ΜΕΛΕΤΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΙΚΟ ΟΜΗΣΗ ΛΥΜΑΤΩΝ ΧΟΙΡΩΝ ΣΕ ΥΟ ΕΝ ΣΕΙΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΟΗΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΕΙΞΗΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΕΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Π.Μ.Σ. ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Σ. ΤΣΟΛΑΚΗΣ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. ΜΕΛΕΤΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΙΚΟ ΟΜΗΣΗ ΛΥΜΑΤΩΝ ΧΟΙΡΩΝ ΣΕ ΥΟ ΕΝ ΣΕΙΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΟΗΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΕΙΞΗΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Επιβλέπων καθηγητής Γεράσιµος Γ. Μαρτζόπουλος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σελ. ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 2 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 5 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ 8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΧΟΙΡΩΝ Φυσικά χαρακτηριστικά Χηµικά χαρακτηριστικά ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΙΚΟ ΟΜΗΣΗ Αναερόβια µικροβιολογία Στάδια αναερόβιας αποικοδόµησης Μοντελοποίηση αναερόβιας αποικοδόµησης Εξισώσεις µεταφοράς Εξισώσεις αντιδράσεων Παράγοντες που επηρεάζουν τη µεθανογένεση Θερµοκρασία ph και ρυθµιστική ικανότητα Υδραυλικός χρόνος διατήρησης (Hydraulic Retention Time: HRT) Ρυθµός τροφοδοσίας οργανικού φορτίου (Organic Loading Rate: 30 OLR) Πτητικά λιπαρά οξέα (Volatile Fatty Acids: VFA) Αµµωνία Αναλογία C/N Λιπίδια-Πρωτεΐνες Σουλφίδια Βαρέα µέταλλα και τοξίνες Επιλογή αναερόβιου αντιδραστήρα 33 2

3 3. Υ ΡΟΓΟΝΟ ιαθέσιµες µέθοδοι παραγωγής βιο-υδρογόνου Απευθείας βιοφωτόλυση Έµµεση βιοφωτόλυση Αναερόβια αποικοδόµηση Υβριδική τεχνολογία ζύµωσης Μικροοργανισµοί που παράγουν υδρογόνο Αυστηρά αναερόβιοι Προαιρετικά αναερόβιοι Αναερόβια επεξεργασία λυµάτων-παραγωγή µεθανίου και υδρογόνου Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή υδρογόνου ΠΤΗΤΙΚΑ ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ (Volatile Fatty Acids: VFA) Χαρακτηριστικά πτητικών λιπαρών οξέων και επίδραση στο 53 περιβάλλον 4.2 Επίδραση πτητικών λιπαρών οξέων στην αναερόβια αποικοδόµηση Τεχνικές προσδιορισµού πτητικών λιπαρών οξέων 60 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Υλικά που χρησιµοποιήθηκαν στην πειραµατική διαδικασία ιαδικασία Μετρήσεις Μέτρηση Ολικών Στερεών (TS) και Ολικού Αζώτου (ΤΚΝ) Μέτρηση Πτητικών στερεών Μέτρηση ph Μέτρηση ποσότητας παραγόµενων αερίων Μέτρηση της ποιοτικής σύστασης των παραγόµενων αερίων Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων 76 3

4 7. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Χαρακτηριστικά Λυµάτων Πτητικά στερεά (VS) ph Ποσοτική και ποιοτική ανάλυση παραγόµενων αέριων Πτητικά λιπαρά οξέα (VFA) ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 88 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 90 4

5 ΠΙΝΑΚΕΣ Σελ. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 Ορισµοί και περιγραφές των φυσικών χαρακτηριστικών 13 των λυµάτων ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2 Ορισµοί και περιγραφές των χηµικών χαρακτηριστικών 14 των λυµάτων ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3 Ενδεικτικές τιµές των φυσικο-χηµικών χαρακτηριστικών 15 των λυµάτων στα διάφορα στάδια ανάπτυξης των χοίρων ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1 Ενεργειακή απόδοση των αναερόβιων αντιδράσεων, σε 19 σταθερές συνθήκες, κατά τη µετατροπή της οργανικής ουσίας σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2 Χαρακτηριστικά µεθανιογόνων µικροοργανισµών 20 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3 Τύποι αντιδραστήρων 33 ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1 Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων 51 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 Πτητικά Λιπαρά Οξέα µικρής ανθρακικής αλυσίδας 55 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 Αντιδράσεις αποικοδόµησης λιπαρών οξέων 60 ΠΙΝΑΚΑΣ 6.1 Στοιχεία του συστήµατος 69 ΠΙΝΑΚΑΣ 7.1 Χαρακτηριστικά λυµάτων τροφοδοσίας 77 ΠΙΝΑΚΑΣ 7.2 Αποτελέσµατα πτητικών στερεών 77 ΠΙΝΑΚΑΣ 7.3 Χαρακτηριστικά λυµάτων κατά την έξοδό τους από τον R1 82 ΣΧΗΜΑΤΑ Σελ. ΣΧΗΜΑ 2.1 ιάγραµµα αποικοδόµησης οργανικής ουσίας 17 ΣΧΗΜΑ 2.2 Γενικό ισοζύγιο µάζας 22 ΣΧΗΜΑ 2.3 Αντιδραστήρας CSTR 35 ΣΧΗΜΑ 3.1 Επίδραση του ph σε πείραµα µε µικτές καλλιέργειες 50 βακτηρίων ΣΧΗΜΑ 6.1 Στάδιο τροφοδοσίας 66 ΣΧΗΜΑ 6.2 Στάδιο επεξεργασίας 67 ΣΧΗΜΑ 6.3 Στάδιο διαχωρισµού και µετρήσεων 68 ΣΧΗΜΑ 6.4 Σχηµατική απεικόνιση πειραµατικής διάταξης 70 5

6 ΣΧΗΜΑ 7.1 Τιµές ph των αντιδραστήρων κατά το διάστηµα κοινής 78 λειτουργίας ΣΧΗΜΑ 7.2 Παραγωγή µεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα στον 79 αντιδραστήρα R1 ΣΧΗΜΑ 7.3 % Σύσταση αέριου µίγµατος του R1 79 ΣΧΗΜΑ 7.4 Παραγωγή αερίου στον αντιδραστήρα R2 80 ΣΧΗΜΑ 7.5: Σύσταση παραγόµενου αερίου στον αντιδραστήρα R2 80 ΣΧΗΜΑ 7.6 Παραγωγή H 2, CH 4 και CO 2 στον αντιδραστήρα R2 81 ΣΧΗΜΑ 7.7 Παραγωγή αερίου στον αντιδραστήρα R2 (λειτουργία 81 χωρίς τον R1) ΣΧΗΜΑ 7.8 Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων στον R2 83 ΣΧΗΜΑ 7.9 Σύνολο πτητικών λιπαρών οξέων στον R2 83 ΣΧΗΜΑ 7.10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης-βουτανόλης στον R2 83 6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα έρευνα, µελετήθηκε η παραγωγή υδρογόνου από λύµατα χοίρων µε τη µέθοδο της αναερόβιας αποικοδόµησης, η οποία αποτελεί µια βιολογική µέθοδο επεξεργασίας της οργανικής ουσίας, και οι χηµικές παράµετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία. Σε εργαστηριακές συνθήκες λειτούργησε ένα κλειστό σύστηµα δύο εν σειρά αντιδραστήρων συνεχούς ροής και πλήρους ανάµειξης (CSTR-continuous stirred tank reactor) κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Ο πρώτος αντιδραστήρας λειτούργησε στη µεσόφιλη περιοχή (35 o C) µε υδραυλικό χρόνο διατήρησης (HRT) 16 ηµέρες µε στόχο την παραγωγή µεθανίου και ο δεύτερος στην υπερθερµόφιλη περιοχή (70 o C) µε HRT 24 ωρών µε στόχο την παραγωγή υδρογόνου. Μέρος της ενεργής βιοµάζας από τον πρώτο αντιδραστήρα εισαγόταν καθηµερινά στον δεύτερο αντιδραστήρα για την βελτίωση της αναερόβιας αποικοδόµησης, επιτυγχάνοντας µε αυτό τον τρόπο παραγωγή υδρογόνου ~ 3,68 ml H 2 ανά γραµµάριο πτητικών στερεών κατά τη διάρκεια σταθερής λειτουργίας του δεύτερου αντιδραστήρα. Στη διάρκεια των πειραµάτων µετρήθηκαν τα πτητικά στερεά, το ph, η ποσοτική και η ποιοτική σύσταση των παραγοµένων αερίων και οι συγκεντρώσεις των πτητικών λιπαρών οξέων στους δύο αντιδραστήρες. Ο µικρός υδραυλικός χρόνος διατήρησης (HRT) σε συνδυασµό µε την υπερθερµόφιλη θερµοκρασία στον δεύτερο αντιδραστήρα στάθηκαν ικανά να αποτρέψουν τη µεθανογένεση και να οδηγήσουν στην παραγωγή H 2. Η παρούσα µελέτη έδειξε ότι το συγκεκριµένο σύστηµα µπορεί να αποδώσει, δίνοντας µε αυτόν τον τρόπο το έναυσµα για περαιτέρω διερεύνηση ώστε να βρεθούν οι συνθήκες εκείνες, κυρίως θερµοκρασία και HRT, που θα βελτιστοποιήσουν την παραγωγή του υδρογόνου καθιστώντας το πολλά υποσχόµενο µελλοντικά. 7

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η συνεχιζόµενη υποβάθµιση του περιβάλλοντος και η µείωση των φυσικών πόρων των ορυκτών καυσίµων, έκαναν επιτακτική την ανάγκη εξεύρεσης νέων εναλλακτικών πηγών ενέργειας φιλικότερων προς το περιβάλλον. Το υδρογόνο αποτελεί µία από τις καθαρότερες πηγές ενέργειας και η χρήση του ως καύσιµο, δεν επιβαρύνει το περιβάλλον µε αέρια που ενισχύουν το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Αυτό έχει σαν συνέπεια την συνεχή έρευνα πάνω στις µεθόδους παραγωγής και αξιοποίησής του από την παγκόσµια ερευνητική κοινότητα. Στην παρούσα έρευνα, µελετήθηκε η παραγωγή υδρογόνου από λύµατα χοίρων µε τη µέθοδο της αναερόβιας αποικοδόµησης, η οποία αποτελεί µια βιολογική µέθοδο επεξεργασίας της οργανικής ουσίας, και οι χηµικές παράµετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία. Σε εργαστηριακές συνθήκες λειτούργησε ένα κλειστό σύστηµα δύο εν σειρά αντιδραστήρων συνεχούς ροής και πλήρους ανάµειξης (CSTR-continuous stirred tank reactor) κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Η παρούσα µεταπτυχιακή διατριβή, πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων της Γεωπονικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστήµιου Θεσσαλονίκης και εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Γεράσιµου Γ. Μαρτζόπουλου. Αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω θερµά, για την αµέριστη συµπαράστασή και καθοδήγησή του, τον Καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Γεράσιµο Γ. Μαρτζόπουλο. Ακόµη, τον ευχαριστώ θερµά για τη βοήθεια που µου προσέφερε στις δυσκολίες που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης του πειράµατος και βέβαια για τη διόρθωση του παρόντος κειµένου. Ευχαριστώ θερµά τον Καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής κ. ηµήτριο Β. Ντότα, για τη βοήθεια, τις συµβουλές και την υλικοτεχνική υποδοµή που µου παρείχε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας εργασίας. Ευχαριστώ επίσης την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του τµήµατος Χηµικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής κ. Αγγελική Λεµονίδου και την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του τµήµατος Χηµικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής 8

