθησία σε τοξικές ενώσεις (Lettinga et al., 1979) παράγεται υδρόθειο που προκαλεί δυσοσμία B.2. Περιγραφή των σταδίων Η αναερόβια χώνευση λαμβάνει χώρα στα ακόλουθα διακριτά και διαδοχικά βασικά στάδια αντιδράσεων (Kaspar et al., 1978, Zehnder et al., 1978, Bryant et al., 1979, Gujer et al., 1983, Zinder et al., 1984, Pavlostathis et al., 1991): Αποσύνθεση κατά την οποία η σύνθετη σωματιδιακή ύλη βιομάζας αποσυντίθεται στα οργανικά πολυμερή από τα οποία απαρτίζεται (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια) Υδρόλυση κατά την οποία τα οργανικά πολυμερή υδρολύονται (αποπολυμερίζονται) μέσω εξωκυτταρικών ενζύμων προς τα αντίστοιχα μονομερή (σάκχαρα, αμινοξέα, λιπίδια), τα οποία μπορούν να προσληφθούν από τους μικροοργανισμούς για περαιτέρω αποδόμηση

100 Οξεογένεση όπου τα απλά μονομερή μετατρέπονται σε μείγμα πτητικών λιπαρών οξέων (βαλερικό, βουτυρικό, προπιονικό, οξικό κ.α.), αλκοολών και άλλων απλούστερων οργανικών ενώσεων, καθώς και αέρια προϊόντα (διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο) Οξικογένεση κατά την οποία τα πτητικά λιπαρά οξέα με αλυσίδα μεγαλύτερη από εκείνη του οξικού (βαλερικό, βουτυρικό, προπιονικό κ.α.) και τα άλλα οργανικά μόρια που παράγονται στο στάδιο της οξεογένεσης μετασχηματίζονται σε οξικό οξύ, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο από τα οξικογόνα βακτήρια Μεθανογένεση όπου η παραγωγή του μεθανίου επιτυγχάνεται από δύο ξεχωριστές ομάδες μικροοργανισμών: τους οξικοχρήστες μεθανογόνους που αναπτύσσονται με το οξικό οξύ και παράγουν περίπου το 70% του βιοαερίου και τους υδρογονοχρήστες μεθανογόνους που καταναλώνουν υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα Η αναερόβια χώνευση του σύνθετου οργανικού υλικού μπορεί να υποδιαιρεθεί σε επτά διεργασίες, σύμφωνα με το Σχήμα Β.1. (Gujer et al., 1983): υδρόλυση των σύνθετων οργανικών υλικών ζύμωση των αμινοξέων και των σακχάρων αναερόβια οξείδωση των λιπαρών οξέων μεγάλου μήκους και των αλκοολών αναερόβια οξείδωση των ενδιάμεσων προϊόντων (όπως πτητικών λιπαρών οξέων) παραγωγή οξικού οξέος από διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο (ομοοξικογένεση) μετατροπή του οξικού οξέος σε μεθάνιο (οξικολυτική μεθανογένεση) παραγωγή μεθανίου μέσω αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα από υδρογόνο Οι κύριες ομάδες βακτηρίων που παίρνουν μέρος στις αντιδράσεις αυτές είναι οι εξής (Anderson et al., 2003, Zinder et al., 1984): α) βακτήρια ζύμωσης, β) οξικογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο, γ) οξικογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο,

101 δ) μεθανογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα, και ε) οξικολυτικά μεθανογόνα βακτήρια. Στο Σχήμα B.1. φαίνονται και οι ομάδες των βακτηριδίων που εμπλέκονται στις διεργασίες για την παραγωγή μεθανίου. Σχήμα B.1. Σχηματική αναπαράσταση της αναερόβιας χώνευσης της σύνθετης οργανικής ύλης (οι αριθμοί αναπαριστούν τις βακτηριακές ομάδες που εμπλέκονται) B.3. Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Οι μικροοργανισμοί που συμμετέχουν στη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης εμφανίζουν μεγάλη ποικιλομορφία ως προς το είδος και τον τρόπο δράσης. Επομένως, η πλήρης καταγραφή των ειδών των μικροοργανισμών, οι οποίοι εντοπίζονται στον

102 αναερόβιο χωνευτήρα, όπως και η μελέτη του μεταβολισμού του κάθε μικροοργανισμού δεν μπορούν εύκολα να επιτευχθούν. Μια βασική κατηγοριοποίηση των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση είναι με τη διάκρισή τους: σε προαιρετικά αναερόβιους μικροοργανισμούς, και σε υποχρεωτικά αναερόβιους μικροοργανισμούς ανάλογα με τον αποδέκτη ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούν για την αποικοδόμηση του οργανικού φορτίου (Πίνακας B.1.). Πίνακας B.1. Χρήση διαφορετικού αποδέκτη ηλεκτρονίων ανάλογα με το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (ORP) (Gerardi et al., 2003) ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗΣ (mv) ΑΠΟΔΕΚΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΤΥΠΟΣ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ >+50 Οξυγόνο (O 2 ) Οξική (αερόβια) +50 έως -50 Νιτρώδη (NO 2- ) ή νιτρικά (NO 3- ) Ανοξική (αναερόβια) <-50 Θειικά (SO 2-4 ) Αναγωγή θειικών (αναερόβια) <-100 Οργανικά (CHO) Ζύμωση (παραγωγή μίγματος οξέων και αλκοολών) <-300 Οργανικά (CHO), CO 2, CO, H 2 Ζύμωση (παραγωγή μεθανίου) Οι προαιρετικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί παραμένουν ενεργοί τόσο παρουσία όσο και απουσία ελεύθερου μοριακού οξυγόνου (Ο 2 ). Κατά την παρουσία οξυγόνου, το οξυγόνο χρησιμοποιείται για την ενζυμική δραστηριότητα των βακτηριακών κυττάρων και την αποδόμηση του οργανικού φορτίου. Κατά την απουσία οξυγόνου, τα βακτηριακά κύτταρα χρησιμοποιούν άλλες ενώσεις για την οξείδωση της οργανικής ύλης, όπως τα νιτρικά ιόντα ΝΟ - 3 στην αντίδραση απονιτροποίησης (Εξίσωση B.2.), τα οποία χρησιμοποιούνται για τη διάσπαση της μεθανόλης (CH 3 OH). 6NO CH 3 OH 3N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O + 6OH (Εξίσωση B.2.)

103 Οι υποχρεωτικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί αντλούν την απαραίτητη ενέργεια για τη συντήρηση και την ανάπτυξή τους από αντιδράσεις οι οποίες δεν εμπλέκουν τη χρήση οξυγόνου. Στις συνθήκες απουσίας οξυγόνου το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (ORP) είναι μεταξύ -200 έως -400 mv ευνοώντας την αποδόμηση του υποστρώματος. Οι υποχρεωτικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί διακρίνονται σε αναερόβιους μικροοργανισμούς ανθεκτικούς στην παρουσία οξυγόνου, οι οποίοι σε αερόβιες συνθήκες παραμένουν αδρανείς και σε αυστηρά αναερόβιους μικροοργανισμούς, στους οποίους το οξυγόνο είναι τοξικό. Η παρουσία οξυγόνου σε αναερόβιο χωνευτήρα μπορεί να έχει δυσμενή επίδραση στα στάδια της αναερόβιας χώνευσης όπως η υδρόλυση, η παραγωγή οξικού οξέος και η μεθανογένεση. Συνήθως, η παχυμένη ιλύς που εισέρχεται σε αναερόβιο χωνευτήρα έχει χαμηλό οξειδοαναγωγικό δυναμικό μεταξύ -100 έως -300 mv (Κολιάης et al., 2001). Οι μικροοργανισμοί που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με το στάδιο (ή τα στάδια) της αναερόβιας χώνευσης στο οποίο συμμετέχουν. Στη διεργασία της υδρόλυσης, συμμετέχει μεγάλο πλήθος διαφορετικών ειδών που παράγουν διαφορετικά ένζυμα. Ενδεικτικά μπορούν να αναφερθούν το βακτήριο του γένους Cellulomonas, που παράγει κυτταρινάση για την αποδόμηση της κυτταρίνης και του γένους Mycobacterium, το οποίο παράγει ένζυμα της κατηγορίας της λιπάσης για την αποδόμηση των λιπιδίων σε ελεύθερα λιπαρά οξέα και γλυκερόλη. Κατά τη φάση της οξεογένεσης συμμετέχουν τόσο προαιρετικά όσο και υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια, ορισμένα εκ των οποίων είναι του γένους Clostridia και του είδους Escherichia coli. Ειδικότερα, η αιθανόλη παράγεται από διάφορα είδη μυκήτων του γένους Erwinia, Sarcina και Zymomonas, το βουτυρικό οξύ παράγεται από αυστηρά αναερόβια βακτήρια του γένους Clostridium και Butyrivibrio και το προπιονικό οξύ παράγεται από τα γένη βακτηρίων όπως Bacteroides, Clostridium, Peptostreptococcus και Ruminococcus

104 Το οξικό οξύ στη φάση της οξικογένεσης παράγεται από ποικιλία βακτηρίων στα οποία συμπεριλαμβάνονται τα γένη Acetobacterium, Clostridium και Sporomusa. Τα βακτήρια που συμμετέχουν στη φάση της μεθανογένεσης είναι ευαίσθητα στην παρουσία οξυγόνου, εμφανίζονται σε συστήματα που το οξειδοαναγωγικό δυναμικό είναι μικρότερο από -300 mv και τα οποία είναι πλούσια σε βιοαποικοδομήσιμο οργανικό φορτίο, καθώς σε αυτά το οξυγόνο καταναλώνεται γρήγορα από τη μικροβιακή δράση. Επίσης, εμφανίζουν εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα, όπως πχ το είδος Methanobacterium formicium χρησιμοποιεί ως υπόστρωμα για τη παραγωγή μεθανίου το μυρμηκικό οξύ. Τα βακτήρια αυτά έχουν ασυνήθιστα υψηλή περιεκτικότητα σε θείο, ίση με 2,5 % επί ξηρού βάρους, ενώ σε αυτά υπάρχουν τα συνένζυμα M, F420 και F430 τα οποία περιέχουν στη δομή τους μέταλλα, όπως ο σίδηρος και το νικέλιο και τα οποία ενισχύουν το μεταβολισμό των βακτηρίων. Τα μεθανογόνα βακτήρια ανάλογα με το είδος του υποστρώματος που χρησιμοποιούν κατηγοριοποιούνται: σε οξεοτροφικά μεθανογόνα βακτήρια, τα οποία χρησιμοποιούν οξικό οξύ για την παραγωγή μεθανίου και παράγουν επίσης υδρογόνο, σε υδρογονοτροφικά μεθανογόνα βακτήρια, που χρησιμοποιούν το υδρογόνο για την παραγωγή μεθανίου και σε μεθυλοτροφικά μεθανογόνα τα οποία χρησιμοποιούν υποστρώματα που περιέχουν μεθυλομάδα όπως η μεθανόλη χωρίς την παρουσία διοξειδίου του άνθρακα. Ορισμένα γένη μεθανογόνων μικροοργανισμών παρουσιάζονται στον Πίνακα B

105 Πίνακας B.2. Γένη μεθανογόνων μικροοργανισμών και υπόστρωμα μεθανογένεσης (Gerardi et al., 2003) ΓΕΝΟΣ Methanobacterium ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗΣ Η 2 +CO 2, μυρμηκικό οξύ Methanosphaera Μεθανόλη + Η 2 Methanothermus Methanococcus Methanosarcina Methanolobus Methanoculleus Methanotrix Η 2 +CO 2, S Η 2 +CO 2, μυρμηκικό οξύ, πυροσταφυλικό οξύ+co 2 Η 2 +CO 2, μεθανόλη, μεθυλαμίνες, οξικό οξύ Μεθανόλη, μεθυλαμίνες Η 2 +CO 2, μυρμηκικό οξύ, αλκοολές Μεθανόλη, μεθυλαμίνες Methanopyrus Η 2 +CO 2 Μethanocorpusculum Η 2 +CO 2, μυρμηκικό οξύ, αλκόολες Τα βακτήρια της οξεογένεσης δρουν συμβιοτικά με τα μεθανογόνα βακτήρια καθώς παράγουν πτητικά λιπαρά οξέα, τα οποία χρησιμοποιούνται ως υπόστρωμα των μεθανογόνων μικροοργανισμών για την παραγωγή μεθανίου. Παρ όλα ταύτα, ο χαμηλός ρυθμός ανάπτυξης των μεθανογόνων μικροοργανισμών λόγω της χαμηλής ενέργειας που ανακτούν από το υπόστρωμα δεν είναι αντίστοιχος του υψηλού ρυθμού παραγωγής πτητικών λιπαρών οξέων των οξεογόνων βακτηρίων (Gerardi et al., 2003). Επίσης, τα οξεοτροφικά μεθανογόνα βακτήρια τα οποία παράγουν H 2 αναπαράγονται με χαμηλότερο ρυθμό σε σχέση με τα υδρογονοτροφικά μεθανογόνα βακτήρια που το καταναλώνουν, με αποτέλεσμα να συσσωρεύεται το υδρογόνο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της παραγωγής του οξικού οξέος και ως επακόλουθο τη μείωση της παραγωγής και του μεθανίου. Η διατήρηση της μερικής πίεσης του υδρογόνου σε χαμηλά επίπεδα ευνοεί τόσο την ανάπτυξη βακτηρίων που παράγουν οξικό οξύ όσο και την ανάπτυξη οξεοτροφικών μεθανογόνων βακτηρίων και αυξάνει την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης ως προς την παραγωγή βιοαερίου (Ding et al., 2008α). Μια επίσης σημαντική κατηγορία βακτηρίων, που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση, είναι και τα βακτήρια τα οποία ανάγουν θειικά ιόντα σε υδρόθειο σύμφωνα με τις αντιδράσεις (Fedorovich et al., 2003):

