ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ"

Transcript

1 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΓΕΩΡΓΙΑ Α. ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΥ Για την απόκτηση του Τίτλου του Διδάκτορα του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006

2 Στους γονείς μου, Άγγελο και Μαρία 2

3 Πρόλογος Αρκετά άτομα έχουν συμβάλλει στην περάτωση της Διδακτορικής μου Διατριβής και από τη θέση αυτή, θα ήθελα να τους ευχαριστήσω. Ευχαριστώ θερμά τον Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, κ. Γεράσιμο Λυμπεράτο, που επέβλεψε την εργασία μου όλ αυτά τα χρόνια και του οποίου οι συμβουλές και η καθοδήγηση υπήρξαν πολύτιμες και καθοριστικές για την ολοκλήρωσή της. Ευχαριστώ επίσης την κ. Χαρίκλεια Γαβαλά, Διδάκτορα του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, για την άψογη συνεργασία μας και την ενεργό βοήθειά της, καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας μου. Ευχαριστώ επίσης τους Καθηγητές του τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Σ. Παύλου και κ. Κ. Κράβαρη, τον επίκουρο καθηγητή του τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Ι. Κούκο, τον Λέκτορα του Τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Μ. Κορνάρο, τον Αναπληρωτή Καθηγητή του τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων κ. Δ. Βαγενά και τον Επίκουρο καθηγητή του τμήματος Βιολογίας, κ. Κώστα Αγγελόπουλο για την πρόθυμη συμμετοχή τους στην εξεταστική επιτροπή. Ευχαριστώ επίσης τον κ. Ιωάννη Σκιαδά και την κ. Κατερίνα Σταματελάτου, Διδάκτορες του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, καθώς και τον επίκουρο καθηγητή του τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Ι. Κούκο, για τις πολύτιμες συμβουλές τους, στα θέματα της εργασίας μου. Ευχαριστώ πολύ όλα τα παιδια του εργαστηρίου Βιοχημικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος, και ιδιαίτερα τον καλό μου φίλο Δρ. Σ. Δοκιανάκη, για την αλληλοστήριξη και την καλή συνεργασία μας, αυτά τα χρόνια. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τους γονείς μου, Άγγελο και Μαρία για την τεράστια αγάπη και την αμέριστη ηθική συμπαράσταση, καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Ευχαριστώ θερμά την αδερφή μου, Γιάννα, για ότι έχει κάνει για μένα μέχρι σήμερα, αλλά και για την πολύτιμη και έμπρακτη βοήθειά της, κατά τη διάρκεια εκπόνησης της Διδακτορικής μου Διατριβής. Τέλος, ευχαριστώ το Μάριο, γιατί ήταν δίπλα μου όλα αυτά τα χρόνια και όλους τους καλούς μου φίλους, γιατί μου συμπαραστάθηκαν και με βοήθησαν ηθικά να ολοκληρώσω την παρούσα εργασία. 3

4 Σύντομο Βιογραφικό Σημείωμα Όνοματεπώνυμο : Aντωνοπούλου Γεωργία Όνομα πάτρος : Άγγελος Όνομα μητρός : Μαρία Ημ/νια γέννησης : 29 /6 /1978 Διεύθυνση : Παπαντώνη 20, Πάτρα ΣΠΟΥΔΕΣ 1996 : Αποφοίτηση από το 8 ο Γενικό Λύκειο Πατρών με βαθμό «Άριστα» : Εκπόνηση διπλωματικής εργασίας με τίτλο: «Εκλεκτική οξείδωση του CO παρουσία περίσσειας Η 2 με καταλύτες CuO CeO 2». Υπεύθυνος Καθηγητής : Σ. Μπεμπέλης Απρίλιος 2003 : Απόκτηση διπλώματος από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, με βαθμό σήμερα : Υποψήφια διδάκτορας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΞΕΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ Αγγλικά (Cambridge First Certificate in English (Lower), Δεκέμβριος 1993) Ιταλικά (Palso Certificato Medio, Μάϊος 2001) 4

5 ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ G. Antonopoulou, I. Ntaikou, H.N. Gavala, I.V. Skiadas, K. Angelopoulos, G. Lyberatos. Biohydrogen production from sweet sorghum biomass using mixed acidogenic cultures and pure cultures of Ruminococcus Albus. Global NEST, Aceepted. G. Antonopoulou, H.N. Gavala, I.V. Skiadas, K. Angelopoulos, G. Lyberatos. Biofuels generation from sweet sorghum: fermentative hydrogen production and anaerobic digestion of the remaining biomass. Bioresource Technology, Αccepted. In preparation G. Antonopoulou, H.N. Gavala, I.V. Skiadas, G. Lyberatos. Biofuels generation from sweet sorghum, part A: Modelling of fermentative hydrogen production based on modified ADM1. G. Antonopoulou, H.N. Gavala, I.V. Skiadas, G. Lyberatos. Biofuels generation from sweet sorghum, part B: Modelling of the methane production from the hydrogenogenic process effluent using ADM1. ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΕΙΣ ΣΕ ΣΥΝΕΔΡΙΑ Γ. Αντωνοπούλου, Χ. Κάλφας, Ε. Κ. Κουτρούλη, Χ. Γαβαλά, Ι. Σκιαδάς και Γ. Λυμπεράτος. Συνδυασμένη βιολογική παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου από βιομάζα. 5 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, Θεσσαλονίκη, Μαΐου 2005, G. Lyberatos, G. Antonopoulou, E. Koutrouli, H. Kalfas, H. Gavala, and I Skiadas. Gaseous Biofuels Production from Sweet Sorghum and Olive Pulp. AIChE Annual meeting San Francisco, CA. November

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Βιομάζα και βιοκαύσιμα Εισαγωγή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Γενικά Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας στην Ελλάδα Βιομάζα Γενικά Παγκόσμιο και Ελληνικό Δυναμικό σε βιομάζα Μέθοδοι επεξεργασίας της βιομάζας Τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας στην Ελλάδα Βιοκαύσιμa Ενεργειακές καλλιέργειες To γλυκό σόργο Παραγωγή βιοκαυσίμων από γλυκό σόργο Αναερόβια χώνευση Εισαγωγή Μικροβιολογία και στάδια αναερόβιας χώνευσης Γενική περιγραφή της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Γενικά χαρακτηριστικά μικροοργανισμών Μικροβιολογία της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Μη μεθανογόνοι μικροοργανισμοί στην αναερόβια χώνευση Μεταβολισμός μη μεθανογόνων μικροοργανισμών Μικροβιολογία μεθανογόνων μικροοργανισμών Υποστρώματα για αναερόβια χώνευση Συστήματα αναερόβιας χώνευσης Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Η θερμοκρασία To ph και η αλκαλικότητα Τα θρεπτικά Οι τοξικές ουσίες Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής

7 3. Υδρογόνο Εισαγωγή Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας Μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου Γενικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου Θερμοχημικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου από βιομάζα Παραγωγή υδρογόνου μέσω πυρόλυσης της βιομάζας Παραγωγή υδρογόνου μέσω αεριοποίησης της βιομάζας Βιολογικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου Φορείς ηλεκτρονίων και ενέργειας Μικροοργανισμοί που παράγουν υδρογόνο Μέθοδοι βιολογικής παραγωγής υδρογόνου Παραγωγή υδρογόνου με άμεση βιοφωτόλυση Παραγωγή υδρογόνου με έμμεση βιοφωτόλυση Παραγωγή υδρογόνου μέσω βιολογικής water-gas shift αντίδρασης Παραγωγή υδρογόνου μέσω φωτοετεροτροφικής ζύμωσης Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Εισαγωγή Μικροβιολογία της ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου Μικροοργανισμοί και υποστρώματα για τη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου Συστήματα για τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Εκκίνηση (Start up ) βιοαντιδραστήρων παραγωγής υδρογόνου Παράγοντες που επηρεάζουν τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Το ph O υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) Η συγκέντρωση του υποστρώματος και των θρεπτικών Η μερική πίεση της συγκέντρωσης του υδρογόνου και η ανάδευση Η θερμοκρασία Οι μικροοργανισμοί χρήστες υδρογόνου και οι παρεμποδιστές Αλλαγή μικροβιακού πληθυσμού 74 7

8 3.5 Συνδυασμένη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου Μοντέλα και κινητική στην αναερόβια χώνευση Κινητική ανάπτυξης μικροοργανισμών Γενικά Κινητική παρεμπόδισης Κινητική των επί μέρους σταδίων της αναερόβιας χώνευσης Κινητική υδρόλυσης στερεού οργανικού υλικού Κινητική οξεογένεσης Κινητική οξικογένεσης Κινητική μεθανογένεσης Συνολική κινητική αναερόβιας χώνευσης Μαθηματικά μοντέλα για προσομοίωση της αναερόβιας χώνευσης Μοντέλα που θεωρούν κινητική παρεμπόδισης από τη συγκέντρωση αδιάστατων και ολικών πτητικών λιπαρών οξέων Μοντέλα που θεωρούν διαφορετική σύνθεση αποβλήτου Μοντέλα που επηρεάζονται από τη μερική πίεση του υδρογόνου Μοντέλα που επηρεάζονται από τη συγκέντρωση αμμωνίας Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) Οξεογένεση από μονοσακχαρίτες με βάση το ADM Eφαρμογή του ADM1 για την προσομοίωση συστημάτων παραγωγής Υδρογόνου 95 5.Υλικά και Μέθοδοι Γλυκό Σόργο Καλλιέργεια γλυκού σόργου Εκχύλιση διαλυτών σακχάρων του γλυκού σόργου Αναλυτικές μέθοδοι προσδιορισμού διαφόρων παραμέτρων Γενικά Αέρια χρωματογραφία Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων αιθανόλης βουτανόλης Μέτρηση σύστασης βιοαερίου, σε υδρογόνο και μεθάνιο Μέτρηση παροχής βιοαερίου Ιοντική χρωματογραφία Μέτρηση γαλακτικού και μυρμηκικού οξέος

9 5.2.5 Προσδιορισμός της υγρασίας και των ολικών στερεών Προσδιορισμός ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών Προσδιορισμός χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (ΧΑΟ) Προσδιορισμός ολικού αζώτου κατά Kjeldahl Προσδιορισμός ολικού φωσφόρου Προσδιορισμός αλκαλικότητας Προσδιορισμός υδατανθράκων Μέτρηση ph Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή υδρογόνου Πειράματα σε συνεχή αντιδραστήρα Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες για την παραγωγή Μεθανίου Πειράματα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Για την εύρεση κινητικών παραμέτρων Για την εύρεση του μεθανογόνου δυναμικού Θερμική προεπεξεργασία Λογισμικό Aquasim Παραγωγή υδρογόνου από γλυκό σόργο Εισαγωγή Χαρακτηρισμός γλυκού σόργου Χαρακτηρισμός εκχυλίσματος σόργου Συνεχής ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από εκχύλισμα σόργου Παρουσίαση αποτελεσμάτων Ανάλυση αποτελεσμάτων Παραγωγή υδρογόνου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Παρουσίαση αποτελεσμάτων Πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά προερχόμενη από τον H 2 -CSTR σε HRT=12h Πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά προερχόμενη από τον H 2 -CSTR σε HRT=8h

10 Πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά προερχόμενη από τον H 2 -CSTR, σε HRT=6h Πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά προερχόμενη από τον H 2 -CSTR σε HRT=4h Ανάλυση αποτελεσμάτων Επίδραση pη Πρώτο πείραμα αύξησης του ph Δεύτερο πείραμα αύξησης του ph Ανάλυση αποτελεσμάτων Μελέτη επίδρασης ρυθμιστικού διαλύματος Παρουσίαση αποτελεσμάτων Ανάλυση αποτελεσμάτων Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος Πρώτο πείραμα: Επίδραση χαμηλής συγκέντρωσης υδατανθράκων Δεύτερο πείραμα: Επίδραση υψηλής συγκέντρωσης υδατανθράκων Ανάλυση αποτελεσμάτων Κατανάλωση υδρογόνου Παραγωγή μεθανίου από γλυκό σόργο Εισαγωγή Συνεχής παραγωγή μεθανίου από την απορροή του H 2 -CSTR Παρουσίαση αποτελεσμάτων Ανάλυση αποτελεσμάτων Κινητικά πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσμάτων Πειράματα διαλείποντος έργου με οξικό οξύ Πειράματα διαλείποντος έργου με βουτυρικό οξύ Πειράματα διαλείποντος έργου με προπιονικό οξύ Πειράματα διαλείποντος έργου με υδρογόνο Προσδιορισμός μεθανογόνου δυναμικού σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσμάτων Επίδραση θερμικής προεπεξεργασίας

11 8. Μαθηματική προομοίωση της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Εισαγωγή Αρχικές συνθήκες και δεδομένα εισόδου Προσδιορισμός κινητικών παραμέτρων Προσδιορισμός παραμέτρου k m_ac Προσδιορισμός παραμέτρου k m_bu Προσδιορισμός παραμέτρου k m_pro Προσδιορισμός παραμέτρου k m_h Σύνοψη των υπολογιζόμενων παραμέτρων Πρόβλεψη μοντέλου για τη συνεχή διεργασία παραγωγής μεθανίου από την απορροή του H 2 -CSTR Μαθηματική προσομοίωση της ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου από εκχύλισμα σόργου Εισαγωγή Αρχικές συνθήκες και δεδομένα εισόδου Εφαρμογή του μοντέλου ADM1 στη διεργασία παραγωγής υδρογόνου Εισαγωγή Προσδιορισμός παραμέτρου k m_su Προσδιορισμός στοιχειομετρικών συντελεστών Τροποποίηση του ADM1 για την περιγραφή της διεργασίας παραγωγής υδρογόνου Εισαγωγή Προσδιορισμός κινητικής παραμέτρου κατανάλωσης (k m_la ) και στοιχειομετρικών συντελεστών παραγωγής (f su, la ), του γαλακτικού οξέος Προσδιορισμός στοιχειομετρικών συντελεστών Βελτιώσεις του μοντέλου Οικονομική αποτίμηση της βιωσιμότητας της διεργασίας παραγωγής βιοκαυσίμων από το γλυκό σόργο Εισαγωγή Ανάλυση τριών σεναρίων

12 10.3. Εκτίμηση κόστους των διαλυτών σακχάρων του γλυκού σόργου Συνολικό κόστος παραγωγής Κόστος πρώτων υλών Κόστος πάγιου κεφαλαίου Κόστος βοηθητικών παροχών Κόστος άμεσης εργασίας Εκτίμηση συνολικού κόστους παραγωγής Παραγόμενα Βιοκαύσιμα Συνολική εκτίμηση κόστους Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική εργασία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Ι.1 Δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση κόστους..306 Ι.2 Σχέσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του κόστους πάγιου κεφαλαίου Ι.3 Σχέσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του κόστους βοηθητικών παροχών 309 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.1 Σχήμα 1.2 Σχήμα 1.3 Σχήμα 1.4 Σχήμα 1.5 Σχήμα 1.6 Σχήμα 2.1 Σχήμα 3.1 Σχήμα 3.2 Σχήμα 3.3 Σχήμα 4.1 Σχήμα 4.2 Σχήμα 5.1 Σχήμα 6.1 Σχήμα 6.2 Σχήμα 6.3 Συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα και μέση επιφανειακή θερμοκρασία, από το (Dunn, 2002).2 Ενεργειακό ισοζύγιο στην Ελλάδα.. 5 Μέθοδοι θερμοχημικής αξιοποίησης της βιομάζας.9 Μέθοδοι βιοχημικής αξιοποίησης της βιομάζας...10 Το κλειστό ισοζύγιο C των βιοκαυσίμων..12 Η απόδοση της βιομάζας του φυτού γλυκού σόργου σε διάφορες περιοχές της Ευρωπαϊκής ένωσης...16 Σχηματική αναπαράσταση της αναερόβιας χώνευσης της σύνθετης οργανικής ύλης (Gujer και Zehnder, 1983; Zinder, 1984). (οι αριθμοί αναπαριστούν τις βακτηριακές ομάδες που εμπλέκονται) 23 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της άμεσης βιοφωτόλυσης...53 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της έμμεσης βιοφωτόλυσης.54 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της φωτοετεροτροφικής ζύμωσης Σχηματική αναπαράσταση της κινητικής Monod...77 Συνολική δομή του μοντέλο ADM1 (Parker, 2005)..90 Βασικά χαρακτηριστικά ενός αέριου χρωματογράφου (Pecsok et al., 1980)..99 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν σε HRT=24 h, τα ροζ σε HRT=12 h, τα θαλασσί σε HRT=8 h ενώ τα πορτοκαλί και τα πράσινα σε HRT= 6 και 4 h, αντίστοιχα..121 Ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν σε HRT=24 h, τα ροζ σε HRT=12 h, τα θαλασσί σε HRT=8 h ενώ τα πορτοκαλί και τα πράσινα σε HRT=6 και 4 h, αντίστοιχα..121 Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο

14 Σχήμα 6.4 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνοδεύουν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο, στους πέντε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 122 Σχήμα 6.5 Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων του υδρογονοπαραγωγού CSTR αντιδραστήρα, στις μόνιμες καταστάσεις..126 Σχήμα 6.6 Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο, πειραματικά μετρούμενο και υπολογιζόμενο με βάση τα μεταβολικά προϊόντα, κατά τη βιολογική αποδόμηση των σακχάρων του γλυκού σόργου, στις πέντε μόνιμες καταστάσεις του Η 2 -CSTR..127 Σχήμα 6.7 (α) Η ποσοστιαία σύσταση της αέριας φάσης σε υδρογόνο, (β) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (γ) η κατανάλωση των υδατανθράκων, (δ) η παραγωγή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων, (ε) η μεταβολή του ph και (στ) η στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο σε συνάρτηση με το χρόνο, στο πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά από τον H 2 -CSTR, σε HRT=12 h 134 Σχήμα 6.8 (α) Η ποσοστιαία σύσταση της αέριας φάσης σε υδρογόνο, (β) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (γ) η κατανάλωση των υδατανθράκων, (δ) η παραγωγή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων, (ε) η μεταβολή του ph και (στ) η στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο σε συνάρτηση με το χρόνο, στο πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά από τον H 2 -CSTR, σε HRT=8 h..136 Σχήμα 6.9 (α) Η ποσοστιαία σύσταση της αέριας φάσης σε υδρογόνο, (β) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (γ) η κατανάλωση των υδατανθράκων, (δ) η παραγωγή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων, (ε) η μεταβολή του ph και (στ) η στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο σε συνάρτηση με το χρόνο, στο πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά από τον H 2 -CSTR, σε HRT=6 h..138 Σχήμα 6.10 (α) Η ποσοστιαία σύσταση της αέριας φάσης σε υδρογόνο, (β) ο όγκος του παραγόμενου υδρογόνου, (γ) η κατανάλωση των υδατανθράκων, (δ) η παραγωγή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων, (ε) η μεταβολή του ph και (στ) η στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο σε συνάρτηση με το χρόνο, στο πείραμα διαλείποντος έργου με μαγιά από τον H 2 -CSTR σε HRT=4 h

15 Σχήμα 6.11 Σύγκριση στις στοιχειομετρίες παραγωγής υδρογόνου από τους υδατάνθρακες, στα πειράματα τύπου διαλείποντος έργου και στο συνεχή υδρογονοπαραγωγό αντιδραστήρα (H 2 -CSTR), για τους χρόνους παραμονής 12, 8, 6 και 4h Σχήμα 6.12 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν σε HRT=24 h και τα ροζ σε HRT=12 h, αντίστοιχα.148 Σχήμα 6.13 Ρυθμοί παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζονται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζονται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο Σχήμα 6.14 Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο 149 Σχήμα 6.15 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνόδευσαν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο, σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24h (αριστερά της διαχωριστικής γραμμής) και 12h (δεξιά της διαχωριστικής γραμμής)..150 Σχήμα 6.16 Σύγκριση του πειραματικά μετρούμενου και υπολογιζόμενου με βάση τα μεταβολικά προϊόντα, Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου, κατά τη βιολογική αποδόμηση των σακχάρων του γλυκού σόργου, στις δύο μόνιμες καταστάσεις του Η 2 -CSTR. 153 Σχήμα 6.17 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν σε HRT=24 h και τα ροζ σε HRT=12 h, αντίστοιχα.154 Σχήμα 6.18 Ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο..155 Σχήμα 6.19 Μεταβολή του ph συναρτήσει του χρόνου.155 Σχήμα 6.20 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνόδευσαν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο, σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24 h (αριστερά της διαχωριστικής γραμμής) και 12 h (δεξιά της διαχωριστικής γραμμής) Σχήμα 6.21 Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο, πειραματικά μετρούμενο και υπολογιζόμενο με βάση τα μεταβολικά προϊόντα, κατά τη βιολογική 15

16 αποδόμηση των σακχάρων του γλυκού σόργου, στις δύο μόνιμες καταστάσεις του Η 2 -CSTR..159 Σχήμα 6.22 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο, για διάφορες συγκεντρώσεις ρυθμιστικού διαλύματος, σε HRT = 12 h. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν στην προσθήκη 2.24 g NaOH / L και g KH 2 PO 4 / L (ρυθ. διάλυμα), τα ροζ, τα θαλασσί, και τα πορτοκαλί στην προσθήκη ποσότητας ίσης με 2/3, 1/2 και 1/3 της αρχικής συγκέντρωσης, και τέλος τα πράσινα στη μη προσθήκη ρυθμιστικού διαλύματος.163 Σχήμα 6.23 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο Σχήμα 6.24 Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο, για διάφορες συγκεντρώσεις ρυθμιστικού διαλύματος 164 Σχήμα 6.25 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνόδευσαν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο. Το διάγραμμα είναι χωρισμένο σε περιοχές όπου αναφέρονται στις μεταβολές της συγκέντρωσης του ρυθμιστικού διαλύματος.164 Σχήμα 6.26 Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων του υδρογονοπαραγωγού CSTR αντιδραστήρα στις πέντε μόνιμες καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση ρυθμιστικού διαλύματος, ξεκινώντας από την προσθήκη 2.24g NaOH /L, g KH 2 PO 4 /L και καταλήγοντας στην προσθήκη καθόλου ρυθμιστικού (από 1 έως 0)..168 Σχήμα 6.27 Σύγκριση του πειραματικά μετρούμενου και του υπολογιζόμενου με βάση τα μετρούμενα μεταβολικά προϊόντα, Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου, στις πέντε καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση ρυθμιστικού διαλύματος Σχήμα 6.28 Στοιχειομετρικές αποδόσεις σε υδρογόνο, για διαφορετικές τιμές ph της καλλιέργειας, σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h Σχήμα 6.29 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν στην τροφοδότηση του αντιδραστήρα με το εκχύλισμα του σόργου και τα ροζ με το αραιό εκχύλισμα του σόργου, αντίστοιχα

17 Σχήμα 6.30 Ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο Σχήμα 6.31 Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο 176 Σχήμα 6.32 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνόδευσαν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο. Το διάγραμμα είναι χωρισμένο σε δύο περιοχές, οι οποίες αναφέρονται στη μεταβολή της συγκέντρωσης του υποστρώματος..176 Σχήμα 6.33 Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων του υδρογονοπαραγωγού CSTR αντιδραστήρα στις καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση υποστρώματος..179 Σχήμα 6.34 Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο, πειραματικά μετρούμενο και υπολογιζόμενο με βάση τα μεταβολικά προϊόντα, κατά τη βιολογική αποδόμηση των σακχάρων του γλυκού σόργου, στις καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση υποστρώματος..180 Σχήμα 6.35 Ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου σε υδρογόνο, σε συνάρτηση με το χρόνο. Τα μπλε σύμβολα αντιστοιχούν στο εκχύλισμα σόργου και τα ροζ στο πυκνότερο σε υδατάνθρακες εκχύλισμα του σόργου..181 Σχήμα 6.36 Ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του υδρογόνου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο, στις δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις υποστρώματος Σχήμα 6.37 Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο 182 Σχήμα 6.38 Τα κυριότερα μεταβολικά προϊόντα που συνόδευσαν την παραγωγή του υδρογόνου, σε συνάρτηση με το χρόνο. Το διάγραμμα είναι χωρισμένο σε δύο περιοχές όπου αναφέρονται στη μεταβολή της συγκέντρωσης του υποστρώματος..183 Σχήμα 6.39 Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων στις καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση υποστρώματος..186 Σχήμα 6.40 Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο πειραματικά μετρούμενο και υπολογιζόμενο με βάση τα μεταβολικά προϊόντα κατά τη βιολογική αποδόμηση των σακχάρων του γλυκού σόργου, στις καταστάσεις με διαφορετική συγκέντρωση υποστρώματος

18 Σχήμα 6.41 Σχήμα 7.1 Σχήμα 7.2 Σχήμα 7.3 Σχήμα 7.4 Η μείωση της ποσοστιαίας σύστασης του βιοαερίου σε υδρογόνο, εξαιτίας της δράσης μικροοργανισμών - χρηστών υδρογόνου, που υπήρχαν στην μικροβιακή καλλιέργεια (α): Η ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου αερίου σε μεθάνιο και (β) ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου (συμβολίζεται με τα κλειστά σύμβολα) και του μεθανίου (συμβολίζεται με τα ανοιχτά σύμβολα), σε συνάρτηση με το χρόνο, σε HRT=20 d Μεταβολή του ph σε συνάρτηση με το χρόνο, σε HRT=20 d Μεταβολή ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, σε συνάρτηση με το χρόνο, σε HRT=20 d (α): Το οργανικό περιεχόμενο της τροφοδοσίας και (β) τα κυριότερα πτητικά λιπαρά οξέα που παρήχθησαν κατά την αναερόβια χώνευση της απορροής του H 2 -CSTR..195 Σχήμα 7.5 Το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο της τροφοδοσίας - απορροής του H 2 Σχήμα 7.6 -CSTR- (κλειστά σύμβολα) και η μείωση του λόγω της παραγωγής του μεθανίου στον αντιδραστήρα (ανοιχτά σύμβολα) Σχήμα 7.7 Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων που παρήχθησαν κατά την αναερόβια χώνευση της απορροής του Η 2 -CSTR, στις τρεις μόνιμες καταστάσεις 199 Σχήμα 7.8 Απομάκρυνση του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου κατά την αναερόβια χώνευση της απορροής του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα, στις τρεις μόνιμες καταστάσεις 199 Σχήμα 7.9 Σύγκριση της πειραματικής παραγωγής μεθανίου με τη θεωρητικά μέγιστη παραγωγή (0.35 L CH 4 /g ΧΑΟ που αποδομείται), στις τρεις μόνιμες καταστάσεις 200 Σχήμα 7.10 (α) Μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού οξέος και (β) παραγωγή του μεθανίου, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου, όπου προστέθηκε οξικό νάτριο 203 Σχήμα 7.11 (α) Μεταβολή της συγκέντρωσης του βουτυρικού οξέος και (β) παραγωγή του μεθανίου από την κατανάλωσή του βουτυρικού, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία προστέθηκε βουτυρικό νάτριο.204 Σχήμα 7.12 Μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού και του ισοβουτυρικού οξέος σε συνάρτηση με το χρόνο, λόγω της αποδόμησης του βουτυρικού, στα 18

19 πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία προστέθηκε βουτυρικό νάτριο Σχήμα 7.13 (α) Μεταβολή της συγκέντρωσης του προπιονικού οξέος και (β) παραγωγή του μεθανίου, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία προστέθηκε προπιονικό νάτριο.206 Σχήμα 7.14 Μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού οξέος που παρήχθη από την αποδόμηση του προπιονικού, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία προστέθηκε προπιονικό νάτριο.207 Σχήμα 7.15 (α) Μεταβολή της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (β) παραγωγή του μεθανίου, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου, στα οποία προστέθηκε υδρογόνο.208 Σχήμα 7.16 Παραγωγή μεθανίου από το νωπό σόργο (ξηραμένο στους 55 o C) σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου..210 Σχήμα 7.17 Παραγωγή μεθανίου από το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης (ξηραμένο στους 105 o C) σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου 210 Σχήμα 7.18 Παραγωγή μεθανίου από το εκχύλισμα σόργου, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου..211 Σχήμα 7.19 Παραγωγή μεθανίου από την απορροή του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου 211 Σχήμα 7.20 Μεθανογόνα δυναμικά (L CH 4 / kg νωπής βιομάζας γλυκού σόργου) του νωπού σόργου, του στερεού υπολείμματος της εκχύλισης, του εκχυλίσματος του σόργου και της απορροής του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα, όπως υπολογίστηκαν από τα πειράματα διαλείποντος έργου 212 Σχήμα 7.21 (α) Παραγωγή μεθανίου από το νωπό σόργο (ξηραμένο στους 55 o C) χωρίς θερμική προεπεξεργασία και (β) με θερμική προεπεξεργασία, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου..213 Σχήμα 7.22 (α) Παραγωγή μεθανίου από το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης (ξηραμένο στους 105 o C) χωρίς να έχει υποστεί θερμική προεπεξεργασία και (β) με θερμική προεπεξεργασία, σε συνάρτηση με το χρόνο, στα πειράματα διαλείποντος έργου

20 Σχήμα 7.23 Επίδραση θερμικής προεπεξεργασίας στα μεθανογόνα δυναμικά (L CH 4 / kg νωπής βιομάζας γλυκού σόργου) του νωπού σόργου και του στερεού υπολείμματος της εκχύλισης 215 Σχήμα 8.1 (α): Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούσαν στη μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού και (β) η πρόβλεψη του μοντέλου για την παραγωγή του μεθανίου από την κατανάλωση του οξικού..220 Σχήμα 8.2 (α): Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούσαν στη μεταβολή της συγκέντρωσης του βουτυρικού (με μέγιστο ειδικό ρυθμό k m,bu = kg COD kg COD -1 d -1 ) και (β) η πρόβλεψη του μοντέλου για το παραγόμενο μεθάνιο.221 Σχήμα 8.3 Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούσαν στη μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού, το οποίο παρήχθη από την αποδόμηση του βουτυρικού και καταναλώθηκε με μέγιστο ειδικό ρυθμό k m,ac = kg COD kg COD -1 d Σχήμα 8.4 (α): Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούν στη μεταβολή της συγκέντρωσης του προπιονικού και (β) η πρόβλεψη του μοντέλου για την παραγωγή του μεθανίου..223 Σχήμα 8.5 Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούσαν στη μεταβολή της συγκέντρωσης του οξικού, το οποίο παρήχθη από την αποδόμηση του προπιονικού Σχήμα 8.6 α): Η προσομοίωση του μοντέλου στις πειραματικές μετρήσεις που αντιστοιχούν στη μεταβολή της μερικής πίεσης του υδρογόνου και (β) η πρόβλεψη του μοντέλου για την παραγωγή του μεθανίου..224 Σχήμα 8.7 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph στον αναερόβιο χωνευτήρα, που επεξεργαζόταν την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT =20 d Σχήμα 8.8 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ρυθμό παραγωγής του βιοαερίου, (β) το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου και (γ) τη σύσταση του βιοαερίου σε μεθάνιο, στη μόνιμη κατάσταση σε HRT =20 d 228 Σχήμα 8.9 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του οξικού, του προπιονικού και του βουτυρικού, στον αναερόβιο χωνευτήρα, σε HRT = 20 d

21 Σχήμα 8.10 Σχήμα 8.11 Σχήμα 8.12 Σχήμα 8.13 Σχήμα 8.14 Σχήμα 8.15 Σχήμα 9.1 Σχήμα 9.2 Σχήμα 9.3 Σχήμα 9.4 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph για τον αναερόβιο χωνευτήρα, σε μόνιμη κατάσταση σε HRT =15 d.230 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του οξικού, του βουτυρικού και του προπιονικού, για τον αναερόβιο χωνευτήρα, που επεξεργαζόταν την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT =15 d Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ρυθμό παραγωγής του βιοαερίου, (β) το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου και (γ) τη σύσταση του βιοαερίου σε μεθάνιο, στη μόνιμη κατάσταση σε HRT =15 d Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της τιμής του ph για τον αναερόβιο χωνευτήρα, σε HRT =10 d.232 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα για τη συγκέντρωση του οξικού, του βουτυρικού και του προπιονικού, στον αναερόβιο χωνευτήρα, που επεξεργαζόταν την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT =10 d Προβλέψεις του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ρυθμό παραγωγής του βιοαερίου, (β) το ρυθμό παραγωγής του μεθανίου και (γ) τη σύσταση του βιοαερίου σε μεθάνιο, στη μόνιμη κατάσταση σε HRT =10d. 233 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης των υδατανθράκων, του Η 2 -CSTR, σε (α) σε HRT =12 h, (β) σε HRT =8 h, (γ) σε HRT =6 h και (δ) σε HRT =4 h. Η πρόβλεψη έγινε για k m,su = kg COD kg COD -1 d Προφίλ της συγκέντρωσης των υδατανθράκων για μία ημέρα, σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h Προβλέψεις του μοντέλου και πειραματικά δεδομένα της κατανάλωσης των σακχάρων, στα πειράματα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, όταν λειτουργούσε σε μόνιμη κατάσταση, (α) σε HRT =12 h, (β) σε HRT =8 h, (γ) σε HRT =6 h και (δ) σε HRT =4 h. Οι προσομοιώσεις έγιναν με k m,su = kg COD kg COD -1 d Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της σύστασης της αέριας φάσης σε υδρογόνο, της μόνιμης κατάστασης του Η 2 -CSTR, σε HRT =12 h