9 Σχολής κ. Σόνια Ζαµπανιώτου, για την παραχώρηση των εργαστηρίων τους και την σηµαντική βοήθειά τους στην διεξαγωγή των αναλύσεων. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον Λέκτορα της Γεωπονικής Σχολής κ. Θωµά Κωτσόπουλο, ο οποίος µε τις παρατηρήσεις του, τη συνεχή υποστήριξη και την προσωπική συµπαράστασή του, ήταν πάντα δίπλα µου στην προσπάθεια αυτή. Ευχαριστώ τον κ. Ιωάννη Φωτίδη, για την άψογη συνεργασία που είχαµε κατά τη διεξαγωγή του πειράµατος. Ευχαριστώ, επίσης, τον προϊστάµενο ρ. Αναστάσιο Σ. Λιθουργίδη και τους εργαζόµενους του γεωργικού τµήµατος του αγροκτήµατος του Α.Π.Θ., για την τεχνική υποστήριξη που µου παρείχαν, καθώς και τον κ. Φαρίνη για την παροχή της πρώτης ύλης που χρησιµοποιήθηκε κατά τη διεξαγωγή του πειράµατος. 9

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συνεχής χρήση του πετρελαίου και των υπολοίπων ορυκτών καυσίµων έχει προκαλέσει σηµαντική επιβάρυνση στο περιβάλλον αλλά και ιδιαίτερη µείωση των κοιτασµάτων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα την εντατικοποίηση της προσπάθειας εξεύρεσης νέων µορφών ενέργειας και καυσίµων φιλικότερων προς το περιβάλλον. Ένας σηµαντικός αριθµός µελετών έχει αναδείξει το υδρογόνο σαν µία πολύ καλή επιλογή στην κατεύθυνση αυτή. Αυτό συµβαίνει εξαιτίας των µηδενικών ρύπων που παράγονται κατά την καύση του, καθώς και της δυνατότητας να παραχθεί από διάφορες πρώτες ύλες όπως είναι το νερό, το φυσικό αέριο, η βιοµάζα. Πιο συγκεκριµένα, η παραγωγή του υδρογόνου χρησιµοποιώντας ως πρώτη ύλη τη βιοµάζα αποτελεί έναν πολύ ελπιδοφόρο τοµέα καθώς αναπτύχθηκε τελευταία έχοντας έτσι µεγάλα περιθώρια ανάπτυξης και βελτίωσης. Ταυτόχρονα εξυπηρετεί στην επίλυση ενός ακόµη προβλήµατος όπως είναι αυτό της διαχείρισης και εκµετάλλευσης των διαφόρων αποβλήτων που προκύπτουν από τις καθηµερινές κάθε λογής δραστηριότητές µας. Όλη αυτή η συζήτηση γύρω από το υδρογόνο και την παραγωγή του ειδικότερα από βιοµάζα, αποτέλεσε το έναυσµα για την παρούσα εργασία. Τα λύµατα των κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων αποτελούν µια έντονα ρυπογόνα πηγή αλλά ταυτόχρονα και µια πολύ καλή πηγή παραγωγής ενέργειας. Τα ζωικά λύµατα όπως είναι γνωστό έχουν την ικανότητα κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες να παράγουν ένα µίγµα µεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου, που είναι γνωστό ως βιοαέριο. Τελευταίες µελέτες έδειξαν ότι είναι δυνατή η µείωση της ποσότητας µεθανίου στο αέριο µίγµα και η αύξηση του ποσοστού του υδρογόνου. Σκοπός των πειραµάτων υπήρξε η δυνατότητα εκµετάλλευσης και επεξεργασίας των ζωικών αποβλήτων που προκύπτουν από µονάδες εκτροφής χοίρων, ώστε να επιτευχθεί ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου, µέσα από την δηµιουργία κατάλληλων συνθηκών ώστε να περιοριστεί στο ελάχιστο η παραγωγή µεθανίου, και µείωση του ρυπαντικού φορτίου των λυµάτων όπως επιβάλλεται από την ευρωπαϊκή νοµοθεσία. 10

11 Το βασικότερο αντικείµενο αποτέλεσε η αποτελεσµατικότητα της µεθόδου και η διερεύνηση των χηµικών παραµέτρων που επηρεάζουν τη διαδικασία ώστε να καταστεί δυνατή η παρά πέρα διερεύνηση και βελτιστοποίηση της µεθόδου στο µέλλον. Η παρούσα µεταπτυχιακή διατριβή αποτελεί τµήµα µιας ευρύτερης ερευνητικής εργασίας η οποία έγινε υπό την επίβλεψη του καθηγητή κ. Γεράσιµου Μαρτζόπουλου και σε συνεργασία µε τον Λέκτορα κ Θωµά Κωτσόπουλο και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ιωάννη Φωτίδη, και η οποία δηµοσιεύθηκε στο ISI περιοδικό Biomass and Bioenergy, (Biohydrogen production from pig slurry in a CSTR reactor system with mixed cultures under hyperthermophilic temperature (70 C), Volume 33, Issue 9, September 2009, Pages ). 11

12 1. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΧΟΙΡΩΝ Τα χαρακτηριστικά των ζωικών λυµάτων είναι αυτά που καθορίζουν τη δυνατότητα επεξεργασίας των λυµάτων και την αποτελεσµατικότητα της. Επηρρεάζονται από το είδος του ζώου, την ηλικία του, το γένος, τη διατροφή του και τις συνθήκες σταβλισµού. Τα χαρακτηριστικά µπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, σε φυσικά και χηµικά. 1.1 Φυσικά χαρακτηριστικά Τα λύµατα περιλαµβάνουν περιτώµατα, ουρία και άλλα υλικά όπως είναι το χώµα, η τροφή που χάνεται, το νερό από την πλύση. Τα λύµατα συχνά χαρακτηρίζονται µε βάση το ποσοστό υγρασίας που περιέχουν ως υγρά, πηλώδη, ηµιστερεά και στερεά (Martzopoulos and Nielsen, 1980). Λύµατα τα οποία περιέχουν ποσοστό υγρασίας 95% ή περισσότερο, παρουσιάζουν ιδιότητες παρόµοιες µε του νερού και ονοµάζονται υγρά λύµατα. Λύµατα τα οποία περιέχουν ποσοστό 75% ή λιγότερο παρουσιάζουν παρόµοιες ιδιότητες µε τα στερεά και και ονοµάζονται στερεά λύµατα. Ενώ λύµατα µε ποσοστό µεταξύ 75 και 95% ονοµάζονται ηµιρευστά ή ηµιστερεά. Εξαιτίας του υψηλού ποσοστού υγρασίας στα λύµατα το ειδικό τους βάρος είναι παρόµοιο µε αυτό του νερού. Κάποια λύµατα τα οποία περιέχουν σηµαντικό ποσοστό στερεών µπορεί να έχουν ειδικό βάρος περίπου 105% επί το ειδικό βάρος του νερού (USDA, 1992). Στον παρακάτω πίνακα περιγράφονται τα φυσικά χαρακτηριστικά των λυµάτων των χοίρων. 12

13 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 :Ορισµοί και περιγραφές των φυσικών χαρακτηριστικών των λυµάτων Φυσικά Χαρακτηριστικά Χαρακτηριστικό Μονάδες µέτρησης Περιγραφή Βάρος kg Ποσότητα ή µάζα Όγκος m 3 Χώρος που καταλαµβάνεται σε κυβικές µονάδες Περιεκτικότητα σε υγρασία % Το µέρος των λυµάτων που αποµακρύνεται µε εξάτµιση και ξήρανση στους 103 C Ολικά στερεά % % w.b. % d.w. Το υπόλειµα που αποµένει µετά την αποµάκρυνση του νερού από τα λύµατα µε εξάτµιση(ξηρό υλικό) Πτητικά στερεά % % w.b. % d.w. Το µέρος των ολικών στερεών που αποµακρύνεται όταν τα πτητικά αέρια θερµανθούν στους 550 C(οργανική ουσία). Οργανική ουσία Μη πτητικά στερεά % % w.b. % d.w. Το µέρος των ολικών στερεών που αποµένει µετά την αποµάκρύνση των πτητικών αερίων µε θέρµανση στους 550 C(τέφρα). Ανόργανη ουσία ιαλυµένα στερεά Αποβαλόµενα στερεά % % w.b. % d.w. % % w.b. % d.w. Το µέρος των ολικών στερεών που περνάει από τα φίλτρα σε µια διαδικασία φιλτραρίσµατος Το µέρος των ολικών στερεών που αποµακρύνεται σε µια διαδικασία φιλτραρίσµατος TS = VS + FS DS = διαλυµένα VS + διαλυµένα FS (%w.b. είναι ποσοστό σε υγρή βάση, και % d.b. ποσοστό σε ξηρή βάση) * Πηγή: Agricultural Waste Management Field Handbook, 1999 Από τα παραπάνω χαρακτηριστικά εκείνα τα οποία ενδιαφέρουν περισσότερο και καθορίζουν την µετέπειτα επεξεργασία των λυµάτων είναι τα ολικά και τα πτητικά στερεά (TS και VS). 13