106 CH3COOH + H 2SO4 2 CO2 + 2H 2O + H 2S (Εξίσωση B.3.) 4 + H SO H S + H O (Εξίσωση B.4.) H Τα βακτήρια που ανάγουν τα θειικά ιόντα δρουν ανταγωνιστικά σε σχέση με τα μεθανογόνα βακτήρια ως προς την κατανάλωση του οξικού οξέος και του υδρογόνου. Τα βακτήρια αυτά ευνοούνται ως προς τη λήψη οξικού οξέος και υδρογόνου έναντι των μεθανογόνων βακτηρίων σε χαμηλές συγκεντρώσεις οξικού οξέος. Συγκεκριμένα, όταν ο λόγος υποστρώματος/θειικών είναι μικρότερος από 2, ευνοείται η ανάπτυξη των βακτηρίων που ανάγουν τα θειικά, ενώ όταν ο λόγος αυτός είναι μεγαλύτερος από 3 ευνοούνται τα μεθανογόνα βακτήρια. Επίσης, το προϊόν της αναγωγής των θειικών, δηλαδή το υδρόθειο, αποτελεί αναχαιτιστικό παράγοντα κυρίως για τα μεθανογόνα βακτήρια και λιγότερο για τα οξεογόνα βακτήρια. Τα βακτήρια που ανάγουν τα θειικά ιόντα αντιστοιχούν στα γένη Desulfobacter, Desulfobulbus, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfotomaculum και Desulfovibrio. B.4. Υποστρώματα Διάφοροι τύποι βιομάζας έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα για την παραγωγή μεθανίου. Η βιολογική ιλύς που παράγεται κατά την πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια επεξεργασία των αστικών αποβλήτων (Gavala et al., 2003), καθώς και τα αστικά στερεά απόβλητα (Zitomer et al., 2005), αποτελούν τα συνηθέστερα υποστρώματα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. Επιπρόσθετα, τα στερεά απόβλητα φρούτων και λαχανικών που παράγονται σε μεγάλες ποσότητες ημερησίως, μπορούν να υποστούν αναερόβια επεξεργασία (Arvanitoyannis et al., 2006, Borja et al., 2006a) εξαιτίας της μεγάλης βιοαποδομησιμότητάς τους. Τα ζωικά απόβλητα από χοιροστάσια (Hobson et al., 1976, Summers et al., 1983) ή από φάρμες με πουλερικά και/ή βοοειδή (Bousfield et al., 1979, Summers et al., 1987), απόβλητα βιομηχανιών όπως βιομηχανίας παραγωγής ελαιόλαδου (Arvanitoyannis et al.,

107 2007, Borja et al., 2006b), βιομηχανίας παραγωγής τυριού (Demirel et al., 2002, Demirel et al., 2005, Malaspina et al., 1995, Passeggi et al., 2009), βιομηχανίας παραγωγής πατάτας (Monou et al., 2008), βιομηχανίας παραγωγής τροφίμων (Carucci et al., 2005), βιομηχανίας παραγωγής οίνου (Perez-Garcia et al., 2005), τα οποία είναι πλούσια σε σάκχαρα, συχνά διασπώνται και σταθεροποιούνται μέσω αναερόβιας επεξεργασίας. Για την παραγωγή μεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης, έχουν μελετηθεί και διάφορα ενεργειακά φυτά, όπως ο σακχαρούχος σόργος (Antonopoulou et al., 2008a, Lehtomaki et al., 2006), το ζαχαρότευτλο (Grohmann et al., 1994), ή το κριθάρι (Neves et al., 2006) με σημαντικές αποδόσεις. B.5. Συστήματα-αντιδραστήρες Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι αναερόβιων χωνευτήρων και συστημάτων αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων. Η βασική διαφορά μεταξύ των συστημάτων αυτών έγκειται στο διαφορετικό λόγο του χρόνου παραμονής των στερεών (Solids Retention Time) και του υδραυλικού χρόνου παραμονής (Hydraulic Retention Time) (SRT/HRT). Ο συμβατικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση (CSTR) είναι ο πιο συνήθης και απλός τύπος βιοαντιδραστήρα. Σε ένα τέτοιο χωνευτήρα, ο λόγος SRT/HRT είναι ίσος με τη μονάδα και οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται αιωρούμενοι μέσα στο υγρό μέσο, υπό συνεχή ή διακοπτόμενη ανάδευση. Πλεονέκτημά του είναι η ικανότητα επεξεργασίας αποβλήτων με υψηλές συγκεντρώσεις σε αιωρούμενα στερεά και σε διαλυτά οργανικά, καθώς και η διατήρηση ομοιόμορφων συνθηκών θερμοκρασίας, υποστρώματος, θρεπτικών και ph σε όλο τον όγκο του αντιδραστήρα. Αυξημένους λόγους SRT/HRT παρουσιάζουν συστήματα στα οποία οι μικροοργανισμοί δεν είναι αιωρούμενοι στο υγρό, αλλά είναι ακινητοποιημένοι και προσκολλημένοι πάνω σε στερεές επιφάνειες (π.χ. χαλίκι ή πλαστικό). Παράδειγμα του πιο γνωστού τέτοιου τύπου συστήματος είναι τα αναερόβια φίλτρα ανοδικής και καθοδικής ροής. Οι αντιδραστήρες αυτοί χρησιμοποιούνται κυρίως για απόβλητα με μικρές συγκεντρώσεις σε αιωρούμενα στερεά (Bermudez et al., 1988). Προσκολλημένοι μικροοργανισμοί πάνω

108 σε μικρότερα μέσα, όπως π.χ σε άμμο και ενεργό άνθρακα περιέχονται και σε ένα άλλο τύπο αντιδραστήρα, με ανοδική ροή αποβλήτων, που είναι ο αντιδραστήρας ρευστοστερεάς κλίνης. Υπάρχουν αρκετές εργαστηριακές μελέτες και εφαρμογές μεγάλης κλίμακας που αφορούν στην αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων με χρήση αντιδραστήρων αυτού του τύπου. Βασικό μειονέκτημα των αντιδραστήρων αυτών είναι το μεγάλο κόστος που απαιτείται για την πάκτωση του αντιδραστήρα με το υλικό πλήρωσης (Mc Dermott et al., 1983). Ένας αντιδραστήρας χωρίς υλικό πλήρωσης, ο οποίος όμως περιέχει ακινητοποιημένα βακτήρια ώστε να επιτυγχάνονται μεγάλοι χρόνοι παραμονής στερεών, είναι και ο αντιδραστήρας ανοδικής ροής με κουβέρτα ιλύος (UASB). Ο αντιδραστήρας αυτός παρουσιάζει το σημαντικό πλεονέκτημα του σχηματισμού συμπαγών βιολογικών συσσωματωμάτων από μεθανογόνα βακτήρια, με πολύ καλές ιδιότητες καθίζησης. Η παρουσία των συσσωματωμάτων αυτών είναι σημαντική για τη βιολογική διάσπαση των αποβλήτων, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη λειτουργία του αντιδραστήρα σε υψηλούς ρυθμούς επεξεργασίας. Μια τροποποίηση του αντιδραστήρα UASB είναι ο αναερόβιος αντιδραστήρας με διαφράγματα (ABR). Αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών διαμερισμάτων όπου το υγρό απόβλητο ρέει ανοδικά διαμέσου μιας μερικώς ρευστοποιημένης κουβέρτας μικροοργανισμών. Οι ABR έχουν το πλεονέκτημα του υψηλού ρυθμού αφαίρεσης του οργανικού φορτίου και του χαμηλού υδραυλικού χρόνου παραμονής. Σημαντικό ρόλο παίζουν και τα διβάθμια αναερόβια συστήματα ή συστήματα δύο σταδίων (Lo et al., 1988). Η βασική αρχή λειτουργίας των συστημάτων αυτών είναι ότι διαχωρίζουν τα δύο βασικά στάδια της αναερόβιας διεργασίας (οξεογένεση μεθανογένεση) σε χωριστούς αντιδραστήρες. Συγκεκριμένα, στον πρώτο αντιδραστήρα υδρολυτικά και οξεογόνα βακτήρια παράγουν πτητικά λιπαρά οξέα, τα οποία μετατρέπονται σε μεθάνιο στο δεύτερο αντιδραστήρα (Ghaly et al., 2000). Τα πλεονεκτήματα της διεργασίας αυτής είναι ο καλύτερος έλεγχος των δυο ξεχωριστών διεργασιών, ακριβής έλεγχος του ph για τα δυο στάδια, μικρότερα απαιτούμενα μεγέθη των αντιδραστήρων και η καλύτερη λειτουργία της μεθανογένεσης, η οποία δεν

109 παρεμποδίζεται από πιθανά παράγωγα της πρώτης διεργασίας (Antonopoulou et al., 2008b, Bitton et al., 2005, Saddoud et al., 2007). Β.6. Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Εκτός από τα απαραίτητα υποστρώματα και τους κατάλληλους μικροβιακούς πληθυσμούς, η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης εξαρτάται σημαντικά από τις λειτουργικές συνθήκες, όπως είναι η θερμοκρασία, το ph, η αλκαλικότητα, τα θρεπτικά στοιχεία, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής και η παρουσία τοξικών ουσιών. Ακολουθεί ανάπτυξη της επίδρασης των παραπάνω παραγόντων στη διαδικασία παραγωγής μεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία. Β.6.1. Η θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ένας από τους κυριότερους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την μικροβιακή ανάπτυξη, τόσο των αναερόβιων, όσο και των αερόβιων μικροοργανισμών. Μεθανογόνοι μικροοργανισμοί έχουν βρεθεί σε ένα μεγάλο φάσμα θερμοκρασιακών περιοχών από 2 o C σε θαλάσσια ιζήματα, μέχρι και 100 o C σε γεωθερμικές περιοχές (Ferry et al., 1993). Το ανώτατο θερμοκρασιακό όριο για ανάπτυξη, καθορίζεται από τη θερμική σταθερότητα των συστατικών του κάθε μικροοργανισμού, κυρίως των πρωτεϊνών, των νουκλεϊνικών οξέων και των λιπιδίων, τα οποία απενεργοποιούνται με γρήγορους ρυθμούς στην περιοχή των o C (Sundaram et al., 1986). Οι Angelidaki et al., 2003 αναφέρουν δύο βέλτιστες θερμοκρασιακές περιοχές για την λειτουργία αναερόβιων συστημάτων: τη μεσόφιλη (25-40 o C) και τη θερμόφιλη (45 o C - 60 o C), ανάμεσα στις οποίες οι ρυθμοί ανάπτυξης των μικροοργανισμών, μειώνονται. Γενικά, η αναερόβια χώνευση μπορεί να λάβει χώρα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπως 0 o C, αλλά γενικά ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός, ότι ενώ οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί αντέχουν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας μπορούν να αποβούν μοιραίες για τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Οι Brown et al.,

110 συμπέραναν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας σε αναερόβιο χωνευτήρα από τους 32 o C στους 40 o C προκάλεσε διαταραχή, ενώ σε μια άλλη μελέτη η μείωση της θερμοκρασίας από 60 o C σε 37 o C σε έναν αναερόβιο χωνευτήρα με υψηλά επίπεδα αμμωνίας προκάλεσε μείωση της παρεμπόδισης που προκαλούσε η αύξηση των λιπαρών οξέων και επακόλουθη αύξηση της απόδοσης σε βιοαέριο (Chen et al., 2008). Β.6.2. To ph και η αλκαλικότητα Οι περισσότερες διεργασίες αναερόβιας επεξεργασίας λειτουργούν σε περίπου ουδέτερο ph. Διαφοροποιήσεις από αυτή την περιοχή παρατηρούνται εξαιτίας της συσσώρευσης όξινων ή βασικών μεταβολικών προϊόντων όπως είναι τα λιπαρά οξέα ή η αμμωνία, αντίστοιχα. Η αύξηση της συγκέντρωσης των λιπαρών οξέων είναι από τα πιο κοινά προβλήματα των αναερόβιων αντιδραστήρων και συμβαίνει συνήθως όταν οι οξικογόνοι ή οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί έχουν παρεμποδιστεί με αποτέλεσμα τα οξέα να μην καταναλώνονται από αυτούς και να συσσωρεύονται στον χωνευτήρα. Η ευαισθησία στη μείωση του ph είναι μεγαλύτερη για τα μεθανογόνα βακτήρια απ ότι στα ζυμωτικά βακτήρια. Κατά συνέπεια, ενώ η παραγωγή των οξέων από τους ζυμωτικούς μικροοργανισμούς συνεχίζεται, η μεθανογένεση έχει παρεμποδιστεί αυξάνοντας συνεχώς το πρόβλημα της οξύτητας στον αντιδραστήρα και οδηγώντας τελικά σε αποτυχία τη διεργασία. Ωστόσο, παραγωγή μεθανίου έστω και σε μικρές ποσότητες μπορεί να συμβεί είτε σε όξινο είτε σε αλκαλικό περιβάλλον υποδηλώνοντας ότι η μεθανογένεση δεν περιορίζεται μόνο στα όρια του ουδέτερου ph. Η Methanosarcina barkeri και η Methanosarcina vacuolata, δυο μεθανοβακτήρια που καταναλώνουν οξικό οξύ, αναπτύσσονται και σε ph~5 (Maestrojuan et al., 1991). Γενικά για τα βιομηχανικά και αστικά λύματα, η αναερόβια χώνευση γίνεται σε μια περιοχή ph μεταξύ 6-7, ενώ παρατηρείται μείωση της παραγωγής μεθανίου, προβλήματα στην κατακράτηση της βιομάζας και αστάθεια της διεργασίας όταν η τιμή του ph είναι κάτω από 6 (Taconi et al., 2007). Δύο παράγοντες επιδρούν στην τιμή του ph ενός χωνευτήρα: η αλκαλικότητα του συστήματος και η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων. Η αλκαλικότητα

111 οφείλεται κυρίως στα ιόντα HCO 3 - τα οποία προέρχονται από την παραγωγή CO 2 κατά τη βιολογική αποδόμηση των οργανικών ενώσεων. Οι Εξισώσεις είναι οι εξής: CO 2 H 2O H 2CO3 + (Εξίσωση Β.5.) + H 2CO3 H + HCO3 (Εξίσωση Β.6.) Η αλκαλικότητα, αποτελεί μέτρο της ρυθμιστικής ικανότητας των συστατικών ενός αναερόβιου αντιδραστήρα. Έτσι υψηλές τιμές αλκαλικότητας αποτελούν ένδειξη ενός ασφαλούς συστήματος στις διακυμάνσεις του ph, ενώ χαμηλές τιμές αλκαλικότητας υποδεικνύουν ότι μια απότομη αύξηση στη συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων, μπορεί να προκαλέσει μείωση στο ph και παύση της βιολογικής δραστηριότητας. Στο στάδιο της οξεογένεσης, παράγονται λιπαρά οξέα που τείνουν να χαμηλώσουν την τιμή ph του αντιδραστήρα. Κάτω από ομαλές συνθήκες, η μείωση του ph από τα παραγόμενα πτητικά λιπαρά οξέα, ρυθμίζεται από τα ιόντα HCO - 3, ενώ όταν η ρυθμιστική ικανότητα του συστήματος δεν επαρκεί, τα λιπαρά οξέα συσσωρεύονται, το ph μειώνεται συνεχώς και τελικά η διεργασία διακόπτεται. Η αύξηση της συγκέντρωσης των λιπαρών οξέων είναι από τα πιο κοινά προβλήματα των αναερόβιων αντιδραστήρων (Malaspina et al., 1996, Pullammanappallil et al., 2001) και συμβαίνει συνήθως όταν οι οξικογόνοι ή οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί έχουν παρεμποδιστεί με αποτέλεσμα τα οξέα να μην καταναλώνονται από αυτούς και να συσσωρεύονται στο χωνευτήρα (Gerardi et al., 2003). Η ευαισθησία στη μείωση του ph είναι μεγαλύτερη για τα μεθανογόνα βακτήρια απ ότι για τους ζυμωτικούς, οξεογόνους μικροοργανισμούς. Κατά συνέπεια, ενώ η παραγωγή των οξέων από τους ζυμωτικούς μικροοργανισμούς συνεχίζεται, η μεθανογένεση έχει παρεμποδιστεί, αυξάνοντας συνεχώς το πρόβλημα της οξύτητας στον αντιδραστήρα και οδηγώντας τη διεργασία, τελικά, σε αποτυχία. Είναι γενικά αποδεκτό, ότι τα πτητικά λιπαρά οξέα που συσσωρεύονται σε συγκεντρώσεις μεταξύ mg/l ή και μεγαλύτερες, μπορούν να προκαλέσουν παρεμπόδιση στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης

112 Μια μέθοδος για να διαφυλάσσεται η τιμή του ph μέσα στα όρια της επιθυμητής περιοχής είναι η αύξηση της αλκαλικότητας του συστήματος, προσθέτοντας υλικά όπως υδροξείδιο του νατρίου, καλίου ή του ασβεστίου (ΝαΟΗ, ΚΟΗ, Ca(OH)2), όξινο ανθρακικό ή ανθρακικό κάλιο ή νάτριο (ΝaHCO 3, KHCO 3, Na 2 CO 3 ) ή αμμωνία (ΝH 3 ). Αρκετοί ερευνητές υπογράμμισαν την αναγκαιότητα μιας ισορροπίας μεταξύ της αλκαλικότητας και της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων (Ghaly et al., 1996, Mockaitis et al., 2006, Ward et al., 2008). Β.6.3. Τα θρεπτικά υλικά Για την ομαλή και βέλτιστη λειτουργία μιας βιολογικής διεργασίας, όπως η αναερόβια χώνευση, είναι απαραίτητη η τροφοδότηση των μικροοργανισμών, με πλήθος θρεπτικών συστατικών (nutrients), απαραίτητων για την ανάπτυξη και το μεταβολισμό τους. Γενικά, τα επίπεδα στην τροφοδοσία των βασικών θρεπτικών C και Ν συνήθως εκφράζονται με το λόγο COD:N (όπου COD το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο), που πρέπει να κυμαίνεται στην περιοχή 400:7 ή 1000:7 (Henze et al., 1983), και 350:7 για ιδιαίτερα επιβαρυμένα οργανικά απόβλητα (Gerardi et al., 2003). Επιπρόσθετα, διάφορα ιχνοστοιχεία (micronutrients) είναι απαραίτητα για τη μεθανογένεση όπως είναι το θείο, το κάλιο, ο σίδηρος, το νικέλιο, το μαγνήσιο, το ασβέστιο, το νάτριο, το βάριο, ο χαλκός, το βολφράμιο, ο ψευδάργυρος, ο μόλυβδος, το σελήνιο και το κοβάλτιο. Τα στοιχεία αυτά συνήθως εμπλέκονται στο ενζυμικό σύστημα των μεθανογόνων και οξικογόνων βακτηρίων. Αν και απαιτούνται σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις, η έλλειψή τους έχει αρνητική επίδραση στην μικροβιακή ανάπτυξη. Τα μεθανογόνα βακτήρια, έχουν σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις θείου, σιδήρου, νικελίου και κοβαλτίου στα κύτταρά τους. Τα τέσσερα στοιχεία αυτά, είναι απαραίτητα για την μετατροπή του οξικού οξέος σε μεθάνιο (Hoban et al., 1979). Γενικά κατά την αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων, η συγκέντρωση των θρεπτικών και των ιχνοστοιχείων στην τροφοδοσία, θα πρέπει να ρυθμιστεί τουλάχιστο σε τιμή, διπλάσια της ελάχιστης απαιτούμενης, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί μια μικρή περίσσεια των συστατικών αυτών, αν χρειαστεί

113 Β.6.4. Οι τοξικές ουσίες Οι μεθανογόνοι, θεωρούνται οι περισσότερο ευαίσθητοι μικροοργανισμοί στην τοξικότητα, σε σχέση με όλα τα είδη μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης (Angelidaki et al., 2003). Έτσι, η διαδικασία της μεθανογένεσης μπορεί να παρεμποδιστεί από διάφορες ουσίες που είναι τοξικές, όπως είναι το οξυγόνο, η αμμωνία, τα λιπαρά οξέα, τα βαρέα μέταλλα, τα άλατα, η φορμαλδεΰδη, τα θειούχα και θειϊκά ιόντα και διάφορες άλλες οργανικές ενώσεις. Το οξυγόνο είναι τοξικό ακόμα και σε ίχνη (μερικά ppm) για τα αυστηρώς αναερόβια μεθανογόνα βακτήρια. Ωστόσο, έχει αποδειχτεί ότι ενώ παρουσία οξυγόνου οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί δεν αναπτύσσονται και δεν παράγουν μεθάνιο, κάποιοι από αυτούς είναι αρκετά ανθεκτικοί στην παρουσία. Η αμμωνία στη μη ιονισμένη της μορφή (NH 3 ), επίσης μπορεί να δράσει παρεμποδιστικά στην αναερόβια χώνευση. Η ύπαρξή της σε ένα αναερόβιο σύστημα, σχετίζεται με την παρουσία πτητικών λιπαρών οξέων και με την ρυθμιστική ικανότητά της να ουδετεροποιήσει την τιμή του ph. Η τοξικότητά της είναι σχετικά μικρή σε ουδέτερα ph, και αυξάνεται με την αύξηση του ph. Σε έναν αναερόβιο χωνευτήρα, όταν τα επίπεδα της αμμωνίας είναι μεταξύ mg/l δεν παρουσιάζονται δυσμενείς συνθήκες για τα μεθανοβακτήρια, ενώ σε επίπεδα άνω των 1500 mg/l και σε υψηλές τιμές ph μπορεί να υπάρξει διακοπή ή παρεμπόδιση της διεργασίας (Gerardi et al., 2003). Η ανάπτυξη των μεθανογόνων μικροοργανισμών, παρεμποδίζεται και από τη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων. Γενικά τα πτητικά λιπαρά οξέα είναι τα πιο σημαντικά ενδιάμεσα προϊόντα της αναερόβιας διεργασίας και προτείνονται ως οι παράμετροι ελέγχου όλης της διαδικασίας (Anderson et al., 2003). Οι επιπτώσεις από την αύξηση των πτητικών λιπαρών οξέων εξαρτώνται συχνά και από άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες όπως το ph και η αλκαλικότητα, που επικρατούν στο αναερόβιο σύστημα. Πτητικά οξέα, όπως το οξικό και το βουτυρικό, εμφανίζουν μικρή τοξικότητα όταν το ph είναι ουδέτερο, σε αντίθεση με το προπιονικό οξύ, το οποίο είναι τοξικό και για τα μεθανογόνα και για τα οξεογόνα βακτήρια (Iannotti et al., 1984). Σε χαμηλά ph, η μεγαλύτερη ποσότητα του προπιονικού οξέος υπάρχει στην αδιάστατη μορφή (HPr) που

114 είναι πιο τοξική από την ιονισμένη (Pr - ), λόγω της μεγαλύτερης διαπερατότητας της κυτταρικής μεμβράνης. Σε έναν αναερόβιο χωνευτήρα που λειτουργεί χωρίς προβλήματα, η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων είναι τυπικά μικρότερη των 100 mg/l. Η παρουσία βαρέων μετάλλων, όπως είδαμε, σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από αυτές που θεωρούνται απαραίτητες για την λειτουργία των μικροοργανισμών, θεωρείται παρεμποδιστική για την αναερόβια χώνευση. Γενικά, η σειρά κατά την οποία μειώνεται η τοξικότητα των μετάλλων είναι Ni > Cu > Cd > Pb > Cr > Zn (Bitton et al., 2005). Η τοξικότητα των μετάλλων αυτών οφείλεται στο ότι κατά την προσρόφησή τους στις κυτταρικές μεμβράνες, όταν έρθουν σε επαφή με ένζυμα, τότε συνενώνονται με αποτέλεσμα να τα απενεργοποιούν. Παρεμπόδιση προκαλείται και από την παρουσία του κατιονικού μέρους κάποιων αλάτων όπως το νάτριο (Na), που μπορεί να περιέχεται στα βιομηχανικά απόβλητα ή να προστίθεται προκειμένου να διορθωθεί η αλκαλικότητα ενός αναερόβιου αντιδραστήρα. Η διεργασία παρεμποδίζεται μερικώς για συγκεντρώσεις Na ~3,5 5,5 g/l και πλήρως για συγκεντρώσεις ~8 g/l (McCarty et al., 1964). Το υδρόθειο (H2S) και γενικότερα τα θειούχα ανιόντα (HS -, S 2- ) είναι από τους πιο ισχυρούς παρεμποδιστές της αναερόβιας χώνευσης. Μελέτες έδειξαν ότι το υδρόθειο είναι τοξικό για τα μεθανογόνα βακτήρια σε συγκεντρώσεις μεταξύ mg/l. Η τοξικότητα του υδρόθειου εξαρτάται από την τιμή του ph. Τέλος, η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων διαφόρων οργανικών ενώσεων, μπορεί να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο σύστημα. Κάποιες από τις ενώσεις αυτές, σε χαμηλές συγκεντρώσεις, αποτελούν τροφή για τους μικροοργανισμούς. Τέτοιες οργανικές ενώσεις είναι: κάποιοι υδρογονάνθρακες π.χ. οκτάνιο, αλκοόλες, η μεθανόλη, οι φαινόλες, κάποιες αλογονοoμάδες, και αρωματικές ενώσεις (Blum et al., 1991)

115 Β.6.5. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής παίζει σημαντικό ρόλο στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Ανάλογα με τη θερμοκρασία συνιστώνται διαφορετικοί χρόνοι παραμονής. Γενικά, υπάρχει κάποιος βέλτιστος χρόνος παραμονής, όσον αφορά είτε την απομάκρυνση των στερεών, είτε την παραγωγή μεθανίου, ο οποίος είναι συνήθως κοντά στον ελάχιστο χρόνο παραμονής, με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος έκπλυσης των μεθανοβακτηρίων. Στην περίπτωση των συμβατικών βιοαντιδραστήρων που οι χρόνοι παραμονής είναι μεγαλύτεροι, ο κίνδυνος της έκπλυσης είναι μεγαλύτερος. Τα ταχύρυθμα συστήματα που επιτρέπουν την προσκόλληση της βιομάζας πάνω στα τοιχώματά τους, έχουν το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης σταθερότητας σε σύγκριση με τα συμβατικά, καθώς και της μεγαλύτερης ικανότητας απομάκρυνσης οργανικού φορτίου, ακόμα και σε πολύ μικρούς χρόνους παραμονής. Β.7. Κινητική και μοντελοποίηση της αναερόβιας χώνευσης Β.7.1. Κινητική ανάπτυξης μικροοργανισμών Η κινητική βιολογικής ανάπτυξης βασίζεται σε δυο θεμελιώδεις σχέσεις: το ρυθμό ανάπτυξης και το ρυθμό κατανάλωσης υποστρώματος (Lawrence et al., 1970). Ο ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών rx, σχετίζεται με τη συγκέντρωσή τους, με εξισώσεις της μορφής: dx r x = = μ( S, x) * x (Εξίσωση Β.7.1.) dt όπου μ [=] T -1 είναι ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών που είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του περιοριστικού θρεπτικού συστατικού (υπόστρωμα S [=] ML -3 ) και της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών x [=] ML -3, ενώ t [=] T είναι ο χρόνος. Επιπλέον, ο θάνατος των βακτηρίων και η κυτταρική λύση τους (ενδογενής αναπνοή), είναι διεργασίες που οδηγούν σε μείωση της κυτταρικής μάζας. Η επίδραση των διεργασιών αυτών στον καθαρό ρυθμό ανάπτυξης, συχνά χρησιμοποιείται ως τροποποίηση στο ρυθμό μικροβιακής ανάπτυξης (Lawrence et al., 1970, Lawrence et al., 1971) ως εξής:

116 dx r x = = ( μ b) * x (Εξίσωση Β.7.2.) dt όπου b : ο ειδικός ρυθμός θανάτου των μικροοργανισμών [=] T -1 Η κατανάλωση του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος δίνεται από τη σχέση: ds ( dx / dt) = (Εξίσωση Β.7.3.) dt Y όπου Υ: ο συντελεστής απόδοσης της βιομάζας [=] MM -1 (Δx/ΔS) (παραγόμενη βιομάζα / καταναλισκόμενο υπόστρωμα) Χρησιμοποιώντας τις Εξισώσεις (Β.7.1.) και (Β.7.3.) προκύπτει: 1 x ds dt μ = = k m = U m Y (Εξίσωση Β.7.4.) όπου k m ή U m : ο ειδικός ρυθμός χρήσης υποστρώματος [=] ΜΜ -1 Τ -1 Η επίδραση της συγκέντρωσης του περιοριστικού υποστρώματος στον ειδικό ρυθμό μικροβιακής ανάπτυξης, περιγράφεται από διάφορα μαθηματικά μοντέλα (Monod et al., 1949, Contois et al., 1959, Grau et al., 1975, Chen et al., 1978) (Πίνακας Β.7.1.). Το πιο απλό και ευρύτερα χρησιμοποιούμενο μοντέλο είναι το μοντέλο Monod, που περιγράφει τον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών ως εξής: μ S μ = max (Εξίσωση Β.7.5.) K S S + όπου μ max [=] Τ -1 : ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, K S [=] ΜL -3 : σταθερά κορεσμού (είναι ίση με την συγκέντρωση υποστρώματος στην οποία ο ειδικός ρυθμός ισούται με το μισό του μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης μ=μ max /2) Η εξίσωση περιγράφει μαθηματικά την μεταβολή από μια πρώτης τάξεως κινητική (ως προς S) σε χαμηλή συγκέντρωση S, σε μια μηδενικής τάξεως κινητική (ως προς S) σε υψηλή συγκέντρωση. Η εξάρτηση του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης από την συγκέντρωση του περιοριστικού υποστρώματος παρουσιάζεται στο Σχήμα Β H κινητική Monod