22 Σχήμα 9.5 Σχήμα 9.6 Σχήμα 9.7 Σχήμα 9.8 Σχήμα 9.9 Σχήμα 9.10 Σχήμα 9.11 Σχήμα 9.12 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο στην αέρια φάση, στη μόνιμη κατάσταση του Η 2 -CSTR, σε HRT =8 h.247 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, στη μόνιμη κατάσταση του Η 2 - CSTR, σε HRT =6 h Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, στη μόνιμη κατάσταση του Η 2 - CSTR, σε HRT =4 h Μέσες τιμές των προβλεπόμενων, από το ADM1 ρυθμών παραγωγής (α) βιοαερίου και (β) υδρογόνου, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές, για όλες τις μόνιμες καταστάσεις. Οι προβλέψεις του μοντέλου έγιναν χρησιμοποιώντας τους συντελεστές n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν για κάθε ένα χρόνο παραμονής 250 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, στη μόνιμη κατάσταση σε HRT =12 h, υποθέτοντας κοινή κατανομή σε όλους τους χρόνους παραμονής..251 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο στην αέρια φάση, της μόνιμης κατάστασης σε HRT =8 h, υποθέτοντας κοινή κατανομή σε όλους τους χρόνους παραμονής.252 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο στην αέρια φάση, της μόνιμης κατάστασης σε HRT =6 h, υποθέτοντας κοινή κατανομή σε όλους τους χρόνους παραμονής.253 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο στην αέρια φάση, στη μόνιμη 22

23 Σχήμα 9.13 Σχήμα 9.14 Σχήμα 9.15 Σχήμα 9.16 Σχήμα 9.17 κατάσταση σε HRT =4 h, υποθέτοντας κοινή κατανομή προϊόντων σε όλους τους χρόνους παραμονής Μέσες τιμές των προβλεπόμενων, από το ADM1 ρυθμών παραγωγής (α) βιοαερίου και (β) υδρογόνου, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες μέσες πειραματικές τιμές, για όλες τις μόνιμες καταστάσεις. Η προσομοίωση έγινε υποθέτοντας κοινή κατανομή προϊόντων σε όλους τους χρόνους παραμονής 255 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε μόνιμη κατάσταση, σε HRT =12 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν για ΗRT = 12h Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε μόνιμη κατάσταση, σε HRT =8 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν για ΗRT = 8h. 257 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα που αντιστοιχούν (α) στην τιμή του ph, (β) στην ποσοστιαία σύσταση σε υδρογόνο, (γ) στη συγκέντρωση του υδρογόνου και (δ) στη συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT =6 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν για ΗRT = 6h.258 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT =4 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν για ΗRT = 4h

24 Σχήμα 9.18 Σχήμα 9.19 Σχήμα 9.20 Σχήμα 9.21 Σχήμα 9.22 Σχήμα 9.23 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε μόνιμη κατάσταση, σε HRT =12 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su που προσδιορίστηκαν με την υπόθεση κοινής κατανομής σε όλους τους χρόνους. Παραμονής..260 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 8 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή κοινών συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su για όλους τους χρόνους. Παραμονής..261 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 6 h. Η πρόβλεψη έγινε θεωρώντας κοινούς συντελεστές n 1,su, n 2,su και n 3,su, για όλους τους χρόνους παραμονής Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, (γ) της συγκέντρωσης του υδρογόνου και (δ) της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 4 h. Η πρόβλεψη έγινε με εφαρμογή των κοινών συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su για όλους τους χρόνους. Παραμονής..263 Πρόβλεψη του ADM1 και πειραματικά δεδομένα της συγκέντρωσης του γαλακτικού οξέος, στις μόνιμες καταστάσεις του Η 2 -CSTR, σε (α) σε HRT =12 h, (β) σε HRT =8 h, (γ) σε HRT =6 h και (δ) σε HRT = 4h Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των προϊόντων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, για τον Η 2 -CSTR, σε HRT = 12h

25 Σχήμα 9.24 Σχήμα 9.25 Σχήμα 9.26 Σχήμα 9.27 Σχήμα 9.28 Σχήμα 9.29 Σχήμα 9.30 Σχήμα 9.31 Σχήμα 10.1 Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των προϊόντων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, για τον Η 2 -CSTR, σε HRT = 8h Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των προϊόντων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, για τον Η 2 -CSTR, σε HRT = 6h.272 Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) της τιμής του ph, (β) της συγκέντρωσης των προϊόντων και (γ) της ποσοστιαίας σύστασης σε υδρογόνο, για τον Η 2 -CSTR, σε HRT = 4h.273 Μέσες τιμές των προβλεπόμενων, ρυθμών παραγωγής (α) βιοαερίου και (β) υδρογόνου, από την αρχική και τροποποιημένη δομή του ADM1, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες μέσες πειραματικές τιμές, για όλες τις καταστάσεις.275 Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ph, (β) για τη συγκέντρωση του υδρογόνου στην αέρια φάση και (γ) για τη συγκέντρωση των προϊόντων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 12 h.276 Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ph, (β) για τη συγκέντρωση του υδρογόνου στην αέρια φάση και (γ) για τη συγκέντρωση των προϊόντων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 8 h Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ph, (β) για τη συγκέντρωση του υδρογόνου στην αέρια φάση και (γ) για τη συγκέντρωση των προϊόντων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 6 h Πρόβλεψη του τροποποιημένου ADM1 και πειραματικά δεδομένα (α) για το ph, (β) για τη συγκέντρωση του υδρογόνου στην αέρια φάση και (γ) για τη συγκέντρωση των προϊόντων, στο πείραμα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του Η 2 -CSTR, σε HRT = 4 h Σχηματική αναπαράσταση των τριών σεναρίων

26 Σχήμα 10.2 Σχήμα 10.3 Σχήμα 10.4 Σχήμα 10.5 Σχήμα 10.6 Σχήμα 10.7 Σχήμα 10.8 Η συνεισφορά στο συνολικό κόστος παραγωγής, του κόστους πρώτων υλών, των βοηθητικών παροχών, της άμεσης εργασίας και του πάγιου κόστους, για τη μονάδα του πρώτου σεναρίου, για δυναμικότητα 500 τόνων βιομάζας νωπού σόργου / d..294 Η συνεισφορά στο συνολικό κόστος παραγωγής, του κόστους πρώτων υλών, των βοηθητικών παροχών, της άμεσης εργασίας και του πάγιου κόστους, για τη μονάδα του δεύτερου σεναρίου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για δυναμικότητα 500 τόνων βιομάζας νωπού σόργου / d 295 Η συνεισφορά στο συνολικό κόστος παραγωγής, του κόστους πρώτων υλών, των βοηθητικών παροχών, της άμεσης εργασίας και του πάγιου κόστους, για τη μονάδα του τρίτου σεναρίου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για δυναμικότητα 500 τόνων βιομάζας νωπού σόργου / d 295 Η συνεισφορά στο κόστος πάγιου κεφαλαίου, του κόστους των βιοαντιδραστήρων, του θρυμματιστή, του εναλλάκτη θερμότητας, του οριζόντιου φυγόκεντρου διαχωριστή και των δεξαμενών, για τη μονάδα του πρώτου σεναρίου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για δυναμικότητα 500 τόνων βιομάζας νωπού σόργου / d 296 Το συνολικό κόστος παραγωγής, σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα της μονάδας και για τα τρία σενάρια.297 Το συνολικό κόστος παραγωγής ανά τόνο βιομάζας νωπού σόργου, σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα της μονάδας και για τα τρία σενάρια 297 Τα συνολικά έσοδα που επιφέρει η πώληση των βιοκαυσίμων, σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα της μονάδας

27 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1.1 Η απειλή για κλιματικές αλλαγές σε παγκόσμιο επίπεδο Πίνακας 1.2 Η παραγωγή θερμότητας από βιομάζα στη Ελλάδα Πίνακας 1.3 Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα στη Ελλάδα...11 Πίνακας 1.4 Ενεργειακές καλλιέργειες σε αναπτυγμένες χώρες του κόσμου Πίνακας 1.5 Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίμων στην Ελλάδα Πίνακας 1.6 Χημική σύσταση του γλυκού σόργου, συμπεριλαμβανομένου όλου του στελέχους, της ψύχας και του φλοιού. Τα αποτελέσματα εκφράζονται ως το ποσοστό % του ξηρού βάρους. (Billa et al 1997)...15 Πίνακας 2.1 Κατάταξη των μικροοργανισμών με κριτήριο τη σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας με το οξυγόνο Πίνακας 2.2 Κατάταξη των μικροοργανισμών ανάλογα με την φυσική θερμοκρασία ανάπτυξής τους Πίνακας 2.3 Κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου στο στάδιο της μεθανογένεσης (Jones, 1991) Πίνακας 3.1 Σύγκριση ενεργειακού περιεχομένου (ανά μονάδα βάρους και ανά μονάδα όγκου) καθώς και εκπομπών σε άνθρακα, συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων...44 Πίνακας 3.2 Παραγωγή υδρογόνου από αεριοποίηση της βιομάζας, σε αντιδραστήρες ρευστοστερεάς κλίνης (Ni, 2006) Πίνακας 3.3 Συγκριτικές ιδιότητες νιτρογονασών και υδρογονασών (Lin, 2005) Πίνακας 3.4 Aποδόσεις και ρυθμοί παραγωγής βιοϋδρογόνου από καθαρά υποστρώματα, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. 63 Πίνακας 3.5 Aποδόσεις και ρυθμοί παραγωγής βιοϋδρογόνου από καθαρά υποστρώματα, σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση

28 Πίνακας 4.1 Εκφράσεις του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης, ως συνάρτηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β; Gavala et al., 2003β) Πίνακας 4. 2 Κινητικές σταθερές για τη ζύμωση των υδατανθράκων (οξεογένεση) από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β) Πίνακας 4. 3 Κινητικές σταθερές για την οξείδωση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού βάρους (οξικογένεση) από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες, σε συνεχή συστήματα (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β)..83 Πίνακας 4. 4 Κινητικές σταθερές για τη μεθανογένεση από οξικό οξύ και διοξείδιο του άνθρακα (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β)..84 Πίνακας 4. 5 Κινητικές σταθερές για διάφορα υποστρώματα της μεσόφιλης αναερόβιας επεξεργασίας (Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991)...84 Πίνακας 4. 6 Η δομή του ADM Πίνακας 4. 7 Η δομή του ADM Πίνακας 4. 8 Εξισώσεις ζύμωσης σακχάρων, οι οποίες θεωρούνται στο μοντέλο ΑDM Πίνακας 4. 9 Στοιχειομετρικοί συντελεστές προϊόντων από τη ζύμωση των σακχάρων, βασισμένοι στις αντιδράσεις του πίνακα 4.8. Οι συντελεστές αυτοί περιέχονται στο μοντέλο ADM Πίνακας 5.1 Μέσο νωπό και ξηρό βάρος φύλλων και βλαστού, ενός στελέχους του φυτού γλυκού σόργου Πίνακας 5.2 Η σύσταση του διαλύματος των ιχνοστοιχείων που προσθέτονταν στο χωνευτήρα Πίνακας 6. 1 Οι μετρούμενοι ολικοί και διαλυτοί υδατάνθρακες ανά μονάδα βάρους βιομάζας στους 55 o C, ανά μονάδα βάρους ξηρής βιομάζα στους 105 o C και ανά μονάδα βάρους νωπής βιομάζας. Αναφέρεται επίσης το ποσοστό των ολικών υδατανθράκων που είναι διαλυτοί Πίνακας 6. 2 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του εκχυλίσματος του σόργου Πίνακας 6. 3 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του H 2 -CSTR. Η παροχή και η φόρτιση σε υδατάνθρακες στην είσοδο του αντιδραστήρα

29 Πίνακας 6. 4 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα σε κάθε μόνιμη κατάσταση στους πέντε υδραυλικούς χρόνους παραμονής Πίνακας 6. 5 Ρυθμοί παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου και αποδόσεις σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR στις πέντε μόνιμες καταστάσεις. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις 125 Πίνακας 6. 6 Σύγκριση αποδόσεων και παραγωγικότητας σε υδρογόνο διαφόρων μεσόφιλων μικτών μικροβιακών καλλιεργειών. Σε όλες τις περιπτώσεις τα συστήματα για την παραγωγή του υδρογόνου ήταν συνεχή 131 Πίνακας 6. 7 Ρυθμοί παραγωγής του οξικού, του βουτυρικού και του προπιονικού οξέος και οι θεωρητικά υπολογιζόμενοι ρυθμοί παραγωγής του υδρογόνου συγκρινόμενοι με τους πειραματικά μετρούμενους ρυθμούς παραγωγής του υδρογόνου, στον H 2 -CSTR, στις πέντε μόνιμες καταστάσειςεις Πίνακας 6. 8 Χαρακτηρισμός της μαγιάς (απορροή H 2 -CSTR σε HRT=12 h) και του εκχυλίσματος σόργου που χρησιμοποιήθηκαν για την διεξαγωγή του πειράματος Πίνακας 6. 9 Χαρακτηρισμός της μαγιάς (απορροή H 2 -CSTR σε HRT=8h) και του εκχυλίσματος σόργου που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή του πειράματος σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου Πίνακας Χαρακτηρισμός της μαγιάς (απορροή H 2 -CSTR σε HRT=6h) και του εκχυλίσματος σόργου που χρησιμοποιήθηκαν για την διεξαγωγή του πειράματος διαλείποντος έργου Πίνακας Χαρακτηρισμός της μαγιάς (απορροή H 2 -CSTR σε HRT=4 h) και του εκχυλίσματος σόργου που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή του πειράματος.139 Πίνακας Στοιχειομετρικές αποδόσεις των μεταβολικών προϊόντων που παρήχθησαν κατά την αποδόμηση των υδατανθράκων του γλυκού σόργου στα πειράματα τύπου διαλείποντος έργου, με μαγιά προερχόμενη από την απορροή του H 2 -CSTR, σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 12, 8,6 και 4h Πίνακας Η στοιχειομετρία παραγωγής του οξικού, του βουτυρικού και του προπιονικού οξέος και η θεωρητικά υπολογιζόμενη απόδοση παραγωγής του υδρογόνου συγκρινόμενη με την αντίστοιχη 29

30 πειραματική στοιχειομετρική απόδοση, στα πειράματα διαλείποντος έργου, με μαγιά την απορροή του H 2 -CSTR 146 Πίνακας Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα στις δύο μόνιμες καταστάσεις Πίνακας Ρυθμοί παραγωγής του βιοαερίου και του υδρογόνου και οι αποδόσεις σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR, στις δύο μόνιμες καταστάσεις. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας Ρυθμοί παραγωγής του βιοαερίου και του υδρογόνου και οι αποδόσεις σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR, στις δύο μόνιμες καταστάσεις. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα στις δύο μόνιμες καταστάσεις Πίνακας Ρυθμοί παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου και αποδόσεις σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR στις δύο μόνιμες καταστάσεις. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις 158 Πίνακας Κατανομή των κυριότερων μεταβολικών προϊόντων του Η 2 -CSTR στις δύο μόνιμες καταστάσεις Πίνακας Επίδραση του ph στην παραγωγικότητα και την απόδοση σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας Επίδραση του ph της τροφοδοσίας και του ph της ζύμωσης στην παραγωγικότητα και την απόδοση σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας Η επίδραση διαφορετικών συγκεντρώσεων του ρυθμιστικού διαλύματος, στους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου και στις αποδόσεις σε υδρογόνο του H 2 -CSTR. Η μελέτη έγινε σε σταθερό υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις 167 Πίνακας Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα, στις μόνιμες καταστάσεις, όπου τροφοδοτούταν με εκχύλισμα σόργου (17985 ± 2000 mg υδατάνθρακες / L) και αραιωμένο εκχύλισμα σόργου (9895 ± 300 mg υδατάνθρακες / L)

31 Πίνακας Επίδραση μικρότερης συγκέντρωσης υδατανθράκων στους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου αλλά και στις αποδόσεις σε υδρογόνο. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις..178 Πίνακας Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα στις μόνιμες καταστάσεις, όπου τροφοδοτούταν με εκχύλισμα σόργου (17500 ± 1000 mg υδατάνθρακες / L) και με πυκνό εκχύλισμα σόργου (20991 ± 1000 mg υδατάνθρακες / L) Πίνακας Επίδραση μεγαλύτερης συγκέντρωσης υδατανθράκων στους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου και υδρογόνου αλλά και στις αποδόσεις σε υδρογόνο. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος στην παραγωγικότητα και την απόδοση σε υδρογόνο για τον H 2 -CSTR σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 12 h. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας 7.1 Τα κύρια χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας του αναερόβιου χωνευτήρα Πίνακας 7.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του CH 4 -CSTR. Η παροχή και η φόρτιση σε οργανικό υλικό, στην είσοδο του αντιδραστήρα Πίνακας 7.3 Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα σε μόνιμη κατάσταση στους υδραυλικούς χρόνους παραμονής 20, 15 και 10d Πίνακας 7.4 Ρυθμοί παραγωγής βιοαερίου και μεθανίου και αποδόσεις σε μεθάνιο για τον CH 4 -CSTR, στις τρεις μόνιμες καταστάσεις. Στις τιμές αναφέρονται και οι μέσες αποκλίσεις Πίνακας 8. 1 Δεδομένα εισόδου των ανόργανων συστατικών που τέθηκαν στη δομή του ADM1, για την περιγραφή της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης από την απορροή του υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα. 218 Πίνακας 8. 2 Μέγιστοι ειδικοί ρυθμοί κατανάλωσης υποστρωμάτων, k m (kg COD kg COD -1 d -1 ) που προσδιορίστηκαν από τα πειράματα, συγκρινόμενοι με τους αντίστοιχους προτεινόμενους ρυθμούς από τους Batstone et al.( 2002)

32 Πίνακας 8. 3 Επιπλέον χρόνος παραμονής των στερεών (tres), εξαιτίας των λειτουργικών και κατασκευαστικών χαρακτηριστικών του αντιδραστήρα (περιοδικός τρόπος λειτουργίας), σε σχέση με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής Πίνακας 9.1 Δεδομένα εισόδου που τέθηκαν στη δομή του ADM1, για την εφαρμογή του, στη ζυμωτική διεργασία παραγωγής υδρογόνου από το εκχύλισμα σόργου Πίνακας 9.2 Επιπλέον χρόνος παραμονής των στερεών (tres), εξαιτίας της κατακράτησης τους, λόγω των λειτουργικών και κατασκευαστικών χαρακτηριστικών του αντιδραστήρα Πίνακας 9.3 Οι τιμές που προσδιορίστηκαν για τους συντελεστές n 1,su, n 2,su και n 3,su (κλάσμα των σακχάρων το οποίο αποδομήθηκε προς οξικό, προς οξικό και προπιονικό και προς βουτυρικό, αντίστοιχα), από τα πειραματικά δεδομένα υποθέτοντας διαφορετική κατανομή προϊόντων σε κάθε υδραυλικό χρόνο παραμονής α αλλά και κοινή κατανομή για όλους τους HRT β. Οι προσδιοριζόμενοι συντελεστές συγκρίνονται με τους αντίστοιχους προτεινόμενους από τους Batstone et al.( 2002) Πίνακας 9.4 Οι τιμές των στοιχειομετρικών συντελεστών παραγωγής οξικού, προπιονικού, βουτυρικού και υδρογόνου (f su,ac, f su, pro, f su, but, f su, h2, αντίστοιχα), όπως υπολογίστηκαν συναρτήσει των συντελεστών n 1,su, n 2,su και n 3,su, υποθέτοντας διαφορετική κατανομή προϊόντων σε κάθε υδραυλικό χρόνο παραμονής α, αλλά και κοινή κατανομή για όλους τους HRT β. Οι υπολογιζόμενοι στοιχειομετρικοί συντελεστές συγκρίνονται με τους αντίστοιχους προτεινόμενους από τους Batstone et al.( 2002) Πίνακας 9.5 Στοιχειομετρικοί συντελεστές που συνδέουν την κατανάλωση των σακχάρων με την παραγωγή των προϊόντων. 266 Πίνακας 9.6 Προσδιοριζόμενοι στοιχειομετρικοί συντελεστές παραγωγής γαλακτικού οξέος από τα σάκχαρα, για κάθε χρόνο παραμονής.266 Πίνακας 10.1 Ανάλυση συνολικού κόστους παραγωγής (Κούκος, 2006)

33 Πίνακας ΠΑ.I Συντελεστές κόστους εγκατεστημένου εξοπλισμού F BM, για αντιπροσωπευτικά στοιχεία εξοπλισμού (Guthrie, 1969)..306 Πίνακας ΠΑ.II Κόστος βοηθητικών παροχών (Turton et al., 2003)..307 Πίνακας ΠΑ.III Ανάλυση κόστους για το Σενάριο 1. Περιλαμβάνει το κόστος πρώτων υλών, το κόστος πάγιου κεφαλαίου και των βοηθητικών παροχών καθώς και το κόστος άμεσης εργασίας, σε τέσσερεις διαφορετικές δυναμικότητες Πίνακας ΠΑ.IV Ανάλυση κόστους για το Σενάριο 2. Περιλαμβάνει το κόστος πρώτων υλών, το κόστος πάγιου κεφαλαίου και των βοηθητικών παροχών καθώς και το κόστος άμεσης εργασίας, σε τέσσερεις διαφορετικές δυναμικότητες Πίνακας ΠΑ.V Ανάλυση κόστους για το Σενάριο 3. Περιλαμβάνει το κόστος πρώτων υλών, το κόστος πάγιου κεφαλαίου και των βοηθητικών παροχών καθώς και το κόστος άμεσης εργασίας, σε τέσσερεις διαφορετικές δυναμικότητες Πίνακας ΠΑ.VI Συνολικό κόστος παραγωγής και για τα τρία σενάρια, σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα Πίνακας ΠΑ.VII Συνολική παραγωγή βιοκαυσίμων στο χρόνο λειτουργίας της μονάδας, για τα τρία σενάρια. Η παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου δίνεται σα συνάρτηση της δυναμικότητας Πίνακας ΠΑ.VIII Έσοδα από την πώληση των βιοκαυσίμων και για τα τρία σενάρια, σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα. 316 Πίνακας ΠΒ.I Κόστη εγκατάστασης βιοαντιδραστήρων για το σενάριο 1, με δεδομένο το κόστος που αναφέρεται σε αντιδραστήρα όγκου 4000 m 3 και είναι ίσο με το Ο μέγιστος όγκος βιοαντιδραστήρα που μπορεί να κατασκευαστεί με τον τρόπο αυτό είναι m 3. Ο εκθέτης κλίμακας είναι ίσος με 0.6. Τα στοιχεία αναφέρονται σε δυναμικότητα 500 t βιομάζας σόργου / d 317 Πίνακας ΠΒ.II Κόστη αγοράς και εγκατάστασης στοιχείων εξοπλισμού για το σενάριο 1. Τα στοιχεία αναφέρονται σε δυναμικότητα 500 t βιομάζας σόργου / d

34 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ Πίνακας 1.7 Σταθμός παραγωγής και διανομής υδρογόνου στο Tsurumi της Ιαπωνίας. (Iwasaki, 2003) Πίνακας 1.8 Σταθμός διανομής καυσίμου της BP στη Βαρκελώνη της Ισπανίας, για τον ανεφοδιασμό τριών δημόσιων λεωφορείων που κινούνται με κυψέλες καυσίμου Εικόνα 5.1 Η καλλιέργεια του γλυκού σόργου στο χώρο του Παναπιστημίου Πατρών, στα μέσα του Ιουλίου του β) το στέλεχος του φυτού γλυκό σόργο Εικόνα 5.2 Η συνολική πειραματική διάταξη του αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας H 2 -CSTR. Στο σχήμα φαίνονται: 1) ο αντιδραστήρας 2) η αντλία, 3) η φιάλη απορροής, 4) η σακούλα συλλογής του βιοαερίου και 5) η διάταξη συντήρησης της τροφοδοσίας Εικόνα 5.3 α): ο συνεχής αντιδραστήρας H 2 -CSTR. β): το εσωτερικό του ψυγείου μέσα στο οποίο φυλασσόταν η τροφοδοσία..109 Εικόνα 5.4 Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου που χρησιμοποιήθηκαν σε πειράματα παραγωγής υδρογόνου. 110 Εικόνα 5.5 Η συνολική πειραματική διάταξη του συνεχούς αναερόβιου χωνευτήρα (CH 4 -CSTR). Περιλαμβάνει: 1) τον αντιδραστήρα, 2) την αντλία εισόδου της τροφοδοσίας, 3) τη φιάλη απορροής, 4) τη φιάλη της τροφοδοσίας

35 1. Βιομάζα και Βιοκαύσιμα 1.1 Εισαγωγή Το 1874, ο Ιούλιος Βερν στη νουβέλα του Το μυστηριώδες νησί αναφέρει πιστεύω ότι το νερό κάποια μέρα θα χρησιμοποιείται ως καύσιμο, ότι το υδρογόνο και το οξυγόνο που το αποτελούν, ανεξάρτητα ή μαζί, θα αποτελέσουν μια ανεξάντλητη πηγή θερμότητας και φωτός τέτοιας έντασης που το κάρβουνο δεν θα μπορεί να αντέξει. Πιστεύω λοιπόν πως όταν τα αποθέματα κάρβουνου εξαντληθούν, το νερό θα είναι εκείνο που θα μας ζεσταίνει. Το νερό θα είναι το κάρβουνο του μέλλοντος. Και όντως... Η ενεργειακή κρίση που παρατηρήθηκε έναν αιώνα μετά, τη δεκαετία του 70, έστρεψε το ενδιαφέρον της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας στην αναζήτηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Λίγα χρόνια μετά, εξαιτίας της πτώσεως της τιμής του πετρελαίου, το παγκόσμιο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και παραγωγή νέων, φιλικών προς το περιβάλλον, μορφών ενέργειας, μειώθηκε. Τη δεκαετία του 1990 η νέα κρίση εξαιτίας του φαινομένου του θερμοκηπίου, κατέστησε σαφές ότι η λύση στο παγκόσμιο πρόβλημα των κλιματικών αλλαγών έγκειται στην αλλαγή του ενεργειακού μοντέλου. Τα ρυπογόνα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, λιγνίτης, φυσικό αέριο) πρέπει να αντικατασταθούν από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και πρέπει επίσης να προωθηθούν μέτρα εξοικονόμησής της. Το παρακάτω στοιχεία δείχνουν τους περιορισμούς που θα πρέπει να υπάρξουν στη χρήση ορυκτών καυσίμων προκειμένου να αποφευχθούν οι συνέπειες μιας ανεξέλεγκτης αποσταθεροποίησης του κλίματος. Πίνακας 1.1 Η απειλή για κλιματικές αλλαγές σε παγκόσμιο επίπεδο ( Άνθρακας (Gt C) Μέγιστη ποσότητα, (υπό μορφή πετρελαίου, ορυκτού άνθρακα, φυσικού αερίου) που επιτρέπεται να καεί για να 225 αποφευχθεί κλιματική καταστροφή Γνωστά αποθέματα Εκτιμώμενα πραγματικά αποθέματα Εκτίμηση καύσεων ως το 2100, με βάση το υπάρχον ενεργειακό μοντέλο

36 Με δεδομένο το σημερινό παγκόσμιο ρυθμό αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας κατά 2% ετησίως, το κρίσιμο όριο των 225 δισ. τόνων άνθρακα (GtC) θα ξεπεραστεί σε χρόνια περίπου. Πέρα απ' αυτό το όριο, οι ανεπανόρθωτες κλιματικές αλλαγές, μπορεί να προκαλέσουν όξυνση των ακραίων καιρικών φαινομένων, άνοδο της στάθμης της θάλασσας, κινδύνους για την ύπαρξη βιοποικιλότητας και δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι η ανθρωπότητα έχει τη δυνατότητα να εκμεταλλευτεί μόλις το 5% των κοιτασμάτων ορυκτών καυσίμων που υπάρχουν στον πλανήτη. Το υπόλοιπο 95% θα πρέπει να παραμείνει για πάντα στο υπέδαφος ώστε να μη πυροδοτηθεί η ωρολογιακή βόμβα του κλίματος. Για την ανατροπή της παραπάνω εικόνας, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και η Εξοικονόμηση Ενέργειας αποτελούν ουσιαστικά μονόδρομο. Σχήμα 1.1 Συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα και μέση επιφανειακή θερμοκρασία, από το (Dunn, 2002). Το μοναδικό διεθνές νομοθετικό εργαλείο για την αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου και των συνεπειών του, είναι το «πρωτόκολλο του Κιότο». Βασικός στόχος του είναι η μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, από τα αναπτυγμένα κράτη κατά 5.2% μεταξύ (ως προς τα επίπεδα εκπομπών του 1990). Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι, ακόμη κι αν εφαρμοστεί στο ακέραιο, το Πρωτόκολλο του Κιότο στη σημερινή του μορφή, θα περιορίσει την αναμενόμενη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας κατά 0.06 ο C ως το 2

37 2050, όταν στο ίδιο διάστημα η αναμενόμενη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας θα είναι 1 με 2 ο C. Ενδεικτική είναι η προειδοποίηση των Ηνωμένων Εθνών σύμφωνα με την οποία απαιτείται μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου κατά 50-70% μέσα στις επόμενες δεκαετίες, προκειμένου να εξαλειφθεί η απειλή του φυσικού περιβάλλοντος από την παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Είναι σαφές λοιπόν ότι το Πρωτόκολλο του Κιότο δεν είναι παρά ένα πρώτο αναγκαίο βήμα προς την εξεύρεση μιας λύσης. Ο δρόμος για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ακόμη ανοιχτός ( ). 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Γενικά Στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) υπάγονται: α) η αιολική ενέργεια, που εκμεταλλεύεται την ενέργεια του ανέμου, μετατρέποντάς την αρχικά σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια β) η ηλιακή ενέργεια, όπου η παραγωγή ηλεκτρισμού γίνεται είτε με φωτοβολταϊκά συστήματα (αξιοποίηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου) είτε με θερμικά συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούνται για την λειτουργία ήλιο θερμικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής γ) η γεωθερμική ενέργεια, που βρίσκεται εγκλωβισμένη κυρίως στο υπέδαφος, σε μικρά σχετικά βάθη, με τη μορφή θερμών νερών, ατμών, αερίων ή μίγματος αυτών, με θερμοκρασίες που φτάνουν από ο C δ) η υδάτινη ενέργεια: στη θάλασσα ως ενέργεια των κυμάτων και στην ξηρά ως υδροδυναμική ενέργεια την οποία εκμεταλλεύονται μεγάλοι ή μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί και τέλος ε) η βιομάζα, όπου εμπεριέχει ένα ευρύ φάσμα υλικών, όπως γεωργικά και δασοκομικά προϊόντα και υπολείμματα, φυτά γρήγορης ανάπτυξης, στερεά απορρίμματα και κοπριά ζώων, θαλάσσια και υδρόβια φυτά. Υλικά δηλαδή, που έχουν βιολογικό χαρακτήρα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας. 3

38 Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας πέρα από τα περιβαλλοντικά οφέλη, πλεονεκτούν και σε άλλους τομείς, έναντι των συμβατικών καυσίμων. Κάποια από τα βασικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ είναι τα ακόλουθα: ( ) Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους Είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων Οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης των ΑΠΕ έχουν σχεδιαστεί για να καλύπτουν τις ανάγκες των χρηστών σε μικρή ή μεγάλη κλίμακα εφαρμογών. Έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη ανταπόκριση της προσφοράς προς τη ζήτηση ενέργειας Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας, ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας) Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας στην Ελλάδα Η Ελλάδα είναι μια χώρα ιδιαίτερα προικισμένη όσον αφορά τις ΑΠΕ, εξαιτίας του κλίματος και της γεωγραφικής θέσης της. Απολαμβάνει υψηλή ηλιακή ακτινοβολία καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου, και στο μεγαλύτερο τμήμα της η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερο από 2700 ώρες το χρόνο. Αρκετές επίσης περιοχές της ηπειρωτικής και νησιωτικής Ελλάδας έχουν σταθερούς και δυνατούς ανέμους σε συνεχή βάση. Λόγω της μορφολογίας του εδάφους, σε αρκετά σημεία της ενδοχώρας, κυρίως στο Δυτικό τμήμα, υπάρχουν κατάλληλες συνθήκες, που ευνοούν τη δημιουργία μικρών και μεγάλων φραγμάτων, τα οποία μέσω των υδάτινων 4