14 1.2 Χηµικά χαρακτηριστικά Τα χηµικά περιλαµβάνουν κυρίως τις συγκεντρώσεις του αζώτου, του φωσφόρου και του καλίου που υπάρχουν στα λύµατα, καθώς επίσης και τα COD (χηµικώς απαιτούµενο οξυγόνο) και BOD (βιοχηµικώς απαιτούµενο οξυγόνο) που αποτελούν έµµεσους δείκτες όσον αφορά την ποσότητα της οργανικής ουσίας που βρίσκεται στα λύµατα και συνεπώς και της ρυπαντικής τους ιδιότητας. Θα πρέπει να αναφερθεί πως οι τιµές των COD και BOD υπόκεινται σε περιορισµούς καθώς έχουν θεσπιστεί όρια από τους αρµόδιους κρατικούς φορείς. Για το λόγο αυτό κριτήριο της όλης διαδικασίας κατά την επεξεργασία των ζωικών λυµάτων αποτελεί ο έλεγχος των τιµών των COD και BOD εντός των προβλεπόµενων ορίων (USDA, 1992). Στον πίνακα που ακολουθεί δίνονται συγκεντρωτικά συνοπτικές περιγραφές των χηµικών χαρακτηριστικών. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2 : Ορισµοί και περιγραφές των χηµικών χαρακτηριστικών των λυµάτων Χηµικά Χαρακτηριστικά Χαρακτηριστικό Συντοµογραφία Μονάδες µέτρησης Περιγραφή Οργανικό άζωτο (ολικό) ΤΚΝ mg/l Οι ποσότητες αµµωνίας και αζώτου αµµωνίου Αµµωνία NH 3 -N mg/l Μια αέρια µορφή αµµωνιακού αζώτου Αµµωνιακό άζωτο NH 4 -N mg/l Αµµωνιακό ιόν Νιτρικό άζωτο NO 3 -N mg/l Η αρνητικά ιονισµένη µορφή του αζώτου Ολικό άζωτο N % / kg Το άθροισµα του αζώτου από όλες τις παραπάνω µορφές 14

15 Φώσφορος P % / kg Κάλιο K % /kg 5-day Biochemical Oxygen Demand BOD 5 Kg of O 2 Chemical Oxygen Demand COD kg of O 2 * Πηγή: Agricultural Waste Management Field Handbook, 1999 Η ποσότητα οξυγόνου που χρειάζεται για να ικανοποιήσει την βιοχηµική οξείδωση της οργανικής ουσίας σε δείγµα λυµάτων σε 5 ηµέρες στους 20 o C Μέτρο της ικανότητας κατανάλωσης οξυγόνου από τα οργανικά και από µερικά ανόργανα συστατικά των λυµάτων Στη συνέχεια παρατίθεται πίνακας µε ενδεικτικές τιµές των φυσικο-χηµικών χαρακτηριστικών των λυµάτων στα διάφορα στάδια ανάπτυξης των χοίρων. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3 : Ενδεικτικές τιµές των φυσικο-χηµικών χαρακτηριστικών των λυµάτων στα διάφορα στάδια ανάπτυξης των χοίρων Χαρακτηριστικό Μονάδες Χοίροι Χοιροµητέρες Nεογέννητα ανάπτυξης Στάδιο Στάδιο Κάπροι 0-18 kg kg κύησης γαλακτογονίας Βάρος kg/d/1000# 28,76 12,34 27,22 9,3 48,08 Όγκος m 3 /d/1000# 0,03 0,012 0,027 0,01 0,05 Υγρασία % 90,00 90,80 90,00 90,70 90,00 TS % w.b. 10,00 9,20 10,00 9,30 10,00 kg/d/1000# 2,88 1,13 2,72 0,86 4,81 VS kg/d/1000# 2,45 0,97 2,45 0,77 3,99 FS kg/d/1000# 0,43 0,17 0, ,82 COD kg/d/1000# 2,75 1,08 2,6 0,62 4,45 BOD 5 kg/d/1000# 0,94 0,38 0,91 0,29 1,54 N kg/d/1000# 0,19 0,09 0,21 0,07 0,27 P kg/d/1000# 0,07 0,03 0,07 0,02 0,11 K kg/d/1000# 0,10 0,05 0,14 0,05 0,16 TDS 1,29 C:N ratio * Πηγή: Agricultural Waste Management Field Handbook, 1999 Θα πρέπει να αναφερθεί πως σηµαντικό ρόλο στα χαρακτηριστικά των λυµάτων έχει η διαχείριση τους στις κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις. Ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται η αποµάκρυνσή τους µπορεί να επηρεάσει ιδιαίτερα τα φυσικοχηµικά χαρακτηριστικά τους, όπως για παράδειγµα ενσωµάτωση διαφόρων στερεών ή αύξηση της υγρασίας από εκτεταµένη χρήση νερού (Μαρτζόπουλος, 2001). 15

16 2. ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΙΚΟ ΟΜΗΣΗ Η αναερόβια αποικοδόµηση είναι µια βιολογική µέθοδος επεξεργασίας λυµάτων η οποία βασίζεται στην ανάπτυξη συγκεκριµένων οµάδων µικροοργανισµών που δρουν κάτω από αναερόβιες συνθήκες, των οποίων η δραστηριότητα καθορίζει την απόδοση της διεργασίας. Κατά την αναερόβια αποικοδόµηση οι µικροοργανισµοί µετατρέπουν την οργανική ουσία σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Η διαδικασία λαµβάνει χώρα είτε σε κλειστούς αντιδραστήρες σε συγκεκριµένες θερµοκρασίες, είτε στο έδαφος και σε χώρους συγκέντρωσης λυµάτων σε θερµοκρασίες περιβάλλοντος. Η αναερόβια επεξεργασία έχει σαν στόχο (Μαρτζόπουλος 2001): Την παραγωγή βιοαερίου Τη µείωση των επικίνδυνων οσµών Τη µείωση του οργανικού φορτίου Την ελαχιστοποίηση των παθογόνων µικροοργανισµών στα λύµατα Τη βελτίωση της λιπαντικής ικανότητας των λυµάτων Τη βελτίωση των ρεολογικών ιδιοτήτων της υγρής κόπρου Τη µείωση των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου κατά την αποθήκευση και τη διάθεση 2.1 Αναερόβια µικροβιολογία Η αναερόβια αποικοδόµηση της οργανικής ουσίας σε µεθάνιο είναι µια καθαρά βιοχηµική διεργασία. Η ενέργεια που ελευθερώνεται κατά τα διάφορα στάδια της αποικοδόµησης και η οποία αρχικά βρισκόταν αποθηκευµένη στην οργανική ουσία, ανακτάται ως επί το πλείστον από το σχηµατιζόµενο µεθάνιο (Angelidaki and Schmidt, 2003): 33g οργανική ουσία (C x H y O z ) = 22g CO 2 + 8g CH 4 + 3g βιοµάζα Αυτή είναι µια υπεραπλούστευση µιας σύνθετης διεργασίας. Η αναερόβια αποικοδόµηση της οργανικής ουσίας είναι µια συνεργιστική διεργασία στην οποία δρουν τρεις κύριες οµάδες βακτηρίων. Τα υδρολυτικά βακτήρια διασπούν την σύνθετη οργανική ουσία σε µικρής ανθρακικής αλυσίδας λιπαρά οξέα (κυρίως οξικό 16

17 οξύ, βουτυρικό οξύ, προπιονικό οξύ) µε τη βοήθεια εξωκυτταρικών ενζύµων. Το οξικό οξύ καθώς και το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται µετασχηµατίζονται σε µεθάνιο. Τα τελικά προϊόντα των ζυµωτικών και των οξεογενών βακτηρίων (φορµικό οξύ, οξικό οξύ και υδρογόνο) µετατρέπονται σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα από τα µεθανογενή βακτήρια (Burton and Turner, 2003;Poulsen, 2003). Υπάρχει µια οµάδα βακτηρίων (homoacetogens) τα οποία συνθέτουν οξικό οξύ από το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα. Και µια επίσης οµάδα βακτηρίων η οποία δρα αντιστρόφως µε την προηγούµενη και µετατρέπει το οξικό οξύ σε υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Οι συνθήκες ανάπτυξης και δραστηριότητας επιδρούν στην διαδικασία (Verma, 2002; Αϊβαζίδης, 1999). Σύνθετη Οργανική Ουσία Υδρολυτικά και Ζυµωτικά Βακτήρια Βακτήρια που συνθέτουν Οξέα Πτητικά Λιπαρά Οξέα Βακτήρια που παράγουν Υδρογόνο και Οξικό οξύ Οξικό οξύ H 2, CO 2 Βακτήρια που οξειδώνουν το Οξικό οξύ Aceticlastic Βακτήρια Βακτήρια που καταναλώνουν H 2 και CO 2 για παραγωγή Οξικού οξέος Μεθανογενή Βακτήρια Βακτήρια που καταναλώνουν Η 2 CH 4, CO 2 ΣΧΗΜΑ 2.1: ιάγραµµα αποικοδόµησης οργανικής ουσίας ( Moller, 2001 ) 17

18 2.2 Στάδια αναερόβιας αποικοδόµησης Στάδιο 1: Υδρόλυση Τα πιο σηµαντικά συστατικά των λυµάτων είναι οι πολυµερείς ενώσεις όπως οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λιπίδια. Η υδρόλυση των ουσιών αυτών είναι το πρώτο στάδιο της αναερόβιας διεργασίας και συντελείται από ένα συνδυασµό ζυµωτικών βακτηρίων, τα οποία υδρολύοντας τη σύνθετη οργανική ουσία τη µετατρέπουν σε απλούστερα διαλυτά συστατικά. Η υδρόλυση έχει σαν αποτέλεσµα το σχηµατισµό σακχάρων από τους υδρογονάνθρακες, αµινοξέων από πρωτεΐνες και λιπαρών οξέων από λιπίδια. Τα ενδιάµεσα προϊόντα που παράγονται, διασπώνται περαιτέρω σχηµατίζοντας τα τελικά προϊόντα όπως είναι το φορµικό οξύ, το οξικό οξύ, το προπιονικό οξύ, το βουτυρικό οξύ, το γαλακτικό οξύ, η αιθανόλη και το διοξείδιο του άνθρακα (RISE-AT, 1998). Η υδρόλυση είναι εξαιρετικής σηµασίας σε λύµατα µε υψηλό οργανικό φορτίο και µπορεί να περιοριστεί ο ρυθµός της αν υπάρχουν µεγάλα ποσά κυτταρίνης η οποία υδρολύεται αργά. Κάποιες βιοµηχανίες έχουν καταφέρει να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισµό µε χρήση χηµικών που ενισχύουν την υδρόλυση. Η χρήση αυτών των χηµικών έχει βρεθεί ότι οδηγεί σε µικρότερο χρόνο χώνευσης και µεγαλύτερη απόδοση σε µεθάνιο (RISE-AT, 1998). Στάδιο 2: Παραγωγή οξέων Τα προϊόντα της υδρόλυσης αποικοδοµούνται εν συνεχεία από τα ζυµωτικά βακτήρια σε πτητικά λιπαρά οξέα, και κυρίως σε οξικό οξύ και διοξείδιο του άνθρακα. Κάτω από αναερόβιες συνθήκες παρατηρείται έντονη ανάπτυξη οξεοπαραγωγικών βακτηρίων. Αυτά είναι ενεργά σε ένα ευρύ φάσµα θερµοκρασιών που ποικίλουν από 3 έως 70 o C, µε βέλτιστη τιµή κοντά στους 30 o C. Επίσης χρειάζονται άµεση επαφή µε το οργανικό υπόστρωµα για την ολοκλήρωση της διαδικασίας, η οποία παράγει και υδρογόνο ως παραπροϊόν. Η συγκεκριµένη διαδικασία αποδίδει πολύ µικρά ποσά ενέργειας (Πίνακας 2), και πρέπει να αναφερθεί πως αν η µερική πίεση και η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου µείνουν σε χαµηλά επίπεδα, είναι δυνατό να οδηγηθεί η διεργασία µε ενεργειακό όφελος στο τέλος (Christensen, 1998; Poulsen, 2003). 18