117 είναι αποτέλεσμα της εμπειρικής ανάλυσης πειραματικών δεδομένων της βακτηριακής ανάπτυξης (Pavlostathis et al., 1991) και χρησιμοποιείται ευρύτατα για μικροβιακά συστήματα. Σχήμα Β.7.1. Σχηματική αναπαράσταση της κινητικής Monod Πίνακας Β.7.1. Εκφράσεις του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης, ως συνάρτηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος (Pavlostathis et al., 1991, Gavala et al., 2003) Ρυθμός Χρήσης Μοντέλο Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης ds υποστρώματος ( = ) dt Πρώτης τάξεως Grau Monod Moser Contois ks μ = b ks S0 S μ S = max μ maxs μ b S0 YS0 μmaxs μmaxs μ = b x K + S Y ( K + S S S ) n n μmaxs μmaxs μ = b x n n K + S Y ( K + S ) S U m S U m S μ = b x BX + S Y ( BX + S) Όπου U m = μ max / (1-α), α : σταθερά, Β = α / Υ(1-α) S

118 Β.7.2. Κινητική παρεμπόδισης μικροοργανισμών Η αναερόβια χώνευση είναι ευαίσθητη στην παρεμπόδιση και την τοξικότητα που προκαλούν διάφορες ουσίες. Ο βαθμός της παρεμπόδισης εξαρτάται σημαντικά από τη φύση και τη συγκέντρωση του παρεμποδιστή, καθώς και από το ενδεχόμενο της προηγούμενης έκθεσης του βιολογικού συστήματος, στη συγκεκριμένη τοξική ουσία. Οι συνηθισμένες τοξικές ουσίες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση είναι το οξυγόνο, η αμμωνία, τα κατιόντα, τα λιπαρά οξέα, τα βαρέα μέταλλα, τα θειούχα και θειϊκά ιόντα και διάφορες ξενοβιοτικές ενώσεις (McCarty et al., 1964, Parkin et al., 1986). Προκειμένου να περιγραφεί η επίδραση των παρεμποδιστικών και τοξικών παραγόντων στη μικροβιακή ανάπτυξη, χρησιμοποιούνται κάποιες διορθωτικές σταθερές παρεμπόδισης οι οποίες ενσωματώνονται στην Eξίσωση Monod. Στην περίπτωση όπου η παρεμπόδιση είναι αντιστρέψιμη, τρεις τύποι μοντέλων προτείνονται: τα ανταγωνιστικά, τα μη ανταγωνιστικά και τα ανανταγωνιστικά (Lehninger et al., 1975). Ο ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος (U), δίνεται από τις κάτωθι Eξισώσεις: Ανταγωνιστικά μοντέλα: U = K ks I (1 + K S ) + I S (Εξίσωση Β.7.6.) Ανανταγωνιστικά μοντέλα: ks U = (Εξίσωση Β.7.7.) I K S + S(1 + ) K I Μη Ανταγωνιστικά μοντέλα: ks U = (Εξίσωση Β.7.8.) I ( K S + S)(1 + ) K I

119 όπου I : η συγκέντρωση του παρεμποδιστή, K I : ο συντελεστής παρεμπόδισης, k: ο μέγιστος ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος (συγκέντρωσης S) και K S : η σταθερά κορεσμού. Από τις παραπάνω σχέσεις φαίνεται ότι, η ανταγωνιστική παρεμπόδιση επιδρά στην τιμή της σταθεράς κορεσμού Κ s, η μη ανταγωνιστική παρεμπόδιση επιδρά στο μέγιστο ειδικό ρυθμό κατανάλωσης του υποστρώματος, ενώ η ανανταγωνιστική παρεμπόδιση επιδρά και στις δυο προαναφερόμενες κινητικές παραμέτρους. Μια ειδική περίπτωση της ανανταγωνιστικής παρεμπόδισης είναι η παρεμπόδιση υποστρώματος όπου το υπόστρωμα και ο παρεμποδιστής είναι το ίδιο υλικό. Έτσι, η Εξίσωση 4.7. για I = S οδηγεί στην εξίσωση Haldane (Haldane et al., 1930) ή το μοντέλο Andrews et al.,1969: U k = K S 1+ + S S K I (Εξίσωση Β.7.9.) Ένα άλλο μοντέλο παρεμπόδισης, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για αναερόβια συστήματα είναι η γενικευμένη εξίσωση Haldane, για ανανταγωνιστική παρεμπόδιση υποστρώματος (Edwards et al., 1970, Neufeld et al., 1980): U = K S 1+ S k + S K I n όπου n: σταθερά που καθορίζει την τάξη της παρεμπόδισης. (Εξίσωση Β.7.10.) Όταν n=1, τότε η Εξίσωση Β ανάγεται στην Εξίσωση Haldane (Εξίσωση Β.7.9.). Αρκετοί ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει τα προαναφερόμενα μοντέλα για την περιγραφή της παρεμπόδισης που προκαλείται είτε από τα αδιάστατα πτητικά λιπαρά οξέα, είτε από τα ολικά πτητικά λιπαρά οξέα (Andrews et al., 1971, Hill et al., 1977,

120 Lozano et al., 1980). Άλλοι ερευνητές χρησιμοποίησαν το ανανταγωνιστικό μοντέλο παρεμπόδισης, προκειμένου να περιγράψουν την παρεμπόδιση από τα πτητικά λιπαρά οξέα, ή από άλλες τοξικές, για την αναερόβια χώνευση, ουσίες π.χ. την αμμωνία. Συγκεκριμένα, οι Andrews et al., 1968 και 1971, χρησιμοποίησαν την Eξίσωση Haldane για να περιγράψουν την παρεμπόδιση από αδιάστατα πτητικά λιπαρά οξέα (κυρίως από οξικό και προπιονικό οξύ), ενώ οι Dinopoulou et al., 1988α και 1998β, δοκίμασαν την Εξίσωση Haldane και το μη ανταγωνιστικό μοντέλο προκειμένου να περιγράψουν την κινητική της οξεογένεσης, κατά την αναερόβια χώνευση ενός σύνθετου υλικού. Β.7.3. Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) Το μαθηματικό μοντέλο ADM1 περιγράφει τις κυριότερες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την αναερόβια χώνευση σύνθετων οργανικών υποστρωμάτων προς μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και αδρανή παραπροϊόντα (IWA et al., 2002). Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε έναν αναερόβιο αντιδραστήρα διακρίνονται σε βιολογικές και φυσικοχημικές. Όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Β.7.2., το μοντέλο ADM1 περιλαμβάνει τα εξής βήματα: διάσπαση, υδρόλυση, οξεογένεση, οξικογένεση και μεθανογένεση. Η εξωκυτταρική διαλυτοποίηση περιλαμβάνει τη διάσπαση και την υδρόλυση, από τις οποίες η πρώτη είναι ένα μεγάλο μη βιολογικό βήμα που μετατρέπει το σύνθετο, σωματιδιακό, οργανικό υπόστρωμα σε αδρανή, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη. Το δεύτερο βήμα είναι η ενζυμική υδρόλυση των υδατανθράκων, πρωτεϊνών και λιπιδίων σε μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους (LCFA), αντίστοιχα. Η διάσπαση κυρίως συμπεριλήφθηκε στο μοντέλο για να περιγράψει την αποδόμηση του πολύπλοκου, σύνθετου, σωματιδιακού υλικού, ενώ τα βήματα της υδρόλυσης για να περιγράψουν με ακρίβεια την αποδόμηση των σχετικά πιο «απλών» υποστρωμάτων όπως είναι η κυτταρίνη, το άμυλο και οι πρωτεΐνες. Όλα τα στάδια της διάσπασης και της υδρόλυσης περιγράφονται με κινητική πρώτης τάξεως (IWA et al., 2002)

121 Σχήμα Β.7.2. Συνολική δομή του μοντέλου ADM1 (Parker et al., 2005) Ακολούθως, στο στάδιο της οξεογένεσης, οι μονοσακχαρίτες και τα αμινοξέα αποικοδομούνται από δυο ξεχωριστές ομάδες οξεογόνων μικροοργανισμών, παράγοντας πτητικά λιπαρά οξέα, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Σε αυτό το στάδιο τα λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους (LCFA) οξειδώνονται αναερόβια προς οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Στην συνέχεια, στο στάδιο της οξικογένεσης τα οργανικά οξέα με την σειρά τους μετατρέπονται σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα από ομάδες οξικογόνων μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν προπιονικό και βουτυρικό και βαλερικό. Τέλος, στο στάδιο της μεθανογένεσης παράγεται μεθάνιο από τα οξικολυτικά μεθανογόνα βακτήρια (χρήστες οξικού), που καταναλώνουν οξικό οξύ και από μια ειδική ομάδα μεθανογόνων βακτηρίων (χρήστες υδρογόνου), που καταναλώνουν υδρογόνο (IWA et al., 2002)

122 Για τις ενδοκυτταρικές βιοχημικές αντιδράσεις που περιγράφουν την κατανάλωση των υποστρωμάτων χρησιμοποιείται κινητική τύπου Monod, ενώ ο θάνατος της βιομάζας αναπαρίσταται με κινητική πρώτης τάξης. Θα πρέπει να τονιστεί ότι στο ADM1 οι μικροβιακές διεργασίες καθορίζονται από την κατανάλωση των υποστρωμάτων και όχι από τη μικροβιακή ανάπτυξη. Το μοντέλο περιλαμβάνει και διάφορες παρεμποδιστικές λειτουργίες που συμπεριλαμβάνουν το ph (επηρεάζει όλες τις ομάδες μικροοργανισμών), το υδρογόνο (επηρεάζει τις οξικογόνες ομάδες) και την ελεύθερη αμμωνία (επηρεάζει τους ακετοκλαστικούς μεθανογόνους μικροοργανισμούς). Το μοντέλο ADM1, εκτός από τις βιοχημικές διεργασίες, περιλαμβάνει και τις δυο από τις τρεις κυριότερες φυσικοχημικές διεργασίες, που απαντώνται συχνότερα στα μαθηματικά μοντέλα της αναερόβιας χώνευσης. Έτσι, περιλαμβάνει τις αντιδράσεις ισορροπίας οξέος-βάσεως καθώς και τις ισορροπίες μεταξύ υγρής και αέριας φάσης, ενώ δεν περιλαμβάνεται καθόλου η καθίζηση των στερεών. Συνολικά στο μοντέλο υπάρχουν 32 μεταβλητές δυναμικής κατάστασης, 19 βιοχημικά κινητικές διεργασίες, 3 διεργασίες μεταφοράς υγρής-αέριας φάσης και 6 διαδικασίες ισορροπίας οξέος-βάσεως (Πίνακας Β.7.2.). Να τονιστεί ότι οι μεταβλητές δυναμικής κατάστασης περιγράφουν τη συμπεριφορά των διαλυτών και των σωματιδιακών συστατικών του συστήματος. Τα διαλυτά συστατικά είναι αυτά που μπορούν να περάσουν μέσα από τα κυτταρικά τοιχώματα των μικροοργανισμών (αναπαρίστανται με S), ενώ τα σωματιδιακά δεν μπορούν να περάσουν (αναπαρίστανται με X). Επίσης το μοντέλο διατηρεί ισοζύγιο φορτίου ανάμεσα στα ιοντικά είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανόργανων κατιόντων και ανιόντων και των κατιόντων υδρογόνου (IWA et al., 2002). Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι όλα τα μεγέθη που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο εκφράζονται σε μονάδες Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (COD) και συγκεκριμένα σε kgcod m -3 gcod L -1, εξαιτίας της χρήσης της συγκεκριμένης μονάδας στο χαρακτηρισμό των αποβλήτων. Τα συστατικά που δεν μπορούν να εκφραστούν σε

123 μονάδες COD, όπως είναι ο ανόργανος άνθρακας (με τις μορφές CO 2 και HCO -3 ) και το ανόργανο άζωτο (με τις μορφές NH 4+ και NH 3 ), εκφράζονται σε μονάδες μοριακής συγκέντρωσης και συγκεκριμένα σε kmole m -3 = M (IWA et al., 2002)

124 Πίνακας Β.7.2. Η δομή του ADM1 (IWA et al., 2002)

125 - 81 -

126 Γ. Ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου (hythane) σε διβάθμιο σύστημα αντιδραστήρων Όταν το υδρογόνο εμπλουτιστεί με μεθάνιο, γνωστό ως hythane, προσφέρει ένα σημαντικό αριθμό πλεονεκτημάτων. Στη δεκαετία του 1990, αναγνωρίστηκε ότι η ανάμιξη υδρογόνου και μεθανίου οδήγησε σε μείωση των NOx και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθώς και στη συνολική βελτίωση των ιδιοτήτων καύσης του μεθανίου. Ωστόσο, η πρόκληση για την παραγωγή χαμηλού κόστους, βιώσιμου, φιλικού προς το περιβάλλον, υψηλής ποιότητας υδρογόνου εμπλουτισμένου με μεθάνιο αποτελεί ένα βασικό παράγοντα, που θα του επιτρέψει να επιτύχει μια δυνητική θέση στην αγορά. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση που καλύπτει όλες τις παραπάνω προϋποθέσεις είναι η συνδυασμένη βιολογική παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου, το οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω βιολογικής διαδικασίας ζύμωσης σε δύο στάδια: αρχικά παράγεται το υδρογόνο μέσω αναερόβιας ζυμωτικής παραγωγής των υδατανθράκων στο πρώτο στάδιο (στάδιο οξεογένεσης, της συνολικής διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης) και επιπρόσθετα παράγονται ταυτόχρονα οργανικά οξέα ή ανηγμένα τελικά προϊόντα, χωρίς να προκαλείται σημαντική συνολικά μείωση στο οργανικό φορτίο της τροφοδοσίας. Η απομάκρυνση του COD (χημικά απαιτούμενο οξυγόνο) που επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια της ζύμωσης είναι μικρότερη από 20%, η οποία αντιστοιχεί σε μια μέση απόδοση σε υδρογόνο ίση με 2,5 mole/ mole γλυκόζης. Η απορροή ενός υδρογονοπαραγωγού ζυμωτικού αντιδραστήρα, η οποία είναι πλούσια σε πτητικά λιπαρά οξέα, μπορεί να επεξεργαστεί περαιτέρω μέσω ενός ακόλουθου σταδίου αναερόβιας χώνευσης, της μεθανογένεσης, με το οποίο επιτυγχάνεται: σταθεροποίηση της διεργασίας και παραγωγή ενέργειας μέσω του παραγόμενου μεθανίου (Koutrouli et al., 2009, Cavinato et al., 2011a, Cavinato et al., 2011b). Η διβάθμια αυτή διεργασία των δύο σταδίων έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει την ανάπτυξη του κατάλληλου περιβάλλοντος για τα οξεογόνα και τα μεθανογόνα βακτήρια