39 ταμιευτήρων που δημιουργούν, επιτρέπουν την παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω των υδατοπτώσεων. Παράλληλα η Ελλάδα ως χώρα κυρίως γεωργική, διαθέτει αρκετά αποθέματα βιομάζας, κατάλληλα για την παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, είναι προικισμένη με την ενέργεια του υπεδάφους, εφόσον σε πολλές περιοχές υπάρχουν εξακριβωμένα πεδία υψηλής αλλά και χαμηλής ενθαλπίας. Παρά το γεγονός ότι η Ελλάδα είναι πλούσια σε όλες τις παραπάνω μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, εν τούτοις η αξιοποίησή τους, με λίγες μόνο εξαιρέσεις, παραμένει ακόμα σε εμβρυακό στάδιο, συγκρινόμενες με άλλες χώρες, αλλά και με τις ίδιες δυνατότητες της χώρας. Στο σχήμα φαίνεται το εγχώριο ενεργειακό ισοζύγιο, όπως δόθηκε το 2002 από το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ( 4% ΑΠΕ 4% 5% 5% φυσικό αέριο 27% λιγνίτης 27% 61% 61 % πετρέλαιο 3% 3% άλλα Σχήμα 1.2 Ενεργειακό ισοζύγιο στην Ελλάδα Η ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, μέσα στα επόμενα χρόνια μπορεί να θεωρηθεί ως υπ αριθμόν ένα πρόκληση στον τομέα της ενέργειας, τόσο για το κράτος όσο και τους ιδιώτες. 1.3 Βιομάζα Γενικά 5

40 Η βιομάζα με την ευρύτερη έννοια του όρου περιλαμβάνει οποιοδήποτε υλικό προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς. Στην περίπτωση που αναφέρεται στην κάλυψη ενεργειακών σκοπών, η βιομάζα προσδιορίζεται από το σύνολο των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων (Ghosh, 1997). Στην πράξη υπάρχουν δύο τύποι βιομάζας ( ): οι υπολειμματικές μορφές που περιλαμβάνουν κάθε είδους φυτικά υπολείμματα, όπως υπολείμματα γεωργικών και δασικών καλλιεργειών (π.χ. κλαδιά, φύλλα, άχυρο) ή υπολείμματα επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων (π.χ. φύρα εκκοκκισμού βαμβακιού, πυρηνόξυλο, πυρήνες φρούτων), ζωικά απόβλητα, (π.χ. απόβλητα εντατικής κτηνοτροφίας από πτηνοτροφεία, χοιροστάσια, βουστάσια), και τα απορρίμματα (οργανικό τμήμα των αστικών αποβλήτων) ενεργειακές καλλιέργειες, (παραδοσιακές καλλιέργειες ή φυτά που δεν καλλιεργούνται, προς το παρόν, εμπορικά) που το τελικό προϊόν τους προορίζεται για την παραγωγή ενέργειας και βιοκαυσίμων. Οι ενεργειακές καλλιέργειες μπορεί να είναι α) Ετήσιες: σακχαρούχο ή γλυκό σόργο (Sorghum bicolor L. Moench), ινώδες σόργο (Sorghum bicolor L. Moench), κενάφ (Hibiscus cannabinus L.), ελαιοκράμβη (Brassica napus L.), β) Πολυετείς: β1) Γεωργικές: Αγριαγκινάρα (Cynara cardunculus), καλάμι (Arundo donax L.), μίσχανθος (Miscanthus giganteus), switchgrass (Panicum virgatum), β2) Δασικές: Ευκάλυπτος (Eucalyptus camaldulensis Dehnh. & E. globulus Labill.), ψευδακακία (Robinia pseudoacacia ). Οι υπολειμματικές μορφές και τα παραπροϊόντα γεωργικών και βιομηχανικών δραστηριοτήτων, συνίστανται από αμυλούχα και λιγνοκυτταρινούχα πολυμερή. Ως «λιγνοκυτταρινούχα πολυμερή», χαρακτηρίζονται το σύνολο τριών βασικών πολυμερών, τα οποία περιέχονται στα κυτταρικά τοιχώματα και είναι: η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και η λιγνίνη (Coombs, 1996). Συγκεκριμένα, η κυτταρίνη είναι ένας μη διαλυτός, γραμμικός, μη διακλαδισμένος ομοπολυσακχαρίτης, αποτελούμενος από μονάδες γλυκόζης, συνδεδεμένες μέσω β-1,4 γλυκοζιδικών δεσμών, η ημικυτταρίνη είναι μη κυτταρινούχο πολυμερές από ξυλάνες, μαννάνες, γλυκάνες και η λιγνίνη έχει μια πολύπλοκη, πολυφαινολική δομή. Η βιομάζα στους φυτικούς οργανισμούς, αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητάς τους. Έτσι, η χλωροφύλλη των φυτών δεσμεύει και μεταφέρει την ενέργεια του ορατού φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας, μέσω μια 6

41 σειράς σύνθετων διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, το νερό και ανόργανα άλατα από το έδαφος. Η διεργασία αυτή μπορεί να περιγραφεί από την παρακάτω εξίσωση: 6H 2 O + 6CO 2 + hν (φωτόνια) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 (1.1) Παγκόσμιο και Ελληνικό Δυναμικό σε βιομάζα Η βιομάζα αποτέλεσε για σειρά αιώνων την κυριότερη πηγή ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του ανθρώπου. Σ αυτήν, εξάλλου, συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες που, μέχρι το τέλος του προπερασμένου αιώνα, κάλυπταν το 97% των ελληνικών ενεργειακών αναγκών. Σήμερα, η ποσότητα της βιομάζας που παράγεται ετησίως σε παγκόσμιο επίπεδο υπολογίζεται ότι ανέρχεται σε 172 δισεκ. t ξηρού υλικού, με ενεργειακό περιεχόμενο δεκαπλάσιο της ενέργειας που καταναλώνεται παγκοσμίως, στο ίδιο διάστημα. Το τεράστιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμένει κατά το μεγαλύτερο μέρος του ανεκμετάλλευτο, καθώς, σύμφωνα με πρόσφατες εκτιμήσεις, καλύπτει μόλις το 14% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, η ενέργεια από βιομάζα αντιστοιχεί σε ποσοστό περίπου 3-4% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης, ενώ το ποσοστό αυτό είναι μεγαλύτερο στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου η βιομάζα αποτελεί τη σημαντικότερη πηγή ενέργειας, καλύπτοντας το 35% των ενεργειακών απαιτήσεών τους (Hall DO, 1992; Mc Gowan, 1991; Turkenburg, 2000). Στην Ελλάδα, έχει εκτιμηθεί ότι το σύνολο της άμεσα διαθέσιμης βιομάζας συνίσταται από περίπου 7.5 Μt υπολειμμάτων γεωργικών καλλιεργειών (σιτηρών, αραβόσιτου, βαμβακιού, καπνού, ηλίανθου, κλαδοδεμάτων, πυρηνόξυλου κ.ά.), καθώς και από 2.7 Μt δασικών υπολειμμάτων υλοτομίας (κλάδοι, φλοιοί κ.ά.) ( ). Επιπλέον, μεγάλες ποσότητες βιομάζας λαμβάνονται και από τις ενεργειακές καλλιέργειες, το ενεργειακό δυναμικό των οποίων μπορεί να ξεπεράσει και αυτό των δασικών και γεωργικών υπολειμμάτων. Το σύνολο αυτό της βιομάζας αντιστοιχεί ενεργειακά στο 30-40% της ποσότητας του πετρελαίου που καταναλώνεται ετησίως (1 t βιομάζας ισοδυναμεί με 0.4 t πετρελαίου), εντούτοις με 7

42 τα σημερινά δεδομένα, μόλις το 3% των ενεργειακών αναγκών της χώρας, καλύπτεται από την εκμετάλλευση της διαθέσιμης βιομάζας Μέθοδοι επεξεργασίας της βιομάζας Οι τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας μπορεί να διακριθούν σε θερμοχημικές, χημικές και βιοχημικές τεχνολογίες. Στις θερμοχημικές μεθόδους επεξεργασίας, συγκαταλέγονται η πυρόλυση, η καύση, και η αεριοποίηση της βιομάζας, ενώ οι βιολογικές μέθοδοι περιλαμβάνουν την αερόβια και αναερόβια επεξεργασία και την αλκοολική ζύμωση. 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 1.3). Οι σύγχρονες τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας έχουν εξελιχθεί τόσο, που 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 ( Η πυρόλυση αποτελεί μία από τις πολλά υποσχόμενες θερμοχημικές τεχνολογίες για την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, μετατρέποντάς τη σε χρήσιμα καύσιμα (Demirbas, 1998). Κατ 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 ενός μίγματος μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου (synthesis gas), με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου. Το μίγμα αυτό, στη συνέχεια μπορεί 8

43 να μετατραπεί καταλυτικά σε αμμωνία, μεθανόλη ή άλλα προϊόντα. Οι σχετικές τεχνολογίες όμως βρίσκονται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο και θα απαιτηθεί σημαντική περαιτέρω προσπάθεια προκειμένου να μπορέσουν τα πιλοτικά προγράμματα να καταστήσουν την εφαρμογή τους οικονομικά συμφέρουσα, σε ευρεία κλίμακα. Πυρόλυση Βιοέλαιο Χημικά Θερμότητα, ηλεκτρισμός Ξυλάνθρακας Θερμότητα, Θερμοχημική μετατροπή Αεριοποίηση Αέριο καύσιμο Θερμότητα, ηλεκτρισμός Μεθανόλη Αμμωνία Καύση Θερμότητα, ηλεκτρισμός Σχήμα 1.3 Μέθοδοι θερμοχημικής αξιοποίησης 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, 2006). Η βιοχημική μετατροπή της βιομάζας, οδηγεί στην παραγωγή υγρών ή αερίων καυσίμων, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας αλλά και στον τομέα των μεταφορών (Σχήμα 1.4). 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. 9

44 Βιολογική παραγωγή υδρογόνου Yδρογόνο Καύσιμο μεταφορών Αλκοολική ζύμωση Βιοαιθανόλη Καύσιμο μεταφορών Βιοχημική μετατροπή Αναερόβια χώνευση Bιοαέριο Χούμους Θερμότητα, ηλεκτρισμός Αερόβια χώνευση Compost Βελτιωτικό εδάφους Σχήμα 1.4 Μέθοδοι βιοχημικής αξιοποίησης της βιομάζας Τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας στην Ελλάδα Η βιομάζα στη χώρα μας χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή, κατά τον παραδοσιακό τρόπο, θερμότητας στον οικιακό τομέα (μαγειρική, θέρμανση) καθώς, και ως καύσιμο σε κατάλληλους λέβητες για τη θέρμανση θερμοκηπίων. Επιπλέον, χρησιμοποιείται από γεωργικές βιομηχανίες, στις οποίες η βιομάζα προκύπτει σε σημαντικές ποσότητες σαν υπόλειμμα ή υποπροϊόν της παραγωγικής διαδικασίας (εκκοκκιστήρια, πυρηνελαιουργεία, βιομηχανίες ρυζιού καθώς και βιοτεχνίες κονσερβοποίησης) όπου με καύση των υπολειμμάτων τους, καλύπτουν τις θερμικές τους ανάγκες ή / και μέρος των αναγκών τους σε ηλεκτρική ενέργεια. Ακόμα, σε βιομηχανίες ξύλου, τα υπολείμματα της διεργασίας (πριονίδι, πούδρα, ξακρίδια κλπ) χρησιμοποιούνται για τη κάλυψη των θερμικών αναγκών της μονάδας, καθώς και για την θέρμανση των κτιρίων. Τέλος, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας σε μονάδες βιολογικού καθαρισμού και Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ), καθώς και για την Παραγωγή βιοκαυσίμων (βιοντήζελ - βιοαιθανόλη) και χρήση αυτών ως υγρά καύσιμα κυρίως στον τομέα των μεταφορών. Στους πίνακες που ακολουθούν παρουσιάζεται αναλυτικά, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας από βιομάζα στη Ελλάδα. 10

45 Πίνακας 1.2 Η παραγωγή θερμότητας από βιομάζα στη Ελλάδα (πηγή ΚΑΠΕ) Είδος βιομάζας Κατανάλωση (t) Θερμότητα (TJ) Εξοικονόμηση CO 2 (t) Καυσόξυλα Πυρηνόξυλα Υπολείμματα βιομηχανιών ξύλου Υπολείμματα εκκοκκισμού Πυρήνες Άχυρα Σύνολο Πίνακας 1.3 Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα στη Ελλάδα (πηγή ΚΑΠΕ) Μονάδα Καύσιμο Εγκατεστημένη ισχύς (kw) Ψυτάλλεια Iλύς από αστικά απόβλητα Άνω Λιόσια Bιοαέριο χωματερής Βόλος Iλύς από αστικά απόβλητα 353 Θεσσαλονίκη Aπορρίμματα 240 Ηράκλειο Iλύς από αστικά απόβλητα 193 Χανιά Iλύς από αστικά απόβλητα 160 Σύνολο

46 1.3.5 Βιοκαύσιμα Βιοκαύσιμα, όπως αναφέρθηκε, ονομάζονται τα στερεά, υγρά ή αέρια προϊόντα της επεξεργασίας της βιομάζας και μπορεί να είναι η βιοαιθανόλη, το βιοέλαιο, το βιοντήζελ, το βιοϋδρογόνο, το βιοαέριο, η μεθανόλη κ.α., τα οποία μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως φορείς ενέργειας. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των καυσίμων αυτών σε σύγκριση με τα συμβατικά καύσιμα, είναι πως είναι φιλικά προς το περιβάλλον, καθώς το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από την καύση τους, απορροφάται στο στάδιο ανάπτυξης της βιομάζας. Σχήμα 1.5 Το κλειστό ισοζύγιο C των βιοκαυσίμων Σήμερα, η περισσότερο ανεπτυγμένη τεχνολογία βιολογικής μετατροπής της βιομάζας, είναι η ζύμωση των απλών σακχάρων σε βιοαιθανόλη. Αντίθετα, η παραγωγή αιθανόλης μέσω της ζύμωσης του λιγνοκυτταρινούχου περιεχομένου της βιομάζας, βρίσκεται υπό εξέλιξη. Ιστορικά, η παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρότευτλο ξεκίνησε στη Βραζιλία και τις Η.Π.Α από τη δεκαετία του Έτσι, η ετήσια παραγωγή της Βραζιλίας το 1990 ήταν περίπου 15 δισεκ. L αιθανόλης (Wyman et al., 1990), ενώ των Ηνωμένων Πολιτειών έφτασε τα 4.5 δισεκ. L. Να σημειωθεί ότι περισσότερο από το 95% της αιθανόλης στις Η.Π.Α παραγόταν από καλαμπόκι καλλιεργούμενο σε εκτάσεις 1.3 εκατομμυρίων εκταρίων. Η βιοαιθανόλη έχει χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες οχημάτων, ως έχει ή σε πρόσμιξη με βενζίνη, ως καύσιμο κίνησης, από την εποχή των συμβατικών κινητήρων εσωτερικής καύσης. Μόνο στη Ευρώπη το 1935, χρησιμοποιήθηκαν 430 εκατομμύρια L αιθανόλης, (Buchanan, 1989), ενώ το 1945 αντικαταστάθηκε από πετρέλαιο ή diesel, παραγόμενα από την πετροχημική βιομηχανία (Amann, 1996). Παρά το γεγονός ότι, εκτός ελαχίστων περιπτώσεων (π.χ. αντικατάσταση αεροπορικής βενζίνης), το κόστος της βιοαιθανόλης είναι υψηλότερο εκείνου της 12

47 βενζίνης, η χρήση της ως καύσιμο κίνησης αυξάνει συνεχώς ανά τον κόσμο, με προεξάρχουσες τη Βραζιλία και τις ΗΠΑ. Αυτό συμβαίνει διότι αφ ενός η βιοαιθανόλη είναι καθαρότερο καύσιμο από περιβαλλοντικής πλευράς και αφ ετέρου δίνει διέξοδο στο πρόβλημα της υπερπαραγωγής αγροτικών και γεωργικών προϊόντων. Για τους λόγους αυτούς η παραγωγή και χρήση της βιοαιθανόλης παρουσιάζει εξαιρετικά ευνοϊκές προοπτικές για το μέλλον. Επιπλέον, ιδιαίτερα ενθαρρυντική είναι η ανάπτυξη της βιομηχανίας του βιοντήζελ. Θεωρείται ως το πλέον διαδεδομένο βιοκαύσιμο το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο αυτούσιο όσο και σε διάφορες αναλογίες, σε μίγματα με το συμβατικό ντίζελ. Σήμερα, χρησιμοποιείται ευρύτατα σε όλη την Ευρώπη, ενώ στις Η.Π.Α η χρήση του, είναι συνεχώς αυξανόμενη. Συγκεκριμένα, η τρέχουσα ετήσια παραγωγή του στην Ευρώπη αντιστοιχεί σε 1 δισεκατομμύριο gal, ενώ στις Η.Π.Α, σε εκατομμύρια gal (Pearl, 2002). Ωστόσο, οι προοπτικές είναι πολύ καλές και για την Αμερική, καθώς τεράστια αποθέματα φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών είναι διαθέσιμα να μετατραπούν σε βιοντήζελ, το οποίο κατά ένα μεγάλο μέρος θα καλύψει τις ενεργειακές απαιτήσεις της χώρας. Πέρα από το βιοντήζελ, σημαντικό ρόλο στον ενεργειακό τομέα παίζουν το βιοαέριο και το υδρογόνο, τα οποία θα αναπτυχθούν εκτενέστερα στα επόμενα κεφάλαια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Στην Ελλάδα, η χρήση βιοκαυσίμων στον τομέα των μεταφορών, βρίσκεται σε δοκιμαστικό στάδιο. Έτσι, το 1999 σε μια πιλοτική έρευνα στη Θράκη, μελετήθηκε η αποδοχή του κοινού στο βιοντήζελ. Σε πρατήρια της περιοχής (Ξάνθη, Κομοτηνή, Αλεξανδρούπολη και Φέρες) διατέθηκαν περίπου L βιοντήζελ, που εισήχθη από την Αυστρία. Από τα αποτελέσματα της μελέτης, που ήταν πολύ ενθαρρυντικά, προέκυψε ότι αν ξεπεραστούν διάφορα προβλήματα, οι επενδυτές και το κοινό είναι έτοιμοι για την παραγωγή βιακαυσίμων από εγχώριες πηγές βιομάζας (ηλιέλαιο, χρησιμοποιημένα λάδια και τα ζωικά λίπη, υπολείμματα σφαγίων) Ενεργειακές καλλιέργειες Μέσω των ενεργειακών καλλιεργειών, (καλλιεργούμενα είδη και άγρια φυτά), παράγεται βιομάζα, η οποία μπορεί, στη συνέχεια, να χρησιμοποιηθεί για διάφορους ενεργειακούς σκοπούς, σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους, σχετικά με τις τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας. Στον πίνακα

48 παρουσιάζονται κάποιες από τις σημαντικότερες χρήσεις της βιομάζας, η οποία προέρχεται από τέτοιου είδους καλλιέργειες, σε παγκόσμιο επίπεδο. Πίνακας 1.4 Ενεργειακές καλλιέργειες, σε αναπτυγμένες χώρες του κόσμου Χώρα Καλλιέργεια Τελικό προϊόν Χρήσεις t ή στρέμμα/ έτος Βραζιλία Zαχαροκάλαμο Aλκοόλη Καύσιμο μεταφοράς 9*10 6 t Η.Π.Α. Kαλαμπόκι Aλκοόλη Καύσιμο μεταφοράς 4*10 6 t Γαλλία Zαχαρότευτλα, σιτάρι, κ.λ.π. Aλκοόλη Καύσιμο μεταφοράς 7.5*10 4 t Άλλες Eλαιοκράμβη & χώρες Ε.Ε ηλίανθος Bιοντήζελ Καύσιμο μεταφοράς 5*10 5 t Σουηδία Iτιά Ψιλοτεμαχισμένο 1.7*10 6 Καύσιμο ξύλο στρέμματα 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 η καλλιέργεια του καλαμιού, της αγριαγκινάρας, του γλυκού σόργου, του μίσχανθου, του ευκαλύπτου και της ψευδοακακίας, για τις οποίες, τα τελευταία χρόνια, γίνεται εντατική μελέτη εφαρμογής στις ελληνικές συνθήκες. Πίνακας 1.5 Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών βιοκαυσίμων στην Ελλάδα (πηγή: ΚΑΠΕ) Ενεργειακή καλλιέργεια Θερμογόνος δύναμη Αποδόσεις σε ξηρή (MJ/kg) βιομάζα (t/στρέμμα) Ευκάλυπτος Ψευδακακία Καλάμι Μίσχανθος Αγριαγκινάρα Switchgrass

49 1.3.7 Το γλυκό σόργο Το γλυκό σόργο είναι ένα ετήσιο C 4 φυτό, που ανήκει στο γένος Sorghum bicolor (L.) Moench, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεγάλη φωτοσυνθετική ικανότητα. Έχει μεγάλες αποδόσεις σε βιομάζα και σάκχαρα (Bryan, 1990), περιέχοντας σχεδόν ίσες ποσότητες διαλυτών (γλυκόζη, σακχαρόζη) και αδιάλυτων υδατανθράκων (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη) (Jasberg, 1983). Επιπλέον, έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία (περίπου 70% του συνολικού νωπού βάρους) (Billa et al., 1997). Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζεται η χημική σύσταση όλου του στελέχους του γλυκού σόργου, της ψίχας και του φλοιού του, εκφρασμένα ανά μονάδες ξηρού βάρους. Πίνακας 1.6 Χημική σύσταση του γλυκού σόργου, συμπεριλαμβανομένου όλου του στελέχους, της ψίχας και του φλοιού. Τα αποτελέσματα εκφράζονται ως το ποσοστό % του ξηρού βάρους (Billa et al., 1997). Στέλεχος Ψίχα (παρενχυματικός ιστός) Φλοιός (σκληρενχυματικός ιστός) Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη Λιγνίνη Σακχαρόζη Γλυκόζη Το γλυκό σόργο έχει χαρακτηριστεί ως ένα από τα φυτά με τις λιγότερες απαιτήσεις σε νερό, αφού μπορεί να αντέξει σε περιόδους μεγάλης ξηρασίας (Woods, 2000). Όπως όλα τα είδη σόργου, το γλυκό σόργο πιθανό να προέρχεται από την ανατολική Αφρική και αργότερα να καλλιεργήθηκε από τις υπόλοιπες περιοχές της Αφρικής, τη νότια Ασία, την Ευρώπη, την Αυστραλία και τις Η.Π.Α. Η καλλιέργειά του, ευνοείται ιδιαίτερα σε περιοχές με ζεστό και ήπιο κλίμα, όπως φαίνεται και από το παρακάτω σχήμα, από το οποίο είναι εμφανές ότι η απόδοση της βιομάζας εξαρτάται από τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής. Για 15

50 τον ίδιο λόγο στις Η.Π.Α το γλυκό σόργο αποτελεί βασικό αγαθό των μεσοδυτικών πολιτειών όπου και είναι τρίτο σε παραγωγή, δημητριακό. Σχήμα 1.6 Η απόδοση της βιομάζας του φυτού γλυκού σόργου σε διάφορες περιοχές της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Υπάρχουν διάφορες ποικιλίες του φυτού (Keller, Wray, Rio, Tianza) με διαφορετικές στρεμματικές αποδόσεις η καθεμία. Ανάλογα με την ποικιλία και τις συνθήκες ανάπτυξης, τα φυτά μπορεί να έχουν ύψος από cm. Η σπορά του φυτού, πραγματοποιείται την άνοιξη, μετά το πέρας των βροχοπτώσεων, όταν η θερμοκρασία διατηρείται από ο C και η περίοδος ωριμότητάς του διαρκεί ημέρες. Ο πλούσιος σε σάκχαρα χυμός του φυτού, ο καρπός του αλλά και τα υπολείμματα αυτού, παρέχουν δυνατότητες για πολλές χρήσεις. Η παλαιότερη και περισσότερο διαδεδομένη, σε παγκόσμιο επίπεδο, χρήση του είναι η παρασκευή συμπυκνωμένου χυμού μέσω εκχύμωσης (syrup) (Schaffert, 1992), με μέγιστη απόδοση 1900 L (500 gal) ανά εκτάριο καλλιέργειάς του (Gnansounou, 2005). Ακόμα, χρησιμοποιείται για την παρασκευή ζάχαρης, τσίχλας, ως διατροφικό είδος, ως ζωοτροφή, ως υλικό για την κατασκευή σκεπών και χαρτιού Παραγωγή βιοκαυσίμων από γλυκό σόργο Πέρα από όλες τις άλλες χρήσεις του, σήμερα το γλυκό σόργο τυγχάνει ιδιαίτερης προσοχής ως εναλλακτική πρώτη ύλη, στον τομέα της ενέργειας αλλά και 16

51 της βιομηχανίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το φυτό αυτό παρουσιάζει υψηλή απόδοση σε βιομάζα καθώς και μεγάλη περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα. Η ενεργειακή του αξιοποίηση μπορεί να επιτευχθεί μέσω θερμοχημικών και βιοχημικών μεθόδων επεξεργασίας. Έτσι, με καύση ή με αεριοποίηση μπορεί να υποστεί επεξεργασία το στερεό υπόλειμμα (bagasse) που προκύπτει από τη συμπίεση του γλυκού σόργου, κατά την διεργασία παραγωγής συμπυκνωμένου χυμού (εκχύμωσης) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή θερμότητας και ενέργειας (Bassam, 1998). Από το πλούσιο σε λιγνοκυτταρινούχο υλικό, υπόλειμμα, μπορούν επιπλέον να εξαχθούν: πολτός για την παρασκευή χαρτιού, εδαφοβελτιωτικό (compost) και άλλα σύνθετα υλικά (Claassen, 2004). Βιοχημικά, το γλυκό σόργο μπορεί να υποστεί επεξεργασία είτε μέσω ζύμωσης των διαλυτών σακχάρων προς αιθανόλη (FAO, 2002) ή προς υδρογόνο (Claassen, 2004), ή είτε 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, 2003). Στην Κίνα, το γλυκό σόργο θεωρείται πολλά υποσχόμενο ενεργειακό φυτό, για την παραγωγή αιθανόλης (Grassi et al., 2002), καθώς καλλιεργείται σε εκτάσεις 1 εκατομμυρίου εκταρίων με απόδοση 4 εκατομμύρια τόνους βιομάζας. Το 1997 διοργανώθηκε στο Πεκίνο το «Πρώτο Διεθνές Συνέδριο για το Γλυκό Σόργο» (Li, 1997), στο οποίο επισημάνθηκε η μεγάλη χρησιμότητα του φυτού στον τομέα της βιομηχανίας και της ενέργειας. Επιπλέον, οι Rains et al. (1993) πραγματοποίησαν μια τεχνοοικονομική μελέτη για την παραγωγή αιθανόλης από γλυκό σόργο για μια υποθετική μονάδα, κατασκευασμένη στo Piedmont των Ηνωμένων Πολιτειών. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα των Maxey et al. (1989) και Worley και Cundiff (1991), η καλλιέργεια του γλυκού σόργου θα απέδιδε στους αγρότες της περιοχής περίπου 490 $/ ha καλλιέργειας. Επιπλέον, το συνολικό κόστος για την παραγωγή αιθανόλης από γλυκό σόργο κυμαινόταν από $. Με δεδομένο ότι η τιμή πώλησης της αιθανόλης το 1992 ήταν $ / L, (Oxyfuel News, 1992), η διεργασία παραγωγής αιθανόλης απεδείχθη οικονομικά μη συμφέρουσα, στη συγκεκριμένη περιοχή. Στην Ινδία, έχει ήδη κατασκευαστεί πιλοτική μονάδα παραγωγής αιθανόλης από γλυκό σόργο, από τον μη κερδοσκοπικό οργανισμό NARI (Nimbkar 17

52 Agricultural Research Institute). Πρόκειται, για ηλιακή μονάδα απόσταξης, αποτελούμενη από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες επιφάνειας 38 m 2, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι με δεξαμενή ζεστού νερού, χωρητικότητας 2150 L. Η μονάδα λειτούργησε για περίπου 4000 ώρες, παράγοντας L (95% κ.ο.) αιθανόλης / d (Rajvanshi, 1989). Περίπου το 70% της συνολικής ετήσιας παροχής θερμότητας για απόσταξη, προήλθε από ανανεώσιμη ηλιακή ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο από ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνοοικονομική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για L αιθανόλη (95% κ.ο.) / d, έδειξε πως το κόστος παραγωγής αιθανόλης από τα στελέχη του γλυκού σόργου ήταν $0.30 / L. ( www. nariphaltan. Virtualave.net /sorghum.htm ). Στα κεφάλαια 6, 7 και 10 της παρούσας διδακτορικής διατριβής, παρουσιάζεται αναλυτικά η βιολογική παραγωγή υδρογόνου αλλά και μεθανίου από γλυκό σόργο, καθώς επίσης δίνονται σημαντικά οικονομοτεχτικά στοιχεία για την καλλιέργεια και την ενεργειακή αξιοποίηση του φυτού. 18

53 2. Αναερόβια χώνευση 2.1 Εισαγωγή Η παραγωγή μεθανίου στη φύση από βιολογική δραστηριότητα είναι διαπιστωμένη από το 1776, όταν ο Alessandro Volta περιέγραψε την έκλυση μεθανίου από θαλάσσιο βούρκο. 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, 1982). Η αναερόβια χώνευση μπορεί να προσδιοριστεί ως η βιολογική διεργασία κατά την οποία οργανικό υλικό, απουσία οξυγόνου, μετατρέπεται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (Toerien και Hattingh, 1969). Τα τελευταία χρόνια, η αναερόβια επεξεργασία, εκτός από τη χρήση της για την παραγωγή βιολογικής ιλύος, εφαρμόζεται με αρκετή επιτυχία στην επεξεργασία αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο (Tsonis και Grigoropoulos, 1988; Fernandes et al., 1991; Lettinga και Hulsoff, 1991; Haberl et al., 1991; Wuzsik και Jeweell, 1980) αλλά και στερεών απορριμμάτων (Metcalf και Eddy, 1991; Fruteau et al., 1997; Nopharatana et al., 1998), με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου. Επίσης, λόγω της εκτεταμένης χρήσεως των Χ.Υ.Τ.Α. που πλέον τείνουν να καταργηθούν, έχουν αναπτυχθεί βιολογικά συστήματα για την αναερόβια χώνευση του οργανικού κλάσματος των στερεών απορριμμάτων. Σήμερα, χρησιμοποιείται και ως εναλλακτική μέθοδος παραγωγής ενέργειας από βιομάζα (Gunaseelan, 1997; Chynoweth και Issacson, 1987). 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 εξίσωση: C n H α O b + b n α H 2 O n α b + CO n α b + CH 4 (2.1)

54 Από την αντίδραση είναι φανερό ότι η ποσοστιαία σύσταση του παραγόμενου αερίου μίγματος (βιοαέριο) σε μεθάνιο εξαρτάται από την οξειδωτική κατάσταση του άνθρακα στο υπόστρωμα. Έτσι, 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, 1988). Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (1atm, 0 o C), κάθε mole μεθανίου έχει όγκο 22.4 L και είναι ίσο με 64g COD, και έτσι η μέγιστη θεωρητική παραγωγή σε μεθάνιο είναι ίση με 0.35 L CH 4 /g COD που αποδομείται. Η αναερόβια χώνευση παρέχει μια μοναδική και ολοκληρωμένη δυνατότητα επεξεργασίας και ανάκτησης του οργανικού κλάσματος των στερεών απορριμμάτων, των αστικών λυμάτων, καθώς και του οργανικού φορτίου ισχυρών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων. Απόβλητα από μονάδες επεξεργασίας και παραγωγής χάρτου, πατάτας και αμύλου, σακχάρεως και αλκοολούχων ποτών συχνά υφίστανται προεπεξεργασία με αναερόβια χώνευση. Περισσότεροι από αναερόβιοι χωνευτήρες, βρίσκονται σήμερα σε λειτουργία, στην Ευρώπη, οι οποίοι επεξεργάζονται το 40-50% της λάσπης που παράγεται σε χώρους βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, ενώ το μεθάνιο που παράγεται σε ευρωπαϊκό επίπεδο, μπορεί να ξεπεράσει τα 15 εκατομμύρια m 3 /d (Tilche και Malaspina, 1998). Επομένως, η αναερόβια χώνευση αποτελεί σημαντικό στάδιο, (επεξεργασίας υγρών και στερεών αποβλήτων), άλλων διεργασιών, οι οποίες στοχεύουν στην παραγωγή ή και ανάκτηση προϊόντων, με το σημαντικό πλεονέκτημα της παραγωγής βιοαερίου. Το βιοαέριο αποτελείται από: 40-70% κ.ο. μεθάνιο, 30-60% κ.ο. διοξείδιο του άνθρακα και 1-5% κ.ο άλλα αέρια, περιλαμβανομένων του Η 2 (0-1%) και του H 2 S (0-3%). Η θερμιδική αξία του βιοαερίου είναι περίπου 6kWh/m 3. Το βιοαέριο που παράγεται από έναν αναερόβιο χωνευτήρα μπορεί να καεί επιτόπου σε καυστήρες για παραγωγή θερμότητας, για τη θέρμανση του χωνευτήρα, καθώς και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή για την κάλυψη άλλων ενεργειακών αναγκών, συνεισφέροντας έτσι σημαντικά στη μείωση του ενεργειακού κόστους. Η αναερόβια επεξεργασία παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα, έναντι της συμβατικής αερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων (διεργασία ενεργού ιλύος) (Lettinga et al., 1979). Κάποια από αυτά είναι τα ακόλουθα: Παράγεται ενέργεια με τη μορφή βιοαερίου 20