19 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1: Ενεργειακή απόδοση των αναερόβιων αντιδράσεων, σε σταθερές συνθήκες, κατά τη µετατροπή της οργανικής ουσίας σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Αντίδραση G o (kj/mole) CH 3 CH 2 OH + H 2 O CH 3 COO - + H + + 2H 2 + 9,6 CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + H H 2 + HCO ,1 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2CH 3 COO - + H + + 2H ,1 C 7 H 5 O 2 + 7H 2 O 3CH 3 COO - + 3H H 2 + HCO H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O HCOO - + 4H + CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O - 119,5 4CO + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2-185,5 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O CH 3 NH H 2 O 3CH 4 + CO 2 + 4NH (CH 3 ) 2 NH H 2 O 3CH 4 + CO 2 + 2NH (CH 3 ) 2 NH H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 4NH 4-74 CH 3 COO - + H + CH 4 + CO 2-32,5 *Dolfing (1988) and Vogels et al. (1988) Στάδιο 3: Μεθανογένεση Το τρίτο στάδιο περιλαµβάνει την παραγωγή µεθανίου από τα µεθανογενή βακτήρια. Τα µεθανογενή βακτήρια παρουσιάζονται σε αποικίες και είναι συγκεκριµένα για το φάσµα των θερµοκρασιών. Ταξινοµούνται σε ψυχρόφιλα (<20 o C), µεσόφιλα (20-40 o C) και θερµόφιλα (>40 o C). Μετατρέπουν τα ενδιάµεσα προϊόντα σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα µέσω δύο διαδροµών (Angelidaki and Schmidt, 2003). Περίπου 70% του µεθανίου παράγεται από βακτήρια που καταναλώνουν πτητικά λιπαρά οξέα και κυρίως οξικό οξύ. Το υπόλοιπο 30% παράγεται από βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο σε συνδυασµό µε διοξείδιο του άνθρακα. Η δεύτερη διαδροµή είναι πολύ σηµαντική, γιατί καταναλώνει το υδρογόνο διατηρώντας έτσι τη µερική πίεση του υδρογόνου χαµηλά, κάτι που είναι αναγκαίο για το σχηµατισµό του οξικού οξέος. Αν η συγκέντρωση του διαλυµένου υδρογόνου ξεπεράσει ένα όριο, τα ζυµωτικά βακτήρια θα αρχίσουν να σχηµατίζουν άλλες µορφές οξέων, µε αποτέλεσµα να σταµατήσει η παραγωγή οξικού οξέος. Και εφόσον ο κύριος τρόπος 19

20 παραγωγής µεθανίου είναι µέσω της διάσπασης του µορίου του οξικού οξέος είναι δεδοµένο ότι ο ρυθµός παραγωγής θα µειωθεί έντονα. Επειδή τα µεθανογενή βακτήρια είναι ευαίσθητα και αναπτύσσονται µε αργό ρυθµό, είναι ιδιαίτερα σηµαντικό να διατηρούνται οι βέλτιστες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η θερµοκρασία και το ph. Τα µεθανογενή βακτήρια είναι αυστηρά αναερόβια και η παρουσία µοριακού οξυγόνου είναι τοξική για αυτά, ακόµα και οι ανόργανες πηγές µπορούν να διαταράξουν την ανάπτυξή τους. Έτσι για όσο το δυνατόν καλύτερα αποτελέσµατα είναι αναγκαία η αποµάκρυνση του οξυγόνου. Αυτό είναι σηµαντικό και για έναν ακόµη λόγο. Η παρουσία οξυγόνου σε συνδυασµό µε το παραγόµενο µεθάνιο µπορεί να οδηγήσει σε ένα εκρηκτικό µίγµα ( Dohanyos, 2001 ). Ωστόσο για την επίτευξη αποθείωσης είναι επιτρεπτό ένα µικρό ποσό οξυγόνου να εισαχθεί στο επάνω µέρος του δοχείου στο οποίο γίνεται η ζύµωση ώστε να αναχαιτιστεί η ανάπτυξη βακτηρίων που παράγουν θείο. Στον πίνακα 1 δίδονται οµάδες κάποιων µεθανογενών µικροοργανισµών µε τα χαρακτηριστικά τους. Αξιοσηµείωτα είναι τα είδη Methanosarcina barkeri και Methanothrix sp., ως οι πλέον συνήθεις οξικότροφοι µεθανιογόνοι (Αϊβαζίδης, 1999). ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2: Χαρακτηριστικά µεθανιογόνων µικροοργανισµών ΓΕΝΟΣ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΑΡΙΘΜΟΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΓΙΑ ΕΙ ΩΝ ΜΕΘΑΝΙΟΓΕΝΕΣΗ ΟΜΑ Α Ι Methanobacterium ΡΑΒ ΙΑ 8 H 2 + CO 2, HCOOH Methanobrevibacter Short rods 3 H 2 + CO 2, HCOOH ΡΑΒ ΙΑ Methanosphaera ΚΟΚΚΟΙ 1 Μεθανόλη + Η 2 ΟΜΑ Α ΙΙ Methanothermus ΡΑΒ ΙΑ 2 H 2 + CO 2, ανάγει S o ΟΜΑ Α ΙΙΙ Methanococcus ΡΑΒ ΙΑ 5 H 2 + CO 2, πυροσταφυλικό + CO 2, HCOOH ΟΜΑ Α IV Methanomicrobium ΡΑΒ ΙΑ 2 H 2 + CO 2, HCOOH Methanogenium ΡΑΒ ΙΑ 3 H 2 + CO 2, HCOOH Methanospirillum 1 H 2 + CO 2, HCOOH Methanoplanus 2 H 2 + CO 2, HCOOH 20

21 ΟΜΑ Α V Methanosarcina ΚΟΚΚΟΙ 6 H 2 + CO 2, µεθανόλη, µεθυλαµίνες, οξικό οξύ Methanolobus ΚΟΚΚΟΙ 5 Μεθανόλη, µεθυλαµίνες Methanoculleus ΚΟΚΚΟΙ 4 H 2 + CO 2, HCOOH Methanohalobium ΚΟΚΚΟΙ 1 Μεθανόλη, µεθυλαµίνες, αλατόφιλο Methanococcoides ΚΟΚΚΟΙ 2 Μεθανόλη, µεθυλαµίνες Methanohalophilus ΚΟΚΚΟΙ 3 Μεθανόλη, µεθυλαµίνες Methanothrix ΡΑΒ ΙΑ 3 CH 3 COOH ΟΜΑ Α VI Methanopyrus ΡΑΒ ΙΑ 1 H 2 + CO 2, υπερθερµόφιλο (110 C) ΟΜΑ Α VII Methanocorpusculum ΚΟΚΚΟΙ 3 H 2 + CO 2, HCOOH, µεθανόλη *(Περιβαλλοντική Μικροβιολογία, Αϊβαζίδης Α. 1999) Τα Methanosarcina spp. και τα methanothrix spp. (γνωστά και ως methanosaeta) θεωρούνται σηµαντικά για την αναερόβια αποικοδόµηση καθώς καταναλώνουν οξικό οξύ και υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Οι αντιδράσεις της µεθανογένεσης φαίνονται παρακάτω. CH 3 COOH CH 4 + CO 2 2C 2 H 5 OH + CO 2 CH 4 + 2CH 3 COOH CO 2 + 4H 2 CH 4 + H 2 O 2.3 Μοντελοποίηση αναερόβιας αποικοδόµησης Η µοντελοποίηση έχει ευρεία εφαρµογή στην αναερόβια αποικοδόµηση καθώς αποτελεί ένα σπουδαίο εργαλείο για το σχεδιασµό των αναερόβιων αντιδραστήρων (Angelidaki and Schmidt, 2003). 21

22 Η βασική εξίσωση που χρησιµοποιείται σε όλα τα µοντέλα είναι το ισοζύγιο µάζας. Για ένα συστατικό ή ένα δεδοµένο όγκο, και για συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα η εξίσωση µπορεί να γραφεί: ΣΧΗΜΑ 2.2: Γενικό ισοζύγιο µάζας Συσσώρευση µάζας = Εισερχόµενη µάζα Εξερχόµενη µάζα + Παραγόµενη/Καταναλισκόµενη µάζα (Εξίσωση 1) ή dm sys /dt = M in M out + r (Εξίσωση 2) όπου M sys είναι η µάζα του συστήµατος, M in και M out οι ρυθµοί εισροής και εκροής και r ο ρυθµός παραγωγής. Όπως φαίνεται και στην εξίσωση 1, υπάρχουν δύο βασικά µέρη: Η µεταφορά. Περιγράφει τη φυσική µεταφορά ανάµεσα στους όγκους. Οι εξισώσεις προκύπτουν από τη βασική µορφή της εξίσωσης 1, και καθορίζονται από το φυσικό σχεδιασµό του αντιδραστήρα. Γενικά όµως οι βιολογικοί αντιδραστήρες είναι δεξαµενές ανάµειξης, κάτι που απλοποιεί ιδιαίτερα τη διαδικασία. Η Αντίδραση. Αυτές οι εξισώσεις περιγράφουν όλους τους παράγοντες των αντιδράσεων στον αντιδραστήρα, όπως η βιολογική µετατροπή µεταξύ του υποστρώµατος και του προϊόντος. Οι παράγοντες των αντιδράσεων καθορίζουν τη διαφορά ανάµεσα στα µοντέλα που περιγράφουν τις αερόβιες, αναερόβιες ή τις απλές χηµικές αντιδράσεις. 22