127 αντίστοιχα σε δύο διαφορετικά μέρη (Han et al., 2005, Antonopoulou et al., 2008b, Venetsaneas et al., 2009). Ωστόσο, στις περισσότερες από αυτές τις μελέτες που δημοσιεύθηκαν μέχρι στιγμής, τα επιμέρους στάδια δεν είναι είναι δυνατόν να συνδυαστούν, με τον έλεγχο και την ανάμιξη των παραχθέντων αέριων και υγρών λυμάτων, πράγμα που σημαίνει ότι οι υδρογονοπαραγωγοί και μεθανογόνοι αντιδραστήρες δεν μπορούν να ενσωματώθούν πραγματικά σε μια στοχευμένη διαδικασία παραγωγής BioHyMeth. Επιπλέον, μόνο λίγες μελέτες έχουν διεξαχθεί μέχρι σήμερα με τη χρήση κυτταρινικών ή λιγνοκυτταρινικών υποστρωμάτων για συνδυασμένη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου με ένα συνεχή τρόπο λόγω των δυσκολιών τροφοδοσίας/άντλησης της κυτταρινικής βιομάζας στους αντιδραστήρες εργαστηριακής κλίμακας. Λόγω της ανθεκτικής φύσης της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, πολύ χαμηλές αποδόσεις βιοϋδρογόνου και μεθανίου μπορούν να επιτευχθούν και η εφαρμογή της διαδικασίας προεπεξεργασίας/υδρόλυσης, πριν από τη ζύμωση είναι απαραίτητη, όπου οι μεγαλομοριακές ενώσεις, κυτταρίνη και ημικυτταρίνη, μπορεί να υδρολύονται σε ζυμώσιμα σάκχαρα (Massanet-Nicolau et al., 2013). Προηγούμενα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η ανάμιξη του υδρογόνου με το μεθάνιο οδηγεί σε ένα πιο φιλικό προς το περιβάλλον βιοκαύσιμο απ ό,τι το μεθάνιο μόνο του. Χρησιμοποιώντας μία διαδικασία δύο σταδίων, δηλαδή ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου (στο 1ο στάδιο) και επακόλουθη αναερόβια χώνευση του 1ου σταδίου εκροής για την παραγωγή μεθανίου (στο 2ο στάδιο) σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία, θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση μέχρι και 37% της συνολικής απόδοσης από ό,τι σε ενιαίο στάδιο αναερόβιας χώνευσης (Monlau et al., 2013). Αξιοποιώντας τις υφιστάμενες υποδομές του τομέα του βιοαερίου (παραγωγή και διανομή), μαζί με τις υφιστάμενες υποδομές του δικτύου φυσικού αερίου μεγάλης κλίμακας, το βιοϋδρογόνο εμπλουτισμένο με μεθάνιο, μπορεί να προβλεφθεί ως μια μελλοντική, βιωσιμότερη, εναλλακτική λύση των βιοκαυσίμων

128 Για την μελλοντική ανάπτυξη αυτού του βιοκαυσίμου, οι προσπάθειες πρέπει να επικεντρωθούν στην εξεύρεση λύσεων για τη διασφάλιση μιας σταθερής ποιότητας στη σύνθεσή του (10-15% H 2 ) και στην παροχή ενός ευρύτερου φάσματος ανανεώσιμων και βιώσιμων υποστρωμάτων. Επιπλέον, για να ενισχυθεί η οικονομική βιωσιμότητα, οι προσπάθειες πρέπει επίσης να εστιαστούν στην ευελιξία της διαδικασίας και στη μεγιστοποίηση της μετατροπής της κάθε ενδεχόμενης πρώτης ύλης

129 - 85 -

130 Κεφάλαιο 3. Υλικά και Μέθοδοι 3.1. Ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη Η ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη που έχει χρησιμοποιηθεί στα πειράματα για την παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου προέρχεται από την εταιρεία παραγωγής «ΠΕΤΤΑΣ Ν. ΠΑΥΛΟΣ ΑΒΕΕ», με έδρα στην Βιομηχανική περιοχή της Πάτρας και η οποία έχει ως αντικείμενο εργασιών την ελαιουργία, την σαπωνοποιία και την παραγωγή βιοκαυσίμων. Όπως έχει αναφερθεί, παράλληλα με την παραγωγή βιοντήζελ, παράγεται ταυτόχρονα η γλυκερόλη ως παραπροϊόν. Η ακατέργαστη γλυκερόλη αποτελείται από μεθανόλη, νερό, γλυκερίδια, γλυκερόλη και άλατα. Τα τελευταία χρόνια, λόγω της μεγάλης παραγωγής βιοντήζελ, προέκυψε πλεόνασμα γλυκερόλης, με απώτερο αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της αγοραστικής της αξίας. Εν τοιαύτη περιπτώσει, η βιομηχανία στοχεύει στην ανάπτυξη λύσεων και νέων προϊόντων για την αξιοποίηση της γλυκερόλης, όπως στην παραγωγή αέριων βιοκαυσίμων (υδρογόνου και μεθανίου). Στην συγκεκριμένη διατριβή για τα πειράματα παραγωγής αέριων βιοκαυσίμων χρησιμοποιήθηκε η ακατέργαστη γλυκερόλη, η οποία είχε συλλεχθεί (από την παραγωγική διαδικασία του βιοντήζελ), αποθηκευτεί σε φιάλες των 2,5 λίτρων και μεταφερθεί στο χώρο του Εργαστηρίου Βιοχημικής Μηχανικής & Τεχνολογίας Περιβάλλοντος από τεχνικό υπάλληλο της εταιρείας. Η θερμοκρασία στην οποία η γλυκερόλη διατηρούνταν αποθηκευμένη μέχρι να χρησιμοποιηθεί στα πειράματα, ήταν η θερμοκρασία δωματίου (25 o C). Η ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη είχε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: η καθαρότητα (w/w) ήταν 92,33 ± 0,17%, το ph (σε υδατικό διάλυμα 10%) ήταν 5,2, το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο ήταν 1,28 ± 0,00 COD αποβλήτων g O 2 /g ( ενώ της εμπορικής, καθαρής γλυκερόλης είναι αντίστοιχα 1,22 g COD/g γλυκερόλης ), η πυκνότητα (g/ml) ήταν 1,15 ± 0,01%, η στάχτη (w/w) 6,67% και είχε διάφανο καφέκίτρινο χρώμα

131 Η σύσταση και τα χαρακτηριστικά της ακατέργαστης γλυκερόλης ποικίλλουν ανάλογα με τον τρόπο της παραγωγικής διεργασίας του βιοντίζελ (πρώτη ύλη, καταλύτης κ.α.). Έτσι, όπως παρατηρείται στην Εικόνα 3.1., το χρώμα της εμπορικής γλυκερόλης είναι διαφανές (1), ενώ της ακατέργαστης γλυκερόλης είναι κίτρινο ή καφέ σκούρο (2), όπως ήταν το χρώμα της γλυκερόλης που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα. Εικόνα 3.1. (1) Εμπορική γλυκερόλη και (2) Βιομηχανική γλυκερόλη 3.2. Μέθοδοι προσδιορισμού διαφόρων παραμέτρων Γενικά Στην συγκεκριμένη διατριβή, πραγματοποιήθηκε ο χημικός προσδιορισμός διαφόρων παραμέτρων, προκειμένου να χαρακτηριστούν πλήρως τα στάδια παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου από την ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκαν το διαλυτό Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (dcod), η αλκαλικότητα, τα πτητικά λιπαρά οξέα, η αιθανόλη, η γλυκερόλη και η 1,3-προπανοδιόλη. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ph, συγκέντρωσης ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, παροχής και σύστασης βιοαερίου (περιεκτικότητα σε μεθάνιο και υδρογόνο). Οι ποσοτικοί προσδιορισμοί του ολικού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, των ολικών υδατανθράκων, του ολικού αζώτου, του ολικού φωσφόρου, της αλκαλικότητας, του ph, και της συγκέντρωσης ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, έγιναν σε δείγματα που ελήφθησαν είτε από τους αντιδραστήρες είτε από τις αντίστοιχες τροφοδοσίες τους, κατόπιν πολύ καλής ανάδευσης. Οι συγκεντρώσεις του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, των διαλυτών υδατανθράκων, των πτητικών λιπαρών οξέων, της αιθανόλης

132 και του γαλακτικού οξέος προσδιορίζονταν στο διαλυτό μέρος των δειγμάτων που προέκυπτε μετά από διήθηση υπό κενό μέσω ηθμών ινών υάλου (Whatman GF/F, διαμέτρου 55 mm και μέγεθος οπής 0,7 μm) Χρωματογραφία αερίων Τα βασικά συστατικά ενός χρωματογράφου αερίων φαίνονται στο Σχήμα Το φέρον αέριο περιέχεται σε χαλύβδινες φιάλες με μεγάλη πίεση και παρέχεται στη συσκευή με έναν ή περισσότερους ρυθμιστές πίεσης που ρυθμίζουν την ταχύτητα της ροής. Το δείγμα εισάγεται σε ένα θερμαινόμενο θάλαμο είτε με μια σύριγγα που τρυπάει ένα λεπτό ελαστικό δίσκο, είτε με μια ειδική βαλβίδα. Το φέρον αέριο μεταφέρει τα συστατικά του δείγματος μέσα στην στήλη, όπου διαχωρίζονται το ένα από το άλλο, και διέρχονται από τον ανιχνευτή που στέλνει σήμα στον καταγραφέα. Η στήλη βρίσκεται σε θερμοστατούμενο φούρνο, ενώ τόσο το σύστημα εισαγωγής του δείγματος όσο και ο ανιχνευτής μπορούν να θερμανθούν ξεχωριστά (Pecsok et al., 1980). Εικόνα Βασικά χαρακτηριστικά ενός χρωματογράφου αερίων (Pecsok et al., 1980) Τα συνηθισμένα αέρια που χρησιμοποιούνται στην αέρια χρωματογραφία είναι χημικώς αδρανή αέρια όπως το ήλιο, το υδρογόνο, το άζωτο και το αργό. Η επιλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται από τα δείγματα προς ανίχνευση και από τις απαιτήσεις του ανιχνευτή. Υπάρχουν δυο διαφορετικά είδη στηλών που χρησιμοποιούνται συνήθως, οι γεμισμένες και οι τριχοειδείς, ενώ οι κυριότεροι τύποι ανιχνευτών είναι: ο ανιχνευτής ιονισμού φλόγας (FID),

133 ο ανιχνευτής θερμικής αγωγιμότητας (TCD) και ο ανιχνευτής σύλληψης ηλεκτρονίων (ECD) Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων και αιθανόλης Η μέτρηση των πτητικών λιπαρών οξέων και της αιθανόλης γινόταν σε χρωματογράφο αερίων της εταιρίας Varian (CP-3800). Η στήλη διαχωρισμού ήταν τριχοειδής (30mx0.53mm ID, Nitroterephthalic acid modified polyethylene glycol film 1,0 μm) και ο ανιχνευτής ήταν φλόγας ιονισμού (FID). Το φέρον αέριο ήταν ήλιο, το οποίο προωθούσε το δείγμα με ροή 15 ml/min. Εν αρχή, λαμβανόταν 1 ml δείγματος το οποίο οξυνιζόταν με προσθήκη διαλύματος θειϊκού οξέος (1 ml δείγματος + 30 μl H 2 SO 4, 20% κ.ο.). Έπειτα, γινόταν διπλή διήθηση: πρώτα με φίλτρο Whatman GF-1 διαμέτρου πόρου 0,5 mm για τη συγκράτηση των στερεών και έπειτα από φίλτρο Whatman διαμέτρου πόρου 0,2 nm για τη συγκράτηση των μικροοργανισμών. Στη συνέχεια 10 μl οξυνισμένου δείγματος εγχέονταν με μικροσύριγγα στο σύστημα υποδοχής του χρωματογράφου, θερμοκρασίας 175 C. Για την ανάλυση των πτητικών λιπαρών οξέων χρησιμοποιήθηκε θερμοκρασιακό πρόγραμμα στον φούρνο, όπου η θερμοκρασία αυξανόταν σταδιακά, με ρυθμό 15 ο C / min, από 105 ο C αρχικά μέχρι τους 160 ο C, και στη συνέχεια με ρυθμό 20 ο C/ min μέχρι τους 235 ο C, όπου η θερμοκρασία παρέμενε σταθερή για 3 min. Η θερμοκρασία στον ανιχνευτή ήταν 225 ο C. Για την ανάλυση της αιθανόλης, η θερμοκρασία του φούρνου, που περιείχε τη στήλη, αυξανόταν σταδιακά από 60 ο C τη στιγμή της εγχύσεως (όπου έμενε σταθερή για 1 min) με ρυθμό 45 ο C/min στους 230 ο C, όπου και έμενε σταθερή για 0,5 min. Η θερμοκρασία στον ανιχνευτή ήταν 200 ο C

134 Εικόνα Χρωματογράφος αερίων (GC) με ανιχνευτή φλόγας ιονισμού (FID) Μέτρηση περιεκτικότητας βιοαερίου σε υδρογόνο και μεθάνιο Η ποσοτικοποίηση της σύστασης του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο και μεθάνιο γινόταν σε χρωματογράφο αερίων SRI 8610c, που ήταν εξοπλισμένος με δυο στήλες σε σειρά: α) τη molecular sieve column, 6ft., O.D. 1/8 in., I.D. 2.1 και β) τη silica gel column, 6ft., O.D. 1/8 in. και με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD). Το φέρον αέριο που προωθούσε τα δείγματα, ήταν άζωτο (Ν 2 ) σε παροχή 20 ml/min για τον προσδιορισμό του υδρογόνου και ήλιο (Ηe) (παροχή 20 ml/min) για τον προσδιορισμό του μεθανίου. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν ισοθερμοκρασιακό και έτσι η θερμοκρασία της στήλης ήταν σταθερή στους 80 ο C, η θερμοκρασία στον ανιχνευτή ήταν 100 ο C, ενώ η θερμοκρασία στο σύστημα εισαγωγής του δείγματος (βαλβίδα έγχυσης) ήταν 90 C