55 Μπορεί να επεξεργαστεί υγρά απόβλητα με υψηλό οργανικό φορτίο. Παράγεται μικρή περίσσεια σταθεροποιημένης λάσπης Οι απαιτήσεις σε θρεπτικά συστατικά (όπως Ν και Ρ) είναι μικρές Καταναλώνεται ελάχιστη σχετικά ενέργεια, κυρίως για θέρμανση Εξοικονομείται το κόστος αερισμού 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 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. 2.2 Μικροβιολογία και στάδια αναερόβιας χώνευσης Γενική περιγραφή της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια μικροβιακή μετατροπή της οργανικής ύλης σε μεθάνιο, περιγράφεται ως μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων με οριζόντιες και παράλληλες αντιδράσεις (Σχήμα 2.1) (Kaspar και Wuhrmann, 1978; Zehnder, 1978; Bryant, 1979; Gujer και Zehnder, 1983; Zinder, 1984; Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991). Αρχικά, στο στάδιο της υδρόλυσης, σύνθετες πολυμερικές ενώσεις όπως είναι οι 21

56 υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυμα σε διαλυτά προϊόντα μικρoύ μεγέθους έτσι ώστε να επιτρέπεται να εισχωρήσουν στο κύτταρο, διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτές οι σχετικά απλές διαλυτές ενώσεις, στο επόμενο στάδιο, στο στάδιο της οξεογένεσης, ζυμώνονται ή οξειδώνονται αναερόβια σε πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και αμμωνία. Στη συνέχεια, στο στάδιο της οξικογένεσης, τα πτητικά λιπαρά οξέα (εκτός του οξικού οξέος) μετατρέπονται σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τέλος, η μεθανογένεση λαμβάνει χώρα είτε από το οξικό οξύ, είτε από αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο. Η αναερόβια βιοαποδόμηση βιολογικών στερεών (ενεργός ιλύς) απαιτεί ένα επιπλέον μηχανισμό μετατροπής: τον θάνατο και τη λύση των κυττάρων πριν την υδρόλυση της οργανικής ύλης. Η αναερόβια χώνευση του σύνθετου οργανικού υλικού μπορεί να υποδιαιρεθεί σε επτά διεργασίες, σύμφωνα με το σχήμα 2.1 (Gujer και Zehnder, 1983): 1. Υδρόλυση των σύνθετων οργανικών υλικών 2. Ζύμωση των αμινοξέων και των σακχάρων 3. Αναερόβια οξείδωση των λιπαρών οξέων μεγάλου μήκους και των αλκοολών 4. Αναερόβια οξείδωση των ενδιάμεσων προϊόντων (όπως πτητικών λιπαρών οξέων) 5. Παραγωγή οξικού οξέος από διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο (ομοοξικογένεση) 6. Μετατροπή του οξικού οξέος σε μεθάνιο (οξικολυτική μεθανογένεση) 7. Παραγωγή μεθανίου μέσω αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα από υδρογόνο Οι κύριες ομάδες βακτηρίων που παίρνουν μέρος στις αντιδράσεις αυτές είναι οι εξής (Zinder, 1984): 1) βακτήρια ζύμωσης, 2) οξικογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο, 3) οξικογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο, 4) μεθανογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα, και (5) οξικολυτικά μεθανογόνα βακτήρια. Στο σχήμα 2.1 φαίνονται και οι ομάδες των βακτηριδίων που εμπλέκονται στις διεργασίες για την παραγωγή μεθανίου. 22

57 ΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ πρωτεΐνες υδατάνθρακες λιπίδια ΥΔΡΟΛΥΣΗ αμινοξέα, σάκχαρα λιπαρά οξέα, αλκοόλες ΖΥΜΩΣΗ ενδιάμεσα προϊόντα (προπιονικό, βουτυρικό κ.ά.) ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Οξικό οξύ 3 ΟΜΟΟΞΙΚΟΓΕΝΕΣΗ Η 2, CO 2 ΟΞΙΚΟΛΥΤΙΚΗ ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ 5 4 CH 4, CO 2 ΑΝΑΓΩΓΙΚΗ ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ Σχήμα 2.1 Σχηματική αναπαράσταση της αναερόβιας χώνευσης της σύνθετης οργανικής ύλης (Gujer και Zehnder, 1983; Zinder, 1984). (οι αριθμοί αναπαριστούν τις βακτηριακές ομάδες που εμπλέκονται) Γενικά χαρακτηριστικά μικροοργανισμών Τo κύτταρο είναι το κύριο δομικό συστατικό της ζωής. Τα βασικά συστατικά από τα οποία αποτελείται είναι το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και ο άνθρακας. Ακολουθούν σε σπουδαιότητα ο φωσφόρος, το θείο, ενώ ο συνολικός αριθμός των στοιχείων που απαντώνται φυσικά στους έμβιους οργανισμούς είναι 24 (Λυμπεράτος, 1998). Οι περισσότερες χημικές ενώσεις που απαντώνται στο κύτταρο εμφανίζονται με τη μορφή πολυμερών και είναι τα λιπίδια, οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα. 23

58 Προκειμένου το κύτταρο να εξασφαλίσει τα απαραίτητα συστατικά για την ανάπτυξη και τη λειτουργία του, συμμετέχει σε ένα μεγάλο αριθμό αντιδράσεων. Ο αριθμός των χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο κύτταρο υπερβαίνει τις Κάθε αντίδραση απαιτεί την καταλυτική δράση κάποιου ενζύμου. Το σύνολο όλων των χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα μέσα στο κύτταρο καλείται μεταβολισμός (Λυμπεράτος, 1998). Μπορεί να διαχωριστεί σε καταβολισμό, που είναι το σύνολο των αντιδράσεων που περιλαμβάνουν την διάσπαση υποστρωμάτων ή την χρήση ηλιακού φωτός με σκοπό την παραγωγή ενέργειας, και σε αναβολισμό που περιλαμβάνει όλες τις αντιδράσεις για την σύνθεση διάφορων κυτταρικών συστατικών. Τους μικροοργανισμούς μπορούμε να τους κατηγοριοποιήσουμε ανάλογα με κάποια χαρακτηριστικά τους. Ένα γενικό κριτήριο κατάταξης των μικροοργανισμών, είναι η σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας με το οξυγόνο. Στον πίνακα 2.3 παρουσιάζεται η κατάταξη των μικροοργανισμών ανάλογα με την ικανότητα τους να χρησιμοποιούν το οξυγόνο (Αγγελής, 2000). Πίνακας 2.1 Κατάταξη των μικροοργανισμών με κριτήριο τη σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας με το οξυγόνο Μικροοργανισμοί Ιδιότητα 1. Αερόβιοι Χρησιμοποιούν το μοριακό οξυγόνο Χρησιμοποιούν το μοριακό οξυγόνο αλλά μπορούν να 2. Προαιρετικά ζήσουν με ζυμωτικό μεταβολισμό και σε αναερόβιες αναερόβιοι συνθήκες 3. Υποχρεωτικά αναερόβιοι Δεν διαθέτουν την ικανότητα χρήσης του μοριακού οξυγόνου 3α. Αδιάφοροι αναερόβιοι Μπορούν να επιβιώσουν και σε αερόβιες συνθήκες 3β. Ανθεκτικοί στον αέρα Έχουν κάποιο όριο ανοχής στη συγκέντρωση οξυγόνου στο περιβάλλον τους 3γ. Αυστηρά αναερόβιοι Πεθαίνουν ακόμα και με ίχνη ελεύθερου οξυγόνου στο περιβάλλον τους 24

59 Επιπλέον οι μικροοργανισμοί και συγκεκριμένα τα βακτήρια, μπορεί να διακριθούν, ανάλογα με την θερμοκρασιακή περιοχή στην οποία λαμβάνει χώρα η ανάπτυξή τους (πίνακας 2.2). Πίνακας 2.2 Κατάταξη των μικροοργανισμών ανάλογα με την φυσική θερμοκρασία ανάπτυξής τους Είδος βακτηρίων Θερμοκρασιακή περιοχή ανάπτυξης ( o C) Ψυχρόφιλα -5 έως 20 Μεσόφιλα 8 έως 45 Θερμόφιλα 40 έως 70 Υπερθερμόφιλα 65 έως Μικροβιολογία της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Οι Toerien και Hattingh (1969) θεώρησαν ότι στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης εμπλέκονται δυο κύριες ομάδες μικροοργανισμών. Η πρώτη ομάδα αποτελούμενη από ένα ετερογενές σύμπλεγμα μικροοργανισμών, μετατρέπει τις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες και τα λίπη, κυρίως σε λιπαρά οξέα και η δεύτερη ομάδα αποτελούμενη από αυστηρώς αναερόβια βακτήρια που ονομάζονται μεθανογόνα βακτήρια, μετατρέπει τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού των μικροοργανισμών του πρώτου σταδίου, σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Στη συνέχεια μελετώνται ξεχωριστά οι δύο αυτές κύριες ομάδες μικροοργανισμών που συμβάλλουν στην αναερόβια επεξεργασία Μη μεθανογόνοι μικροοργανισμοί στην αναερόβια χώνευση Διάφορες ομάδες μικροοργανισμών όπως είναι τα βακτήρια, τα πρωτόζωα και οι μύκητες εμπλέκονται στο στάδιο της μη μεθανογόνου φάσης της αναερόβιας χώνευσης. Η ύπαρξη, ο αριθμός, ο τύπος και το είδος των μικροοργανισμών αυτών, εξαρτάται από τα ποιοτικά και τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων υποστρωμάτων (Hobson et al., 1974). Μεταξύ των μη μεθανογόνων 25

60 μικροοργανισμών που έχουν απομονωθεί στους αναερόβιους χωνευτήρες είναι το είδος Clostridium spp, Peptococcus anaerobicus, Desulphovibrio spp, Corynebacterrum spp, Lactobucillus, Staphylococcus και Escherichia coli. Όμως, η κύρια κατηγορία μικροοργανισμών που απαντώνται στους αναερόβιους αντιδραστήρες είναι τα βακτήρια. Στη μη μεθανογόνο φάση υπάρχουν είτε προαιρετικά αναερόβια είτε υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια. Τα τελικά προϊόντα του μη μεθανογόνου πληθυσμού είναι τα κορεσμένα λιπαρά οξέα, το υδρογόνο, το διοξείδιο το άνθρακα και η αμμωνία. Για τη διεργασία αυτή θα γίνει ιδιαίτερη αναφορά στο επόμενο κεφάλαιο, όπου θα αναλυθεί λεπτομερέστερα η παραγωγή του υδρογόνου από ζυμωτικά βακτήρια. Οι Toerien et al. (1967) και οι Mah και Sussman (1968), υποστήριξαν για πρώτη φορά ότι τα υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια είναι η κύρια ομάδα μικροοργανισμών για την παραγωγή οξέων, σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες (Burbank et al., 1966) που θεωρούσαν τα προαιρετικά αναερόβια βακτήρια ως τα σημαντικότερα. Ιδιαίτερα σημαντικός είναι ο ρόλος των βακτηρίων που οξειδώνουν λιπαρά οξέα, όπως το προπιονικό και το βουτυρικό προς οξικό οξύ, καθώς τα προϊόντα αυτά δεν μπορούν να μεταβολιστούν από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς. Η ανάπτυξη των μικροοργανισμών αυτών μέσα στην αναερόβια καλλιέργεια, είναι ιδιαίτερα αργή και απαιτεί μεγάλους χρόνους παραμονής, ειδάλλως, μπορεί να παρεμποδιστεί η μεθανογένεση, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων και κυρίως του προπιονικού οξέος, μέσα στο χωνευτήρα (Malina και Pohland, 1991). Στην συνολική διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, σημαντικός είναι και ο ρόλος δυο επιπλέον τύπων μικροοργανισμών, τα οποία συνυπάρχουν με τα αναερόβια βακτήρια. Αυτά είναι τα βακτήρια που ανάγουν τα θειϊκά σε υδρόθειο (sulfate-reducing bacteria) (Esposito et al., 2003) καθώς και τα ομοοξικογόνα βακτήρια που μετατρέπουν το CO 2 και το H 2 σε οξικό (homoacetogenic bacteria) (Krumböck και Conrad, 1991; Thebrath et al., 1992; Chin και Conrad, 1995) Μεταβολισμός μη μεθανογόνων μικροοργανισμών Οι διεργασίες που ελέγχονται από μη μεθανογόνα βακτήρια είναι η υδρόλυση της σύνθετης οργανικής ύλης, η οξεογένεση και η οξικογένεση. Η υδρόλυση 26

61 λαμβάνει χώρα με τη δράση ενζύμων, τις υδρολάσες, τα οποία δρουν είτε εξωκυτταρικά στην περίπτωση βιοπολυμερών, είτε ενδοκυτταρικά στην περίπτωση μικρών διμερών (Kotzé et al., 1968; Thiel et al., 1968; Hatting et al., 1967). Τα εξωκυτταρικά ένζυμα, ή εξωένζυμα, διασπούν το σύνθετο οργανικό υπόστρωμα (λίπη, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες) σε μικρότερα μόρια. Συγκεκριμένα, οι πρωτεΐνες διασπώνται από εξωκυτταρικά ένζυμα, τις πρωτεάσες σε πολυπεπτίδια και αμινοξέα (Lackey και Hendricson, 1958). Στη συνέχεια η διάσπαση των αμινοξέων γίνεται με διαφορετικούς μηχανισμούς και από διαφορετικούς μικροοργανισμούς (Barker, 1961; Greenberg, 1961). Τα τελικά προϊόντα της αποδόμησης των πρωτεϊνών είναι τα οργανικά οξέα (McCarty et al., 1962). Η αποδόμηση των λιπιδίων πραγματοποιείται με τη βοήθεια του ενζύμου λιπάση, προκαλώντας β-οξείδωση (Simpson, 1960). Η β-οξείδωση των λιπαρών οξέων μεγάλου μήκους οδηγεί στο σχηματισμό οξικού οξέος, ενώ κατά την β- οξείδωση των λιπιδίων ακανόνιστου μεγέθους σχηματίζεται μίγμα οξικού και προπιονικού οξέος. Ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων για την β-οξείδωση των λιπαρών οξέων μεγάλου μοριακού βάρους κάτω από αναερόβιες συνθήκες είναι το διοξείδιο του άνθρακα (McCarty, 1968). Για παράδειγμα, ο καταβολισμός του βουτυρικού οξέος από το είδος Syntrophomonas wofei γίνεται μέσω β- οξείδωσης και παράγεται είτε οξικό οξύ και υδρογόνο (McInerney et al., 1981) είτε μυρμηκικό οξύ (Boone et al, 1989), ενώ η οξείδωση του προπιονικού οξέος από το είδος Syntrofobacter wolinii έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή οξικού, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου (Boone et al., 1980). Τέλος, οι υδατάνθρακες αποδομούνται με τη βοήθεια διαφόρων ενζύμων παράγοντας διάφορα προϊόντα όπως: υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα, αιθανόλη, μυρμηκικό, οξικό, προπιονικό, βουτυρικό, βαλερικό, γαλακτικό οξύ και διάφορα άλλα οξέα. Τα προϊόντα αυτά της ζύμωσης διαφέρουν ανάλογα με το είδος ή το γένος των βακτηρίων καθώς επίσης και με τις συνθήκες που αναπτύσσονται (Hobson et al., 1974). Λεπτομερέστερη αναφορά για τη βιολογική αποδόμηση των υδατανθράκων πραγματοποιείται στο επόμενο κεφάλαιο. Τα τελικά προϊόντα της μη μεθανογόνου φάσης που είναι τα κορεσμένα λιπαρά οξέα, το υδρογόνο, το διοξείδιο το άνθρακα και η αμμωνία, χρησιμοποιούνται στη συνέχεια από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς, όπως θα δούμε παρακάτω, για την τελική μετατροπή του σύνθετου οργανικού υλικού σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε σε έναν αναερόβιο σύστημα, 27

62 μέσω μιας σειράς πολύπλοκων βιοχημικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται από διαφορετικούς σε φυσιολογία μικροοργανισμούς, είτε μέσω μιας διεργασίας δύο σταδίων, όπου στο πρώτο στάδιο τα μη μεθανογόνα βακτήρια αποδομούν την οργανική ύλη σε έναν οξεογόνο αντιδραστήρα, και στο δεύτερο στάδιο παράγεται μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα από τα προϊόντα του πρώτου αντιδραστήρα (Gijzen et al., 1988; Barnes και Keller, 2003) Μικροβιολογία μεθανογόνων μικροοργανισμών Η παραγωγή μεθανίου είναι το βασικό χαρακτηριστικό των μεθανογόνων μικροοργανισμών και αποτελεί το κύριο καταβολικό προϊόν τους. Τα μεθανογόνα βακτήρια είναι αυστηρά αναερόβιοι μικροοργανισμοί, που μπορεί να ζουν στο στομάχι των μηρυκαστικών αλλά και άλλων ζώων, σε λάσπες αποχετεύσεων, σε απόνερα και γενικά απαντώνται στη φύση σε ανοξικά περιβάλλοντα. Ακόμα, έχουν απομονωθεί ενεργά είδη μεθανογόνων βακτηριδίων από θερμόφιλα (Oremland, 1988) ή αρκετά αλατούχα περιβάλλοντα (Kotzé et al., 1969). Τα κύρια γένη των μικροοργανισμών που έχουν προσδιοριστεί για μεθανογένεση είναι το Methanobacterium, ο Methanobacillus και οι κόκκοι Methanosarcina. Για την ανάπτυξη και το μεταβολισμό τους, τα μεθανογόνα βακτήρια χρησιμοποιούν περιορισμένο αριθμό απλών οργανικών ενώσεων. Έτσι, η παραγωγή του μεθανίου γίνεται συνήθως είτε μέσω της αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο, είτε μέσω λύσης του οξικού (οξικολυτική μεθανογένεση). Επιπλέον, κάποιοι μεθανογόνοι χρησιμοποιούν το μυρμηκικό οξύ, τη μεθανόλη, τις μεθυλαμίνες, το διμεθυλοσουλφίδιο καθώς και το μονοξείδιο του άνθρακα, ως δότη ηλεκτρονίων. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου. Όλοι οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν NH + 4 ως πηγή αζώτου ενώ σε όλα τα είδη είναι απολύτως απαραίτητα ιχνοστοιχεία: νικέλιο, σίδηρος και κοβάλτιο (Madigan et al., 1997). Επίσης, έχει βρεθεί ένας σημαντικός αριθμός συνενζύμων που είναι μοναδικά και τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των οργανισμών αυτών (Ferry, 1993). 28

63 Πίνακας 2.3 Κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου στο στάδιο της μεθανογένεσης (Jones, 1991) Αντιδράσεις Υδρογονοτροφικές αντιδράσεις 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O 4HCOO - + 4H + CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O 4CO + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2 Οξικολυτικές αντιδράσεις CH 3 COO - + Η + CH 4 + CO 2 Αντιδράσεις με μεθυλομάδες 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O 4CH 3 NH H 2 O 3CH 4 + CO 2 + 4NH 4 4(CH 3 ) 3 NH H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 4NH Υποστρώματα για αναερόβια χώνευση 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 (Li και Noike, 1992; Gavala et al., 2003) καθώς και τα αστικά στερεά απόβλητα (Cecchi et al., 1986; Owens et al., 1993), αποτελούν τα συνηθέστερα υποστρώματα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. Επιπλέον, τα στερεά απόβλητα φρούτων και λαχανικών που παράγονται σε μεγάλες ποσότητες ημερησίως, μπορούν να υποστούν αναερόβια επεξεργασία (Bouallagui et al., 2005) εξαιτίας της μεγάλης βιοαποδομησιμότητάς τους (Viturtia et al., 1989; Misi και Forster, 2002). Ζωικά απόβλητα, πλούσια σε πρωτεΐνες (Johns, 1995; Ruiz et al., 1997), απόβλητα βιομηχανιών όπως βιομηχανίας πατάτας (Stewart et al, 1984), και ζάχαρης (Ghanem et al.,1992), πλούσια σε άμυλο και απλά σάκχαρα αντίστοιχα, συχνά διασπώνται και σταθεροποιούνται μέσω αναερόβιας επεξεργασίας. Τα δασοκομικά υλικά και υπολείμματα που περιέχουν κυρίως λιγνοκυτταρινούχο βιομάζα επεξεργάζονται αναερόβια, μετά από προεπεξεργασία, για τη διάσπαση των μεγάλων πολυμερών (Cowling, 1975). Τα ενεργειακά φυτά όπως ζαχαροκάλαμο (Chynoweth et al., 1993) σιτάρι (Badger et al., 1979), άχυρο 29

64 (Mahamat et al., 1989), καλαμπόκι (Tong et al., 1990) και σόργο (Jerger et al., 1987; Richards et al., 1991; Chynoweth et al., 1993) έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μεθανίου, δίνοντας μεγάλες αποδόσεις. Τα διαφορετικά μέρη των φυτών που μελετήθηκαν (Chynoweth et al., 1993), η συχνότητα συγκομιδής (Chynoweth et al., 1993) και η ηλικία των φυτών (Shiralipour και Smith, 1985) παρουσίασαν διαφορετική επίδραση στην τελική απόδοση παραγωγής μεθανίου. Η αναερόβια χώνευση, χρησιμοποιείται ως μέθοδος επεξεργασίας σχεδόν κάθε είδους αποβλήτου. Οι κυριότερες ομάδες ενώσεων οι οποίες συναντώνται συνήθως είναι οι υδατάνθρακες, τα αμινοξέα, οι πρωτεΐνες, τα λιπαρά οξέα, τα λιπίδια, οι αλκοόλες και μια ομάδα αζωτούχων ενώσεων που προέρχονται από ζωντανά κύτταρα, όπως το δεσοξυριβοζονουκλεϊκό οξύ (DNA), το ριβοζονουκλεϊκό οξύ (RNA) και άλλα συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων (Kotzé et al., 1968; Stanier et al., 1964). 2.4 Συστήματα αναερόβιας χώνευσης Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι αναερόβιων χωνευτήρων και συστημάτων αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων (Speece, 1983α). Η βασική διαφορά μεταξύ των συστημάτων αυτών έγκειται στην διαφορετική αναλογία 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, η αναλογία SRT/HRT είναι ίση με τη μονάδα και οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται αιωρούμενοι μέσα στο υγρό μέσο. Πλεονέκτημά του είναι η ικανότητα επεξεργασίας αποβλήτων με υψηλές συγκεντρώσεις σε αιωρούμενα στερεά και σε διαλυτά οργανικά, καθώς και η διατήρηση ομοιόμορφων συνθηκών θερμοκρασίας 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. Τέτοια συστήματα είναι τα αναερόβια φίλτρα ανοδικής και καθοδικής ροής που προτάθηκαν από τους Young και McCarty (1969) και τους van den Berg και Lentz (1979), αντίστοιχα. Οι αντιδραστήρες αυτοί 30

65 χρησιμοποιούνται κυρίως για απόβλητα με μικρές συγκεντρώσεις σε αιωρούμενα στερεά. Προσκολλημένοι μικροοργανισμοί πάνω 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 (Jeris, 1982). Υπάρχουν αρκετές εργαστηριακές μελέτες και εφαρμογές μεγάλης κλίμακας που αφορούν στην αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων με χρήση αντιδραστήρων αυτού του τύπου (Speece, 1996). Βασικό μειονέκτημα των αντιδραστήρων αυτών είναι το μεγάλο κόστος που απαιτείται, για την πάκτωση του αντιδραστήρα με το υλικό πλήρωσης (Mc Dermott, 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), που προτάθηκε από τους Lettinga et al. (1980) και εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στην κεντρική μονάδα παρασκευής ζάχαρης, στην Ολλανδία. 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, αναπτύχθηκε λίγο αργότερα από τους McCarty (Bachmann et al., 1982; 1985) και 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. Πέρα από τα βασικά συστήματα αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων, έχουν προταθεί και κάποια άλλα καινοτόμα συστήματα, αρκετά από τα οποία είναι τροποποιήσεις ή συνδυασμοί των βασικών συστημάτων επεξεργασίας, που μόλις αναφέρθηκαν. Οι Dorr-Oliver πρότειναν τον βιοαντιδραστήρα μεμβράνης ο οποίος είναι ένας CSTR αποτελούμενος από μεμβράνη, για την συγκράτηση των στερεών (Li και Sutton, 1982). Ακόμη, ο αντιδραστήρας MPAR (Guiot et al., 1995) και o ΗUASBR, που είναι τροποποίηση του UASB αντιδραστήρα (Öztürk et al, 1993). Σημαντικό ρόλο παίζουν και τα διβάθμια αναερόβια συστήματα ή συστήματα δύο σταδίων (Pohland και Gosh, 1971). Η βασική αρχή λειτουργίας των συστημάτων 31

66 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 (Mata- Alvarez, 1987). Τα πλεονεκτήματα της διεργασίας αυτής είναι ο καλύτερος έλεγχος των δυο ξεχωριστών διεργασιών, τα μικρότερα απαιτούμενα μεγέθη των αντιδραστήρων και η καλύτερη λειτουργία της μεθανογένεσης, η οποία δεν παρεμποδίζεται από πιθανά παράγωγα της πρώτης διεργασίας (Dinopoulou et al., 1988; Alexiou et al., 1994; Speece., 1996; Rinzema και Lettinga, 1988; Komatsu et al., 1991). 2.5 Παράγοντες που 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 Η θερμοκρασία Όπως όλες οι μικροβιακές διεργασίες, η μεθανογένεση εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία. 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, 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 (Stanier et al., 1964; Sundaram, 1986). Οι Malina et al. (1992) αναφέρουν δύο βέλτιστες θερμοκρασιακές περιοχές για την λειτουργία αναερόβιων συστημάτων: τη μεσόφιλη (κοντά στους 35 o C) και τη θερμόφιλη (55 o C με 60 o C), ανάμεσα στις οποίες οι ρυθμοί ανάπτυξης των μικροοργανισμών, μειώνονται. Η μείωση αυτή θεωρείται ότι οφείλεται στην έλλειψη 32

67 προσαρμογής των μικροοργανισμών (Macki και Bryant, 1981). Εξάλλου, σε θερμοκρασίες κοντά στους 70 ο C ή και μεγαλύτερες, οι ρυθμοί των μεθανογόνων βακτηριδίων μειώνονται (Zinder et al., 1984), παρ όλο που το μεγαλύτερο φάσμα υποστρωμάτων μπορεί να είναι διαθέσιμο σε υψηλότερες θερμοκρασίες (Westrich και Berner, 1988) Οι Rudolfs και Heukelekian (1931) αναφέρουν ότι ο ρυθμός χώνευσης της βιολογικής λάσπης αυξάνεται με αλλαγή από τη μεσόφιλη στη θερμόφιλη περιοχή, αλλά για τη χώνευση αλεσμένης λάσπης, υποστηρίζουν ότι είναι περισσότερο αποτελεσματική κάτω από μεσοφιλικές συνθήκες. Αν και η θερμόφιλη αναερόβια χώνευση, επιτυγχάνει υψηλότερους ρυθμούς αντίδρασης και κατά συνέπεια μεγαλύτερο ποσοστό αποδόμησης των οργανικών στερεών, οι υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, η δημιουργία έντονων οσμών και η μειωμένη ευστάθεια της διεργασίας (Lohmeyer, 1959), την καθιστούν οικονομικά ασύμφορη και πρακτικά δύσκολα εφαρμόσιμη (Buhr και Andrews, 1977). 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 και Kinchusky (1965) συμπέραναν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας από τους 32 o C στους 40 o C προκάλεσε διαταραχή σε αναερόβιο χωνευτήρα, ενώ οι Fisher και Greene (1945) ανέφεραν ότι η πτώση της θερμοκρασίας κατά μόλις 2.7 o C, για σχετικά μικρό χρονικό διάστημα, είχε δυσμενείς συνέπειες στη θερμόφιλη αναερόβια χώνευση. Οι Buswell (1957) επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα αυτά και τόνισαν ότι μια απότομη αλλαγή ακόμα και 1-2 o C, μπορεί να προκαλέσει οριστική διακοπή στην μεθανογένεση, με κυριότερη συνέπεια τη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων. Από την άλλη μεριά, ο Garber (1954) αναφέρει ότι η μείωση της θερμοκρασίας κατά 5 o C στην θερμόφιλη αναερόβια χώνευση (49 o C), δεν προκαλεί αλλαγές στο σύστημα, ενώ o Golueke (1958) κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα και για πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασιακή αλλαγή (από o C) To ph και η αλκαλικότητα Ο ετερογενής μικροβιακός πληθυσμός ενός αναερόβιου χωνευτήρα περιλαμβάνει μια μεγάλη ποικιλία βακτηριακών ειδών, το καθένα από τα οποία έχει 33

68 μια βέλτιστη περιοχή τιμών ph, στην οποία λαμβάνει χώρα η βέλτιστη ανάπτυξή του. Στην αναερόβια χώνευση η βέλτιστη περιοχή τιμών ph, είναι ένα αποτέλεσμα της συνεισφοράς των διαφορετικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα. (Kotzé et al., 1969). Ο Barker (1956) αναφέρει ότι η περιοχή τιμών ph μεταξύ είναι πιο αποτελεσματική για την παραγωγή του μεθανίου και ότι κάτω από ph = 6 και πάνω από ph = 8, η παραγωγή μειώνεται σημαντικά. Άλλες εργασίες αναφέρουν ότι τα μεθανογόνα βακτήρια αναπτύσσονται σε τιμές ph μεταξύ , με βέλτιστη περιοχή τιμών από (Zinder, 1994; Γαβαλά, 1998). Επιπλέον, η μεθανογένεση έχει παρατηρηθεί και σε όξινο ή βασικό περιβάλλον, πέρα από την ουδέτερη περιοχή τιμών ph. Οι Keefer και Urtes (1963) πέτυχαν χώνευση του οξικού, μυρμηκικού, προπιονικού και βουτυρικού οξέος σε ph= 6.8, ενώ οι Ηindin και Dustain (1963) μελέτησαν με επιτυχία την αναερόβια χώνευση του αποβλήτου μιας πατατοβιομηχανίας στην περιοχή τιμών ph: 7-8. Τα οξικολυτικά μεθανοβακτήρια Methanosarcina barkeri και Methanosarcina vacuolata, αναπτύσσονται σε χαμηλές τιμές ph, με βέλτιστη την τιμή ph = 5 (Maestrojuan και Boone, 1991), ενώ μεθανογόνοι μικροοργανισμοί σε βαλτώδη τύρφη παράγουν σημαντικές ποσότητες μεθανίου σε ph~3 ενώ η βέλτιστη τιμή τους είναι ~6 (Williams και Crawford, 1984). Από την άλλη μεριά, έχει παρατηρηθεί ανάπτυξη μεθανοβακτηρίων σε ph~9 (Blotevogel, 1985). Δύο παράγοντες επιδρούν στην τιμή του ph ενός χωνευτήρα: η αλκαλικότητα του συστήματος και η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων. Η αλκαλικότητα 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 2 O H 2 CO 3 (2.2) H 2 CO 3 H + + HCO 3 - (2.3) Η αλκαλικότητα, αποτελεί μέτρο της ρυθμιστικής ικανότητας των συστατικών ενός αναερόβιου αντιδραστήρα. Έτσι υψηλές τιμές αλκαλικότητας αποτελούν ένδειξη ενός καλά ασφαλισμένου 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. Αρκετοί ερευνητές έχουν δημοσιεύσει κάποιες περιοχές τιμών αλκαλικότητας (εκφρασμένης ως mg CaCO 3 /L) ως 34

69 επιθυμητές, για την διεργασία της αναερόβιας χώνευσης (Yencko, 1955; Backmeyer, 1955; Gould, 1959; Copeland, 1955; Coulter, 1953; Haseltine, 1949; Fogarty, 1961). 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 αποτυγχάνει. Η αύξηση της συγκέντρωσης των λιπαρών οξέων είναι από τα πιο κοινά προβλήματα των αναερόβιων αντιδραστήρων (Buswell και Neave, 1930; Buswell και Hatfield, 1939) 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 (Pohland et al., 1963, 1987). 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 (Μalina et al., 1991). 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 (Schlenz, 1944, 1947; Schulze και Raju, 1958; Hindin και Dunstan, 1959, 1960; Mueller et al., 1959). 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 ή του ασβεστίου (ΝαΟΗ, Ca(OH) 2,), όξινο ανθρακικό ή ανθρακικό νάτριο (ΝaHCO 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 (Mueller, 1959; Pohland, 1962), ενώ αναφέρεται ότι η αναλογία των πτητικών λιπαρών οξέων (ως mg οξικού οξέος/ L) και της ολικής αλκαλικότητας (σε mg CaCO 3 /L) πρέπει να είναι χαμηλότερη του 0.1, σε ένα χωνευτήρα (Sahm, 1984) Τα θρεπτικά 35