23 Επιπρόσθετα, υπάρχουν βοηθητικές εξισώσεις που υπολογίζουν τις διάφορες µεταβλητές του αντιδραστήρα και οι οποίες επηρρεάζουν είτε την αντίδραση είτε τη διαδικασία της µεταφοράς (Angelidaki and Schmidt, 2003) Εξισώσεις µεταφοράς Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα αναερόβια µοντέλα αναφέρονται σε αντιδραστήρες µε ανάδευση. Σ αυτούς, γίνεται η υπόθεση ότι το περιεχόµενο είναι οµοιογενές και επίσης ότι η συγκέντρωση ενός συστατικού σε ένα ρεύµα έξω από τον αντιδραστήρα είναι ίδια µε αυτή µέσα στον αντιδραστήρα. Με βάση αυτές τις υποθέσεις η εξίσωση 2 γίνεται: dvc sys /dt = q in C in q out C out + Vr c (Εξίσωση 3) όπου V είναι ο όγκος του αντιδραστήρα, C η συγκέντρωση του συστατικού «C», r c είναι ο ολικός ρυθµός παραγωγής του συστατικού «C» (αρνητικός αν υπάρχει κατανάλωση). Στην περίπτωση ενός αντιδραστήρα συνεχούς ροής και πλήρους ανάµειξης (CSTR), η ροή στην είσοδο είναι ίση µε τη ροή στην έξοδο, ο όγκος είναι σταθερός και η εξίσωση απλοποιείται ακόµη περισσότερο: dvc sys /dt = q/v ( C in C out ) + r c (Εξίσωση 4) Ο όρος q/v αποτελεί µια πολύ σηµαντική σχεδιαστική παράµετρο για τους CSTR αντιδραστήρες, και ορίζεται ως ο ρυθµός διάχυσης «D» (ο ρυθµός στον οποίο ο όγκος του αντιδραστήρα διαχέεται από την τροφοδοσία στη µονάδα του χρόνου). Συχνά χρησιµοποιείται για µια γρήγορη εκτίµηση εάν ο ρυθµός παραγωγής βιοµάζας υπερβαίνει το ρυθµό αποµάκρυνσης, αφού γενικά υπάρχει µικρή συγκέντρωση βιοµάζας στην είσοδο. Όταν το ρεύµα εισόδου δεν διαφοροποιείται µε το χρόνο, το σύστηµα φτάνει σε µόνιµη κατάσταση, και ο ρυθµός µεταβολής σε σχέση µε το χρόνο µηδενίζεται. Αυτό απλοποιεί την εξίσωση 4 ακόµη περισσότερο: 23

24 dc sys /dt = D(C in C out ) + r c = 0 (Εξίσωση 5) η εξίσωση 5 συνήθως χρησιµοποιείται σαν βάση για το σχεδιασµό αναερόβιων αντιδραστήρων για να επιτευχθεί η επιθυµητή C sys (Angelidaki and Schmidt, 2003) Εξισώσεις αντιδράσεων Οι αντιδράσεις που ενδιαφέρουν περισσότερο κατά τη µοντελοποίηση της αναερόβιας αποικοδόµησης, είναι αυτές που περιλαµβάνουν τη µετατροπή του υποστρώµατος σε προϊόν (αναπνοή ή καταβολισµός) και τη µετατροπή του υποστρώµατος σε νέα βιοµάζα (αναβολισµός) (Angelidaki and Schmidt, 2003). Υπάρχουν δύο βασικές έννοιες αυτών των αντιδράσεων που πρέπει να καθοριστούν σε ένα µοντέλο: Η Στοιχειοµετρία. Πόσο προϊόν και βιοµάζα παράγονται από τη µετατροπή του υποστρώµατος Η Κινητική. Πόσο γρήγορα λαµβάνει χώρα αυτή η µετατροπή Η αναπνοή είναι η κύρια οδηγός δύναµη για όλες τις µεταβολικές διεργασίες. Η αντίδραση απαιτείται να είναι ευνοϊκή θερµοδυναµικά, κάτι που σηµαίνει ότι παράγει ενέργεια. Αυτή η ενέργεια διαδοχικά χρησιµοποιείται για την επίτευξη του αναβολισµού, ο οποίος είναι ενεργειακά αρνητικός. Αν η αναπνοή καταστεί αρνητική θερµοδυναµικά (λόγω µεταβολής της θερµοκρασίας, του ph, της συγκέντρωσης του υποστρώµατος ή του προϊόντος), η αναπνοή σταµατάει, και συχνά αυτός είναι και ο λόγος αναστολής της αναερόβιας διεργασίας. Οι δύο αντιδράσεις, της αναπνοής και του αναβολισµού, συχνά συνδυάζονται ως εξής: Αναπνοή : Υπόστρωµα Προϊόν + Ενέργεια Αναβολισµός : Υπόστρωµα+ Ενέργεια+ Θρεπτικά Συστατικά κυτταρική µάζα Συνολικά : Υπόστρωµα+ Θρεπτικά Συστατικά Προϊόν + κυτταρική µάζα Τόσο η αναπνοή όσο και ο αναβολισµός µπορούν να επηρεαστούν από έναν αριθµό παραµέτρων, οι οποίες είτε µειώνουν το ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιµο για την αναπνοή, είτε αυξάνουν τη διατήρηση των ενεργειακών απαιτήσεων, είτε σκοτώνουν 24

25 τα βακτήρια. Αυτές ονοµάζονται ανασταλτικές παράµετροι και η διαδικασία αναστολή. Μερικές από αυτές είναι η θερµοκρασία, το ph, η τροφοδοσία, τα πτητικά λιπαρά οξέα, η αµµωνία και άλλα (Angelidaki and Schmidt, 2003). 2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν τη µεθανογένεση Θερµοκρασία Το µεθάνιο σχηµατίζεται στη φύση σε ένα µεγάλο εύρος θερµοκρασιών, από τιµές θερµοκρασίας κοντά στο 0 µέχρι και τους 100 ο C. Ωστόσο οι µικροοργανισµοί παρουσιάζουν βέλτιστη ανάπτυξη και µεταβολικό ρυθµό στα πλαίσια ενός καθορισµένου φάσµατος θερµοκρασιών, το οποίο είναι συγκεκριµένο για κάθε είδος. ιαφορετικά βακτήρια αντιδρούν διαφορετικά στις µεταβολές της θερµοκρασίας. Συνεπώς, η βιοµάζα που βρίσκεται σε ένα αντιδραστήρα σε µία θερµοκρασία, θα έχει διαφορετική βακτηριακή σύνθεση από έναν αντιδραστήρα σε άλλη θερµοκρασία (Angelidaki and Schmidt, 2003). Είναι γνωστό ότι απαιτείται σηµαντικό χρονικό διάστηµα για να προσαρµοστούν και να σταθεροποιηθούν τα βακτήρια σε έναν αντιδραστήρα, ακόµα και όταν έχουν γίνει µικρές αλλαγές στη θερµοκρασία. Τα µεθανογενή βακτήρια είναι περισσότερο ευαίσθητα στις µεταβολές της θερµοκρασίας σε σχέση µε τα υπόλοιπα βακτήρια στους αντιδραστήρες αναερόβιας αποικοδόµησης. Αυτό οφείλεται στους γρηγορότερους ρυθµούς ανάπτυξης των υπολοίπων, µε τους οποίους επιτυγχάνεται ουσιαστικός µεταβολικός ρυθµός ακόµα και σε χαµηλές θερµοκρασίες. Σε τεχνολογικές εφαρµογές διακρίνονται τρεις διαφορετικές περιοχές θερµοκρασίας (Burton and Turner, 2003): Η ψυχρόφιλη (10 20 ο C) Η µεσόφιλη (20 40 ο C) (βέλτιστο 35) Η θερµόφιλη (40 65 ο C) (βέλτιστο 55) Η υπερθερµόφιλη (άνω των 65) Τα µεθανογενή βακτήρια είναι αρκετά διαδεδοµένα στα αναερόβια συστήµατα και προφανώς επιβιώνουν σε ευρύ φάσµα θερµοκρασιών. Ωστόσο πρέπει να τονιστεί πως 25

26 η µετάβαση από τη µεσόφιλη στη θερµόφιλη περιοχή και αντίστροφα, δεν αποτελεί πρόβληµα αν γίνει µε αργό ρυθµό, σε αντίθεση µε τη µετάβαση από τη µεσόφιλη στην ψυχρόφιλη όπου µπορεί να χρειαστεί πολύ µεγάλο χρονικό διάστηµα ώστε να προσαρµοστούν οι µεσόφιλες καλλιέργειες βακτηρίων στις ψυχρόφιλες θερµοκρασίες (Angelidaki and Schmidt, 2003). Μόλις η προσαρµογή στις χαµηλές θερµοκρασίες ολοκληρωθεί, το σύστηµα αντιδρά πολύ καλά στις όποιες µεταβολές. Η απόδοση σε αέριο της ψυχρόφιλης χώνευσης είναι σηµαντικά χαµηλότερη από αυτή της µεσόφιλης. Έχει βρεθεί πως η αποικοδόµηση κόπρου χοίρων στους 22 ο C χρειάζεται το διπλάσιο χρόνο από ότι στους 35 ο C. Στον αντίποδα η διαφορά ανάµεσα στη µεσόφιλη και τη θερµόφιλη είναι πολύ µικρότερη. Η αποικοδόµηση γίνεται ταχύτερα σε υψηλότερες θερµοκρασίες (Maly and Fadrus, 1971), αλλά η µέγιστη απόδοση σε αέριο είναι παρόµοια (Beck and Abdel-Hadi, 2001). Η κύρια διαφορά είναι η υψηλότερη ογκοµετρική παραγωγή µεθανίου ανά ηµέρα η οποία επιτυγχάνεται µε θερµόφιλη χώνευση, και έτσι επιτρέπει υψηλότερες αποδόσεις σε δοσµένου όγκου αντιδραστήρες βιοαερίου. Η θερµόφιλη αναερόβια αποικοδόµηση προσφέρει κι άλλα πλεονεκτήµατα έναντι της µεσόφιλης (Dohanyos, 2001): Αυξηµένη ογκοµετρική παραγωγή µεθανίου ανά ηµέρα Μικρότερο ιξώδες Λιγότερο σχηµατισµό βιοµάζας Αυξηµένο ρυθµό µετατροπής της οργανικής ουσίας σε αέριο Γρηγορότερη και πιο αποτελεσµατική απενεργοποίηση των παθογόνων µικροοργανισµών Μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 80, όπου το βιοαέριο χρησιµοποιούταν µόνο για θέρµανση, οι ψυχρόφιλοι χωνευτές ήταν αρκετά διαδεδοµένοι. Όταν οι τιµές για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές αυξήθηκαν µετά το 1990, σε πολλές Ευρωπαϊκές χώρες οι εγκαταστάσεις βιοαερίου έγιναν σύνθετες µε ταυτόχρονη παραγωγή θερµότητας και ενέργειας. Από τη στιγµή που παράγεται περίσσεια θερµότητα, στην πλειονότητά τους οι γεωργικές εγκαταστάσεις 26