135 Εικόνα Χρωματογράφος αερίων (GC) με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD) Μέτρηση παραγόμενου βιοαερίου Ο «κλικογράφος» αποτελεί ένα σύστημα συνεχούς μέτρησης του παραγόμενου βιοαερίου, το οποίο βασίζεται στην μέθοδο εκτόπισης προκαθορισμένου όγκου υγρού. Το βιοαέριο που παράγεται από τον αντιδραστήρα, οδηγείται μέσω του σωλήνα της απορροής στην φιάλη συλλογής της απορροής. Από εκεί η απορροή του αερίου οδηγείται μέσω μίας τριοδικής βαλβίδας σε ένα γυάλινο σωλήνα σχήματος U, ο οποίος στην άκρη του, από όπου εισέρχεται το βιοαέριο, είναι αεροστεγώς κλεισμένος. Στον σωλήνα ισορροπεί ένα αδρανές υγρό, βαθμονομημένου όγκου. Από το άλλο άκρο του σωλήνα, εισέρχεται εντός του ένας πλωτήρας, ο οποίος βρίσκεται σε συγκεκριμένο ύψος. Ο πλωτήρας μπορεί να επιπλέει επάνω στο ανερχόμενο υγρό. Το άνω όριο του πλωτήρα οριοθετεί τον όγκο του βιοαερίου, ο οποίος μετρείται συναρτήσει του χρόνου δειγματοληψίας. Δεξιά της τριοδικής βαλβίδας, τοποθετήθηκε μία ακόμα βαλβίδα για λόγους ασφαλείας, η οποία έμενε ανοιχτή προκειμένου να απορρίπτεται το

136 βιοαέριο, το οποίο θα συσσωρευόταν στο σωλήνα σε περίπτωση πτώσης της τάσης του ρεύματος. Στην περίπτωση της διάταξης, η οποία μελετήθηκε στην παρούσα εργασία, ο εκτοπισμένος όγκος του υγρού αντιστοιχούσε σε συγκεκριμένο βαθμονομημένο όγκο βιοαερίου ανά καταγραφή της μέτρησης του οργάνου. Το αέριο που εισερχόταν από τη μία πλευρά του σωλήνα, εκτόπιζε το υγρό, το οποίο ανύψωνε στο άλλο άκρο του σωλήνα τον πλωτήρα. Μόλις ο πλωτήρας ανέβει στο ύψος στο οποίο ο όγκος του εκτοπισμένου υγρού από την ισορροπία είναι αυτός που έχουμε θεωρήσει κατά την βαθμονόμηση, τότε έκλεινε το ηλεκτρικό κύκλωμα. Από εκεί ένα ηλεκτρικό σήμα έδινε εντολή στην τριοδική βαλβίδα να αλλάξει οδό και έτσι να εκτονωθεί ο όγκος του βιοαερίου, που βρισκόταν εντός του συστήματος μέτρησης, επαναφέροντας το υγρό στην ισορροπία και η διαδικασία ξεκινούσε από την αρχή, αφού πρώτα γινόταν η καταγραφή της ποσότητας του. Ως μέσο πλήρωσης του γυάλινου σωλήνα, χρησιμοποιήθηκε λιπαντικό έλαιο μηχανών μικρού ιξώδους αντί για νερό, διότι λόγω της μεγάλης τάσης ατμών που παρουσιάζει το νερό με την αύξηση της περιβαλλοντικής θερμοκρασίας, θα παρουσιάζονταν αξιοσημείωτες αποκλίσεις από την βαθμονομημένη τιμή του όγκου του υγρού, ιδιαίτερα κατά το καλοκαίρι. Πρέπει να σημειωθεί ότι το σύστημα είχε βαθμονομηθεί προηγουμένως, ώστε να είναι γνωστός ο όγκος της ποσότητας του διοχετευόμενου βιοαερίου ανά κύκλο. Κατά τη διάρκεια της εκτόνωσης γινόταν η καταγραφή σε ένα ψηφιακό ή αναλογικό μετρητή. Ο υπολογισμός του βιοαερίου προέκυπτε από τον πολλαπλασιασμό του αριθμού των εκτονώσεων με το σταθερό όγκο της μετακίνησης του ελαίου

137 Εικόνα Σύστημα μέτρησης του όγκου του παραγόμενου βιοαερίου σε ισορροπία Εικόνα Σύστημα μέτρησης του όγκου του παραγόμενου βιοαερίου στην άνω θέση του πλωτήρα

138 Προσδιορισμός γλυκερόλης και 1,3-προπανοδιόλης Ο προσδιορισμός πραγματοποιήθηκε με χρωματογραφία υγρών υψηλής επίδοσης (High Performance Liquid Chromatography HPLC, Ultimate 3000, Dionex, Germring, Germany) με ανιχνευτή δείκτη διάθλασης (Refractive index, RI-101, Shodex, Kawasaki, Kanagawa Japan) και στήλη Aminex HPX-87H (διαστάσεων: 300 mm x 7,8 mm, Bio- Rad, California, USA). Ο όγκος των προς ανάλυση δειγμάτων ήταν 20 μl που προηγουμένως είχε διηθηθεί μέσω ηθμών μεμβράνης Whatman (διαμέτρου πόρων 0,2 μm). Η κινητή φάση αποτελούνταν από υδατικό διάλυμα θειικού οξέος (Η 2 SO 4 ) κανονικότητας 0,006 Ν, ενώ η ροή της κινητής φάσης ήταν 0,7 ml/min και η θερμοκρασία στήλης 60 ο C. Εικόνα Χρωματογραφία υγρών υψηλής επίδοσης (HPLC)

139 Προσδιορισμός ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών Ο προσδιορισμός ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τις μεθόδους 2540D και 2540E, αντίστοιχα, όπως περιγράφονται στο εγχειρίδιο στο «Standard Methods for the examination of water and wastewater» (APHA et al., 1995). Ως ολικά αιωρούμενα στερεά (Total Suspended solids, TSS) χαρακτηρίζονται τα μη διηθούμενα στερεά. Για τον προσδιορισμό τους, γνωστή ποσότητα καλώς αναμεμειγμένου δείγματος, διηθείτο σε προζυγισμένο ηθμό ινών υάλου (Whatman GF/F). Το υλικό που κατακρατούταν στον ηθμό ξηραινόταν μέχρι σταθερού βάρους, σε φούρνο στους o C. Η αύξηση του βάρους του ηθμού αντιστοιχούσε στα ολικά αιωρούμενα στερεά. Τα πτητικά αιωρούμενα στερεά (Volatile Suspended solids, VSS) αποτελούν το κλάσμα των ολικών αιωρούμενων στερεών, το οποίο εξαερώνεται στους 550 o C. Για τον προσδιορισμό τους, ο ηθμός στον οποίο είχαν κατακρατηθεί τα ολικά αιωρούμενα στερεά πυρακτωνόταν, μέχρι σταθερού βάρους σε πυραντήριο στους 550 o C. Η μείωση του βάρους του ηθμού αντιστοιχούσε στα πτητικά αιωρούμενα στερεά. Εικόνα Διαδικασία διήθησης υπό κενό

140 Προσδιορισμός χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) Ως χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) ορίζεται η ισοδύναμη ποσότητα οξυγόνου σε ένα ισχυρό οξειδωτικό μέσο που απαιτείται για την πλήρη χημική οξείδωση των οργανικών συστατικών ενός δείγματος. Η οξείδωση του οργανικού υλικού ενός δείγματος γίνεται από περίσσεια διχρωμικού καλίου (K 2 Cr 2 O 7 ) με θέρμανση στους 160 ο C σε ειδικό φούρνο και σε χρόνο 30 λεπτών σε ισχυρά όξινες συνθήκες (πυκνό H 2 SO 4 ), παρουσία καταλύτη (AgSO 4 ). Για να αποφευχθεί η δέσμευση των ιόντων αργύρου από χλωριούχα, βρωμιούχα και ιωδιούχα ιόντα, που συνήθως υπάρχουν στα διάφορα απόβλητα, προστίθενται ιόντα υδραργύρου (HgSO 4 ), τα οποία σχηματίζουν ίζημα με τα ανιόντα αλογόνων Η γενική αντίδραση οξείδωσης του οργανικού υλικού από τα διχρωμικά ιόντα περιγράφεται από την Εξίσωση : C n H a O b N c + dcr (Εξίσωση ) a + 8d 3c ( dcr O7 + 8d + c) H nco2 + H 2O + cnh όπου: 2n a b c d = Ο προσδιορισμός του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τις μεθόδους που περιγράφονται στο εγχειρίδιο «Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater» (APHA et al., 1995). Πιο συγκεκριμένα, για τον προσδιορισμό του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου εφαρμόσθηκε η μέθοδος της κλειστής επαναρροής με φωτομέτρηση στα 600 nm των παραγόμενων ιόντων Cr 3+ (5220D), κατά την οξείδωση διηθήματος οργανικού δείγματος

141 Εικόνα Φούρνος για τη θέρμαση του διηθημένου οργανικού δείγματος με περίσσεια διχρωμικού καλίου Εικόνα Φωτόμετρο για τον προσδιορισμό του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου Στην προκειμένη περίπτωση πρέπει να σημειωθεί ότι ο ποσοτικός προσδιορισμός της συγκέντρωσης του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου γινόταν στο διαλυτό μέρος του δείγματος του δείγματος (διήθημα) που προέκυπτε μετά από τη διήθηση, υπό κενό, μέσω ηθμού ινών υάλου (φίλτρα της εταιρείας Whatman GF/F, 47 mm)

142 Προσδιορισμός αλκαλικότητας Η μέτρηση της αλκαλικότητας γινόταν με βάση την αναφορά του βιβλίου «Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater» (APHA et al., 1995). Η αλκαλικότητα εκφράζει την ικανότητα ενός διαλύματος να «εξουδετερώνει» οξέα και αντιστοιχεί στο άθροισμα όλων των βασικών ενώσεων στο διάλυμα. Συνήθως το μεγαλύτερο ποσοστό της αλκαλικότητας ενός αποβλήτου οφείλεται στα ανθρακικά (CO 3-2 ), στα όξινα ανθρακικά (ΗCO 3 - ) και στα ιόντα υδροξυλίου (ΟΗ - ). Άλλες ενώσεις που συνεισφέρουν στην αύξηση της αλκαλικότητας είναι τα βορικά, τα φωσφορικά και τα πυριτικά άλατα. Όσον αφορά τη μέτρηση της αλκαλικότητας, όγκος δείγματος 20 ml με ανάδευση, τιτλοδοτείτο με πρότυπο διάλυμα θειικού οξέος κανονικότητας 0,1 Ν μέχρι την τιμή pη=4,5. Η τιμή της αλκαλικότητας, εκφρασμένη σε mg CaCO 3 / L, δίνεται από την Εξίσωση : Αλκαλικότητα = Α*Ν* / V (Εξίσωση ) όπου Α : τα ml του θειικού οξέος που χρησιμοποιήθηκαν για την τιτλοδότηση Ν : η κανονικότητα του θειικού οξεός V : ο όγκος του δείγματος σε ml Μέτρηση ph Η μέτρηση του ph πραγματοποιήθηκε ποτενσιομετρικά, με εμβάπτιση κατάλληλου ηλεκτροδίου (υάλου-ag/agcl) φορητού πεχαμέτρου της εταιρίας Hanna ph 691, στο προς ανάλυση δείγμα όγκου 20 ml

143 Εικόνα Πεχάμετρο Μέτρηση της ειδικής επιφάνειας των φορέων προσκόλλησης Η ειδική επιφάνεια (SBET) και ο όγκος των πόρων (VP) των δειγμάτων προσδιορίστηκαν μέσω απορρόφησης-εκρόφησης αζώτου στους -196 o C, με χρήση του αναλυτή Quantachrome Autosorb-1. Η ειδική επιφάνεια των δειγμάτων υπολογίστηκε με εφαρμογή της μεθόδου ΒΕΤ (Brunauer Emmett Teller) σε έξι διαφορετικές σχετικές πιέσεις αζώτου, στην περιοχή 0,05-0, Εξέταση φορέων προσκόλλησης σε ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο σάρψσης (SEM) και προετοιμασία δειγμάτων Οι κεραμικοί κυλινδρικοί δακτύλιοι (πληρωτικά υλικά), πριν και μετά τη χρήση τους στον αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB), εξετάστηκαν ως προς τη μορφολογία τους με SEM (Scanning Electron Microscope). Στόχος της διαδικασίας ήταν η μικροσκοπική παρατήρηση της επιφάνειας των κεραμικών υλικών, αλλά και της μορφολογίας και της πυκνότητας των μικροοργανισμών που αποίκησαν στους πόρους των φορέων προσκόλλησης. Οι κεραμικοί φορείς που εξετάστηκαν προέρχονταν από τον πυθμένα και από την κορυφή (απορροή) του αντιδραστήρα. Κατά την προετοιμασία των δειγμάτων για το SEM ακολουθήθηκε μια διαδικασία που βασίζεται στις εργασίες των Koch et al., 1991 και Muter et al., Συγκεκριμένα, η

144 διαδικασία προετοιμασίας των κεραμικών φορέων προσκόλλησης για την εξέτασή τους στο SEM περιελάμβανε τα παρακάτω στάδια: Μονιμοποίηση (fixing) με γλουταλδεΰδη (glutaraldehyde) 5% σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών 0,1 Μ, με ph ίσο με 7,2 για 20 ώρες Έκπλυση με απεσταγμένο νερό Επώαση σε υδατικό διάλυμα KCl 2% Αφυδάτωση σε ακετόνη. Η αφυδάτωση έγινε σταδιακά για την αποφυγή συρρίκνωσης των μικροοργανισμών. Έτσι οι φορείς προσκόλλησης επωάστηκαν αρχικά σε διαλύματα ακετόνης. Συγκεκριμένα, σε διάλυμα 40% για 10 min, σε διάλυμα 60% για 10 min, σε διάλυμα 80% για 10 min και τελικά σε καθαρή ακετόνη για 10 min. Εν συνεχεία, οι κεραμικοί φορείς δόθηκαν για εξέταση της μορφολογία τους σε SEM Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή υδρογόνου Πειράματα σε αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής Τα πειράματα που διεξήχθησαν για την παραγωγή του υδρογόνου από την ακατέργαστη βιομηχανική γλυκερόλη πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής, Up-Flow Column Bioreactor (H 2 -UFCB) με ακινητοποιημένους μικτούς μικροβιακούς πληθυσμούς. Για την ακινητοποίηση των μικροβιακών κυττάρων, χρησιμοποιήθηκαν κεραμικοί κυλινδρικοί δακτύλιοι (διάμετρος εξωτερική : 1,5 cm, διάμετρος εσωτερική : 0,9 cm και ύψος : 1,3 cm), με ενεργό επιφάνεια 600 m 2 /L