70 Για την ομαλή και προ παντός για τη βέλτιστη λειτουργία μιας βιολογικής διεργασίας, όπως η αναερόβια χώνευση, είναι απαραίτητη η τροφοδότηση των μικροοργανισμών, με μια ποικιλία θρεπτικών συστατικών, απαραίτητων για την ανάπτυξη και το μεταβολισμό τους. Γενικά, τα επίπεδα στην τροφοδοσία των βασικών θρεπτικών C και Ν συνήθως εκφράζονται με το λόγο ΧΑΟ: N (όπου ΧΑΟ το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο), που πρέπει να κυμαίνεται στην περιοχή 400:7 (Henze και Harremoes, 1983) ή 1000:7 (van den Berg και Lentz, 1978). Άλλοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η επαρκής αναλογία C:N είναι 40:1 (Kaplovsky, 1952) ενώ οι Sanders και Bloodgood (1956) έκριναν απαραίτητη μια τέτοια αναλογία ίση με 16:1. Παρόμοια, ο βέλτιστος προτεινόμενος λόγος Ν:P είναι 7:1 (Stronach et al., 1986). Επίσης διάφορα ιχνοστοιχεία 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 (Stronach et al., 1986). Αν και απαιτούνται σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις, η έλλειψή τους, έχει αρνητική επίδραση στην μικροβιακή ανάπτυξη. Τα μεθανογόνα βακτήρια, έχουν σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις σιδήρου, νικελίου και κοβαλτίου στα κύτταρά τους. Τα τέσσερα στοιχεία αυτά, είναι απαραίτητα για την μετατροπή του οξικού οξέος σε μεθάνιο (Speece, 1983β; Diekert et al., 1981; Hoban και van den Berg, 1979). Όμως, είναι πιθανό να μην περιέχονται σε ικανοποιητικές συγκεντρώσεις, σε απόβλητα αγροτοβιομηχανικών προϊόντων ή ενεργειακά φυτά όπως το καλαμπόκι. Σε τέτοιες περιπτώσεις κρίνεται απαραίτητη η προσθήκη των ιχνοστοιχείων αυτών στην τροφοδοσία, πριν την επεξεργασία (Hulshoff, 1995). 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. (Rajeshwari et al., 2000) Οι τοξικές ουσίες 36

71 Οι μεθανογόνοι, θεωρούνται ως περισσότερο ευαίσθητοι μικροοργανισμοί στην τοξικότητα, σε σχέση με όλα τα είδη μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. (Speece, 1983α). 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 του (Kiener και Leisinger, 1983). 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. Η παραγωγή μεθανίου, από το βακτήριο Methanobacterium formicium παρεμποδίζεται μερικώς από συγκέντρωση αμμωνίας ίση με 3000 mg/l σε ph=7.1, ενώ όταν η συγκέντρωση γίνεται ίση με 4000 mg/l προκαλείται πλήρης παρεμπόδιση της διεργασίας (Stronach et al., 1986). Από την άλλη μεριά, ο μη μεθανογόνος πληθυσμός επηρεάζεται σε συγκεντρώσεις αμμωνίας μεγαλύτερες από 6000 mg/l(cross et al., 1983). 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 (Ahring and Angelidaki, 1997, Pind et al., 1999). Οι επιπτώσεις από την αύξηση των πτητικών λιπαρών οξέων, εξαρτώνται συχνά και από άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες όπως το ph και την αλκαλικότητα, που επικρατούν στο αναερόβιο σύστημα (Pohland και Bloodgood 1963; McCarty, 1964). 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 (McCarty και Brosseau, 1963; Hobson και Shaw, 1976; Iannotti και Fischer, 1984). Επιπλέον, τα ανώτερα λιπαρά οξέα (π.χ. στεατικό, παλμιτικό, λαουρικό κ.ά.) παρεμποδίζουν τη δραστικότητα των οξικολυτικών μεθανογόνων βακτηρίων. 37

72 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 > Ca > Pb > Cr > Zn (Hayes et al., 1978). Η τοξικότητα των μετάλλων αυτών μειώνεται, όταν ακολουθεί αντίδραση με το υδρόθειο, η οποία οδηγεί στο σχηματισμό αδιάλυτων θειούχων ιζημάτων. 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 ~ g/l και πλήρως για συγκεντρώσεις ~ 8 g/l (McCarty, 1964β). Από την άλλη, πολύ μικρότερες συγκεντρώσεις φορμαλδεΰδης (100 mg/l), επαρκούν για να προκαλέσουν σημαντική παρεμπόδιση στα μεθανογόνα βακτήρια. Το υδρόθειο (H 2 S) 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 και Speece, 1991) Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής 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 38

73 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. 39

74 3. Υδρογόνο 3.1 Εισαγωγή Το όνομα του στοιχείου αυτού δόθηκε από το Γάλλο χημικό Antoine Lavoisier και προέρχεται από τις λέξεις της αρχαίας ελληνικής γλώσσας «ύδωρ» και «γένομαι». Αναγνωρίστηκε ως ξεχωριστό στοιχείο, για πρώτη φορά, από τον Άγγλο χημικό Henry Cavedish, το Το υδρογόνο σε θερμοκρασία δωματίου, βρίσκεται σε αέρια φάση. Είναι άοσμο, άχρωμο, μη τοξικό και εύφλεκτο. Όταν αέριο υδρογόνο καίγεται, σχηματίζεται νερό. Μπορεί να συνδυαστεί χημικά με πάρα πολλά στοιχεία, δίνοντας μεγαλύτερες ενώσεις, όπως το νερό και διάφοροι υδρογονάνθρακες, όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Σε καθαρή αέρια μορφή συναντάται σπάνια, παρόλο που πολλά ορυκτά και όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν ενώσεις του, σε πολύ μεγάλο βαθμό. Έτσι το υδρογόνο βρίσκεται σε αφθονία στο σύμπαν, αφού εμπεριέχεται στα κύτταρα, στην κερατίνη, στα ένζυμα που συντελούν στην πέψη, στα μόρια του DNA, ενώ βρίσκεται άφθονο στις τροφές υπό τη μορφή λιπών, πρωτεϊνών και υδρογονανθράκων. Η ατμόσφαιρα αποτελείται από υδρογόνο σε ποσοστό 0.07%, ενώ στην επιφάνεια της γης το 0.14 % είναι υδρογόνο. Είναι το ελαφρύτερο στοιχείο του Περιοδικού Πίνακα, καθώς η μάζα 1 L υδρογόνου ζυγίζει μόλις 0.09 g, ενώ 1 L αέρα ζυγίζει 1.2 g Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας Τα τελευταία χρόνια, εξαιτίας των κλιματικών αλλαγών και του φαινομένου του θερμοκηπίου, η παγκόσμια ερευνητική κοινότητα έστρεψε το ενδιαφέρον της προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συγκεκριμένα, προς την παραγωγή βιοκαυσίμων. Στην κατεύθυνση αυτή, σημαντική ερευνητική δραστηριότητα έχει επιτευχθεί στην τεχνολογία παραγωγής του υδρογόνου, το οποίο θεωρείται ως «το καύσιμο του μέλλοντος». Το βασικό πλεονέκτημα του υδρογόνου, ως φορέας ενέργειας, είναι η ολοσχερής απουσία ρυπογόνων εκπομπών, μιας και η χρήση του μέσω καύσης 40

75 παράγει αποκλειστικά καθαρό νερό. Ιδανική τεχνολογική και ενεργειακή εφαρμογή της καύσης του, αποτελούν οι κυψελίδες καυσίμου, που επιτρέπουν την παραγωγή ηλεκτρισμού από την ένωση υδρογόνου και οξυγόνου που υπάρχει στον αέρα. Οι κυψελίδες καυσίμου αποτελούν μια προηγμένη εναλλακτική λύση για την αντικατάσταση των μηχανών εσωτερικής καύσης. Συγκεκριμένα, υπερέχουν αυτών, αφού προσφέρουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης απόδοσης, του μικρότερου μεγέθους και της μηδενικής εκπομπής ρύπων (Gottesfeld, 1988; Appleby, 1989; Ogumi, 1994; Enyo, 1999). Επιπλέον, οι κυψελίδες καυσίμου είναι έως και τρεις φορές περισσότερο οικονομικές, στην κατανάλωση καυσίμου, ενώ η αντικατάσταση των κινητήρων εσωτερικής καύσης, υψηλής θερμοκρασίας, θα έχει ως αποτέλεσμα και την αποφυγή ορισμένων επικίνδυνων ρυπαντών όπως τα οξείδια του αζώτου (NO x ). Η τεχνολογία που χρησιμοποιούν οι κυψελίδες καυσίμου, δεν είναι εντελώς άγνωστη, αφού μέχρι σήμερα έχει εφαρμοσθεί στην αεροδιαστημική (προγράμματα Gemini και Αpollo) και σε διάφορες πολεμικές εφαρμογές, όπως π.χ. στην κίνηση των υποβρυχίων. Τα τελευταία χρόνια, σχεδόν όλες οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες ασχολούνται με την ανάπτυξη αυτοκινήτων που κινούνται με κυψελίδες καυσίμου. Ο ανεφοδιασμός των αυτοκινήτων που λειτουργούν με κυψελίδες καυσίμου, μπορεί να πραγματοποιηθεί με το υπάρχον δίκτυο διανομής της βενζίνης, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα σε σχέση με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα τα οποία χρειάζονται αρκετές ώρες επαναφόρτισης, όταν βρίσκονται σε πλήρη ακινησία. Είναι αθόρυβα και με πολύ μικρότερες απαιτήσεις συντήρησης από τα αυτοκίνητα συμβατικής τεχνολογίας. Κοινή πεποίθηση των μεγαλύτερων αυτοκινητοβιομηχανιών του κόσμου αποτελεί το γεγονός ότι τα αυτοκίνητα που λειτουργούν με κυψελίδες καυσίμου θα είναι πλήρως εμπορεύσιμα μετά το 2010, κάτι που θα συντελέσει στη μείωση της περιβαλλοντικής μόλυνσης σε παγκόσμιο επίπεδο. Στην εικόνα 3.1 εικονίζεται ένα σύστημα ανάκτησης και διανομής αερίου υδρογόνου (το οποίο έχει παραχθεί ως παραπροϊόν διαφόρων χημικών διεργασιών), σε ένα δοκιμαστικό σταθμό καυσίμου, στο Tsurumi της Ιαπωνίας, ενώ στην εικόνα 3.2 φαίνεται ένας σταθμός ανεφοδιασμού υδρογόνου της BP στη Βαρκελώνη της Ισπανίας. 41

76 Εικόνα 3.1 Σταθμός παραγωγής και διανομής υδρογόνου στο Tsurumi της Ιαπωνίας. (Iwasaki, 2003) Εικόνα 3.2 Σταθμός διανομής καυσίμου της BP στη Βαρκελώνη της Ισπανίας, για τον ανεφοδιασμό τριών δημόσιων λεωφορείων που κινούνται με κυψέλες καυσίμου Ένα άλλο πλεονέκτημα της χρήσης του υδρογόνου ως καύσιμο, είναι ότι παρουσιάζει υψηλότερη ενεργειακή απόδοση ανά μονάδα βάρους (122 kj/ kg), συγκρινόμενη με άλλα καύσιμα. Έτσι, το ενεργειακό του περιεχόμενο είναι περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συμβατικής βενζίνης, 2.4 φορές μεγαλύτερο από αυτό του μεθανίου (50 kj/kg) και περίπου πέντε φορές μεγαλύτερο από το αντίστοιχο, της αιθανόλης (26 kj/kg). Ένα ακόμα πλεονέκτημα της χρήσης του υδρογόνου είναι ότι μπορεί να παρασκευαστεί με πάρα πολλές μεθόδους, σε οποιαδήποτε χώρα και σε οποιοδήποτε μέρος, γεγονός που συνεπάγεται την ανάπτυξη αποκεντροποιημένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Αυτό παρουσιάζει σημαντικά οφέλη, για τα λιγότερο ανεπτυγμένα κράτη, τα οποία σήμερα εξαρτώνται ενεργειακά από άλλες, ισχυρότερες χώρες. 42

77 Από την άλλη πλευρά, βασικό μειονέκτημα που σχετίζεται με την χρήση του υδρογόνου, είναι η δυσκολία στην αποθήκευση και την μεταφορά του, κυρίως στα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Το πρόβλημα, όμως αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με την εφαρμογή σύγχρονων τεχνολογιών, όπως με τη χρήση μεταλλικών υδριδίων, τα οποία έχουν την δυνατότητα να ροφούν το υδρογόνο σε θερμοκρασία δωματίου και χαμηλές πιέσεις (Ramachandran και Menon, 1988; Noike και Mizuno, 2000) είτε με την αποθήκευσή του ως συμπιεσμένο αέριο ή κρυογενικό υγρό. Μια ακόμα υποψήφια λύση στο πρόβλημα αυτό, είναι η αποθήκευση του υδρογόνου στο εσωτερικό μιας νέας μορφής άνθρακα, των νανοσωλήνων άνθρακα, που επιτυγχάνουν να ροφούν και να αποδίδουν το υδρογόνο, σε συνθήκες περιβάλλοντος (Ajayan και Zhou, 2001). Επί του παρόντος το υδρογόνο έχει κυρίως βιομηχανική χρήση, καθώς χρησιμοποιείται ευρέως ως πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών. Επιπλέον, χρησιμοποιείται στη βιομηχανία τροφίμων για την υδρογόνωση λιπών και ελαίων, στη βιομηχανία αμμωνίας (όπου και καταναλώνεται το 50% του παραγόμενου υδρογόνου), στην παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και για την αποθείωση και την αναμόρφωση της βενζίνης στα διυλιστήρια (Kapdan, 2006). Ο Winter (2005) αναφέρει ότι 50 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου διακινούνται ετησίως, σε παγκόσμιο επίπεδο, με ένα ρυθμό αύξησης περίπου ίσο με 10% ανά έτος. Με βάση το Εθνικό πρόγραμμα των Η.Π.Α για το υδρογόνο, η συνεισφορά του στον τομέα της ενέργειας θα είναι 8-10% έως το 2025 (Αrmor, 1999). Ακόμα, το υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α., σχετικά με την ενέργεια, αναφέρει ότι μέχρι το 2040 τα συστήματα που κινούνται και λειτουργούν με υδρογόνο, θα είναι πλήρως διαθέσιμα σε όλες τις πολιτείες της χώρας (United States Department of Energy, 2004). Eίναι φανερό ότι η οικονομία του υδρογόνου, αποτελεί μία από τις πιο ελκυστικές λύσεις, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του μέλλοντος. Μπορεί να αποτελείται από ένα συνδεδεμένο δίκτυο: διεργασιών οι οποίες παράγουν υδρογόνο αποθήκευσης του παραγόμενου υδρογόνου με φυσικές ή χημικές μεθόδους μετατροπής της παραγόμενης από το υδρογόνο, ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα, στο σημείο ζήτησης. Επιπλέον, σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, το υδρογόνο κατά την παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του, αποτελεί την κινητήρια δύναμη μίας 43

78 καθαρής από ρύπους, κυκλικής διεργασίας. Στον πίνακα που ακολουθεί, παρουσιάζεται το ενεργειακό περιεχόμενο, ανά μονάδα βάρους και ανά μονάδα όγκου, αρκετών καυσίμων καθώς και οι εκπομπές σε άνθρακα, κατά την καύση τους. Πίνακας 3.1 Σύγκριση ενεργειακού περιεχομένου (ανά μονάδα βάρους και ανά μονάδα όγκου) καθώς και εκπομπών σε άνθρακα, συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων Τύπος καυσίμου Ενέργεια ανά Ενέργεια ανά kg ελευθερούμενου C μονάδα βάρους μονάδα όγκου ανά kg καυσίμου (MJ / kg) (MJ / L) Αέριο Υδρογόνο Υγρό Υδρογόνο Ανθρακίτης Φυσικό αέριο Βενζίνη Πετρέλαιο Diesel Βιο-ντήζελ Αιθανόλη Κάρβουνο Αγροτικά υπολείμματα Ξύλο Μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου Γενικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου Περίπου το 90% του υδρογόνου παράγεται μέσω της διεργασίας αναμόρφωσης με ατμό του φυσικού αερίου ή των υδρογονανθράκων, σε υψηλές θερμοκρασίες. Η αεριοποίηση των βαρέων υδρογονανθράκων και η ηλεκτρόλυση του νερού αποτελούν δυο ακόμα βιομηχανικές μεθόδους παραγωγής του υδρογόνου (Das και Veziroglu, 2001). 44

79 Αυτές οι μέθοδοι όμως, απαιτούν συμβατικά καύσιμα ως πηγή ενέργειας ή κάποιες φορές έναντι αυτών, χρησιμοποιούν υδροηλεκτρική ενέργεια (Casper, 1978; Cox, 1979; Lodhi, 1987; Sastri, 1989; Rosen, 1998). Συγκεκριμένα, για την παραγωγή υδρογόνου μέσω αναμόρφωσης των υδρογονανθράκων, καταναλώνεται περίπου το 20-30% του παραγόμενου υδρογονάνθρακα και εκλύονται μεγάλες ποσότητες αερίων του «θερμοκηπίου». Το πρόβλημα της ρύπανσης παραμένει και στην περίπτωση της ηλεκτρόλυσης, εφόσον η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την λύση του νερού προς υδρογόνο και οξυγόνο, προέρχεται από ορυκτά καύσιμα. Εάν όμως η ηλεκτρική ενέργεια έχει παραχθεί από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, τότε κατά την παραγωγή του υδρογόνου εκλύονται μηδενικοί ρύποι. Στην κατεύθυνση αυτή, η βιομάζα, ως ανανεώσιμη πηγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την παραγωγή του υδρογόνου, είτε μέσω θερμοχημικών μεθόδων αξιοποίησης (π.χ καύση, πυρόλυση, υγροποίηση και αεριοποίηση) είτε μέσω βιολογικών διεργασιών (άμεση και έμμεση βιοφωτόλυση του νερού, βιολογική αναγωγή του ατμού με μονοξείδιο του άνθρακα μέσω αντίδρασης αναμόρφωσης με ατμό ή βιολογική water gas shift αντίδραση, καθώς και φωτοετεροτροφική και ετεροτροφική ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου) (Levin, 2004) Θερμοχημικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου από βιομάζα Οι θερμοχημικές διεργασίες αξιοποίησης και επεξεργασίας της βιομάζας περιλαμβάνουν την καύση, την υγροποίηση, την πυρόλυση, και την αεριοποίηση. Κατά την καύση, η αποδιδόμενη ενέργεια είναι χαμηλή ενώ η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου είναι μεγάλη, με αποτέλεσμα να μη θεωρείται ελκυστική τεχνολογία, για την παραγωγή του υδρογόνου. Ως μη υποσχόμενη τεχνολογία, θεωρείται και η υγροποίηση της βιομάζας, εξαιτίας της χαμηλής απόδοσης σε υδρογόνο και των απαιτητικών συνθηκών για την ανάπτυξη και την εφαρμογή της. Έτσι, η πυρόλυση και η αεριοποίηση της βιομάζας θεωρούνται εφικτές τεχνολογίες λαμβάνοντας ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον (Ni, 2006) Παραγωγή υδρογόνου μέσω πυρόλυσης της βιομάζας 45

80 Η πυρόλυση περιλαμβάνει τη θέρμανση της βιομάζας σε θερμοκρασίες από Κ και πιέσεις από MPa, απουσία αέρα, προς σχηματισμό ενός αερίου μίγματος, ενός πλούσιου σε άνθρακα στερεού υπολείμματος και ενός υγρού ελαίου. Μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο διεργασίες: την αργή και τη γρήγορη πυρόλυση. Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί απ ευθείας μέσω της γρήγορης πυρόλυσης, κάτω από υψηλές θερμοκρασίες, σύμφωνα με την αντίδραση: Βιομάζα + θερμότητα Η 2 +CO + CH 4 + άλλα προϊόντα (3.1) Προκειμένου να παραχθεί περισσότερο υδρογόνο, το CH 4 και οι υπόλοιποι αέριοι υδρογονάνθρακες, μπορούν να αναμορφωθούν με ατμό, σύμφωνα με την αντίδραση (3.2), και στη συνέχεια, το παραγόμενο CO μπορεί να μετατραπεί σε υδρογόνο μέσω της αντίδρασης water gas shift (αντίδραση (3.3)): CH 4 + Η 2 Ο 3Η 2 +CO (3.2) Η 2 Ο + CO Η 2 + CO 2 (3.3) Και τα υγρά προϊόντα, εκτός από την αέρια φάση μπορούν να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία για την παραγωγή υδρογόνου (Evans, 2003). Πειραματικές μελέτες έχουν αποδείξει ότι σημαντικές παράμετροι για τη διεργασία της πυρόλυσης, είναι η θερμοκρασία, ο ρυθμός θέρμανσης, ο χρόνος παραμονής και ο χρησιμοποιούμενος καταλύτης. Έτσι, η παραγωγή του υδρογόνου ευνοείται από υψηλή θερμοκρασία, υψηλούς ρυθμούς θέρμανσης και μεγάλους χρόνους παραμονής της πτητικής υγρής φάσης (Demirbas, 2002α). Επιπλέον, με τη χρήση καταλυτών στηριζόμενων στο Ni, η μέγιστη απόδοση σε υδρογόνο μπορεί να φτάσει το 90% και μπορεί να μεγαλώσει σημαντικά με την περαιτέρω αναγωγή ατμού από CO (water gas shift) (Narvaez, 1997). Για την παραγωγή του υδρογόνου μέσω πυρόλυσης έχουν μελετηθεί διάφορα είδη βιομάζας όπως αγροτικά υπολείμματα (Adebi, 2001), σπόροι ελαιοκράμβης (Onay και Kockar, 2004), απόβλητα ανθρώπινης χρήσης, όπως πλαστικό, γράσο, καθώς και βιομάζα μαζί με συνθετικά πολυμερή (Czernik, 2003). Οι Padro και Putsche (1999) υπολόγισαν ότι το κόστος παραγωγής του υδρογόνου μέσω πυρόλυσης της βιομάζας κυμαίνεται από U.S $ 8.86/ GJ - U.S $ 15.52/ GJ και εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας και το είδος της χρησιμοποιούμενης βιομάζας. Το κόστος αυτό καθιστά την πυρόλυση, ως μια ανταγωνιστική διεργασία για την παραγωγή του υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές. 46

81 Παραγωγή υδρογόνου μέσω αεριοποίησης της βιομάζας Η βιομάζα μπορεί να αεριοποιηθεί σε υψηλές θερμοκρασίες (άνω των 1000 Κ), παρουσία οξυγόνου, προς σχηματισμό ενός αερίου μίγματος και ενός πλούσιου σε άνθρακα, στερεού. Η διεργασία αυτή εκφράζεται από την αντίδραση (3.4): θερμότητα Βιομάζα Η 2 +CO + CO 2 + CH 4 + υδρογονάνθρακες+ άνθρακας (3.4) ατμός Τα αέρια που παράγονται από την παραπάνω αντίδραση, μπορούν να αναμορφωθούν με ατμό (αντίδραση 3.2), και στη συνέχεια να υποστούν επεξεργασία μέσω της αντίδρασης αναγωγής του ατμού από CO (αντίδραση 3.3), μεγαλώνοντας την απόδοση σε υδρογόνο. Η διεργασία της αεριοποίησης είναι εφαρμόσιμη, όταν η υγρασία της βιομάζας είναι μικρότερη από 25% (Demirbas, 2002β). Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της διεργασίας, είναι ο σχηματισμός ανεπιθύμητης πίσσας, που μπορεί να οδηγήσει στον πολυμερισμό προς πιο σύνθετες δομές, οι οποίες δεν ευνοούν την παραγωγή του υδρογόνου, μέσω αναμόρφωσης με ατμό. Οι λειτουργικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία και ο χρόνος παραμονής αλλά και η χρήση πρόσθετων βοηθητικών ουσιών και καταλυτών μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό και τη μείωση της παραγόμενης πίσσας (Milne et al., 1998; Sutton et al., 2001). Η παρουσία των καταλυτών όχι μόνο μειώνει την περιεκτικότητα σε πίσσα, αλλά βελτιώνει την ποιότητα του παραγόμενου αερίου και την ικανότητα μετατροπής σε υδρογόνο. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η διεργασία αεριοποίησης της βιομάζας για την παραγωγή του υδρογόνου, έχει πραγματοποιηθεί μεγάλη ερευνητική προσπάθεια, με διάφορα είδη βιομάζας και διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες. Κάποιες από τις μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί παρουσιάζονται στον πίνακα 3.2. Όπως φαίνεται, χρησιμοποιώντας αεριοποιητές ρευστοστερεάς κλίνης και κατάλληλο καταλύτη, μπορεί να επιτευχθεί παραγωγή έως και 60% κ.ο. σε υδρογόνο. Οι μεγάλες αυτές αποδόσεις, καθιστούν την αεριοποίηση της βιομάζας ως ελκυστική εναλλακτική μέθοδο, για την παραγωγή του υδρογόνου. Επιπλέον, οι Bowen et al. (2003), αναφέρουν ότι το κόστος της συγκεκριμένης διεργασίας είναι συγκρίσιμο με το αντίστοιχο της αναμόρφωσης του φυσικού αερίου. Λαμβάνοντας υπόψη και τα 47

82 περιβαλλοντικά οφέλη, η παραγωγή του υδρογόνου μέσω αεριοποίησης της βιομάζας αποτελεί υποσχόμενη μέθοδο και από οικονομική και από περιβαλλοντική σκοπιά. Πίνακας 3.2 Παραγωγή υδρογόνου από αεριοποίηση της βιομάζας, σε αντιδραστήρες ρευστοστερεάς κλίνης (Ni, 2006) Υπόστρωμα Καταλύτης Παραγωγή σε υδρογόνο (%κ.ο.) Μελέτη Πριονίδι Άγνωστος 57.4 στους 800 ο C Turn, 1998 Πριονίδι K 2 CO στους 964 ο C Jian-Chun, 2001 Στελέχη βαμβακιού Άγνωστος στους ο C Zhiwei, 2002 Αμύγδαλα La-Ni-Fe 62.8 στους 800 ο C Rapagna, 2002 Αμύγδαλα Περοβσκίτης 63.7 στους 900 ο C Rapagna, 2002 Switchgrass Cu-Zn-Al 27.1 Brown, Βιολογικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου Φορείς ηλεκτρονίων και ενέργειας Η παραγωγή του υδρογόνου από μικροοργανισμούς, είναι στενά συνδεδεμένη με την ενέργεια που απελευθερώνεται από το σύνολο των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, στις οποίες λαμβάνουν μέρος. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από τον αρχικό δότη ηλεκτρονίων και μεταφέρονται μέσω ενδοκυτταρικών φορέων ηλεκτρονίων προς τους τελικούς αποδέκτες, οι οποίοι ανάγονται ώστε να ξαναδημιουργήσουν το φορέα. Οι φορείς ηλεκτρονίων μπορεί να χωριστούν σε δύο ομάδες: σ αυτούς που διαχέονται ελεύθερα μέσα στο κυτταρόπλασμα και σ αυτούς που είναι προσκολλημένοι πάνω σε ένζυμα στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα συνένζυμα NAD + (νικοτιναμιδο-αδένινοδινουκλεοτίδιο) και NADP + (νικοτιναμιδο-αδένινο φωσφορικό-δινουκλεοτίδιο). To NAD + εμπλέκεται στο σύνολο των καταβολικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο κύτταρο, δηλαδή στις αντιδράσεις όπου απελευθερώνεται ενέργεια, ενώ το NADP + στις αναβολικές αντιδράσεις, δηλαδή στις βιοσυνθέσεις. Φορείς ηλεκτρονίων 48

83 προσκολλημένοι στην κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι και οι φλαβοπρωτεΐνες και τα κυτοχρωμάτια. Άλλος ένας φορέας ηλεκτρονίων, σε διάφορα οξειδωαναγωγικά συστήματα, είναι και η φερρεδοξίνη. Η φερρεδοξίνη ανακαλύφθηκε το 1962 από τους Monterson, Valentine, και Canahan στο είδος C. Pasteurianum. Ανήκει στις σίδηρο - θειούχες πρωτεΐνες και παίζει σημαντικό ρόλο στην αλυσίδα της αναπνοής. Η φερρεδοξίνη, μπορεί να δέχεται ή να δίνει ηλεκτρόνια εξαιτίας των οξειδωτικών καταστάσεων των ατόμων του σιδήρου (Fe +2, Fe +3 ), που περιέχει. Οι αντιδράσεις των NAD + και NADP + είναι οι ακόλουθες: NAD Η + + 2e - NADH + H + ΔG 0 = 62kJ (3.5) NADP Η + + 2e - NADPH + H + ΔG 0 = 62kJ (3.6) Όπως φαίνεται από τις αντιδράσεις (3.5) και (3.6), κάθε mole οξειδωμένου NAD + ή NADP + αποσπά δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια, και μετατρέπεται στην ανηγμένη μορφή NADH. Η ελεύθερη ενέργεια των αντιδράσεων είναι θετική, γεγονός που συνεπάγεται ότι για το σχηματισμό της ανηγμένης μορφής NADH απαιτείται ενέργεια. Όταν το NADH δίνει τα ηλεκτρόνια σε έναν άλλο φορέα, τότε οξειδώνεται σε NAD + με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας, η οποία μπορεί να μετατραπεί σε άλλες χρήσιμες μορφές. Αξίζει να σημειωθεί ότι το NADH είναι ασθενέστερο αναγωγικό, από την ανηγμένη φερρεδοξίνη. Η παραγόμενη ενέργεια μεταφέρεται από τους ενδιάμεσους φορείς ηλεκτρονίων στους ενεργειακούς φορείς. Παράδειγμα ενεργειακού φορέα αποτελεί η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), που χαρακτηρίζεται ως το «ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου». Έτσι, όταν απελευθερώνεται ενέργεια από ένα φορέα ηλεκτρονίων, αυτή χρησιμοποιείται προκειμένου να προστεθεί ανόργανος φώσφορος στη διφωσφορική αδενοσίνη (ΑDP): Pi + ADP H 2 O + ATP ΔG 0 = 32kJ (3.7) Οι Bailey και Ollis (1986) αναφέρουν ότι όλες οι διεργασίες του κυττάρου για τις οποίες απαιτείται ενέργεια, συνδέονται άμεσα ή έμμεσα με τη μετατροπή του ATP προς ADP. Αντίθετα, κατά την υδρόλυση του ATP, ελευθερώνεται σημαντικό ποσό ενέργειας. 49

84 3.3.2 Μικροοργανισμοί που παράγουν υδρογόνο Οι Gray και Gest (1965) κατηγοριοποίησαν τους μικροοργανισμούς που παράγουν υδρογόνο ως εξής: σε αυστηρά αναερόβιους ετερότροφους (αφομοιώνουν τον άνθρακα από οργανικές πηγές) που δεν περιέχουν κυτοχρωμάτια π.χ clostridia, micrococci σε προαιρετικά αναερόβιους οι οποίοι περιέχουν κυτοχρωμάτια και λύουν το μυρμηκικό οξύ, παράγοντας έτσι το υδρογόνο π.χ. Escerichia coli, Enterobacter (Gest και Peek, 1955; Peek και Gest, 1957) Desulfovibrio desulfuricans, όπου είναι ο μοναδικός αυστηρά αναερόβιος που περιέχει κυτοχρωμάτια (Badziong, 1978) σε φωτοσυνθετικά βακτήρια όπου η παραγωγή του υδρογόνου πραγματοποιείται μέσω της ανηγμένης μορφής του NADH π.χ κυανοβακτήρια, άλγη Μέθοδοι βιολογικής παραγωγής υδρογόνου Οι βιολογικές διεργασίες παραγωγής του υδρογόνου μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: άμεση και έμμεση βιοφωτόλυση του νερού, αντίδραση βιολογικής αναγωγής ατμού με CO (βιολογική water gas shift), φωτοετεροτροφική και ετεροτροφική ζυμωτική διεργασία. Όλες οι παραπάνω διεργασίες σχετίζονται με την παρουσία ενός ενζύμου που μπορεί να παράγει υδρογόνο. Το ένζυμο αυτό, μπορεί και καταλύει την πιο απλή χημική αντίδραση: 2 H + + 2e - H 2. (3.8) Τα γνωστά μέχρι σήμερα ένζυμα που μπορούν να παράγουν υδρογόνο αποτελούνται από σύνθετες ομάδες μετάλλων που χρησιμοποιούνται ως ενεργά κέντρα και δημιουργούνται από μια σειρά σύνθετων διεργασιών που περιέχουν βοηθητικά ένζυμα και πρωτεΐνες. Τα ένζυμα αυτά είναι: η νιτρογονάση, Feυδρογονάση, NiFe-υδρογονάση. Οι νιτρογονάσες είναι τα ένζυμα που ανάγουν το άζωτο σε αμμωνία, αλλά απουσία του αερίου αζώτου ή άλλων υποστρωμάτων ανάγουν τα πρωτόνια σε υδρογόνο. Τα κύρια συστατικά των νιτρογονασών είναι MoFe-πρωτεΐνες και Feπρωτεΐνες. Έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιούν μαγνησιακή τριφωσφορική 50