27 λειτουργούν σε θερµότερες, µεσόφιλες θερµοκρασίες. Θερµόφιλες θερµοκρασίες, χρησιµοποιούνται συνήθως σε µεγάλης κλίµακας µονάδες όπου γίνεται χώνευση λυµάτων µε υπολλείµατα τροφών και σφαγείων, τα οποία απαιτούν µεγαλύτερη επεξεργασία ph και ρυθµιστική ικανότητα Οι περισσότεροι µικροοργανισµοί αναπτύσσονται καλύτερα κάτω από συνθήκες ουδέτερου ph, όξινο ή αλκαλικό περιβάλλον µπορεί να επηρεάσει τη µεταβολική διαδικασία µεταβάλλοντας τη χηµική ισορροπία ή καταστρέφοντας τα ένζυµα. Τα µεθανογενή βακτήρια είναι από τα πιο ευαίσθητα όσον αφορά την τιµή του ph. Αν το ph µειωθεί κάτω από 6, µπορεί να παρατηρηθεί αναστολή της λειτουργίας των µεθανογενών βακτηρίων, καθώς θα αυξάνονται τα πτητικά οξέα (Angelidaki and Schmidt, 2003). Η ισορροπία του διοξειδίου του άνθρακα και των δικαρβονικών ιόντων µε τα αµµωνιακά ιόντα, τα κύρια κατιόντα, ασκεί αντίσταση σε όποια µεταβολή του ph, και ονοµάζεται ρυθµιστική ικανότητα. Σε υδάτινα συστήµατα το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκεται σε ισορροπία µε ανθρακικό οξύ, το οποίο διαχωρίζεται δίνοντας υδρογόνο και δικαρβονικά ιόντα (Burton and Turner, 2003). Οι αναερόβιοι αντιδραστήρες περιέχουν επίσης κι άλλα ασθενή όξινα συστήµατα, κυρίως αµµωνία και ορθοφωσφορικό οξύ και πτητικά οξέα, αλλά το σύστηµα ανθρακικού άλατος παραµένει το πιο σηµαντικό στη διαµόρφωση του ph. Τόσο το διοξείδιο του άνθρακα όσο και η αµµωνία είναι προϊόντα της αναερόβιας χώνευσης. Η διάσπαση των οργανικών οξέων παράγει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο αντιδρά µε το νερό σχηµατίζοντας ανθρακικό οξύ. Ο ιονισµός του ανθρακικού οξέος παράγει δικαρβονικά ιόντα και ιόντα υδρογόνου. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO H + Τα πτητικά λιπαρά οξέα µειώνουν την ρυθµιστική ικανότητα των δικαρβονικών ιόντων: RCOO-H + NH 4 HCO 3 RCOO-NH 4 + H 2 CO 3 27

28 ενώ η προσθήκη αµµωνίας αυξάνει τα δικαρβονικά από το σχηµατισµό αµµωνιακού άλατος µε δικαρβονικά που προέρχονται από το διαθέσιµο διοξείδιο του άνθρακα: NH 3 + CO 2 + H 2 O NH HCO 3 - Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των δικαρβονικών στο διάλυµα, τόσο µεγαλύτερη είναι η ρυθµιστική ικανότητα και η αντίσταση στη µεταβολή του ph. Ωστόσο µεταβολή στο ph µπορεί να επιτευχθεί, για παράδειγµα, αν ο ρυθµός τροφοδοσίας αυξηθεί σηµαντικά ξαφνικά και το σύστηµα υπερφορτωθεί. Λόγω του ότι τα ζυµωτικά βακτήρια αναπτύσσονται γρηγορότερα από τα µεθανογενή σχηµατίζονται οξέα. Άλλοι παράγοντες όπως η ξαφνική αύξηση της θερµοκρασίας ή η εισαγωγή µιας τοξίνης, µπορούν να οδηγήσουν σε συνθήκες χαµηλού ph στο περιεχόµενο του αντιδραστήρα (Angelidaki and Schmidt, 2003). Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για τη διόρθωση συνθηκών χαµηλού ph σε έναν αντιδραστήρα (Burton and Turner, 2003). Ο πρώτος είναι σταµατώντας την τροφοδοσία και επιτρέποντας στον πληθυσµό των µεθανογενών να ελλατώσει τη συγκέντρωση των λιπαρών οξέων και παράλληλα να αυξήσει το ph σε ένα αποδεκτό επίπεδο τουλάχιστον 6,8. Μόλις το ph επανέλθει στα φυσιολογικά επίπεδα, η τροφοδοσία µπορεί να ξαναρχίσει µε ελλατωµένο ρυθµό και σιγά σιγά να αυξάνεται όσο σταθεροποιείται το σύστηµα. Ο δεύτερος τρόπος περιλαµβάνει την προσθήκη χηµικών για απευθείας αύξηση του ph και παροχή επιπλέον ρυθµιστικής ικανότητας. Σε κάποιες περιπτώσεις ίσως είναι αναγκαία η ταυτόχρονη µείωση της τροφοδοσίας µε προσθήκη χηµικών. Ένα πλεονέκτηµα που δίνει η χηµική ουδετεροποίηση είναι ότι το ph µπορεί να ρυθµιστεί άµεσα µε την προσθήκη ισχυρών βάσεων, δικαρβονικών ιόντων και καρβονικών ιόντων στην υγρή φάση ή αφαιρώντας διοξείδιο του άνθρακα από το αέριο. Αν µια ισχυρή βάση (όπως NaOH ή NH 4 OH) ή ένα ανθρακικό άλας (όπως Na 2 CO 3 ) προστεθεί, επέρχεται γρήγορα ιοντική ισορροπία και το διοξείδιο του άνθρακα αποµακρύνεται από το αέριο ώστε να σχηµατιστεί η απαραίτητη δικαρβονική αλκαλικότητα (Capri and Marais, 1975). Τα χηµικά πρόσθετα για τον έλεγχο του ph χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτά που προσθέτουν δικαρβονική αλκαλικότητα άµεσα και σε αυτά που παγιδεύουν διοξείδιο του άνθρακα και το µετατρέπουν σε δικαρβονικά ιόντα. Ο έλεγχος µε 28

29 χηµικά που δεσµεύουν διοξείδιο του άνθρακα απαιτεί η προσθήκη να γίνεται σε µικρές δόσεις έτσι ώστε να υπάρχει ο απαιτούµενος χρόνος που χρειάζεται για να έρθει το αέριο σε ισορροπία ανάµεσα σε κάθε προσθήκη. Στον αντίποδα, η απευθείας προσθήκη δικαρβονικών δεν ενέχει παρόµοια προβλήµατα και µπορεί να γίνει και µε µεγαλύτερη ακρίβεια (Georgakakis et al., 1993). Τα ζωικά λύµατα συµπεριλαµβανοµένων και των λυµάτων χοίρων έχουν υψηλή ρυθµιστική ικανότητα διατηρώντας το ph στην ουδέτερη περιοχή Υδραυλικός χρόνος διατήρησης (Hydraulic Retention Time: HRT) Ο υδραυλικός χρόνος διατήρησης (HRT) περιγράφει το χρόνο που απαιτείται προκειµένου να γίνει µια πλήρη ανανέωση του όγκου των λυµάτων στον αντιδραστήρα. Υπολογίζεται διαιρώντας τον λειτουργικό όγκο του αντιδραστήρα µε τη µέση ογκοµετρική παροχή. Σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ροής, το HRT πρέπει να είναι µεγαλύτερο από το διπλάσιο του χρόνου ανάπτυξης των βακτηρίων ώστε να αποφευχθούν προβλήµατα έκπλυσής τους. Το βέλτιστο HRT εξαρτάται κυρίως από το είδος της ουσίας που θα αποικοδοµηθεί και τη θερµοκρασία λειτουργίας. Όσο µικρότερος είναι ο ρυθµός αποικοδόµησης, τόσο µεγαλύτερο είναι το HRT. Ο ρυθµός αποικοδόµησης των κύριων οργανικών συστατικών ακολουθεί την εξής σειρά (Burton & Turner, 2003): Υδατάνθρακες > Λίπη > Πρωτεΐνες > Ηµι-κυτταρίνη > Κυτταρίνη. Σαν αποτέλεσµα, η αποικοδόµηση των λυµάτων χοίρων µε το υψηλό σε λιπαρά περιεχόµενο, απαιτεί µικρότερο HRT από εκείνη των λυµάτων των αγελάδων τα οποία περιέχουν συγκριτικά υψηλότερες συγκεντρώσεις κυτταρίνης και ηµικυτταρίνης (λόγω της διατροφής των αγελάδων). Το µέσο HRT για µεσόφιλη αποικοδόµηση είναι (Burton and Turner, 2003): Λύµατα αγελάδων: 12 µε 25 ηµέρες Λύµατα αγελάδων µε στρωµνή: 15 µε 35 ηµέρες Λύµατα χοίρων: 10 µε 20 ηµέρες 29

30 2.4.4 Ρυθµός τροφοδοσίας οργανικού φορτίου (Organic Loading Rate: OLR) Ο ρυθµός τροφοδοσίας οργανικού φορτίου (OLR) περιγράφει το ποσό της οργανικής ουσίας (εκφρασµένο σαν χηµικές απαιτήσεις σε οξυγόνο ή σε πτητικά στερεά) το οποίο τροφοδοτείται καθηµερινά ανά κυβικό µέτρο λειτουργικού όγκου του αντιδραστήρα. Συνήθως καθορίζεται ως εξής (Burton and Turner, 2003): OLR (kg/m 3 per day) = Ηµερήσια παροχή (m 3 /day) x VS (kg/m 3 )/ όγκο αντιδραστήρα(m 3 ) = VS/HRT Ο βέλτιστος OLR για µεσόφιλους αντιδραστήρες κυµαίνεται (Burton and Turner, 2003): Λύµατα αγελάδων: 2,5 3,5 kg VS/m 3. d Λύµατα αγελάδων µε στρωµνή: 5 7 kg VS/m 3. d Λύµατα χοίρων: 3 3,5 kg VS/m 3. d Αν υπάρχει περίσσεια εύκολα οικοδοµήσιµων συστατικών στην τροφοδοσία του αντιδραστήρα, µπορεί να επηρεάσει τη διαδικασία επειδή στο πρώτο στάδιο, της παραγωγής οξέων, παράγονται περισσότερα προϊόντα από όσα µπορούν να χρησιµοποιηθούν στο δεύτερο στάδιο. Μια τέτοια υπερφόρτωση θα οδηγούσε σε πτώση του ph και σε αναστολή της µεθανογένεσης Πτητικά λιπαρά οξέα (Volatile Fatty Acids: VFA) Παρατηρήσεις σχετικά µε την επίδραση της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων στους µικροοργανισµούς των αναερόβιων αντιδραστήρων δεν είναι ξεκάθαρες λόγω της επίδρασης που παρουσιάζουν τα οξέα στο ph. Όταν το ph διατηρείται σταθερό κοντά στο ουδέτερο, τα πτητικά οξέα δεν έχουν σηµαντικές τοξικές επιδράσεις στα µεθανογενή βακτήρια σε συγκεντρώσεις πάνω από 10000mg/l. Ανάµεσα στα οξέα, ανασταλτικοί παράγοντες εµφανίστηκαν µόνο για το προπιονικό 30