145 Εικόνα Κεραμικοί κυλινδρικοί δακτύλιοι (poro-rings) Ως εμβόλιο χρησιμοποιήθηκε μια μικτή καλλιέργεια οξεογόνων μικροοργανισμών σε αναλογία 1:5 στο θρεπτικό μέσο, που προέρχεται από αναερόβια λάσπη του Βιολογικού Καθαρισμού του Δήμου Πατρέων και που προηγουμένως υπέστη βρασμό (100 o C) για 20 λεπτά, έτσι ώστε να ανασταλθούν τα μεθανογόνα μικρόβια και να διατηρηθούν μόνο οι σπορογόνοι μικροοργανισμοί (κλωστρίδια). Γενικά, η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής: ο αντιδραστήρας για μία ημέρα λειτούργησε ως αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (batch) προκειμένου να εγκλιματιστούν και να ενεργοποιηθούν οι ενδογενείς μικροοργανισμοί και ακολούθως λειτουργούσε σε συνεχή λειτουργία σε HRT 36 h και pη τροφοδοσίας 6. Η τροφοδοσία ήταν συνεχόμενη σε όλα τα πειράματα που διεξήχθησαν. O αντιδραστήρας ήταν κατασκευασμένος από plexiglas και είχε συνολικό όγκο 2,23 L, ενώ ο ενεργός όγκος ήταν 1,39 L. Οι κεραμικοί δακτύλιοι είχαν όγκο 0,52 L (ή dm 3 ) και μάζα 789,38 g. Ο αντιδραστήρας ήταν κυλινδρικός και περιβαλλόταν από ένα διπλό τοίχωμα, στο εσωτερικό του οποίου έρεε νερό και κατόπιν συνδεόταν με υδατόλουτρο, εξασφαλίζοντας έτσι τις μεσόφιλες συνθήκες (35-37 ο C). Το λουτρό θερμοκρασίας ο C, είναι μια απλή διάταξη ρύθμισης της θερμοκρασίας, όπου με τη βοήθεια του κυκλοφοριακού θερμοστάτη διατηρεί τον αντιδραστήρα στην μεσόφιλη περιοχή

146 Εικόνα Λουτρό θερμοκρασίας ο C Στην επάνω εξωτερική επιφάνειά του, υπήρχε σωληνάκι με ελαστικό υμένιο σιλικόνης (septum) (1) που επέτρεπε τη δειγματοληψία αερίου, ενώ η δειγματοληψία του υγρού (2) και η τροφοδοσία του αντιδραστήρα (3), γινόταν από δυο άλλους σωλήνες από το πλάι του αντιδραστήρα. Εικόνα Αντιδραστήρας κλίνης ανοδικής ροής, όπου (1) η αέρια δειγματοληψία, (2) η υγρή δειγματοληψία και (3) η είσοδος της τροφοδοσίας (με κόκκινο χρώμα)

147 Η τροφοδοσία γινόταν με τη βοήθεια μιας αντλίας. Ο αντιδραστήρας λειτούργησε σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24, 36 και 48 h και η αντλία ήταν έτσι βαθμονομημένη, ώστε να τον τροφοδοτεί συνέχεια για κάθε χρόνο παραμονής. Εικόνα Αντλία σταθερής παροχής τροφοδοσίας Το θρεπτικό μέσο που χρησιμοποιήθηκε σε όλα τα πειράματα, ήταν ένα διάλυμα γλυκερόλης, συγκέντρωσης 10, 15, 20 και 25 g/l σε κάθε περίοδο που μελετήθηκε, το οποίο επίσης συμπληρώθηκε με 0,5-0,75 g/l εκχύλισμα ζύμης, με ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών Κ 2 HPO 4 και ΚH 2 PO 4 (100 ml/l τροφοδοσίας) για ρύθμιση του PH=6, 6,5 και 7, με διάλυμα FeSO 4 7H 2 O (10 ml/l τροφοδοσίας) και διάλυμα ιχνοστοιχείων (10 ml/l τροφοδοσίας). Τα διαλύματα ιχνοστοιχείων, φωσφορικών και FeSO 4 7H 2 O παρασκευάστηκαν ξεχωριστά και είχαν την ακόλουθη σύσταση (g/l): FeSO 4 7H 2 O 0,7, CaCl 2.2H 2 O 22,5, NH 4 Cl 35,9, MgCl 2.6H 2 O 16,2, KCl 117, MnCl 2.4H 2 O 1,8, CoCl 2.6H 2 O 2,7, H 3 BO 3 0,51, CuCl 2.6H 2 O 0,24, Na 2 MoO 4.2H 2 O 0,23, ZnCl 2 0,19, NiCl 2.6H 2 O 0,2, H 2 WO 4 0,01, καθώς επίσης, 37,4, 72,3 και 71,9 Κ 2 HPO 4, 86,8, 44,8 και 38,4 ΚH 2 PO 4 για ρύθμιση ΡΗ=6, 6,5 και 7 αντίστοιχα

148 Ταυτόχρονα με την τροφοδοσία, γινόταν η απορροή του με υπερχείλιση και έτσι ο όγκος του αντιδραστήρα διατηρούταν σταθερός. Η απορροή του αντιδραστήρα συλλεγόταν σε φιάλη απορροής, η οποία ήταν συνδεδεμένη με την διάταξη του κλικογράφου. Η φιάλη που περιείχε την τροφοδοσία, φυλασσόταν σε θερμοκρασία 4 C, εντός ψυγείου, γεγονός που εξασφάλιζε τη συντήρηση των συστατικών της, ενώ επίσης η φιάλη ήταν κλειστή και το οξυγόνο από την υγρή και την αέρια φάση της, είχε απομακρυνθεί μέσω διαβίβασης αδρανούς μίγματος αζώτου/διοξειδίου του άνθρακα (N 2 / CO 2 ). Υγρά και αέρια δείγματα λαμβάνονταν καθημερινά σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή σε όλη την διαδικασία των πειραμάτων. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής περιόδου, η κατάσταση του αντιδραστήρα ελεγχόταν καθημερινά μέσω μέτρησης του ρυθμού του παραγόμενου βιοαερίου και της σύστασής του σε υδρογόνο, του ph, της συγκέντρωσης της γλυκερόλης, της 1,3-προπανοδιόλης, του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, της αιθανόλης, των πτητικών λιπαρών οξέων, των ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών. Πλήρης χαρακτηρισμός της υγρής και αέριας φάσης του αντιδραστήρα πραγματοποιούταν σε περιόδους μόνιμης κατάστασης. Μόνιμη κατάσταση στην περίπτωση αυτή σήμαινε σταθερή κατάσταση του αντιδραστήρα σε καθημερινή βάση και η μέση τιμή των ελεγχόμενων παραμέτρων να έχει πολύ μικρή διακύμανση (μικρότερη από 10%) Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος Για την μελέτη της κινητικής ανάπτυξης των μικροοργανισμών, της κατανάλωσης γλυκερόλης, καθώς και για την εύρεση της κατανομής των προϊόντων, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch)

149 Η διάταξη των αντιδραστήρων ήταν απλή αφού επρόκειτο για κωνικές φιάλες όγκου 1,23 L η καθεμιά και ενεργού όγκου 0,55 L με μεγάλη ανθεκτικότητα σε υψηλή θερμοκρασία και μεγάλη πίεση (Εικόνα (1) ). Κατά την διεξαγωγή του πειράματος, ο αντιδραστήρας ήταν τοποθετημένος πάνω σε μαγνητικό αναδευτήρα, έτσι ώστε να εξασφαλιστούν οι συνθήκες ανάμιξης και μέσα σε επωαστήρα που λειτουργούσε σταθερά στους 35 o C. Επιπλέον, ο αντιδραστήρας παρείχε τη δυνατότητα της δειγματοληψίας υγρού και αέριου δείγματος. Συγκεκριμένα, κατά την διεξαγωγή των πειραμάτων, πραγματοποιούταν ανάμιξη 50 ml απορροής του Η 2 -UFCB, που λειτουργούσε σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 24, 36 και 48 h σε μόνιμη κατάσταση, με συγκέντρωση υποστρώματος (ακατέργαστης γλυκερόλης) 10, 15, 20 και 25 g/l και ρυθμιστικού διαλύματος αποτελούμενου από Κ 2 ΗΡΟ 4 και ΚΗ 2 ΡΟ 4, προκειμένου το ph να κυμαίνεται στα επιθυμητά επίπεδα (6, 6,5 και 7 αντίστοιχα). Επιπρόσθετα, γινόταν η προσθήκη διαλύματος ιχνοστοιχείων, εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) και διαλύματος FeSO 4 7H 2 O. Οι συγκεντρώσεις αυτών (g/l) περιγράφονται στα πειράματα αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής. Κατά τη διάρκεια της ανάμιξης, διαβιβαζόταν στον αντιδραστήρα αέριο μίγμα αζώτου-διοξειδίου του άνθρακα, έτσι ώστε να εξασφαλιστούν οι αναερόβιες συνθήκες. Επίσης, σε όλη τη φάση του πειράματος, πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός της υγρής και αέριας φάσης του αντιδραστήρα, όπως αναφέρεται στα πειράματα του αντιδραστρήρα του H 2 -UFCB Προσδιορισμός βέλτιστων συνθηκών Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (γυάλινα φιαλίδια serum bottles), όγκου 160 ml και ενεργού όγκου 50 ml για την μελέτη της επίδρασης του ρυθμιστικού διαλύματος νατρίου και καλίου συναρτήσει της αρχικής συγκέντρωσης του υποστρώματος στην παραγωγή των μεταβολικών προϊόντων, όπου χρησιμοποιήθηκαν πέντε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις γλυκερόλης: 10, 15, 20, 25 και 30 g/l. Εξετάστηκαν δυο διαφορετικά ρυθμιστικά διαλύματα φωσφορικών: (Na 2 HPO 4 ). 2H 2 O και (NaH 2 PO 4 ). 2H 2 O με 41,6 και 72,6 g/l αντίστοιχα και Κ 2 HPO 4 και ΚH 2 PO 4 με 37,4 και 86,8 g/l με τιμή ph 6 και στα δύο

150 Στους αντιδραστήρες (Εικόνα (2) ) προστέθηκαν 50 ml θρεπτικού μέσου, παρόμοιας σύστασης με αυτή που αναφέρθηκε για τα πειράματα του αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB), με τη διαφορά ότι η ποσότητα του εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) στα συγκεκριμένα πειράματα ήταν 1,5 g/l. Η εκκίνηση των αντιδραστήρων διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκε με εμβόλιο 5 ml από την απορροή του αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής Η 2 -UFCB. Εν συνεχεία, διοχετεύθηκε αέριο μίγμα N 2 /CO 2 (70/30 %) στους αντιδραστήρες για την απομάκρυνση του αέρα και την εξασφάλιση αναερόβιων συνθηκών. Οι αντιδραστήρες σφραγίστηκαν ερμητικά με ελαστική φλάντζα και τάπα αλουμινίου. Κατόπιν τοποθετήθηκαν σε φούρνο/επωαστήρα, ρυθμισμένο στους 35 ο C, υπό συνεχή ανάδευση. Η δειγματοληψία γινόταν κάθε 24 ώρες. Για την επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης υποστρώματος (10 και 20 g/l), στην πορεία ζύμωσης, σε διαφορετικές αρχικές συνθήκες ph, πραγματοποιήθηκαν εκ νέου πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (φιαλίδια serum bottles), όγκου 160 ml και ενεργού όγκου 50 ml, όπου η τιμή του ph του ρυθμιστικού διαλύματος που εξετάστηκε σε κάθε περίπτωση ήταν 6, 6,5 και 7. Μελετήθηκε, ανάλογα με τη συγκέντρωση του υποστρώματος, η κατανάλωση της γλυκερόλης, η κατανομή των μεταβολικών προϊόντων καθώς και η παραγωγικότητα του υδρογόνου σε σχέση με την τιμή του ph. Και σε αυτά τα πειράματα έγινε προσθήκη διαλύματος ιχνοστοιχείων, εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract), διαλύματος FeSO 4.7H 2 O και απορροής από το Η 2 - UFCB (5 ml εμβόλιο), σύμφωνα με τις αναλογίες που αναφέρθηκαν για τα πειράματα του αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής. Οι αντιδραστήρες παρείχαν τη δυνατότητα της δειγματοληψίας υγρού και αέριου δείγματος σε τακτά χρονικά διαστήματα. Πρέπει να αναφερθεί ότι οι αντιδραστήρες (Εικόνα (2) ) διέθεταν ελαστικά πώματα απ όπου διεξαγόταν δειγματοληψία υγρών και αερίων δειγμάτων μέσω αποστειρωμένης σύριγγας μιας χρήσεως. Τα συγκεκριμένα πώματα ήταν σφραγισμένα με πώματα από αλουμίνιο, προκειμένου να επιτρέπεται η ανάπτυξη μεγάλων πιέσεων στο εσωτερικό των αντιδραστήρων

151 Εικόνα Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 3.4. Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή μεθανίου Πειράματα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας Αυτά τα πειράματα διεξήχθησαν σε μεσόφιλο (35 ο C) αντιδραστήρα CH 4 -CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), o οποίος είχε 3 L ενεργό όγκο και συνολικό 5 L. Ο αντιδραστήρας ήταν κυλινδρικού σχήματος και εξωτερικά περιβαλλόταν από έναν μανδύα, στον οποίο κυκλοφορούσε νερό, το οποίο μέσω μιας απλής διάταξης ρύθμισης της θερμοκρασίας του (Εικόνα ), διατηρούσε τον χωνευτήρα στην μεσόφιλη περιοχή ανάπτυξης των μεθανογόνων μικροοργανισμών. Στο επάνω μέρος του χωνευτήρα υπήρχαν τρεις οπές: α) για την είσοδο της τροφοδοσίας, β) για την έξοδο της διφασικής απορροής (υγρή και αέρια) και γ) η οπή για τη λήψη υγρής δειγματοληψίας

152 Εικόνα Αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας: (1) η είσοδος της τροφοδοσίας, (2) η υγρή δειγματοληψία, (3) η έξοδος της απορροής και (4) η φιάλη της απορροής (με κόκκινο χρώμα) Η εκκίνηση του αντιδραστήρα έγινε με εμβολιασμό αναερόβιας βιομάζας μεικτής καλλιέργειας μικροοργανισμών από βιολογική μονάδα επεξεργασίας αστικών λυμάτων του Δήμου Πατρέων. Η τροφοδοσία του αντιδραστήρα γινόταν μέσω περισταλτικής αντλίας και ήταν διακοπτόμενη, δηλαδή λειτουργούσε για ένα λεπτό, και γινόταν 3 φορές την ημέρα (ανά 8 ώρες), ενώ αντίστοιχα ο υδραυλικός χρόνος παραμονής ήταν 20 d