85 αδενοσίνη (MgATP) και ηλεκτρόνια για την αποδόμηση διαφόρων υποστρωμάτων (συμπεριλαμβανομένων και των πρωτονίων). Ο φορέας ηλεκτρονίων στην διεργασία αυτή, είναι η ανηγμένη φερρεδοξίνη. Η παραγωγή του υδρογόνου, μέσω αυτών των ενζύμων, πραγματοποιείται με μια μη αντιστρεπτή χημική αντίδραση (3.9), η οποία σχετίζεται με την υδρόλυση τουλάχιστον τεσσάρων μορίων ΑTP (Hallenbeck και Benemann, 2002). Το γεγονός αυτό, καθιστά το μεταβολικό τρόπο παραγωγής υδρογόνου μέσω νιτρογονάσης, όχι και τόσο αποτελεσματικό. 2e - + 2H + + 4ATP H 2 + 4ADP + 4Pi (3.9) όπου με ADP και Pi συμβολίζονται η διφωσφορική αδενοσίνη και τα ανόργανα φωσφορικά ιόντα, αντίστοιχα. Οι υδρογονάσες απαντώνται στους περισσότερους φωτοσυνθετικούς και ετεροτροφικούς μικροοργανισμούς και διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: (α) υδρογονάσες πρόσληψης και (β) αντιστρεπτές υδρογονάσες. Οι υδρογονάσες πρόσληψης, όπως οι NiFe και οι NiFeSe υδρογονάσες, δρουν ως καταλύτες για κατανάλωση υδρογόνου σύμφωνα με την αντίδραση: Η 2 2e - + 2Η + (3.10) Οι αντιστρεπτές υδρογονάσες, όπως δηλώνει και το όνομά τους, έχουν τόσο τη δυνατότητα να παράγουν όσο και να καταναλώνουν υδρογόνο σύμφωνα με τις συνθήκες της αντίδρασης (3.8). Οι Koku et al., (2002) αναφέρουν ότι από μια μεγάλη ποικιλία υποστρωμάτων που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη του είδους Rhodobacter sphaeroides, μόνο κάποια από αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή υδρογόνου. Οι ιδιότητες των νιτρογονασών και των υδρογονασών, παρουσιάζονται στον πίνακα

86 Πίνακας 3.3 Συγκριτικές ιδιότητες νιτρογονασών και υδρογονασών (Lin, 2005) Ιδιότητα Νιτρογονάση Υδρογονάση Υποστρώματα ATP, H + ή Ν 2, ηλεκτρόνια H +, Η 2 Προϊόντα Η 2 ή NH 4 ATP, H +, H 2, ηλεκτρόνια Αριθμός πρωτεϊνών Δύο ( Μο-Fe και Fe) ένας Μεταλλικά συστατικά Μο, Fe Νι, Fe, S Βέλτιστη θερμοκρασία 30 o C (A. Vinelandii) 55 o C (R.rubrum), 70 o C (R. capsulatus) Βέλτιστη τιμή ph (A. Vinelandii) (R. Sulfidophilus) Παρεμποδιστές Ν 2 (ή παραγωγή Η 2 ), ΝΗ + 4, Ο 2, CO, EDTA, O 2, παρουσία οργανικών υψηλή αναλογία N / C Ενεργοποιητές Φως Η 2 (R. sphaeroides), απουσία οργανικών συστατικών (R. rubrum, R. capsulatus) Παραγωγή υδρογόνου με άμεση βιοφωτόλυση Η άμεση βιοφωτόλυση είναι μια βιολογική διεργασία που χρησιμοποιεί φωτοσυνθετικά μικροφύκη για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε χημική, με τη μορφή του υδρογόνου: 2H 2 O ηλιακή ενέργεια 2H 2 + O 2 (3.11) Η διεργασία της φωτοσύνθεσης περιλαμβάνει την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας από δύο φωτοσυνθετικά συστήματα που λειτουργούν σε σειρά: το φωτοσύστημα II (PSIΙ) που διασπά το νερό ελευθερώνοντας οξυγόνο και το φωτοσύστημα I (PSI) που παράγει αναγωγικό μέσο για την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα. Στη διεργασία της βιοφωτόλυσης, δύο πρωτόνια (ένα για κάθε φωτοσύστημα), μπορούν να αποδώσουν είτε αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα μέσω του φωτοσυστήματος PSI, ή το σχηματισμό υδρογόνου με την παρουσία της υδρογονάσης. Στα πράσινα φυτά λόγω της απουσίας της υδρογονάσης, λαμβάνει χώρα μόνο η αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα (Ramachandran, 1998). Αντίθετα, τα μικροφύκη, όπως τα πράσινα φύκη (green algae), περιέχουν υδρογονάση και επομένως έχουν τη δυνατότητα να παράγουν υδρογόνο (Benemann, 1997). 52

87 H άμεση βιοφωτόλυση, όπως περιγράφηκε από τους Benamann et al., (1973), περιλαμβάνει την παραγωγή ηλεκτρονίων, όταν το PSII απορροφά ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια τότε μεταφέρονται στη φερρεδοξίνη, χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια που απορροφήθηκε από το PSI. Η υδρογονάση δέχεται τα ηλεκτρόνια από τη φερρεδοξίνη για να παράγει υδρογόνο σύμφωνα με το σχήμα 3.1: H 2 Φωτοσυστήματα Ι,ΙΙ PSI, PSII 2e - φερρεδοξίνη υδρογονάση 2H 2 O O 2 2H + Σχήμα 3.1 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της άμεσης βιοφωτόλυσης Αφού η υδρογονάση είναι ευαίσθητη στο οξυγόνο, είναι απαραίτητο η περιεκτικότητα σε οξυγόνο να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα, κάτω από 0.1%, έτσι ώστε να υποστηρίζεται η παραγωγή του υδρογόνου (Hallenbeck και Benemann, 2002). Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση του πράσινου φύκους Chlamydomonas reinhardtii, το οποίο απομακρύνει το οξυγόνο μέσω της αναπνοής (Melis, 2000) Παραγωγή υδρογόνου με έμμεση βιοφωτόλυση Η έμμεση βιοφωτόλυση περιλαμβάνει την παραγωγή του οξυγόνου και του υδρογόνου σε χωριστά επίπεδα. Με βάση τον Gaudernack (1998) η έμμεση βιοφωτόλυση περιλαμβάνει τέσσερα στάδια: (i) παραγωγή βιομάζας με τη μορφή υδατανθράκων, μέσω φωτοσύνθεσης, (ii) συγκέντρωση βιομάζας, (iii) ζύμωση, απουσία φωτός στα κύτταρα των φυκών με απόδοση 4 mol υδρογόνου/ mol γλυκόζης και 2 mol οξικού, και (iv) μετατροπή των 2 mol του οξικού σε 8 mol υδρογόνου (σχήμα 3.2). Θα πρέπει να τονιστεί ότι η τεχνολογία της έμμεσης βιοφωτόλυσης είναι υπό έντονη έρευνα και ανάπτυξη. 53

88 Επίπεδο 1 +O 2 Επίπεδο 2 -O 2 βιομάζα CO 2 H 2 Φωτοσυστήματα Ι,ΙΙ PSI, PSII 2e - φερρεδοξίνη βιομάζα ζύμωση 2e - φερρεδοξίνη υδρογονάση 2H 2 O O 2 2H + Σχήμα 3.2 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της έμμεσης βιοφωτόλυσης Παραγωγή υδρογόνου μέσω βιολογικής water-gas shift αντίδρασης Κάποια φωτοετεροτροφικά βακτήρια όπως το Rhodospirillum rubrum μπορούν να επιβιώσουν απουσία φωτός χρησιμοποιώντας το μονοξείδιο του άνθρακα, ως μοναδική πηγή άνθρακα για την παραγωγή ΑΤΡ. Η αντίδραση περιλαμβάνει την οξείδωση του CO και την αναγωγή των υδρογονοκατιόντων σε μοριακό υδρογόνο: CO + H 2 O CO 2 + H 2, ΔG 0 = -20,1 kj / mol (3.12) Υπό αναερόβιες συνθήκες, το μονοξείδιο του άνθρακα προκαλεί τη σύνθεση αρκετών πρωτεϊνών περιλαμβανομένων τη Fe-S πρωτεΐνη και την υδρογονάση. Τα ηλεκτρόνια που παράγονται από την οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα, μεταφέρονται μέσω της Fe-S πρωτεΐνης στην υδρογονάση, για την παραγωγή του υδρογόνου (Ensign, 1991) Παραγωγή υδρογόνου μέσω φωτοετεροτροφικής ζύμωσης Τα φωτοετερότροφα βακτήρια παράγουν υδρογόνο, μέσω της δράσης του ενζύμου της νιτρογονάσης, χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια και βιομάζα ή ανηγμένη οργανική ύλη π.χ οργανικά οξέα: C 6 H 12 O H 2 O ηλιακή ενέργεια 12H 2 + 6CO 2 (3.13) 54

89 H 2 2e - Βακτηριακό φωτοσύστημα φερρεδοξίνη νιτρογονάση 4 ΑΤP 2H + οργανικά οξέα, βιομάζα Σχήμα 3.3 Σχηματική παράσταση της διεργασίας της φωτοετεροτροφικής ζύμωσης Τα τελευταία χρόνια, αρκετές προσπάθειες έχουν γίνει, για την παραγωγή του υδρογόνου από απόβλητα, μέσω φωτοσυνθετικών βακτηρίων (Arik, 1996; Bolton, 1996; Fedorov, 1998; Tsygankov, 1994, 1998), σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Zurrer, 1982), σε συνεχείς αντιδραστήρες (Fascetti, 1995; Zurrer, 1982), ή με ακινητοποιημένα βακτήρια, είτε σε άγαρ (Vincenzini, 1986), είτε σε πορώδες γυαλί (Tsygankov, 1994), ή σε αφρό πολυουραιθάνης (Fedorov, 1998). Παρά τη μεγάλη ερευνητική δραστηριότητα, η διεργασία αυτή δε χαρακτηρίζεται ως ανταγωνιστική για την παραγωγή του υδρογόνου. Κι αυτό γιατί παρουσιάζει τρία βασικά μειονεκτήματα: τη χρήση του ενζύμου της νιτρογονάσης, όπου έχει υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, τη χαμηλή ικανότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας και τέλος τις μεγάλες εκτάσεις που απαιτούνται εξαιτίας των μικρών αποδόσεων για τους αναερόβιους φωτοβιοαντιδραστήρες (Federov, 1998). Στην περίπτωση όπου ως υποστρώματα για την παραγωγή του υδρογόνου χρησιμοποιούνται οργανικές ουσίες (έμμεση βιοφωτόλυση, φωτοετεροτροφική ζύμωση), η παραγωγή του υδρογόνου μπορεί να γίνει πιο απλά και αποτελεσματικά με τη χρήση ετεροτροφικών, ζυμωτικών μικροοργανισμών. Η ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου είναι μια πολλά υποσχόμενη βιολογική μέθοδος παραγωγής του, για την οποία θα γίνει εκτενέστερη ανάλυση στην επόμενη παράγραφο. 55

90 3.4 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Εισαγωγή Η ζύμωση, ως μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου, είναι μια αναερόβια διεργασία η οποία διεξάγεται απουσία φωτός και αποτελεί μέρος της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης (στάδιο της οξεογένεσης), η οποία περιγράφτηκε αναλυτικά στο προηγούμενο κεφάλαιο. Έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει τη συνεχή παραγωγή υδρογόνου, χωρίς την απαίτηση ηλιακής ενέργειας, με αποτέλεσμα το κόστος της να είναι 340 φορές μικρότερο από το αντίστοιχο, μιας φωτοσυνθετικής διεργασίας (Morimoto, 2002) Μικροβιολογία της ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου Οι μικροοργανισμοί, πολύ συχνά χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα τη γλυκόζη ή άλλα απλά σάκχαρα καθώς το ενεργειακό περιεχόμενο (ανά ηλεκτρονιακό ισοδύναμο) τέτοιων υποστρωμάτων, είναι μεγαλύτερο, συγκρινόμενο με το αντίστοιχο άλλων απλών οργανικών γραμμομορίων. Γενικά, υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά δίκτυα μεταβολισμού της γλυκόζης, όπου όλα οδηγούν σε πυροσταφυλικό οξύ (Λυμπεράτος, 1998). Τα δίκτυα αυτά είναι: 1) το γλυκολυτικό δίκτυο (Embden Meyerhof Parnas ή συντομογραφικά EMP), 2) το δίκτυο μονοφωσφορικής εξόζης (HMP), 3) το δίκτυο Entner Doudoroff (ED) και 4) το δίκτυο φωσφοκετολάσης (PK). Το πιο συνηθισμένο δίκτυο που ακολουθούν οι μικροοργανισμοί είναι το γλυκολυτικό. Η συνολική αντίδραση προς πυροσταφυλικό ανιόν είναι η ακόλουθη: C 6 H 12 O 6 + 2NAD + + 2ADP +2Pi 2CH 3 COCOO - + 2NADH +2ATP + 4H + (3.14) Από την αντίδραση (3.14) είναι φανερό ότι για κάθε γραμμομόριο μεταβολιζόμενης γλυκόζης, παράγονται 2 γραμμομόρια ATP, δηλαδή κατά τη ζύμωση της γλυκόζης αποδίδεται ενέργεια. Η μικροβιακή παραγωγή του υδρογόνου, λαμβάνει χώρα μέσω του αναερόβιου μεταβολισμού του πυροσταφυλικού οξέος, το οποίο σχηματίζεται από 56

91 τον καταβολισμό διαφόρων υποστρωμάτων. Η αντίδραση του πυροσταφυλικού οξέος μπορεί να καταλυθεί μέσω δύο διαφορετικών ενζυμικών συστημάτων: 1) Μέσω της λύσης του μυρμηκικού οξέος [Pyruvate formate lyase (PFL)] Πυροσταφυλικό + CoA PFL ακέτυλο-coa + μυρμηκικό οξύ (3.15) 2) Μέσω της οξειδωαναγωγικής δράσης της φερρεδοξίνης [Pyruvate ferredoxin oxido- reductase (PFOR)] Πυροσταφυλικό + CoA+ 2Fd (ox) PFOR ακέτυλο-coa + CO 2 + 2Fd (red) (3.16) όπου με CoA: συμβολίζεται το συνένζυμο Α, ακέτυλο-coa: το ακέτυλο-συνένζυμο Α, Fd (ox): η οξειδωμένη φερρεδοξίνη και Fd (red): η ανηγμένη φερρεδοξίνη. Και στα δύο βιολογικά συστήματα, το πυροσταφυλικό που δημιουργείται από τον κύκλο της γλυκόλυσης, παράγει ακέτυλο-συνένζυμο Α από το οποίο παράγεται ATP, δηλαδή ενέργεια με ταυτόχρονη παραγωγή είτε μυρμηκικού οξέος, είτε ανηγμένης φερρεδοξίνης, από τα οποία και εξάγεται το υδρογόνο. Τα εντερικά βακτήρια παράγουν το υδρογόνο από το μυρμηκικό οξύ, ενώ τα αυστηρά αναερόβια βακτήρια από την οξείδωση του παραγόμενου NADH σε NAD +, από την φερρεδοξίνη, μέσω της δράσης του ενζύμου της υδρογονάσης Μικροοργανισμοί και υποστρώματα για τη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου Πολλοί τύποι οργανικών ενώσεων, όπως υδατάνθρακες, λίπη και αμινοξέα, έχουν χρησιμοποιηθεί ως πηγές για την ετεροτροφική παραγωγή του υδρογόνου. Όμως, είναι κοινά αποδεκτό, ότι βασική πηγή άνθρακα για τέτοιου είδους διεργασίες, αποτελούν οι υδατάνθρακες και έτσι, απόβλητα ή αγροτοβιομηχανικά υπολείμματα, ενεργειακά φυτά και γενικά κάθε υλικό πλούσιο σε υδατάνθρακες μπορούν να θεωρηθούν ως πηγή για την παραγωγή του υδρογόνου (Kapdan και Kargi, 2006). Τα βασικά κριτήρια για την επιλογή του υποστρώματος που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή του βιοϋδρογόνου είναι η διαθεσιμότητα, το κόστος, η περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες και η ικανότητα για βιοαποδόμηση, του 57

92 υποψήφιου υλικού. Έτσι, απλά σάκχαρα όπως η γλυκόζη, η σακχαρόζη και η λακτόζη είναι εύκολα βιοαποδομήσιμα υποστρώματα και για το λόγο αυτό προτιμώνται περισσότερο για τη μελέτη της ζυμωτικής παραγωγής του υδρογόνου σε εργαστηριακή κλίμακα (Chen et al., 2001α; Zoetemeyer et al., 1982α; Nakamura et al, 1993; Majizat et al, 1997). Όμως, τα καθαρά αυτά υποστρώματα μειονεκτούν ως προς το κόστος τους για διεργασίες πιλοτικής ή βιομηχανικής κλίμακας. Για διεργασίες τέτοιας κλίμακας, ιδανικά φαντάζουν τα, χαμηλού κόστους, απόβλητα και υπολείμματα ή γενικά τα ανανεώσιμα φτηνά υλικά, με μεγάλη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες. Τα ενεργειακά φυτά με μεγάλη περιεκτικότητα σε σάκχαρα π.χ το ζαχαρότευτλο, το ζαχαροκάλαμο και το γλυκό σόργο και οι ενεργειακοί καρποί με μεγάλη περιεκτικότητα σε άμυλο π.χ το καλαμπόκι και το σιτάρι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα, για τη βιολογική παραγωγή του υδρογόνου. Επιπλέον, τα αγροτικά υπολείμματα και τα απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων, περιέχουν κυρίως άμυλο ή κυτταρίνη, τα οποία μπορούν με περαιτέρω προεπεξεργασία, να υδρολυθούν προς απλά σάκχαρα. Συγκεκριμένα, το άμυλο μπορεί να υδρολυθεί προς γλυκόζη και μαλτόζη, είτε μέσω ενζυματικής υδρόλυσης είτε μέσω υδρόλυσης με οξύ. Τα αγροτικά απόβλητα που περιέχουν λιγνοκυτταρινούχο βιομάζα, απαιτούν ιδιαίτερη μηχανική ή χημική επεξεργασία. Το περιεχόμενό τους σε κυτταρίνη και ημικυτταρίνη μπορεί να υδρολυθεί προς απλά σάκχαρα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου. Για τη λιγνίνη που περιέχεται στα αγροτικά απόβλητα, έχει αναφερθεί, ότι δεν υδρολύεται ενζυμικά (De Vrije, 2002). Επιπλέον, αρκετοί μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ζύμωση των υδατανθράκων. Τα ζυμωτικά βακτήρια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του υδρογόνου, μπορούν να βρίσκονται είτε με τη μορφή καθαρών καλλιεργειών, είτε να αποτελούν μέρος ακαθόριστων, μικτών καλλιεργειών, οι οποίες επιλέγονται από φυσικά περιβάλλοντα. Γνωστά βακτήρια που χρησιμοποιούνται για τη διεργασία αυτή, ανήκουν στα είδη: Clostridium, Enterobacter και Bacillus (Levin et al., 2004). Οι οργανισμοί που ανήκουν στο γένος Clostridium, όπως C. Butyricum (Yokoi et al., 2001), C. Thermolacticum (Collet et al., 2004), C. pasteurianum (Liu και Shen, 2004; Lin και Lay, 2004), C. paraputrificum M 21 (Evvyernie et al., 2001) και C. bifermentants (Wang et al., 2003) είναι υποχρεωτικά αναερόβιοι σπορογόνοι 58

93 μικροοργανισμοί, οι οποίοι παράγουν το υδρογόνο στην εκθετική φάση της ανάπτυξής τους. Συγκεκριμένα, η παραγωγή του υδρογόνου γίνεται μέσω της δράσης της υδρογονάσης, όπου αποτελεί βασική διέξοδο για το κύτταρο, να αποβάλει την περίσσεια ηλεκτρονίων που παράγεται κατά την οξειδωτική λύση των υδατανθράκων (Chen και Monterson, 1974). Στη συνέχεια, η υδρογονάση, η οποία είναι παρούσα στα αναερόβια βακτήρια, οξειδώνει την ανηγμένη φερρεδοξίνη και παράγεται το μοριακό υδρογόνο (Adams et al, 1980). Σύμφωνα με τους Fang et al. (2002) τα Clostridia αποτελούν το κυρίαρχο είδος (64.6% της συνολικής μικροπανίδας) μιας μεσόφιλης καλλιέργειας που παράγει υδρογόνο. Μια τέτοια καλλιέργεια μπορεί να ληφθεί από φυσικά περιβάλλοντα π.χ μια μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων και να υποστεί θερμική επεξεργασία, όπως θα αναφερθεί στη συνέχεια. Επιπλέον, έχει μελετηθεί η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου από προαιρετικά αναερόβια βακτήρια του γένους Enterobacter Aerogens (Yokoi et al., 2001; Palazzi et al., 2002; Nakashimada et al., 2002; Yokoi et al, 1997; Tanisho και Ishiwata, 1994, 1995; Fabiano και Parego, 2002) και του Enterobacter cloacae ITT-BY 08 (Kumar και Das, 2000). Οι Podestá et al. (1997) μελέτησαν την παραγωγή του υδρογόνου από γλυκόζη από τους προαιρετικά αναερόβιους μικροοργανισμούς E.coli και Hafnia alvei. Τελευταία, έχει μελετηθεί και η παραγωγή του υδρογόνου από αερόβιους μικροοργανισμούς όπως Aeromonas spp., Pseudomonas spp και Vibrio spp. Επιπλέον, έχει μελετηθεί για τα είδη Thermotogales και Bacillus sp. κάτω από μεσόφιλες συνθήκες (Shin et al., 2004). Σημαντική ερευνητική προσπάθεια έχει πραγματοποιηθεί και για την παραγωγή του υδρογόνου από αναερόβιους θερμόφιλους μικροοργανισμούς, οι οποίοι ανήκουν στο γένος Thermoanaerobacterium (Shin et al., 2004; Zhang et al., 2003; Liu et al., 2003, Ueno et al., 2001). Σύμφωνα με τους Kanai et al. (2005), ο υπερθερμόφιλος οργανισμός Thermococcus kadakaraensis KOD1, o οποίος απομονώθηκε από μια γεωθερμική πηγή της Ιαπωνίας, παρήγαγε υδρογόνο έχοντας ως βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης τους 85 o C. Το είδος Clostridium thermolacticum μπορεί να παράγει υδρογόνο από λακτόζη στους 58 o C (Collet et al., 2004), ενώ το είδος Klebisalle oxytoca HP1, απομονώθηκε από θερμές πηγές αλλά παρουσιάζει μέγιστο ρυθμό παραγωγής υδρογόνου στους 35 ο C (Minnan et al., 2005). Στις ζυμωτικές διεργασίες (στάδιο οξεογένεσης), μαζί με το υδρογόνο, παράγονται διάφορα μεταβολικά προϊόντα, σαν αποτέλεσμα της βιολογικής 59

94 αποδόμησης των σακχάρων. Όπως φαίνεται από την εξίσωση (3.14), εκτός από το πυροσταφυλικό οξύ, στο δίκτυο της γλυκόλυσης σχηματίζονται και 2 γραμμομόρια NADH. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο (3.3.1), όταν υπάρχει τελικός αποδέκτης ηλεκτρονίων, το NADH δίνει τα ηλεκτρόνιά του στον αποδέκτη αυτό και στη συνέχεια οξειδώνεται με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας. Στην περίπτωση των αναερόβιων ζυμώσεων, που δεν υπάρχει τελικός αποδέκτης, οι μικροοργανισμοί μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια πίσω στο πυροσταφυλικό, οδηγώντας στο σχηματισμό πιθανών τελικών προϊόντων. Το μίγμα των τελικών προϊόντων, εξαρτάται σημαντικά από το είδος των μικροοργανισμών που εμπλέκονται και από τις συνθήκες του περιβάλλοντος μέσα στο οποίο μεγαλώνουν. Τα προϊόντα αυτά είναι κυρίως πτητικά λιπαρά οξέα (οξικό, προπιονικό και βουτυρικό οξύ), γαλακτικό οξύ και αιθανόλη. Η απόδοση σε υδρογόνο, διαφέρει ανάλογα με το τελικό προϊόν. Η παραγωγή του οξικού και του βουτυρικού οξέος ευνοεί την παραγωγή του υδρογόνου (Nandi και Sengupta, 1998; Hawkes et al., 2002), ενώ μικρότερες αποδόσεις σε υδρογόνο σχετίζονται με το σχηματισμό προπιονικού οξέος ή περισσότερο ανηγμένων τελικών προϊόντων, όπως το γαλακτικό οξύ και η αιθανόλη. Η γλυκόζη (ή τα αντίστοιχα ισομερή της, ή τα πολυμερή της, π.χ. άμυλο και κυτταρίνη) οδηγεί στην μέγιστη θεωρητική απόδοση των 4 mol H 2 / mol εξόζης, όταν το οξικό οξύ είναι το μοναδικό τελικό προϊόν, κατά τη βιολογική της αποδόμηση: C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 (3.17) Όταν το βουτυρικό οξύ, αποτελεί το μοναδικό τελικό προϊόν, τότε η θεωρητική απόδοση σε υδρογόνο είναι ίση με το μισό της μέγιστης, δηλαδή με 2 mol H 2 / mol εξόζης C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 (3.18) Η παραγωγή προπιονικού οξέος δεν ευνοεί την παραγωγή του υδρογόνου, όπως φαίνεται και από την παρακάτω αντίδραση: C 6 H 12 O 6 + 2H 2 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O (3.19) Από την άλλη, το γαλακτικό οξύ μπορεί να σχηματιστεί μέσω τριών μεταβολικών μονοπατιών: της ομογαλακτικής ζύμωσης (αντίδραση 3.20), της ετερογαλακτικής ζύμωσης (αντίδραση 3.21) και της bifidum ζύμωσης (αντίδραση 3.22). Και στα τρία μεταβολικά δίκτυα, το ισοζύγιο παραγωγής του υδρογόνου είναι μηδενικό, δηλαδή υδρογόνο δεν παράγεται και δεν καταναλώνεται κατά τη διάρκεια 60

95 της βιολογικής δράσης των μικροοργανισμών. Το ίδιο συμβαίνει και κατά την παραγωγή της αιθανόλης (αντίδραση 3.23): Ομογαλακτική ζύμωση: C 6 H 12 O 6 2CH 3 CHOHCOOH (3.20) Ετερογαλακτική ζύμωση C 6 H 12 O 6 CH 3 CHOHCOOH + CH 3 CH 2 OH + CO 2 (3.21) Bifidum ζύμωση 2C 6 H 12 O 6 3CH 3 COOH + 2CH 3 CHOHCOOH (3.22) Παραγωγή αιθανόλης C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 (3.23) Όπως φαίνεται από τις αντιδράσεις ( ), οι μεγαλύτερες θεωρητικές αποδόσεις σχετίζονται με την παραγωγή οξικού και βουτυρικού οξέος. Στην πράξη όμως λαμβάνει χώρα μικτή ζύμωση οξέων με αποδόσεις μικρότερες από τη μέγιστη θεωρητική. Οι μεγαλύτερες αποδόσεις που έχουν επιτευχθεί από την ζύμωση της γλυκόζης είναι μεταξύ mol H 2 / mol εξόζης (Ueno et al., 2001; Fang και Liu, 2002; Morimoto et al., 2004). Ένας από τους λόγους που συμβάλλουν στην απόκλιση από τη θεωρητική μέγιστη τιμή (4 mol H 2 / mol εξόζης), είναι η παραγωγή περίσσειας βουτυρικού οξέος, σε σχέση με το παραγόμενο οξικό οξύ. Τέτοιου είδους ζυμώσεις, λαμβάνουν χώρα κατά τη βιολογική αποδόμηση της γλυκόζης από μικροοργανισμούς που ανήκουν στο γένος Clostridium (Chen et al., 2001a; Mizuno et al., 2000; Fang και Liu, 2002), όπου το υδρογόνο παράγεται μέσω της οξειδωαναγωγικής δράσης της φερρεδοξίνης και του ενζύμου της υδρογονάσης. Οι Fang και Liu (2002) πρότειναν ότι η μερική βιοαποδόμηση της γλυκόζης μπορεί να είναι ένας ακόμη λόγος, για τις μικρότερες λαμβανόμενες στοιχειομετρικές αποδόσεις. Σύμφωνα με τους Lin και Chang (2004) ακόμη και όταν η αποδόμηση της γλυκόζης έλαβε χώρα κατά 95%, οι αποδόσεις σε υδρογόνο ήταν μικρότερες από 1.7 mol H 2 /mol γλυκόζης. Συνεπώς, η χρήση του υποστρώματος, ως ενεργειακής πηγής για τη μικροβιακή ανάπτυξη, είναι ένας από τους κύριους λόγους των χαμηλότερων στοιχειομετρικών αποδόσεων σε υδρογόνο, συγκρινόμενων με τις αντίστοιχες θεωρητικές Συστήματα για τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου 61

96 Για τη ζυμωτική διεργασία παραγωγής υδρογόνου έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορα συστήματα. Οι περισσότερες μελέτες όμως, αφορούν στη βιολογική παραγωγή υδρογόνου από απλά σάκχαρα, η οποία λαμβάνει χώρα είτε σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, είτε σε συμβατικούς αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση (CSTR). Στους πίνακες 3.4 και 3.5, παρουσιάζονται οι αποδόσεις και οι ρυθμοί παραγωγής βιοϋδρογόνου από καθαρά υποστρώματα, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση, αντίστοιχα. Τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει προσελκύσει η ανάπτυξη αναερόβιων συστημάτων που επιτρέπει το σχηματισμό συμπαγών βιολογικών συσσωματωμάτων (granules) από ζυμωτικά υδρογονοπαραγωγά βακτήρια (Fang et al., 2002; Liu και Fang, 2002; Chang και Lin, 2004; Lee et al., 2003, 2004α, 2004β; Rachman et al., 1998; Yokoi et al., 1997α), καθώς και η ανάπτυξη συστημάτων με ακινητοποιημένα βακτήρια πάνω σε διάφορα υλικά (Palazzi et al., 2000; Bagai και Madamwar, 1998; Tanisho και Ishiwata, 1995; Zhou et al., 1999; Kumar και Das, 2001; Wu et al., 2002; Chang et al., 2002; Lee et al., 2003). Συγκεκριμένα, οι Chang και Lin (2004) μελέτησαν την παραγωγή του υδρογόνου από σακχαρόζη σε αντιδραστήρα ανοδικής ροής με κουβέρτα ιλύος (UASB), σε διάφορους υδραυλικούς χρόνους παραμονής. Σε υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT = 8h), η απόδοση σε υδρογόνο ήταν 1.5 mol/ mol σακχαρόζης. Η απόδοση αυτή ήταν μικρότερη από την αντίστοιχη σε αντιδραστήρα CSTR, η οποία ήταν ίση με 3.47 mol/ mol σακχαρόζης (Chen et al., 2001). Οι Palazzi et al. (2000) μελέτησαν την παραγωγή του υδρογόνου από το προϊόν υδρόλυσης του αμύλου, χρησιμοποιώντας την καθαρή καλλιέργεια του μικροοργανισμού Enterobacter aerogenes, ο οποίος αναπτύχθηκε πάνω στο υλικό πλήρωσης μιας πακτωμένης στήλης (packed column). Οι Kumar and Das (2001) χρησιμοποίησαν ακινητοποιημένα μικροβιακά κύτταρα του Enterobacter cloacae πάνω σε λιγνοκυτταρινούχο υλικό, προκειμένου να μελετήσουν την παραγωγή του υδρογόνου από διαλυτό άμυλο. Οι Chang et al. (2002) και οι Lee et al. (2003) μελέτησαν την παραγωγή του υδρογόνου σε μεσόφιλους βιοαντιδραστήρες σταθεράς κλίνης, χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά στήριξης και διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες. 62

97 Πίνακας 3.4 Aποδόσεις και ρυθμοί παραγωγής βιοϋδρογόνου από καθαρά υποστρώματα, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Ρυθμός Οργανισμός Πηγή άνθρακα παραγωγής Απόδοση σε υδρογόνο Αναφορά υδρογόνου Klebsielle exytoca HP1 Γλυκόζη (50 mm) 87.5 ml/ L/ h 1 mol/mol γλυκόζης Minnan et al., 2005 E. cloacae IIT-BT 08 Γλυκόζη (1%) 447 ml/ L/ h 2.2 mol/mol γλυκόζης Kumar et al., 2000 E. coli Γλυκόζη (20 g/l) 4.73*10-8 mol/molγλυκόζης Podaestá et al., 1997 Μικτή καλλιέργεια Γλυκόζη (1g COD/L) 0.9 mol/mol γλυκόζης Logan και Ginkel, 2002 Μικτή καλλιέργεια Σακχαρόζη (6 g/l) 300 ml/ g ΧΑΟ Khanal et al., 2004 Klebsielle exytoca HP1 Σακχαρόζη(50 mm) 1.5 mol/mol σακχαρόζης Minnan et al., 2005 Thermoanaerobacterium Κυτταρίνη (5 g/l) 102 ml/g κυτταρίνης Liu et al., 2003 Clostridium sp Μικροκρυσταλλική κυτταρίνη (25 g/l) 2.18 mmol / g κυτταρίνης Lay, 2004 E. aerogens Άμυλο (20 g γλυκόζης/l) 17.4 mmol/ L/h 1.09 mol/mol γλυκόζης Fabiano και Parego, 2002 Thermoanaerobacterium Άμυλο (4.6 g/l) 1.9 ml/ h 92 ml/g αμύλου Zhang et al., 2003 C. pasteurium Άμυλο (24 g/l) 4.2 ml/ h 106 ml/g αμύλου Liu και Shen, 2004 Μικτή καλλιέργεια Χυμός ζαχαρότευτλου 1.7 mol/mol εξόζης Hussy et al.,