31 οξύ, και αυτό µόνο σε συγκεντρώσεις 1000 ppm και περισσότερο (McCarty and McKinney, 1961 ) Αµµωνία Η αµµωνία σχηµατίζεται ταχύτατα µέσα σε ένα χωνευτή (από τη διάσπαση των πρωτεϊνών που βρίσκονται στα λύµατα), όπου µπορεί να δράσει ως ικανός ανασταλτικός παράγοντας της µεθανογένεσης (Angelidaki and Schmidt, 2003). Μια σειρά δηµοσιεύσεων αναφέρουν πως η ελεύθερη αµµωνία που σχηµατίζεται αποτελεί τον ουσιαστικό αναστολέα και όχι το αµµώνιο. Κάτι τέτοιο συνεπάγεται ότι το ph και η θερµοκρασία (λόγω της επίδρασής της στο ph), έχουν ισχυρή επίδραση στην ανασταλτική συγκέντρωση της αµµωνίας, επηρεάζοντας την ισορροπία. Ωστόσο, τα επίπεδα τοξικότητας της αµµωνίας είναι πολύ ευαίσθητα σε ph µεγαλύτερο από 7. Τα επίπεδα ελεύθερης αµµωνίας πρέπει να διατηρούνται κάτω από 80 mg/l ενόσω τα ιόντα αµµωνίου µπορούν γενικά να κυµαίνονται µέχρι 1500 mg/l σαν NH + 4. Υψηλότερα ποσοστά αζώτου στο υπόστρωµα καθυστερούν τη διαδικασία (Burton and Turner, 2003) Αναλογία C/N Η αναλογία άνθρακα/αζώτου είναι ιδιαίτερα σηµαντική για τη σταθερότητα της διαδικασίας της αποικοδόµησης. Ο άνθρακας χρειάζεται για την ενέργεια των βακτηρίων και το άζωτο για τη σύνθεση της κυτταρικής τους δοµής. Έρευνες έχουν δείξει πως µια αναλογία µεταξύ 25 και 32 έχει θετική επίδραση στην απόδοση του µεθανίου. Σε χαµηλότερες αναλογίες, αυξάνεται ο κίνδυνος δηµιουργίας περίσσειας αζώτου το οποίο µπορεί να αποτελέσει ανασταλτικό παράγοντα γιατί αυξάνεται το ph. Στον αντίποδα, υψηλότερες αναλογίες οδηγούν σε ανεπάρκεια αζώτου έχοντας το ίδιο αρνητικό αποτέλεσµα. Λύµατα µε πολύ υψηλό COD και χαµηλή περιεκτικότητα σε άζωτο, όπως είναι τα εκχυλίσµατα από την επεξεργασία της ελιάς, έχει αποδειχθεί πως δεν έχουν την ικανότητα αποικοδόµησης. Για το λόγο αυτό χρειάζεται προσθήκη αζώτου ή ταυτόχρονη χώνευση µε λύµατα χαµηλότερης αναλογίας άνθρακα/αζώτου (Burton and Turner, 2003). 31

32 2.4.8 Λιπίδια-Πρωτεΐνες Εκτός από συγκεκριµένα τοξικά συστατικά στα λύµατα ορισµένα σχετικά εύκολα αποικοδοµήσιµα συστατικά µπορούν επίσης να αναστείλουν τη διαδικασία. Ειδικά τα λιπίδια και οι πρωτεΐνες στην τροφοδοσία πρέπει, όπως και άλλες παράµετροι, να ελέγχονται προσεκτικά (Burton and Turner, 2003). Μια ξαφνική προσθήκη λιπιδίων σε ένα αντιδραστήρα βιοαερίου µπορεί να προκαλέσει αναστολή της αναερόβιας αποικοδόµησης, καθώς τα υδρολυτικά, τα οξεογενή και τα µεθανογενή βακτήρια αναστέλλονται από τη συσσώρευση λιπαρών οξέων µεγάλης ανθρακικής αλυσίδας, τα οποία παράγονται από την υδρόλυση των λιπιδίων. Η τοξικότητα των λιπιδίων ωστόσο, εξαρτάται από το πόσο γρήγορα η διαδικασία της υδρόλυσης προχωράει σε σχέση µε την υπόλοιπη ζύµωση. Όταν µια µονάδα παραγωγής βιοαερίου είναι προσαρµοσµένη να αποικοδοµεί υψηλές συγκεντρώσεις λιπιδίων, µπορούν να επιτευχθούν υψηλότερες αποδόσεις αερίου. Τα λιπίδια έχουν υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο και δύναται να αποικοδοµηθούν σχεδόν πλήρως σε βιοαέριο σε προσαρµοσµένες µονάδες. Η αποικοδόµηση των πρωτεϊνών έχει σαν αποτέλεσµα το σχηµατισµό αµµωνίας η οποία µε τη σειρά της αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την αναερόβια αποικοδόµηση. Ενδεχοµένως µια µακρά περίοδος προσαρµογής να απαιτείται όταν µεγάλα ποσά πρωτεϊνών προστίθενται στον αντιδραστήρα που δεν είναι προσαρµοσµένος στην αµµωνία (Burton and Turner, 2003) Σουλφίδια Τα σουλφίδια παράγονται σε αναερόβιους αντιδραστήρες από τη µείωση των θειικών που βρίσκονται στα εισερχόµενα λύµατα και από την αποικοδόµηση των πρωτεϊνών. Αν η συγκέντρωση των διαλυτών σουλφιδίων ξεπεράσει τα 200 ppm, τότε η µεταβολική δραστηριότητα των µεθανογενών βακτηρίων αναστέλλεται, οδηγώντας σε σταµάτηµα της διεργασίας (Lawrence and McCarty, 1964). Επειδή τα βαρέα µέταλλα σχηµατίζουν ιδιαίτερα αδιάλυτα ιζήµατα µε τα σουλφίδια, η προσθήκη ενός µετάλλου, όπως ο σίδηρος, παρέχει µια απλή λύση για τη µείωση της συγκέντρωσης των διαλυτών σουλφιδίων. 32

33 Βαρέα µέταλλα και τοξίνες Τα βαρέα µέταλλα είναι τοξικά και στους δύο βασικούς αναερόβιους πληθυσµούς σε πολύ χαµηλές συγκεντρώσεις. Παρ όλα αυτά δεν χρειάζεται να αποτελέσουν πρόβληµα στους αναερόβιους αντιδραστήρες καθώς µόνο τα διαλυτά µέταλλα έχουν επίδραση, και οι συγκεντρώσεις τους µπορούν να µειωθούν σε µη τοξικά επίπεδα σχηµατίζοντας ιζήµατα µε σουλφίδια (Burton and Turner, 2003). Αν τα υπάρχοντα σουλφίδια δεν είναι ικανά να αποτρέψουν την τοξικότητα των βαρέων µετάλλων, τότε θα πρέπει να υπάρξει προσθήκη σιδηρούχων σουλφιδίων. Άλλα επιζήµια συστατικά που µπορούν να προκαλέσουν καθυστέρηση της διεργασίας είναι τα αντιβιοτικά που υπάρχουν στις τροφές και τα απολυµαντικά που χρησιµοποιούνται στις κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις. 2.5 Επιλογή αναερόβιου αντιδραστήρα Υπάρχει ένας µεγάλος αριθµός διαφόρων τύπων αντιδραστήρων για την επεξεργασία των λυµάτων. Η επιλογή εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των λυµάτων που πρόκειται να υποστούν επεξεργασία. Η στερεά ουσία, το µέγεθος των σωµατιδίων, τα ρεολογικά χαρακτηριστικά και η συγκέντρωση του COD είναι µερικά από αυτά, τα οποία καθορίζουν την επιλογή και τη διαµόρφωση του αντιδραστήρα. Ιδιαίτερα σηµαντική είναι η αναλογία των διαλυµένων σωµατιδίων. Τα λύµατα µε υψηλή συγκέντρωση στερεών, όπως είναι τα στερεά αστικά λύµατα ή η ζωική κόπρος, δεν µπορούν να επεξεργαστούν σε αντιδραστήρες µε φίλτρα λόγω των πιθανών προβληµάτων φραγής που µπορεί να εµφανιστούν. Στον πίνακα 3 παρουσιάζονται τα είδη των αντιδραστήρων (Angelidaki and Schmidt, 2003). ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: Τύποι αντιδραστήρων Τύπος Αντιδραστήρα Αντιδραστήρες σταθερής κλίνης Αντιδραστήρες επαφής Αντιδραστήρες συνεχούς ροής και πλήρης ανάµειξης (CSTR:Continuous stirring tank reactor) Biofilm/filter Αντιδραστήρες 33

34 Αντιδραστήρες ρευστοστερεάς κλίνης Αντιδραστήρες ανοδικής ροής των λυµάτων µέσα από αναερόβια στρώση λάσπης (UASB:Upflow anaerobic sludge bed) Αντιδραστήρες εφάπαξ πλήρωσης *Anaerobic Process, 1999 Ο συνηθισµένος τύπος αναερόβιου αντιδραστήρα είναι ένας συνεχώς ή συχνά αναδευόµενος αντιδραστήρας όπου φρέσκο υπόστρωµα αναµιγνύεται πλήρως µε το ενεργό χωνευµένο περιεχόµενο του αντιδραστήρα. Η βέλτιστη επαφή του φρέσκου υποστρώµατος µε τα ενεργά βακτήρια επιτυγχάνεται µέσω αποτελεσµατικής ανάδευσης. Η είσοδος και η έξοδος του υποστρώµατος γίνεται σε συνεχή ή ηµισυνεχή βάση. Γενικά ο χρόνος διατήρησης κρατείται ικανοποιητικά υψηλός ώστε να είναι δυνατή η αποικοδόµηση και των πιο αργά αποικοδοµήσιµων στοιχείων του υποστρώµατος. Εναλλακτικά πρέπει να γίνει αποδεκτή µια απώλεια µη αποικοδοµηµένου υποστρώµατος. Ένας άλλος περιορισµός στη ροή του υγρού στον αντιδραστήρα είναι η παραµονή µέσα στον αντιδραστήρα των µικροοργανισµών που καταλύουν την αναερόβια αποικοδόµηση. Από τη στιγµή που ο χρόνος διατήρησης της βιοµάζας σε ένα πλήρως αναδευόµενο αντιδραστήρα είναι ίσος µε τον υδραυλικό χρόνο διατήρησης, δεν είναι δυνατή η επίτευξη µιας σταθερής διαδικασίας εάν ο ρυθµός ροής του υγρού ξεπεράσει το ρυθµό ανάπτυξης των πιο αργά αναπτυσσόµενων οµάδων βακτηρίων. Ο CSTR αντιδραστήρας είναι σχετικά απλός και µπορεί να διαχειριστεί λύµατα ακόµα και µε υψηλό περιεχόµενο στερεών χωρίς προβλήµατα (Angelidaki and Schmidt, 2003). Η διατήρηση ενός υψηλού χρόνου διατήρησης λάσπης ανεξάρτητα από τον υδραυλικό χρόνο διατήρησης αποτελούσε µέχρι πρόσφατα το κύριο πρόβληµα στην πρακτική εφαρµογή της αναερόβιας διεργασίας. Αυτό συµβαίνει ειδικότερα σε λύµατα µε χηµικές απαιτήσεις οξυγόνου (COD) µικρότερες από 3 g COD/lt. Προφανώς η επεξεργασία λυµάτων χαµηλής δυναµικότητας µπορεί να είναι οικονοµικότερη αν µεγάλοι όγκοι λυµάτων εισέρχονται στο σύστηµα σε σχετικά σύντοµο χρονικό διάστηµα. Η λύση όσον αφορά τον χρόνο διατήρησης δόθηκε µε την ανάπτυξη νέων µεθόδων όπου η ενεργή βιοµάζα παραµένει στον αντιδραστήρα µε ακινητοποίηση ή ανακύκλωση. 34