153 Εικόνα Περισταλτική αντλία: (1) είναι η είσοδος και (2) η έξοδος της τροφοδοσίας (με κόκκινο χρώμα) Το μίγμα τροφοδοσίας ήταν διάλυμα γλυκερόλης, εμπορικής αρχικά και αργότερα βιομηχανικής (ακατέργαστης, προερχόμενης από την εταιρεία παραγωγής «ΠΕΤΤΑΣ Ν. ΠΑΥΛΟΣ ΑΒΕΕ») με συγκέντρωση 5g COD/L, 1,18 g/l (NH 4 ) 2 HPO 4, 5,5 g/l NaHCO 3, 0,3 g/l yeast extract, 10 ml/l ιχνοστοιχεία (η σύσταση των οποίων αναφέρεται στα πειράματα του αντιδραστήρα ανοδικής κλίνης-υδρογονοπαραγωγός) και διατηρούταν στο ψυγείο (4 ο C), γεγονός που εξασφάλιζε τη συντήρηση των συστατικών της, ενώ επίσης η φιάλη ήταν κλειστή και το οξυγόνο από την υγρή και την αέρια φάση της, είχε απομακρυνθεί μέσω διαβίβασης αδρανούς μίγματος αζώτου/διοξειδίου του άνθρακα (N 2 /CO 2 ). Έν συνεχεία, η γλυκερόλη αντικαταστάθηκε στην τροφοδοσία από διάλυμα ανάμιξης των απορροών του H 2 -UFCB με αραίωση και σε συγκέντρωση 5, 7,5 και 10 g COD/L και εν τέλει εξ ολοκλήρου με την απορροή από τον αντιδραστήρα H 2 -UFCB. Στην τροφοδοσία του αναερόβιου χωνευτήρα δεν προσετίθεντο θρεπτικά συστατικά, διότι

154 τέτοια προσθήκη γινόταν στην τροφοδοσία του H 2 -UFCB. Πρέπει να επισημανθεί, ότι οι δύο αντιδραστήρες (H 2 -UFCB και CH 4 -CSTR) δεν ήταν συζευγμένοι, αλλά γινόταν συλλογή, αποθήκευση σε δοχεία στους -20º C και ομογενοποίηση της απορροής του H 2 - UFCB, λίγο πριν τη χρήση της. Η κατάσταση του αντιδραστήρα, ελεγχόταν 4 φορές την εβδομάδα, με μετρήσεις του ρυθμού παραγωγής βιοαερίου και της περιεκτικότητάς του σε μεθάνιο, του ph, της αλκαλικότητας, των ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, της συγκέντρωσης του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου και των πτητικών λιπαρών οξέων. Πρέπει να σημειωθεί ότι αναλύσεις που πραγματοποιήθησαν για όλες τις περιπτώσεις οργανικής φόρτισης του μεθανογόνου, έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις σε πτητικά λιπαρά οξέα, γλυκερόλη, προπανοδιόλη και αιθανόλη δεν ήταν ανιχνεύσιμες, εν αντιθέσει με τον υδρογονοπαραγωγό (Η 2 -UFCB). Ο τελικός στόχος ήταν να μελετηθεί η παραγωγή του βιοαερίου-βιομεθανίου στο αναερόβιο σύστημα μέχρι το στάδιο παροχής 100% της αναμεμιγμένης απορροής (χωρίς να αραιώνεται η τροφοδοσία). Τέλος, σε περιόδους μόνιμης κατάστασης, γινόταν πλήρης χαρακτηρισμός της υγρής και αέριας φάσης του αντιδραστήρα Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για την εύρεση μεθανογόνου δυναμικού Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με διπλή επανάληψη στους 35º C σε φιαλίδια τύπου serum vials των 160 ml, έτσι ώστε να υπολογιστεί η δυναμικότητα σε μεθάνιο της αναερόβιας καλλιέργειας από την εμπορική γλυκερόλη, τη βιομηχανική γλυκερόλη, την απορροή του H 2 -UFCB και την 1,3- προπανοδιόλη. Για την διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν στο κάθε φιαλίδιο: αναερόβια λάσπη από το Βιολογικό Καθαρισμό του Δήμου Πατρέων, το θρεπτικό υπόστρωμα (εμπορική γλυκερόλη, βιομηχανική γλυκερόλη, απορροή του H 2 -UFCB, την 1,3- προπανοδιόλη και τη γλυκόζη, σε συγκέντρωση 2 g COD/L και ως τυφλό απιονισμένο

155 νερό (1D), διάλυμα ιχνοστοιχείων (όπως αναφέρεται στην Ενότητα για τα πειράματα του H 2 -UFCB), διάλυμα FeSO 4.7H 2 O συγκέντρωσης 7 g/l και διάλυμα (ΝΗ 4 ) 2 ΗΡΟ 4 συγκέντρωσης 7,21 g/l. Σε όλα τα φιαλίδια έγινε προσθήκη 0,5 ml Νa 2 S ως αναγωγικού μέσου, ενώ το περιεχόμενό τους απαλλάχθηκε από οξυγόνο, μέσω διαβίβασης αερίου μίγματος N 2 /CO 2. Μετρήσεις μεθανίου ελήφθησαν με το χρόνο. Εικόνα Αντιδραστήρες διαλείποντος έγου για την εύρεση μεθανογόνου δυναμικού

156 3.5. Λογισμικό Aquasim Το μαθηματικό πακέτο λογισμικού AQUASIM 2.0 (Reichert et al., 1998) χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της παρούσας διατριβής. Το λογισμικό αυτό αναπτύχθηκε από το Ελβετικό Ινστιτούτο Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG) και κρίνεται κατάλληλο για την προσομοίωση υδατικών συστημάτων. Είναι ειδικά σχεδιασμένο για την επίλυση τόσο διαφορικών όσο και αλγεβρικών εξισώσεων, βάσει του αλγορίθμου DASSL (Petzold et al., 1983). Για την εύρεση της βέλτιστης τιμής διαφόρων παραμέτρων του μοντέλου χρησιμοποιείται το κριτήριο ελαχιστοποίησης του αθροίσματος των τετραγώνων των σταθμισμένων διαφορών με βάση την τιμή της τυπικής απόκλισης: i= 1 y y ( p n 2 meas, i i ) x ( p) = σ meas, i 2 (Εξίσωση ) όπου: y meas,i : η μέτρηση, σ meas,i : η τυπική της απόκλιση, y i (p): η υπολογιζόμενη τιμή του μοντέλου, που αντιστοιχεί στην μέτρηση και υπολογιζόμενη στον χρόνο και τη θέση της αντίστοιχης μέτρησής της, p = ( p 1,,p m ) : οι παράμετροι του μοντέλου και n : ο αριθμός των πειραματικών δεδομένων. Η τυπική απόκλιση των μετρήσεων, σ meas,i, επιλέγεται να είναι ίδια για όλες τις διαθέσιμες μετρήσεις, καθώς κάθε μία εξ αυτών θεωρείται εξίσου αξιόπιστη. Επίσης η τυπική απόκλιση της κάθε κατάστασης του μοντέλου y δίνεται από τη σχέση: 2 m y 2 σ y = σ pi (Εξίσωση ) i= 1 pi

157 όπου p i : οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτάται κάθε κατάσταση του μοντέλου και σ pi : η τυπική απόκλιση της κάθε παραμέτρου Το σ pi ορίζεται κατά την έναρξη της διαδικασίας του προσδιορισμού. Το Aquasim ελαχιστοποιεί το άθροισμα των τετραγώνων της παραπάνω εξίσωσης υπό τον περιορισμό p min, i p p όπου p min,i και p max,i : η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή των παραμέτρων i max, i του μοντέλου p i και πρέπει να καθοριστούν πριν την έναρξη της διαδικασίας του προσδιορισμού τους. Η ελαχιστοποίηση του αθροίσματος των τετραγώνων των σταθμισμένων αποκλίσεων γίνεται επιλέγοντας μεταξύ δύο διαθέσιμων αλγορίθμων, όπου ο ένας είναι ο αλγόριθμος simplex και ο άλλος είναι ο αλγόριθμος της χορδής. Το πλεονέκτημα της μεθόδου simplex είναι ότι μπορεί να εφαρμοστεί ακόμα και στην περίπτωση όπου οι αρχικές τιμές των παραμέτρων είναι πολύ μακριά από αυτές που οδηγούν στην ελαχιστοποίηση του αθροίσματος των τετραγώνων, όπου οι αρχικές τιμές απέχουν πολύ από τις λύσεις. Εν αντιθέσει, η μέθοδος secant έχει πρόβλημα με τις μη ακριβείς αρχικές τιμές, αλλά οδηγεί πιο γρήγορα και πιο κοντά σε ένα καλά καθορισμένο ελάχιστο (σε μία βέλτιστη λύση). Στις προσαρμογές που ακολουθούν χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος secant

158

159 Κεφάλαιο 4. Παραγωγή υδρογόνου από γλυκερόλη 4.1. Εισαγωγή Όπως αναφέρεται στο Κεφάλαιο 1, μια από της πλέον ελπιδοφόρες μεθόδους αξιοποίησης της ακατέργαστης γλυκερόλης είναι η δυνατότητα της βιομετατροπής της σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας, μέσω των μικροβιακών ζυμώσεων. Επιπλέον. είναι εφικτή η αναερόβια αποικοδόμηση της βιομηχανικής γλυκερόλης μέσω της διεργασίας της οξεογένεσης, με επόμενο στάδιο την μεθανογένεση, για την παραγωγή βιοαερίου, αποτελούμενου από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (Antoni et al., 2007). Εξ αυτών των κατευθύνσεων, το μεγαλύτερο ενδιαφέρον και ιδιαιτέρως από πλευράς δυνατότητας εφαρμογής της διεργασίας σε βιομηχανική κλίμακα, συγκεντρώνει η βιοτεχνολογική μετατροπή της βιομηχανικής γλυκερόλης σε 1,3-προπανοδιόλη, συμπεριλαμβανομένων και άλλων δευτερευόντων προϊόντων όπως οξικό οξύ, βουτυρικό οξύ, αιθανόλη, 2,3-βουτανοδιόλη και υδρογόνο (Deckwer et al., 1995, Biebl et al., 1999, Zeng et al., 2002, Zeng et al., 2011). Στο Κεφάλαιο αυτό μελετάται η παραγωγή υδρογόνου από ακατέργαστη γλυκερόλη σε συνεχή αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB) με χρήση μικτής καλλιέργειας μικροοργανισμών από το Βιολογικό Καθαρισμό του Δήμου Πατρέων, αλλά και σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Επιπρόσθετα, διεξήχθησαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου όπου μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής φόρτισης υποστρώματος, του ph και του είδους ρυθμιστικού διαλύματος της τροφοδοσίας στην παραγωγή προϊόντων υψηλής αξίας Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου σε συνεχή αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H 2 -UFCB) Για τη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε ο συνεχής υδρογονοπαραγωγός αντιδραστήρας (H 2 -UFCB), που περιγράφτηκε στο Κεφάλαιο 4 και λειτούργησε σε μόνιμη κατάσταση σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24, 36, και

160 48 h. Στον Πίνακα παρουσιάζονται τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα, σε όλες τις χρονικές περιόδους που μελετήθηκαν. Πίνακας Λειτουργικά χαρακτηριστικά του H 2 - UFCB Χρονικές περίοδοι Παράμετροι Α Β Γ * Δ Ε Ζ Η Θ Συγκέντρωση ακατέργαστης γλυκερόλης (g/l) HRT (h) ph τροφοδοσίας OLR (g CODL -1 reactor d -1 ) 9,2 12,3 14,1 9,4 19,4 21,6 21,9 28,7 (*) αύξηση yeast extract από την περίοδο Γ και μετά Είναι γεγονός πως δεν ανιχνεύτηκε μεθάνιο στο παραγόμενο βιοαέριο σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συνεχούς αντιδραστήρα H 2 -UFCB. Αυτό οφείλεται στο ότι η μικτή καλλιέργεια οξεογόνων μικροοργανισμών που προέρχεται από αναερόβια λάσπη υπέστη βρασμό (100 o C) για 20 λεπτά, έτσι ώστε να καταστραφούν τα μεθανογόνα μικρόβια και να διατηρηθούν μόνο οι σπορογόνοι μικροοργανισμοί (βασικά κλωστρίδια), αλλά και στις συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα (χαμηλοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής και χαμηλό ph) (Sparling et al., 1997). Στο Σχήμα παρουσιάζεται η ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο. Η σύσταση του βιοαερίου σε υδρογόνο, κυμάνθηκε από 40 έως και 45% για όλες τις χρονικές περιόδους. Στα Σχήματα , και παρουσιάζονται η συγκέντρωση της γλυκερόλης στον αντιδραστήρα και στην τροφοδοσία, η ποσοστιαία (%) κατανάλωση της γλυκερόλης στον αντιδραστήρα καθώς και η μεταβολή του ph με το χρόνο, στον αντιδραστήρα και στην τροφοδοσία, για όλες τις χρονικές περιόδους

161 ποσοστό Η2 (%) (A) (B) (Γ) ( ) (E) (Ζ) (Η) (Θ) χρόνος (d) Σχήμα Ποσοστό υδρογόνου στο παραγόμενο βιοαέριο σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους

162 30 τροφοδοσία αντιδραστήρας Συγκέντρωση γλυκερόλης (g/l) (A) (B) (Γ) ( ) (E) (Ζ) (Η) (Θ) χρόνος (d) Σχήμα Συγκέντρωση γλυκερόλης στην τροφοδοσία και στον αντιδραστήρα (g/l) συναρτήσει του χρόνου για όλες τις χρονικές περιόδους

163 100 κατανάλωση γλυκερόλης (%) Α Β Γ Ε Ζ Η Θ χρoνικές περίοδοι Σχήμα Η κατανάλωση της γλυκερόλης στον αντιδραστήρα για όλες τις χρονικές περιόδους

164 8,0 αντιδραστήρας τροφοδοσία 7,5 7,0 (A) (E) (Ζ) (Η) (Θ) 6,5 (B) (Γ) ( ) ph 6,0 5,5 5,0 4,5 4, χρόνος (d) Σχήμα Μεταβολή του ph για τον αντιδραστήρα και την τροφοδοσία σε συνάρτηση με το χρόνο για όλες τις χρονικές περιόδους Ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την παραγωγή του υδρογόνου είναι η επίδραση του ph στην κατανάλωση του υποστρώματος και όπως παρατηρείται από το Σχήμα υπάρχει μια αλληλεπίδραση ανάμεσα στο ph του αντιδραστήρα και του ph στην τροφοδοσία, όπως και με την κατανάλωση της γλυκερόλης. Στο Σχήμα διακρίνετ&al