98 Πίνακας 3.5 Aποδόσεις και ρυθμοί παραγωγής βιοϋδρογόνου από καθαρά υποστρώματα, σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση Οργανισμός Πηγή άνθρακα HRT α (h) Απόδοση σε υδρογόνο Αναφορά Μικτή καλλιέργεια Γλυκόζη (20 g COD/ L) mol/ mol γλυκόζης Chen και Lin, 2000 Clostridia sp Γλυκόζη (20 g COD/ L) mol/ mol γλυκόζης Lin και Chang, 2004 Μικτή καλλιέργεια Γλυκόζη (7 g/ L) mol /mol γλυκόζης Fang και Liu, 2002 Μικτή καλλιέργεια Σακχαρόζη (20 g ΧΑΟ / L) mol/ mol σακχαρόζης Chen et al., 2001 Klebsielle exytoca HP1 Σακχαρόζη(50 mm) mol/ mol σακχαρόζης Minnan et al., 2005 Μικτή καλλιέργεια Σακχαρόζη (20 g ΧΑΟ / L) mol/ mol σακχαρόζης Chen και Lin, 2003 C.butyrcum +E.aerogenes Άμυλο (2%) mol /mol γλυκόζης Yokoi et al., 1998 Μικτή καλλιέργεια Σιτάλευρο (10 g/ L) mol/ g αμύλου Hussy et al., 2000 Μικτή καλλιέργεια Άμυλο (6 kg άμυλο/ m 3 ) L/ g ΧΑΟ αμύλου Lay, 2000 C.termolacticum Λακτόζη (29 mmol / L) mol/ mol λακτόζης Collet et al., 2004 α HRT= Υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic retention time) 64

99 3.4.5 Εκκίνηση (Start up) βιοαντιδραστήρων παραγωγής υδρογόνου Είναι κατανοητό, ότι για μια σταθερή και οικονομική ζυμωτική διεργασία παραγωγής υδρογόνου είναι προτιμότερη η χρήση μικτών μικροβιακών καλλιεργειών, οι οποίες δεν έχουν απαιτήσεις στη διατήρηση ασηπτικών συνθηκών λειτουργίας (Levin et al., 2004). Έπειτα, οι αποδόσεις σε υδρογόνο του είδους Clostridium είναι γενικά μεγαλύτερες συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες αποδόσεις του προαιρετικά αερόβιου είδους Enterobacter. Το είδος Enterobacter παράγει περίπου 1 mol Η 2 / mol γλυκόζης, ενώ το είδος Clostridium παράγει περίπου 2 mol Η 2 / mol γλυκόζης (Yokoi et al., 2001). Έτσι, είναι πλεονεκτικό, το είδος Clostridium να επιλέγεται στις μικτές μικροβιακές καλλιέργειες για την παραγωγή του υδρογόνου (Svensson et al., 1992). Μια σημαντική δυσκολία που σχετίζεται με την παραγωγή του υδρογόνου από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες σε συνεχή συστήματα, είναι η συνύπαρξη των υδρογονοπαραγωγών μικροοργανισμών, με τους μικροοργανισμούς που καταναλώνουν υδρογόνο, π.χ. τους μεθανογόνους ή τους ομοοξικογόνους. Αρκετές μελέτες αναφέρουν τη θερμική επεξεργασία της καλλιέργειας, η οποία χρησιμοποιήθηκε για τον εμβολιασμό των αντιδραστήρων, ως μέθοδο απενεργοποίησης ή καταστροφής τέτοιων μικροοργανισμών (Lin and Chang, 1999; Lay, 2000; Lay et al.,1999; Lay και Noike, 1999; Chen and Lin, 2001β; Sung et al., 2002; Okamoto et al., 2000). Κι αυτό γιατί κάτω από υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να «επιζήσουν» μόνο τα σπορογόνα είδη που παράγουν υδρογόνο, όπως είναι τα clostridia (Sung et al., 2002; Biebl, 1999; Talaro και Talaro, 1993). Συγκεκριμένα, τα clostridia επιλέγονται από φυσικά περιβάλλοντα, είτε μέσω παστερίωσης της ενεργού ιλύος για δύο συνεχόμενες περιόδους των 20 min στους 80 ο C (Cohen et al., 1985), είτε μέσω βρασμού αναερόβιας χωνευμένης λάσπης για 15min (Lay, 2000). Έχει αποδειχτεί ότι και οι δύο αυτές μέθοδοι θερμικής επεξεργασίας οδηγούν σε επιτυχή εκκίνηση (start up) συνεχών βιοαντιδραστήρων παραγωγής υδρογόνου σε εργαστηριακή κλίμακα. Παρά το γεγονός αυτό, η θερμική κατεργασία παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι επιλέγονται οι - αυστηρά αναερόβιοι - σπορογόνοι μικροοργανισμοί, οι οποίοι έχουν μεγάλη ευαισθησία στην παρουσία του οξυγόνου, το οποίο μπορεί να βρίσκεται είτε ως διαλελυμένο στην υγρή φάση, είτε να εισαχθεί κατά τη διάρκεια 65

100 της ανάδευσης, στην αέρια φάση. Το γεγονός αυτό καθιστά το οξεογόνο σύστημα ιδιαίτερα ευαίσθητο ως προς την τοξικότητα που προκαλεί το οξυγόνο. Οι Ueno et al. (1996) χρησιμοποίησαν καλλιέργεια από αερόβια πηγή (αερόβιο κομπόστ ενεργούς ιλύος) χωρίς παστερίωση και παρατήρησαν ότι η διεργασία παραγωγής υδρογόνου σταθεροποιήθηκε μετά από ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, από την εκκίνηση του αντιδραστήρα. Ακόμα, οι Van Ginkel et al. (2001) για την παραγωγή υδρογόνου από σακχαρόζη, χρησιμοποίησαν ως μικροβιακή καλλιέργεια χώμα και κομπόστ από αγρούς (20cm βάθος) στους οποίους καλλιεργήθηκαν σόγια και πατάτες. Τα δείγματα υπέστησαν ξηρή θερμική κατεργασία (1h στους 104 ο C). Τα πειράματα απέδειξαν ότι παρουσιάστηκε μεγάλη περίοδος καθυστέρησης πριν την παραγωγή αερίου υδρογόνου, η οποία σχετίστηκε με τη βλάστηση σπόρων των σπορογόνων μικροοργανισμών. Η βλάστηση σπόρων γενικά, μπορεί να απαιτεί ειδικές περιβαλλοντικές συνθήκες και σημαντικό χρόνο. Σε μελέτες που διεξήχθησαν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με θερμικά επεξεργασμένη λάσπη, παρατηρήθηκε μια περίοδος καθυστέρησης 4 ημερών για την παραγωγή υδρογόνου από μικροκρυσταλλική κυτταρίνη (Lay, 2001) και 2 ημερών για το μίγμα αστικών στερεών αποβλήτων και βιολογικής λάσπης (Kalia, 1994). Σύμφωνα με τους Cohen et al. (1985) μια εξάωρη διακοπή στην παροχή τροφοδοσίας στο ξεκίνημα του αντιδραστήρα, μπορούσε να προκαλέσει διαταραχή στη σπορογονία της μικτής καλλιέργειας των μικροοργανισμών, η οποία δεν ήταν αντιστρεπτή με την επανατροφοδότηση του συστήματος μετά από 6h. Στην περίπτωση όπου στη μικροβιακή καλλιέργεια υπάρχουν μεθανογόνα βακτήρια, υπάρχουν δύο τρόποι, οι οποίοι μπορούν να εφαρμοστούν ταυτόχρονα ή ο καθένας ξεχωριστά, ώστε να περιοριστεί η δράση τους. Τα μεθανογόνα βακτήρια παρουσιάζουν αργούς ρυθμούς ανάπτυξης, με αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγάλοι χρόνοι παραμονής μέσα στον αντιδραστήρα στον οποίο μεγαλώνουν π.χ. 10 d και επιπλέον η επιθυμητή περιοχή τιμών ph όπου οι μικροοργανισμοί αυτοί αναπτύσσονται είναι μεταξύ 6.5 και 7.6. Έτσι, η λειτουργία σε μικρούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής θα έχει ως αποτέλεσμα την έκπλυση των μεθανογόνων μικροοργανισμών, ενώ σε χαμηλές τιμές ph π.χ μικρότερες από ph = 6 θα παρεμποδιστεί η δράση τους (Kim et al., 2004). Οι Chen et al. (2001) μελέτησαν την παραγωγή υδρογόνου, από σακχαρόζη, διατηρώντας σταθερό ph = 6.7 και ξεκινώντας από μαγιά χωρίς θερμική επεξεργασία. Ο αντιδραστήρας αρχικά λειτούργησε με ημι-συνεχή τρόπο, με σταδιακή μείωση του υδραυλικού χρόνου 66

101 παραμονής από 20 σε 2.5 d. Στη συνέχεια, τέθηκε σε συνεχή λειτουργία, και λειτούργησε σε μόνιμη κατάσταση σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής από 13-6 h. Στη διάρκεια της συνεχούς λειτουργίας βρέθηκε ότι ο βακτηριακός πληθυσμός αποτελούταν κυρίως από το οξεογόνο βακτήριο Clostridium pasteurianum, στο οποίο οφειλόταν κατά μεγάλο βαθμό, η παραγωγή του υδρογόνου. Οι Lin και Chang (1999) χρησιμοποίησαν και τις δύο μεθόδους ώστε να περιορίσουν την δράση των μεθανογόνων βακτηριδίων στην αναερόβια καλλιέργεια, προκειμένου να μελετήσουν την παραγωγή υδρογόνου από γλυκόζη Παράγοντες που επηρεάζουν τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Η παραγωγή του υδρογόνου από ζυμωτικά βακτήρια, εξαρτάται σημαντικά από τις λειτουργικές συνθήκες της διεργασίας όπως το ph, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT), η συγκέντρωση του υποστρώματος, η παρουσία θρεπτικών, η ανάδευση, η μερική πίεση του παραγόμενου υδρογόνου, η θερμοκρασία αλλά και η απουσία ή πλήρης καταστολή μικροοργανισμών, που δρουν ως χρήστες υδρογόνου στην καλλιέργεια. Οι παράμετροι αυτές, επιδρούν στο μικροβιακό μεταβολικό ισοζύγιο και επακολούθως στα τελικά προϊόντα της ζύμωσης. Παρακάτω θα αναλυθούν οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία Το ph Ο μεταβολισμός των μικτών οξεογόνων μικροοργανισμών, εξαρτάται σημαντικά από την τιμή του ph της καλλιέργειας (Afschar et al., 1986), το οποίο μάλιστα αποτελεί πολύ κρίσιμη παράμετρο για βιοδιεργασίες με κυρίαρχο είδος τα clostridia (Lay, 2000). Στην βιβλιογραφία αναφέρονται ως βέλτιστες, αρκετές περιοχές τιμών ph για τη ζύμωση των υδατανθράκων από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες. Αρκετοί ερευνητές αναφέρουν ότι η βέλτιστη απόδοση σε υδρογόνο, λαμβάνει χώρα για τιμές ph μεταξύ 5 και 6. (Lay, 2000; Fang και Liu, 2002; Fan et al., 2004). Έτσι, οι Zoetemeyer et al. (1982β) 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 και Liu, 2001; Sung et al., 2002, Van Ginkel et al., 2001). 67

102 Από την άλλη, αρκετοί ερευνητές αναφέρουν την περιοχή τιμών ph από ως βέλτιστη (Collet et al., 2004; Liu και Shen, 2004; Zhang et al., 2003; Kanai et al., 2005; Lay, 2001), ενώ με βάση τους Ren et al. (1995) η βέλτιστη περιοχή τιμών ph για τη ζύμωση της σακχαρόζης σε συνεχή αντιδραστήρα είναι μεταξύ 4 και 4.5, ενώ για τη ζύμωση της σακχαρόζης σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου η περιοχή κοντά στο ph = 9 (Lee et al., 1999). Οι Chen et al. (2002) και οι Lee et al. (2002), αναφέρουν ότι εκτός από το ph της ζύμωσης, σημαντικό ρόλο παίζει και το αρχικό ph, πριν την επώαση. Όμως αρκετές μελέτες υποστηρίζουν ότι το τελικό ph κατά την αναερόβια παραγωγή του υδρογόνου είναι κοντά στο , ανεξαρτήτως της αρχικής τιμής του ph (Υokoi et al., 2001; Lin και Shen, 2004; Zhang et al., 2003; Liu et al., 2003; Lay, 2001; Morimoto et al., 2004). Η μείωση του ph, εξαιτίας της παραγωγής των οργανικών οξέων, μειώνει τη ρυθμιστική ικανότητα του μέσου, με αποτέλεσμα χαμηλές τελικές τιμές ph ( Khanal et al., 2004). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το γένος clostridium παράγει υδρογόνο χρησιμοποιώντας την οξειδωαναγωγική 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; Holt et al., 1988; 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. Έχει αναφερθεί ότι περισσότερο βουτυρικό οξύ παράγεται σε ph= 4-6 (Kapdan και Κargi, 2006), ενώ ίσες ποσότητες οξικού και βουτυρικού οξέος παράγονται σε ph= (Fang και Liu, 2002). Η παραγωγή της αιθανόλης από την άλλη, εξαρτάται σημαντικά από τις περιβαλλοντικέςσυνθήκες (Collet et al., 2004; Oh et al., 2003; Zhang et al., 2003; Ueno et al., 2001;Yu et al., 2002). Από όλα όσα αναφέρθηκαν είναι φανερό ότι η ρύθμιση της τιμής του ph σε μια βέλτιστη τιμή όπου ευνοείται η παραγωγή του υδρογόνου, είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη ζυμωτική διεργασία. Στην αντίθετη περίπτωση όπου το ph δεν διατηρείται στα επιθυμητά επίπεδα, μπορεί να παρεμποδιστεί η παραγωγή του υδρογόνου ή να προκληθεί αλλαγή του κυρίαρχου μικροβιακού πληθυσμού, η οποία οδηγεί στην παρεμπόδιση αυτή (Khanal et al., 2004) O υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) 68

103 Σημαντική παράμετρος για τη ζύμωση των υδατανθράκων σε ένα σύστημα συνεχούς ροής, αποτελεί και η ρύθμιση του υδραυλικού χρόνου παραμονής, ώστε να επιτευχθεί βέλτιστη παραγωγή βιοϋδρογόνου (Brosseau και Zajic, 1982; Wang et al., 1979). Οι Fan et al. (2006) μελέτησαν την παραγωγή του υδρογόνου από απόβλητα ζυθοποιίας, χρησιμοποιώντας μικτή καλλιέργεια μικροοργανισμών, σε πέντε υδραυλικούς χρόνους παραμονής (HRT= 48, 24, 18, 12 και 8h). Η μέγιστη παραγωγικότητα σε υδρογόνο ελήφθη σε HRT = 18 h και ήταν ίση με 43 ml H 2 / g ΧΑΟ προστηθέμενο ή 3.1 L H 2 / L αντιδραστήρα / d. Οι Lin και Chang (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). Η παραγωγή του υδρογόνου από αερόβια κομποστοποιημένη λάσπη, από απόβλητα βιομηχανίας ζάχαρης, μελετήθηκε σε συνεχές σύστημα, σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 3, 2, 1 και 0.5 d (Ueno et al., 1996). H μείωση του υδραυλικού χρόνου παραμονής ευνόησε την παραγωγή του υδρογόνου (2.59 mol H 2 / mol γλυκόζης σε ΗRT = 0.5d), αν και η κατανάλωση της γλυκόζης ήταν μεγαλύτερη σε ΗRT = 3 d (97% αποδόμηση της γλυκόζης). Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι ο βέλτιστος χρόνος παραμονής διαφέρει σε κάθε διεργασία και εξαρτάται από το είδος της βακτηριακής καλλιέργειας, το υπόστρωμα και το ph Η συγκέντρωση του υποστρώματος και των θρεπτικών Σημαντικό ρόλο στην ετεροτροφική διεργασία παραγωγής υδρογόνου, παίζει και η συγκέντρωση του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος. Έτσι, η αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος μπορεί να προκαλέσει αλλαγή στα μεταβολικά μονοπάτια, κατά τη διάρκεια της ζύμωσης (Yu και Fang, 2001; Dabrock et al., 1992) Οι Van Ginkel et al. (2001) μελέτησαν την παραγωγή υδρογόνου από σακχαρόζη, κάτω από διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις, παρατηρώντας ότι η ικανότητα μετατροπής της σακχαρόζης, αυξανόταν σημαντικά, με μείωση της συγκέντρωσης του υποστρώματος. Επιπλέον, οι μεγαλύτερες αρχικές συγκεντρώσεις οδήγησαν σε υψηλότερες μερικές πιέσεις υδρογόνου, αλλά η μικρότερη ικανότητα μετατροπής οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το υπόστρωμα μετατρεπόταν κυρίως προς αλκοόλες 69

104 παρά προς οξέα και υδρογόνο. Ο Lay (2001) σε πειράματα με ημικρυσταλλική κυτταρίνη σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, βρήκε ένα μέγιστο άνω όριο για τη συγκέντρωση του υποστρώματος (25 g κυτταρίνης / L), πάνω από το οποίο ο ειδικός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου, μειωνόταν. Οι Chen et al. (2006) μελέτησαν την επίδραση, της συγκέντρωσης του υποστρώματος, στην ικανότητα παραγωγής υδρογόνου, τριών διαφορετικών υποστρωμάτων, της σακχαρόζης, των αποβλήτων τροφίμων και του ξηρού μη λιπαρού- γάλακτος. Τα πειράματα με την σακχαρόζη απέδειξαν ότι η απόδοση σε υδρογόνο παρουσίασε μέγιστη τιμή σε μια συγκεκριμένη συγκέντρωση υποστρώματος και η περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης, οδήγησε προς μικρότερες αποδόσεις. Η απόδοση σε υδρογόνο στην περίπτωση των αποβλήτων τροφίμων και του γάλακτος, μειώθηκε με αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος, γεγονός που δικαιολογείται από τη μικρότερη περιεκτικότητα των υποστρωμάτων αυτών σε υδατάνθρακες απ ότι η σακχαρόζη. 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). Υποστηρίζοντας τη σπουδαιότητα του φωσφόρου ως θρεπτικού συστατικού, οι Dabrock et al. (1992) πραγματοποιώντας πειράματα με γλυκόζη, υποστήριξαν ότι σε συνθήκες περιορισμού του, ευνοείται η παραγωγή ανηγμένων μεταβολικών προϊόντων όπως βουτανόλη και αιθανόλη και όχι πτητικών λιπαρών οξέων και υδρογόνου. Ακόμα, φωσφορικά και ανθρακικά ιόντα, πολύ συχνά προστίθενται ως συστατικά ρυθμιστικών διαλυμάτων, για τη διατήρηση του ph της καλλιέργειας, στα επιθυμητά επίπεδα (Endo et al., 1982; Cha και Noike, 1997; Nakamura et al., 1993; Onodera et al., 1999). Οι Lin και Lay (2004β) πρότειναν την χρήση φωσφορικών αντί των ανθρακικών στα ρυθμιστικά διαλύματα διότι τα ανθρακικά σχετίζονται με το CO 2 στην αέρια φάση, όπου η αύξησή του οδηγεί σε μείωση της περιεκτικότητας της αέριας φάσης, σε υδρογόνο. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο σίδηρος αποτελεί συστατικό της υδρογονάσης και αναφέρεται ότι η έλλειψή του προκαλεί τη μείωση της δραστικότητας του συγκεκριμένου ενζύμου (Junelles et al., 1988; Dabrock et al., 1992; Peguin και Soucaille, 1995). Σύμφωνα με τους Lee et al (2001), οι οποίοι μελέτησαν την παραγωγή υδρογόνου από σακχαρόζη μέσω μικτών μικροβιακών πληθυσμών, οι 70

105 χαμηλές συγκεντρώσεις σιδήρου ευνόησαν την παραγωγή βουτανόλης και αιθανόλης, ενώ μέγιστη απόδοση σε υδρογόνο παρατηρήθηκε όταν προστέθηκαν στο μέσο ανάπτυξης 800 mg FeCl 2 / L. Τέλος, κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, οι μικροοργανισμοί απαιτούν για το μεταβολισμό τους, την προσθήκη επαρκούς ποσότητας αζώτου. Οι Lin και Lay (2004α) παρατήρησαν τη μέγιστη παραγωγικότητα σε υδρογόνο, σε αναλογία C / N = 47, ενώ για πολύ μεγαλύτερους λόγους, η κατανομή των μεταβολικών προϊόντων άλλαξε και η παραγωγικότητα σε υδρογόνο μειώθηκε σημαντικά, εξαιτίας του περιορισμού του αζώτου Η μερική πίεση της συγκέντρωσης του υδρογόνου και η ανάδευση Η συγκέντρωση του υδρογόνου στην υγρή φάση, αποτελεί παράγοντα κλειδί, για τη ζυμωτική διεργασία παραγωγής υδρογόνου. Η παραγωγή του υδρογόνου δεν ευνοείται θερμοδυναμικά, με αύξηση της μερικής πίεσης του υδρογόνου (Thauer, 1977). Κι αυτό γιατί η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων υδρογόνου, μπορεί να προκαλέσει παρεμπόδιση στη δράση του ενζύμου της υδρογονάσης (Kondratieva, 1983). Η μείωση της συγκέντρωσης του υδρογόνου στην υγρή φάση, μπορεί να οδηγήσει το βακτηριακό πληθυσμό σε μεταβολισμό του ακέτυλο-συνενζύμου Α προς μονοπάτια, κατά τα οποία ευνοείται η παραγωγή υδρογόνου και ενέργειας, αυξάνοντας έτσι τη συνολική τελική απόδοση σε υδρογόνο. Οι Van Andel et al. (1985) μειώνοντας τη μερική πίεση του υδρογόνου, παρατήρησαν μια αύξηση στην αναλογία οξικό / βουτυρικό, η οποία συνοδεύτηκε από αύξηση του παραγόμενου υδρογόνου. Οι Mizuno et al. (2000) διαβιβάζοντας αέριο N 2 στην αέρια φάση, απομάκρυναν το παραγόμενο υδρογόνο, προκαλώντας μείωση της συγκέντρωσης του διαλυμένου υδρογόνου στην υγρή φάση. Με τον τρόπο αυτό παρατήρησαν αύξηση στην απόδοση του υδρογόνου κατά 68% καθώς επίσης οι Tanisho et al. (1998) διαβιβάζοντας αργό στην αέρια φάση, πέτυχαν αύξηση στο NADH, άρα και στο υδρογόνο. Και κατά την θερμόφιλη ετεροτροφική ζύμωση, η μερική πίεση του υδρογόνου στην αέρια φάση πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα (< 2 kpa), ειδάλλως προκαλείται μείωση στο ρυθμό ανάπτυξης (Kelly, 1988; Schaefer και Schoenheit 1991; Schroeder et al., 1994) και ενδέχεται αντί για οξικό οξύ να παραχθεί γαλακτικό οξύ (Janssen και Morgan, 1992) ή αλανίνη 71

106 (Kengen και Stams, 1994), μειώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του υδρογόνου από τη γλυκόζη. Απ όλα αυτά είναι φανερό ότι για την επίτευξη μεγαλύτερων αποδόσεων, το υδρογόνο θα πρέπει να απομακρύνεται καθώς παράγεται. Μια ενδεχομένως χρήσιμη τεχνική απομάκρυνσης του παραγόμενου υδρογόνου από το αέριο μίγμα, προτάθηκε από τους Nielsen et al. (2001) οι οποίοι χρησιμοποίησαν αντιδραστήρα με μεμβράνη παλλαδίου - αργύρου, η οποία μεμβράνη είχε μεγάλη εκλεκτικότητα στην συγκράτηση του υδρογόνου και έτσι γινόταν διαχωρισμός του υδρογόνου από το παραγόμενο αέριο. Η συγκέντρωση του διαλυμένου υδρογόνου σχετίζεται και με τις συνθήκες ανάδευσης. Ο Lay (2000) υποστήριξε 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. Τα πειραματικά αποτελέσματα των Lamed et al. (1988) επιβεβαίωσαν το γεγονός ότι η ανάδευση της καλλιέργειας του Clostridium thermocellum, ενίσχυσε τη μεταφορά του υδρογόνου στην αέρια φάση, προκαλώντας τη μείωση της παρεμπόδισης του ενζύμου της υδρογονάσης η οποία είχε προκληθεί από την υψηλή συγκέντρωση του υδρογόνου, στην υγρή φάση Η θερμοκρασία Άλλος ένας σημαντικός παράγοντας που επιδρά στη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου, είναι η θερμοκρασία. Η αποδόμηση του υποστρώματος η παραγωγή του υδρογόνου, η κατανομή των προϊόντων και η μικροβιακή ανάπτυξη, επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Επιπλέον, και ο βακτηριακός πληθυσμός σ ένα ζυμωτικό υδρογονοπαραγωγό αντιδραστήρα, εξαρτάται από τον παράγοντα αυτό (Mu et al., 2005). Η παραγωγή του υδρογόνου έχει μελετηθεί στη μεσόφιλη περιοχή (Majihat et al., 1997; Lay et al., 1999; Nielsen et al., 2001; Ueno et al., 1996; Palazzi et al., 2000; Noike και Mizuno, 2000), στη θερμόφιλη περιοχή (Yu et al., 2002; Ueno et al., 1996; Van Niel et al., 2003) και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (Lin και Chang, 2004). Στη θερμόφιλη περιοχή, οι ρυθμοί των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, είναι πιο γρήγοροι απ ότι στις μεσόφιλες συνθήκες, και έτσι η θερμοφιλική ζύμωση 72

107 των υδατανθράκων επιτρέπει μεγαλύτερες οργανικές φορτίσεις και μικρότερους υδραυλικούς χρόνους παραμονής (Ahn και Forster, 2002). Επιπλέον, η υδρογονάση, που είναι το ένζυμο «κλειδί» για την παραγωγή του υδρογόνου, παρουσιάζει βέλτιστη θερμοκρασία μεταξύ o C (Koesnandar et al., 1991), οδηγώντας σε μεγαλύτερες αποδόσεις (Adams, 1990). Στις υψηλές θερμοκρασίες, αφενός μειώνεται η συγκέντρωση του διαλυμένου υδρογόνου στην υγρή φάση (Hawkes et al, 2002) και αφετέρου ευνοείται η παραγωγή του υδρογόνου θερμοδυναμικά (Lee και Ζinder, 1988β). Παρ όλα αυτά, 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 μεσοφιλική ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου περισσότερο ελκυστική και ενεργειακά συμφέρουσα από την παραγωγή υδρογόνου στη θερμόφιλη περιοχή Οι μικροοργανισμοί χρήστες υδρογόνου και οι παρεμποδιστές Η πλήρης απουσία ή η παρεμπόδιση της δράσης των μικροοργανισμών που καταναλώνουν υδρογόνο, είναι σημαντική για την επίτευξη μέγιστων ρυθμών παραγωγής υδρογόνου. Τέτοιοι μικροοργανισμοί μπορεί να είναι οι μεθανογόνοι (Sparling et al., 1997), οι ομοοξικογόνοι (Ueno et al., 1996), τα βακτήρια γαλακτικού οξέος (Noike et al., 2002; Lin.και Chen, 2005) και άλλοι παρεμποδιστές όπως τα βακτήρια που ανάγουν τα θειϊκά σε υδρόθειο (Bitton, 1994; Mizuno et., 1998; Nandi et al., 2001; Esposito et al., 2003). Όπως έχει αναφερθεί, στην περίπτωση όπου στην καλλιέργεια υπάρχουν υδρογονοχρήστες μεθανογόνοι μκροοργανισμοί, η καταστολή τους επιτυγχάνεται λειτουργώντας σε χαμηλό ph και μικρούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. Με θερμική κατεργασία της μικροβιακής καλλιέργειας, στο ξεκίνημα της διεργασίας, η καλλιέργεια απαλλάσσεται από τα βακτήρια γαλακτικού οξέος (Noike et al, 2002) και τα μεθανογόνα βακτήρια (Lay, 2000). Στην περίπτωση, μικτής μικροβιακής καλλιέργειας, μπορούν να λάβουν χώρα και άλλες ανταγωνιστικές αντιδράσεις, όπου καταναλώνεται υδρογόνο. Μια τέτοια αντίδραση είναι η ομοοξικογένεση (αντίδραση 3.24) η οποία πραγματοποιείται και από ορισμένα clostridia: 4H 2 + 2CO 2 CH 3 COOH + 2H 2 O (3.24) 73

108 Όταν στην καλλιέργεια υπάρχουν ομοοξικογόνοι μικροοργανισμοί, μειώνεται το υδρογόνο που σχηματίζεται από τους ενεργούς οξεογόνους μικροοργανισμούς, ενώ η απόδοση σε οξικό αυξάνεται (Ueno et al., 1996). Οι λειτουργικές συνθήκες καταστολής των μικροοργανισμών αυτών, δεν είναι πλήρως γνωστές μέχρι σήμερα (Hussy et al., 2003). Οι Rogers και Gottschalk (1993) αναφέρουν ότι η ομοοξικογένεση, δε μπορεί να συμβεί σε ph κάτω από 5, ενώ οι Heyndricks et al. (1986) υποστήριξαν ότι μπορεί να γίνει κυρίαρχη διεργασία, είτε σε μεγάλους χρόνους παραμονής, είτε λόγω της μείωσης του ρυθμού ανάπτυξης των οξεογόνων, υδρογονοπαραγωγών μικροοργανισμών. Αρκετοί ερευνητές συνηγορούν στο ότι οι ομοοξικογόνοι δρουν σε μεγάλους χρόνους παραμονής (Morinaga και Kawada, 1990; Fynn και Syafila, 1990; Lajoie et al., 1988; Schmidt και Cooney, 1986) Αλλαγή μικροβιακού πληθυσμού Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η παραγωγή του υδρογόνου γίνεται μέσω του NADH και συγκεκριμένα, κατά την επανοξείδωση του ελεύθερου NADH σε NAD + σύμφωνα με την αντίδραση: NADH + H + NAD + + H 2 (3.25) Η απόδοση του υδρογόνου μπορεί να αυξηθεί, αν οι μεταβολικές αντιδράσεις μπορούν να ελεγχθούν από τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες, έτσι ώστε να αυξηθεί το ποσό του ελεύθερου NADH. Και τα τελικά προϊόντα που παράγονται κατά τη βιολογική αποδόμηση της γλυκόζης, από τον ίδιο μικροβιακό πληθυσμό, εξαρτώνται σημαντικά, από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα ανηγμένα ζυμωτικά προϊόντα π.χ. αιθανόλη, βουτανόλη, γαλακτικό οξύ, δεν συνοδεύονται από ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να στραφεί ο μεταβολισμός προς την παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων. Θεωρητικά, μεγάλες αποδόσεις σε υδρογόνο λαμβάνονται με την παραγωγή του οξικού οξέος, ως τελικού ζυμωτικού προϊόντος (αντίδραση 3.17). Στην πράξη όμως, οι υψηλές αποδόσεις σε υδρογόνο σχετίζονται με την παραγωγή του βουτυρικού οξέος, ενώ οι χαμηλές αποδόσεις, με την παραγωγή προπιονικού οξέος και ανηγμένων τελικών προϊόντων. Οι Valivin et al. (1995) υποστήριξαν ότι το περιοριστικό υπόστρωμα για την παραγωγή του βουτυρικού οξέος είναι η γλυκόζη, ενώ για την παραγωγή του 74

109 προπιονικού οξέος είναι το υδρογόνο και ότι και τα δύο είδη μικροοργανισμών που παράγουν τα δύο αυτά τελικά προϊόντα, βρίσκονται σε ισορροπία στη μικροβιακή καλλιέργεια που παράγει υδρογόνο. Οι Horiuchi et al. (2002) μελέτησαν την επίδραση των αλλαγών του ph (από 5-8) στην κατανομή των τελικών προϊόντων, κατά τη ζύμωση της γλυκόζης από μικτή μικροβιακή καλλιέργεια, σε συνεχή αντιδραστήρα. Με την αύξηση του ph παρατηρήθηκε μια αλλαγή από την παραγωγή του βουτυρικού σε προπιονικό οξύ, η οποία αποδόθηκε σε αλλαγή του κυρίαρχου μικροβιακού πληθυσμού, μέσα στην καλλιέργεια. 3.5 Συνδυασμένη παραγωγή υδρογόνου και μεθανίου Όπως είδαμε, κατά τη ζυμωτική παραγωγή του υδρογόνου (στάδιο οξεογένεσης, της συνολικής διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης), παράγονται ταυτόχρονα οργανικά οξέα ή ανηγμένα τελικά προϊόντα, χωρίς να προκαλείται σημαντική επίδραση στο οργανικό περιεχόμενο της τροφοδοσίας. Συνήθως, η απομάκρυνση του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου 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 πλούσια σε πτητικά λιπαρά οξέα, απορροή ενός υδρογονοπαραγωγού ζυμωτικού αντιδραστήρα, μπορεί να επεξεργαστεί περαιτέρω μέσω ενός ακόλουθου σταδίου αναερόβιας χώνευσης, της μεθανογένεσης, με το οποίο επιτυγχάνεται όχι μόνο σταθεροποίηση της διεργασίας αλλά και παραγωγή ενέργειας μέσω του παραγόμενου μεθανίου. Η διεργασία αυτή είναι γνωστή ως διεργασία δύο σταδίων και έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει την ανάπτυξη του κατάλληλου περιβάλλοντος για τα οξεογόνα και τα μεθανογόνα βακτήρια αντίστοιχα, σε δύο διαφορετικά μέρη (Han και Shin, 2005). 75

110 4. Μοντέλα και κινητική στην αναερόβια χώνευση 4.1 Κινητική ανάπτυξης μικροοργανισμών Γενικά Η κινητική βιολογικής ανάπτυξης βασίζεται σε δυο θεμελιώδεις σχέσεις: το ρυθμό ανάπτυξης και το ρυθμό κατανάλωσης υποστρώματος (Lawrence και McCarty, 1970). Ο ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών r x, σχετίζεται με τη συγκέντρωσή τους, με εξισώσεις της μορφής: r x dx = = μ ( S, x) x (4.1) 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, η ενδογενής αναπνοή, ο θάνατος των βακτηρίων και η λύση των κυττάρων τους, 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 και McCarty, 1970; Lawrence, 1971) ως εξής: dx r x = = ( μ b) x (4.2) dt όπου b : ο ειδικός ρυθμός θανάτου των μικροοργανισμών [=] Τ -1 Η κατανάλωση του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος δίνεται από τη σχέση: ds ( dx / dt) = (4.3) dt Y όπου Υ: ο συντελεστής απόδοσης της βιομάζας [=]MM -1 : (Δx/ΔS) (παραγόμενη βιομάζα / καταναλισκόμενο υπόστρωμα) Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις (4.1) και (4.3) προκύπτει: 1 ds = μ x dt Y = U m (4.4) - = km όπου k m ή U m : ο ειδικός ρυθμός χρήσης υποστρώματος [=] ΜΜ -1 Τ -1 76

111 Η επίδραση της συγκέντρωσης του περιοριστικού υποστρώματος στον ειδικό ρυθμό μικροβιακής ανάπτυξης, περιγράφεται από διάφορα μαθηματικά μοντέλα (Monod, 1949; Moser, 1958; Contois, 1959; Grau et al., 1975; Chen και Hashimoto, 1978) (πίνακας 4.1). Το πιο απλό και ευρύτερα χρησιμοποιούμενο μοντέλο είναι το μοντέλο Monod, που περιγράφει τον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών ως εξής: μ μ = maxs K + S s (4.5) 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 4.1. Παρόλο που η εξίσωση Monod είναι εμπειρική, χρησιμοποιείται ευρύτατα για μικροβιακά συστήματα. μ ειδικός ρυθμός ανάπτυξης (1/h) μ max μ max /2 K S Περιοριστικό υπόστρωμα (mg/l) S Σχήμα 4.1 Σχηματική αναπαράσταση της κινητικής Monod 77

112 Πίνακας 4.1 Εκφράσεις του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης, ως συνάρτηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β; Gavala et al., 2003β) Μοντέλο Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, μ Ρυθμός χρήσης ds υποστρώματος ( = ) dt Πρώτης τάξεως μ = ks S S 0 b ks Grau et al. μ μ = maxs b S 0 μ max YS 0 S x Monod μ = μmaxs K + S b S μ maxs x Y ( K S + S) Moser Contois n n μ S = max μ maxs μ b x n n K + S Y ( K + S ) S U m S U μ = b m S x BX + S Y ( BX + S) S U m : μ max /(1-α), α: σταθερά, Β= α/υ(1-α) Κινητική παρεμπόδισης Όπως όλες οι βιολογικές διεργασίες, 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, 1964β; Parkin, 1986). Προκειμένου να περιγραφεί η επίδραση των παρεμποδιστικών και τοξικών παραγόντων στη μικροβιακή ανάπτυξη, χρησιμοποιούνται κάποιες διορθωτικές σταθερές παρεμπόδισης οι οποίες ενσωματώνονται στην εξίσωση Monod. Στην περίπτωση όπου η παρεμπόδιση είναι αντιστρέψιμη, τρεις τύποι μοντέλων 78

113 προτείνονται: τα ανταγωνιστικά, τα μη ανταγωνιστικά και τα ανανταγωνιστικά (Lehninger, 1975). Ο ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος (U), δίνεται από τις εξισώσεις: Ανταγωνιστικά μοντέλα: U = K S ks I 1+ K I (4.6) + S Ανανταγωνιστικά: U = K S ks I + S 1+ K I (4.7) Μη ανταγωνιστικά: U = ( K S) S ks I + 1+ K I (4.8) 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, 1930) ή μοντέλο Andrews (1969): k U = K S 1+ + S S K I (4.9) Ένα άλλο μοντέλο παρεμπόδισης, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για αναερόβια συστήματα είναι η γενικευμένη εξίσωση Haldane, για ανανταγωνιστική παρεμπόδιση υποστρώματος (Edwards, 1970; Neuufeld et al., 1980): U = k KS S + + S 1 K I n (4.10) 79

114 όπου n: σταθερά που καθορίζει την τάξη της παρεμπόδισης. Όταν n=1, τότε η εξίσωση 4.10 ανάγεται στην εξίσωση Haldane (εξίσωση 4.9). 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 και Graef, 1971; Hill και Barth, 1977; 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, ο Andrews το 1968 και οι Andrews και Graef λίγο αργότερα (1971), χρησιμοποίησαν την εξίσωση Haldane για να περιγράψουν την παρεμπόδιση από αδιάστατα πτητικά λιπαρά οξέα (κυρίως από οξικό και προπιονικό οξύ), ενώ οι Dinopoulou et al. (1988) δοκίμασαν την εξίσωση Haldane και το μη ανταγωνιστικό μοντέλο προκειμένου να περιγράψουν την κινητική της οξεογένεσης, κατά την αναερόβια χώνευση ενός σύνθετου υλικού. 4.2 Κινητική των επί μέρους σταδίων της αναερόβιας χώνευσης Κινητική υδρόλυσης στερεού οργανικού υλικού Η υδρόλυση περιλαμβάνει τη διαλυτοποίηση του σύνθετου σωματιδιακού υλικού, καθώς και τη βιολογική διάσπαση των οργανικών πολυμερών σε μονομερή ή διμερή τα οποία μπορούν να περάσουν από την κυτταρική μεμβράνη. Η υδρόλυση των οργανικών πολυμερών γίνεται με τη δράση ενζύμων (τις υδρολάσες), ενώ η διαλυτοποίηση της σύνθετης οργανικής ύλης, δεν είναι απαραίτητα ενζυμικά καταλυόμενη διεργασία, αλλά μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω φυσικοχημικών αντιδράσεων. Η υδρόλυση του οργανικού πολυμερούς συχνά περιγράφεται από κινητική πρώτης τάξεως, καθώς δεν συνδέεται άμεσα με τη μικροβιακή ανάπτυξη (Gujer και Zehnder, 1983; Pavlostathis και Giraldo Gomez, 1991β). ds dt = k S (4.11) h όπου S [=] ML -3 : η συγκέντρωση του αποδομήσιμου οργανικού υλικού και k h [=] Τ -1 : η σταθερά υδρόλυσης. 80

115 4.2.2 Κινητική οξεογένεσης Αρκετές εργασίες αναφέρονται στη ζύμωση των υδατανθράκων των πρωτεϊνών και των λιπαρών οξέων. Όμως, ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στη ζύμωση των διαλυτών υδατανθράκων που αποτελεί υποσχόμενη βιολογική μέθοδος για την παραγωγή του υδρογόνου. Τα κύρια προϊόντα της ζύμωσης, απουσία μεθανογόνων βακτηρίων είναι τα πτητικά λιπαρά οξέα, το γαλακτικό οξύ, η αιθανόλη, το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα. Ο πίνακας 4.2 περιέχει τιμές των κινητικών σταθερών (υποθέτοντας κινητική Monod), οι οποίες εξήχθησαν από μελέτες σχετικά με τη βιολογική αποδόμηση των υδατανθράκων. Το κοινό όλων των μελετών αυτών, είναι η σχεδόν πλήρης και γρήγορη ζύμωση των υδατανθράκων. Παραδείγματα τέτοιων μελετών, είναι αυτές των Weimer και Zeikus (1977), οι οποίοι βρήκαν ότι το είδος Clostridium thermocellum μεγάλωνε γρηγορότερα στην κελοβιόζη από ότι στην κυτταρίνη, ενώ οι Russell και Baldwin (1979) εξήγαγαν κινητικές σταθερές για τη μετατροπή διαφόρων διαλυτών υδατανθράκων (κελοβιόζη, γλυκόζη, μαλτόζη), υποθέτοντας κινητική Monod. Οι τιμές που βρήκαν για τη σταθερά κορεσμού ήταν μεταξύ και mm ενώ για το μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης από 0.2 μέχρι 20 h -1. Κατά τη βιοαποδόμηση των λιπαρών οξέων μεγάλου μοριακού βάρους σε μικρότερου μοριακού βάρους λιπαρά οξέα, παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού διάσπασης, με αύξηση του μήκος της αλυσίδας ή με μείωση του βαθμού κορεσμού των ακόρεστων λιπαρών οξέων (Novak και Carlson, 1970). Τέλος, η ζύμωση των αμινοξέων είναι μια πολύ σύνθετη διαδικασία και οδηγεί στην παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων, ηλεκτρικού οξέος και υδρογόνου. Η χημική σύνθεση, η προέλευση και η προεπεξεργασία του υποστρώματος έχει σημαντική επίδραση στο ρυθμό και την έκταση της ζύμωσης των αμινοξέων (Chen και Russell, 1988; Wallace, 1986) Κινητική οξικογένεσης Τα κύρια προϊόντα από την αναερόβια οξείδωση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού βάρους (π.χ. προπιονικό, βουτυρικό), είναι το οξικό οξύ και το υδρογόνο (McInerney και Bryant, 1981; Dolfing, 1988). Η μετατροπή αυτή ονομάζεται 81

116 οξικογένεση. Για την επιτυχή διάσπαση των ενώσεων αυτών, είναι απαραίτητη η απομάκρυνση της μεγαλύτερης ποσότητας του υδρογόνου που παράγεται. Αρκετές μελέτες αναφέρονται στην αναερόβια οξείδωση πτητικών λιπαρών οξέων και οι κινητικές σταθερές που εξήχθησαν από αυτές, περιέχονται στον πίνακα Κινητική μεθανογένεσης Το οξικό είναι το σημαντικότερο υπόστρωμα για τη μεθανογένεση. Το 65-70% του παραγόμενου μεθανίου στους αναερόβιους αντιδραστήρες, προέρχεται από την κατανάλωση οξικού οξέος (Jeris και McCarty, 1965; Smith και Mah, 1966). Αρκετοί ερευνητές μελέτησαν την οξικολυτική παραγωγή του μεθανίου και εξήγαγαν κινητικές σταθερές που περιγράφουν τη συγκεκριμένη διεργασία. Κάποια από τα κινητικά δεδομένα παρουσιάζονται στον πίνακα 4.4 Αν και μόλις το 30-35% του μεθανίου που παράγεται στους αναερόβιους χωνευτήρες προέρχεται από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο, η μεταφορά και η χρήση του υδρογόνου είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς καθορίζει τους ρυθμούς των αντιδράσεων, που έχουν το υδρογόνο ως προϊόν. Αναγνωρίζοντας το ρόλο του υδρογόνου στα αναερόβια περιβάλλοντα, αρκετοί ερευνητές μελέτησαν την κατανάλωσή του από μεθανοβακτήρια, εξάγοντας τις κινητικές σταθερές που την περιγράφουν (πίνακας 4.4) Συνολική κινητική αναερόβιας χώνευσης Με εξαίρεση το στάδιο της υδρόλυσης το οποίο συνήθως περιγράφεται από κινητική πρώτης τάξεως, όλα τα άλλα στάδια της αναερόβιας χώνευσης, μπορούν να περιγραφούν από κινητική τύπου Monod. Μια σύνοψη των κινητικών σταθερών που αφορούν τα επιμέρους στάδια της αναερόβιας επεξεργασίας, παρουσιάζονται στον πίνακα 4.5 (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β). Είναι φανερό ότι υπάρχει σημαντική διακύμανση στις τιμές των κινητικών σταθερών, γεγονός που οφείλεται στις διαφορετικές λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούσαν στον προς εξέταση αναερόβιο χωνευτήρα. 82

117 Πίνακας 4.2 Κινητικές σταθερές για τη ζύμωση των υδατανθράκων (οξεογένεση) από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β) Υπόστρωμα Διεργασία Θερμοκρασία ( o C) Ks (mgcod/l) μ max (h -1 ) Y (mgvss /mgcod) Μελέτη Γλυκόζη Batch Ghosh και Klass, 1978 Γλυκόζη Συνεχής Ghosh και Pohland, 1974 Γλυκόζη Συνεχής Huang, 1983 Γλυκόζη Συνεχής Zoetemeyer et al., 1982 Γλυκόζη Συνεχής Noike et al., 1985 Πίνακας 4.3 Κινητικές σταθερές για την οξείδωση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού βάρους (οξικογένεση) από μικτές μικροβιακές καλλιέργειες, σε συνεχή συστήματα (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β) Υπόστρωμα Θερμοκρασία ( o C) Ks (mgcod/l) μ max (h -1 ) Y (mgvss/ mgcod) Μελέτη Προπιονικό Lowrence και McCarty, 1969 Προπιονικό Heyes και Hall, 1983 Βουτυρικό Lowrence και McCarty, 1969 Μίγμα οξέων α Lin et al., 1986 Βουτυρικό β Massey και Pohland, 1978 α οξικό: προπιονικό: βουτυρικό (2:1:1 εκφρασμένα ως COD) β προϊόν αποδόμησης γλυκόζης 83

118 Πίνακας 4.4 Κινητικές σταθερές για τη μεθανογένεση από οξικό οξύ και διοξείδιο του άνθρακα (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991β) Υπόστρωμα Μικροοργανισμοί Θερμοκρασία ( o C) Ks (mgcod/l) μ max (h -1 ) Y (mgvss/mgcod) Μελέτη Οξικό Μικτή καλλιέργεια Lowrence και McCarty Οξικό Μικτή καλλιέργεια Van den Berg, 1977 Οξικό M. barkeri Wandrey και Aivasidis, 1983 H 2 + CO 2 Χωνευμένη ιλύς Robinson και Tiedje, 1982 H 2 + CO 2 Μικτή καλλιέργεια α * Giraldo-Gomez et al.,1991 Πίνακας 4.5 Κινητικές σταθερές για διάφορα υποστρώματα της μεσόφιλης αναερόβιας επεξεργασίας (Pavlostathis και Giraldo-Gomez, 1991) Υπόστρωμα διεργασία k (gcod/gvss /d) Ks (mgcod/l) μ max (d -1 ) Y (gvss/gcod) Υδατάνθρακες Οξεογένεση Λιπαρά οξέα μικρού Αναερόβια οξείδωση μοριακού βάρους α (οξικογένεση ) Οξικό Οξικολυτική Μεθανογένεση Η 2 /CO 2 Μεθανογένεση x α εκτός του οξικού b (d -1 ) 84

119 4.3 Μαθηματικά μοντέλα για προσομοίωση της αναερόβιας χώνευσης Πολλά είναι τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν με σκοπό την περιγραφή της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν κάποια αντιπροσωπευτικά μαθηματικά μοντέλα, ταξινομημένα ανάλογα με την παράμετρο που θεωρείται να έχει πρωταρχική σημασία στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης Μοντέλα που θεωρούν κινητική παρεμπόδισης από τη συγκέντρωση αδιάστατων και ολικών πτητικών λιπαρών οξέων Το πρώτο μοντέλο το οποίο έλαβε υπόψη του την παρεμπόδιση της μεθανογένεσης από αδιάστατα πτητικά λιπαρά οξέα, ήταν το μοντέλο των Graef και Andrews (1973). Λίγο αργότερα, οι Hill και Barth (1977) θεώρησαν την ίδια κινητική παρεμπόδισης, προκειμένου να προσομοιώσουν την αναερόβια χώνευση ζωικών αποβλήτων. Οι Kleinstreuer και Poweigna (1982) και Marsili-Libelli και Nardini (1985) θεώρησαν ότι τα αδιάστατα πτητικά λιπαρά οξέα παρεμπόδιζαν μονάχα το στάδιο της μεθανογένεσης, ενώ οι Moletta et al. (1986) έλαβαν υπόψη τους την παρεμπόδιση αυτή και στα δύο στάδια, στη μεθανογένεση και την οξεογένεση. Ακόμα, οι Smith et al. (1988) θεώρησαν παρεμπόδιση δυο ειδών: α) των αδιάστατων πτητικών λιπαρών οξέων στο στάδιο της μεθανογένεσης και β) των συνολικών λιπαρών οξέων στο στάδιο της οξεογένεσης. Τέλος, το πρώτο μοντέλο που θεωρεί κινητική παρεμπόδισης από τη συγκέντρωση των ολικών πτητικών λιπαρών οξέων, αναπτύχθηκε από τον Hill (1982). Η παρεμπόδιση αυτή εκφράστηκε τόσο στο ρυθμό μικροβιακής ανάπτυξης, όσο και στο ρυθμό θανάτου των μικροοργανισμών (Hill et al., 1983) Μοντέλα που θεωρούν διαφορετική σύνθεση αποβλήτου Τα μοντέλα που μόλις αναφέρθηκαν δεν λαμβάνουν υπόψη τους, τη διαφορετική σύνθεση του εξεταζόμενου αποβλήτου, αλλά το θεωρούν ως οργανικό υλικό διαλυτό ή αδιάλυτο, το οποίο, αν απαιτείται, υδρολύεται και έπειτα αποδομείται με ένα πειραματικά μετρούμενο ρυθμό. Η θεώρηση αυτή, από τη μια απλοποιεί σημαντικά τα μοντέλα, από την άλλη όμως τα καθιστά εφαρμόσιμα μόνο 85

120 για τα συγκεκριμένα απόβλητα, για τα οποία αναπτύχθηκαν. Το πρώτο μοντέλο που θεωρεί το απόβλητο αποτελούμενο από υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη, αναπτύχθηκε από τον Bryers (1985). Στη συνέχεια οι Gavala et al. (1996), προκειμένου να περιγράψουν τη συγχώνευση σύνθετων οργανικών αποβλήτων, ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο θεωρώντας ότι τα απόβλητα αποτελούνταν από διαλυτούς και αδιάλυτους υδατάνθρακες και πρωτεΐνες, καθώς και ένα άλλο διαλυτό οργανικό υλικό. Στη συνέχεια, αρκετοί ερευνητές ανέπτυξαν μοντέλα, θεωρώντας διαφορετική σύνθεση στο εξεταζόμενο απόβλητο, προκειμένου να προσομοιώσουν καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματά τους (Valivin et al., 1994; Siegrist et al., 1993, 1995; Angelidaki et al., 1999; Batstone et al., 2000) Μοντέλα που επηρεάζονται από τη μερική πίεση του υδρογόνου Το μοντέλο του Μosey (1983), ήταν το πρώτο μοντέλο το οποίο είχε τη δυνατότητα να προβλέπει τη στοιχειομετρία των παραγόμενων οξέων (οξικού, προπιονικού και βουτυρικού) κατά την αναερόβια αποδόμηση της γλυκόζης, ως συνάρτηση της μερικής πίεσης του υδρογόνου στον αντιδραστήρα. Η κύρια υπόθεση του μοντέλου ήταν ότι η σχετική διαθεσιμότητα του υδρογόνου στην αέρια φάση, που εκφράζεται μέσω του λόγου NADH /NAD + ελέγχει το ρυθμό μετατροπής της γλυκόζης σε προϊόντα, καθώς και τη σύνθεση του παραγόμενου μίγματος οξέων με μια σχέση της μορφής: [ ] [ NAD] NADH 3 = 1.5*10 H (4.12) όπου Η: η συγκέντρωση του υδρογόνου (σε ppm) στην αέρια φάση του χωνευτήρα. Το μοντέλο αυτό μπορεί να εφαρμοστεί σε περίπτωση παρεμπόδισης των μεθανογόνων βακτηρίων όπου συνήθως προκαλεί τη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων, με επακόλουθη μείωση του ph, και επομένως αύξηση της συγκέντρωσης Η 2. Αργότερα, ο Pullammanappallil (1993) επέκτεινε το μοντέλο του Mosey έτσι ώστε να περιλάβει τη σύσταση της αέριας φάσης και την παρεμπόδιση των οξικολυτικών μεθανογόνων από τη συγκέντρωση των ολικών πτητικών λιπαρών οξέων. Οι Costello et al. (1991) ανέπτυξαν ένα κινητικό μοντέλο το οποίο θεωρεί το γαλακτικό οξύ ως βασικό ενδιάμεσο προϊόν κατά τη βιολογική αποδόμηση της γλυκόζης. Εκτός από τη στοιχειομετρία παραγωγής γαλακτικού, οξικού και 86

121 βουτυρικού από τη γλυκόζη και η στοιχειομετρία παραγωγής προπιονικού και οξικού από το γαλακτικό οξύ, καθορίζεται από τη μερική πίεση του υδρογόνου στον αντιδραστήρα, με ένα μηχανισμό, ίδιο μ αυτόν που ανέπτυξε ο Mosey (1983). Επιπλέον, θεωρήθηκε ότι η ανάπτυξη όλων των μικροβιακών πληθυσμών παρεμποδίζεται από ακραίες τιμές ph, ενώ παρεμπόδιση προϊόντος επιβλήθηκε στα οξεογόνα (χρήστες γλυκόζης και γαλακτικού οξέος) και τα οξικογόνα βακτήρια, χρησιμοποιώντας ανταγωνιστική και μη ανταγωνιστική κινητική παρεμπόδισης, αντίστοιχα. Οι Keller et al. (1993) και Romli et al. (1994, 1995) εφάρμοσαν το μοντέλο αυτό προκειμένου να προβλέψουν και να προσομοιώσουν τα πειραματικά τους αποτελέσματα. H Ruzicka (1996α, 1996β) από την άλλη, επέκτεινε το μοντέλο του Mosey, αναπτύσσοντας ένα δικό της μοντέλο με το οποίο μπορούσε να εξηγήσει την πλήρη παρεμπόδιση που προκαλείται κατά την αποδόμηση της γλυκόζης, από την παρουσία ακόμα και μικρών συγκεντρώσεων υδρογόνου. Τέλος, οι Batstone et al. (2000) ανέπτυξαν ένα πολυσύνθετο μοντέλο, βασισμένο στο μοντέλα των Mosey και Costello, προκειμένου να προσομοιώσουν την αναερόβια αποδόμηση σύνθετων αποβλήτων που περιέχουν πρωτεΐνες, λίπη και υδατάνθρακες, όπως τα απόβλητα σφαγείων Μοντέλα που επηρεάζονται από την συγκέντρωση αμμωνίας Την τελευταία δεκαετία αρκετά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί, περιλαμβάνοντας παρεμπόδιση από την ελεύθερη αμμωνία. Τα περισσότερα από αυτά, αφορούν στην αναερόβια χώνευση σύνθετων ζωικών αποβλήτων. Οι Kiely et al. (1997) βασιζόμενοι στα μοντέλα των Hill και Barth (1977) και Moletta (1986), θεώρησαν παρεμπόδιση από την ελεύθερη αμμωνία στο στάδιο της μεθανογένεσης. Το μοντέλο των Angelidaki et al. (1993) αναπτύχθηκε στοχεύοντας στην προσομοίωση της αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων, με σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις σε αμμωνία ή σε ενώσεις, οι οποίες αποδομούμενες, παράγουν αμμωνία. Το μοντέλο αυτό επεκτάθηκε, αργότερα προκειμένου να προσομοιώσει την αναερόβια επεξεργασία ακόμη πιο σύνθετων αποβλήτων (Angelidaki et al., 1997, 1999). Τέλος, ένα ακόμη μοντέλο το οποίο θεώρησε παρεμπόδιση από την ελεύθερη 87

122 αμμωνία στο στάδιο της οξικολυτικής μεθανογένεσης, αναπτύχθηκε από τους Siegrist et al. (1993, 1995). 4.4 Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) Το 1997 στην Ιαπωνία, ανατέθηκε σε μια ομάδα ερευνητών (International Water Association s Task Group) η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, το οποίο θα αποτελούσε κοινό εργαλείο, με στόχο την περιγραφή της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης ( Το μοντέλο αυτό (ADM1) αναπτύχθηκε πέντε χρόνια αργότερα (IWA, 2002) και έχει δομή παρόμοια με το μοντέλο ASM για την ενεργό ιλύ (Henze et al., 1987). Το μοντέλο ADM1 είναι ένα δομημένο μαθηματικό μοντέλο το οποίο περιλαμβάνει τις κύριες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την μετατροπή των σύνθετων οργανικών υποστρωμάτων σε μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και αδρανή διπροϊόντα. Μια συνολική εικόνα της δομής του, παρουσιάζεται στο σχήμα 4.2. Όπως φαίνεται και από το σχήμα, το μοντέλο περιλαμβάνει τα εξής βήματα: διάσπαση, υδρόλυση, οξεογένεση, οξικογένεση και τέλος το βήμα της μεθανογένεσης. Αρχικά, λαμβάνει χώρα η διάσπαση, που είναι ένα εξωκυτταρικό, μη βιολογικό βήμα, κατά το οποίο μετατρέπεται το σύνθετο στερεό οργανικό υπόστρωμα σε αδρανή υποστρώματα, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη. Τα προϊόντα της διάσπασης υδρολύονται ενζυματικά σε μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους (LCFA), αντίστοιχα. Η διάσπαση συμπεριλήφθηκε στο μοντέλο με σκοπό να περιγράψει τη διαλυτοποίηση του σωματιδιακού σύνθετου στερεού υλικού (όπως είναι η πρωτοβάθμια και η δευτεροβάθμια ιλύς), ενώ τα βήματα της υδρόλυσης για να περιγράψουν την διαλυτοποίηση των σχετικά καθαρών υποστρωμάτων (όπως είναι η κυτταρίνη, το άμυλο και οι πρωτεΐνες). Στη συνέχεια, τα σάκχαρα και τα αμινοξέα αποδομούνται από δυο ξεχωριστές ομάδες οξεογόνων μικροοργανισμών, παράγοντας πτητικά λιπαρά οξέα, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα, ενώ τα λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους (LCFA) οξειδώνονται αναερόβια προς οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Στο στάδιο της οξικογένεσης, τα οργανικά οξέα με την σειρά τους μετατρέπονται σε οξικό, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα από ομάδες οξικογόνων μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν βουτυρικό και βαλερικό (ένα είδος 88

123 μικροοργανισμών) και προπιονικό. Το υδρογόνο που παράγεται από αυτούς τους μικροοργανισμούς καταναλώνεται από μια ειδική ομάδα μεθανογόνων (υδρογονοχρήστες μεθανογόνοι), ενώ το οξικό, από οξικολυτικά μεθανογόνα βακτήρια. Το μοντέλο αποτελείται από μεταβλητές κατάστασης οι οποίες περιγράφουν τη συμπεριφορά των διαλυτών και των σωματιδιακών συστατικών. Τα διαλυτά συστατικά είναι αυτά που μπορούν να περάσουν μέσα από τα κυτταρικά τοιχώματα των μικροοργανισμών και περιλαμβάνουν τα μονομερή των σύνθετων πολυμερών (μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους), τα πτητικά λιπαρά οξέα, το υδρογόνο και το μεθάνιο. Στο σχήμα 4.2 τα διαλυτά είδη αναπαρίστανται με S. Εκτός από τα οργανικά συστατικά, το μοντέλο περιλαμβάνει ανόργανο άνθρακα (CO 2 και HCO - 3 ) και άζωτο (NH 3 και ΝΗ + 4 ). Όλα τα είδη τα οποία διίστανται συναρτήσει της τιμή του ph (VFAs και αμμωνία) έχουν μεταβλητές για τις πρωτονιομένες και μη πρωτονιομένες μορφές τους (π.χ. S VFA, S - VFA, όπου VFA: τα πτητικά λιπαρά οξέα). Το μοντέλο διατηρεί ισοζύγιο φορτίου ανάμεσα στα ιοντικά είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανόργανων κατιόντων και ανιόντων και των κατιόντων υδρογόνου. Τα σωματιδιακά είδη συνίστανται είτε από διάφορα είδη της ενεργού βιομάζας ή από τα σωματιδιακά υποστρώματα, τα οποία δε μπορούν να περάσουν απ ευθείας μέσα στα κυτταρικά τοιχώματα. Στο σχήμα 4.2 τα σωματιδιακά είδη αναπαρίστανται με Χ. Τα μικροβιακά είδη που θεωρούνται στο μοντέλο είναι οι μικροοργανισμοί που ζυμώνουν τα σάκχαρα, αυτοί που ζυμώνουν τα αμινοξέα, αυτοί που οξειδώνουν τα λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους, αυτοί που χρησιμοποιούν το προπιονικό, αυτοί που καταναλώνουν το βουτυρικό και το βαλερικό (ένα είδος), καθώς και οι οξικολυτικοί και οι υδρογονοχρήστες μεθανογόνοι. Τα μη μικροβιακά σωματιδιακά είδη περιλαμβάνουν τα προϊόντα της διάσπασης των σύνθετων οργανικών (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη) αλλά και τα σύνθετα οργανικά τα οποία είτε εισέρχονται στη διεργασία με την τροφοδοσία, είτε προέρχονται από το θάνατο και την αποσύνθεση των μικροβιακών ειδών. 89

124 Διάσπαση Σύνθετο οργανικό υλικό και ανενεργή βιομάζα (Χ C ) Σωματιδιακά αδρανή (X I ) Υδατάνθρακες (Χ Ch ) Πρωτεΐνες (Χ pr ) Λίπη (Χ li ) Διαλυτά αδρανή (S I ) Σάκχαρα (Ssu) Αμινοξέα (Saa) Υδρόλυση LCFA (S fa ) Οξεογένεση Προπιονικό (Spro) Βουτυρικό (Sbu) Βαλερικό (Sva) Οξικογένεση Οξικό (Sac) Υδρογόνο (Sh 2 ) Μεθανογένεση Μεθάνιο (Sch 4 ) Σχήμα 4.2 Συνολική δομή του μοντέλο ADM1 (Parker, 2005) Όλες οι διεργασίες διάσπασης και υδρόλυσης περιγράφονται με κινητική πρώτης τάξεως. 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 το ADM1 διαφέρει από το μοντέλο ASM1 στο γεγονός ότι οι μικροβιακές διεργασίες καθορίζονται από την κατανάλωση των υποστρωμάτων και όχι από τη μικροβιακή ανάπτυξη. Το μοντέλο περιλαμβάνει και διάφορες παρεμποδιστικές λειτουργίες, όπως από το ph, το υδρογόνο και την ελεύθερη αμμωνία. Συγκεκριμένα, η παρεμπόδιση από το ph επιβάλλεται σε όλα τα είδη μικροοργανισμών που εμπλέκονται στις διεργασίες μετατροπής υποστρωμάτων, η παρεμπόδιση από τη συσσώρευση του υδρογόνου στις οξικογόνες ομάδες μικροοργανισμών, ενώ οι οξικολυτικοί μεθανογόνοι θεωρείται ότι παρεμποδίζονται από την ελεύθερη αμμωνία. Η 90

125 παρεμπόδιση από το ph εκφράζεται από μια εμπειρική εξίσωση, ενώ η παρεμπόδιση από το υδρογόνο και από την ελεύθερη αμμωνία περιγράφονται από τη συνάρτηση της μη ανταγωνιστικής παρεμπόδισης. Επίσης, χρησιμοποιείται κινητική Monod διπλού περιορισμού για το ανόργανο άζωτο προκειμένου να παρεμποδίζεται η ανάπτυξη σε περίπτωση έλλειψης αζώτου, καθώς και συναγωνιστική κατανάλωση του βουτυρικού και βαλερικού από την ίδια ομάδα μικροοργανισμών που αποδομεί και τα δύο οργανικά οξέα. Πέρα από τις αντιδράσεις ισορροπίας μεταξύ οξέων και βάσεων, περιλαμβάνονται και μηχανισμοί που περιγράφουν τις φυσικοχημικές διεργασίες μεταφοράς, μεταξύ υγρής και αέριας φάσης. Έτσι, η μεταφορά μάζας υγρού αερίου, των αερίων συστατικών (μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνο&ups