35 ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΕΙΣΟ ΟΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΕΞΟ ΟΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΛΑΣΠΗΣ ΣΧΗΜΑ 2.3: Αντιδραστήρας CSTR 35

36 3. Υ ΡΟΓΟΝΟ Οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας έχουν λάβει ιδιαίτερης προσοχής από την παγκόσµια κοινότητα τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω των µεγάλων περιβαλλοντικών προβληµάτων που έχουν δηµιουργηθεί από την αλόγιστη χρήση των ορυκτών καυσίµων. Σ αυτές περιλαµβάνονται η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η ηλεκτρόλυση του νερού, η βιοµάζα κ.α.. Σήµερα, το υδρογόνο θεωρείται σαν ένα ιδανικό καύσιµο εξαιτίας του ότι είναι ανανεώσιµο, δεν συµβάλλει στο φαινόµενο του θερµοκηπίου, έχει υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο σε σχέση µε τα υπόλοιπα γνωστά καύσιµα, µετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική ενέργεια µε χρήση κυψελών καυσίµου και µε την καύση του δίνει µόνο νερό σαν υποπροϊόν. Προς το παρόν, το 40% του υδρογόνου παράγεται από το φυσικό αέριο, 30% από το πετρέλαιο και τη νάφθα, 18% από τον άνθρακα, 4% από ηλεκτρόλυση και 1% παράγεται από βιοµάζα (Suzuki, 1982; Nath & Das, 2003). Στις µέρες µας, η παραγωγή υδρογόνου µε βιολογικές µεθόδους κερδίζει συνεχώς έδαφος για δύο λόγους: 1. αξιοποιούνται ανανεώσιµες πηγές ενέργειας και 2. η λειτουργία τους συνήθως γίνεται σε θερµοκρασία περιβάλλοντος και ατµοσφαιρική πίεση. Ωστόσο, οι καταγεγραµµένες µέθοδοι δεν έχουν ακόµα επαρκείς και σταθερούς ρυθµούς παραγωγής και η αποτελεσµατικότητά τους δεν βρίσκεται στα επιθυµητά επίπεδα ώστε να τις κάνει εµπορικά βιώσιµες. 3.1 ιαθέσιµες µέθοδοι παραγωγής βιο-υδρογόνου Το υδρογόνο είναι ένα φυσικό αλλά και µεταβατικό παραπροϊόν διαφόρων, από µικροβιακούς οργανισµούς οδηγούµενες, βιοχηµικών αντιδράσεων και κυρίως της διεργασίας της αναερόβιας ζύµωσης. Επιπρόσθετα, ορισµένοι µικροοργανισµοί παράγουν ένζυµα τα οποία µε τη σειρά τους µπορούν να παράξουν υδρογόνο από το νερό αν µια εξωτερική πηγή ενέργειας, όπως ο ήλιος, τους παρασχεθεί. Συγκεκριµένοι τρόποι µε τους οποίους µικροοργανισµοί παράγουν υδρογόνο περιγράφονται παρακάτω (Das et al., 2008): 1. Βιοφωτόλυση του νερού µε χρήση πράσινης άλγης και κυανοπράσινης άλγης (κυανοβακτήρια) 36

37 - Απευθείας βιοφωτόλυση - Έµµεση βιοφωτόλυση 2. Αναερόβια αποικοδόµηση 3. Υβριδικά συστήµατα -Με χρήση βιοαντιδραστήρων σκοτεινής ζύµωσης και φωτεινής ζύµωσης -Με χρήση µικροβιακών βιοαντιδραστήρων υποβοηθούµενων βιοηλεκτροχηµικώς Απευθείας βιοφωτόλυση Η απευθείας βιοφωτόλυση για παραγωγή υδρογόνου είναι µια βιολογική διαδικασία η οποία χρησιµοποιεί ηλιακή ενέργεια και φωτοσυνθετικά συστήµατα άλγης για να µετατρέψει το νερό σε χηµική ενέργεια 2H 2 O + ηλιακή ενέργεια 2H 2 + O 2 (1) Τα δύο φωτοσυνθετικά συστήµατα που είναι υπεύθυνα για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι: 1. το φωτοσύστηµα Ι (PSI) το οποίο παράγει µέσα αναγωγής του διοξειδίου του άνθρακα και 2. το φωτοσύστηµα ΙΙ (PSII) το οποίο διαχωρίζει το νερό για την ανάπτυξη οξυγόνου. Τα δύο φωτόνια που προκύπτουν από το διαχωρισµό του νερού µπορούν είτε να αναγάγουν το διοξείδιο του άνθρακα µε το PSI είτε να σχηµατίσουν υδρογόνο παρουσία υδρογενάσης. Στα φυτά λόγω της έλλειψης υδρογενάσης µόνο αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα λαµβάνει χώρα. Στον αντίποδα, η πράσινη και τα κυανοβακτήρια περιέχουν υδρογενάση και έτσι έχουν την ικανότητα να παράγουν υδρογόνο (Ni et al., 2006). Σ αυτούς τους οργανισµούς, ηλεκτρόνια δηµιουργούνται όταν το PSII απορροφά ηλιακή ενέργεια, η οποία µεταφέρεται στη συνέχεια στις φερεδοξίνες. Μια αναστρέψιµη υδρογενάση δέχεται ηλεκτρόνια απευθείας από την αναγώµενη φερεδοξίνη για να δηµιουργήσει υδρογόνο παρουσία υδρογενάσης. H 2 O PSII PSI Fd Υδρογενάση H 2 (2) O 2 37

38 Εφόσον η υδρογενάση είναι ευαίσθητη στο οξυγόνο, είναι απαραίτητο να διατηρηθεί το περιεχόµενο οξυγόνου σε χαµηλά επίπεδα (κάτω από 0,1%) έτσι ώστε να διατηρηθεί η παραγωγή υδρογόνου (Hallenbeck & Benemann, 2002). Αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση πράσινης άλγης, Chlamydomonas reinhardtii η οποία µπορεί να µειώσει το οξυγόνο κατά τη διάρκεια της οξειδωτικής αναπνοής (Melis et al., 2000). Ωστόσο, η αντίδραση έχει πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα ζωής και ο ρυθµός παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ χαµηλός, λιγότερο από 1/10 από τον αντίστοιχο άλλων φωτοσυνθετικών αντιδράσεων (Benemann, 2000) Έµµεση βιοφωτόλυση Στην έµµεση βιοφωτόλυση, το πρόβληµα της ευαισθησίας της διαδικασίας του υδρογόνου στο οξυγόνο συνήθως καταστρατηγείται από το διαχωρισµό οξυγόνου και υδρογόνου (Benemann, 1996). Σε αυτή τη διαδικασία, το διοξείδιο του άνθρακα είναι κατά διαστήµατα σταθερό και ελευθερώνεται και λειτουργεί σαν φορέας ηλεκτρονίων ανάµεσα στην αντίδραση παραγωγής οξυγόνου (διαχωρισµός νερού) και στις ευαίσθητες στο οξυγόνο αντιδράσεις υδρογενάσης. Με αυτή την έννοια η άλγη υποβάλλεται σε ένα κύκλο σταθεροποίησης του διοξειδίου του άνθρακα σε αποθηκευµένους υδατάνθρακες (άµυλο, γλυκογόνο) ακολουθούµενου από τη µετατροπή του σε υδρογόνο από τη διαδικασία σκοτεινής αναερόβιας ζύµωσης. Σε µια τυπική έµµεση βιοφωτόλυση, υδρογόνο παράγεται ως ακολούθως: 12H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2 (3) C6H12O6 + 12H2O 12H2 + 6CO2 (4) Πολλοί τύποι πράσινης άλγης και κυανοβακτηρίων, πέρα από την ικανότητα να δεσµεύουν διοξείδιο του άνθρακα µέσω της φωτοσύνθεσης, έχουν επίσης την ικανότητα να δεσµεύουν άζωτο από την ατµόσφαιρα και να παράγουν ένζυµα τα οποία µπορούν να καταλύσουν το δεύτερο στάδιο της παραγωγής υδρογόνου. Αφού αυτά τα ένζυµα του αζώτου (nitrogenase) περιορίζονται µέσα στο heterocyst, παρέχουν ένα περιβάλλον ελεύθερο από οξυγόνο όπου λαµβάνουν χώρα οι αντιδράσεις του υδρογόνου. 38

39 H 2 O Φωτοσυστήµατα(κυψέλες φυτών) (CH 2 O) 2 Ferredoxin Nitrogenase NADPH O 2 CO 2 Recycle CO 2 H 2 (5) Ωστόσο, δεν έχει γίνει ακόµα ξεκάθαρος ο τρόπος διαχείρισης µιας τέτοιας διαδικασίας για την αποδοτική παραγωγή υδρογόνου. Πράγµατι, όταν προσαρµοσµένες στο σκοτάδι κυψέλες εκτίθενται στο φως, αρχίζει φωτοσυνθετική παραγωγή οξυγόνου που αναστέλλει την παραγωγή υδρογόνου (Ghirardi et al., 2005). Έτσι, το κλειδί είναι να καθυστερήσει η εκκίνηση της δραστηριότητας του PSII κατά την, από το φως οδηγούµενη, παραγωγή υδρογόνου µέχρι την εξάντληση όλου του υποστρώµατος Αναερόβια αποικοδόµηση Η σκοτεινή ζύµωση είναι ένα ευρέως διαδεδοµένο φαινόµενο κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Η οξείδωση του υποστρώµατος από βακτήρια δηµιουργεί ηλεκτρόνια τα οποία χρειάζεται να εξουδετερωθούν ώστε να διατηρηθεί η ουδετερότητα στο φορτίο. Κάτω από τις αναερόβιες συνθήκες το οξυγόνο λειτουργεί σαν δέκτης ηλεκτρονίων καθώς άλλα συστατικά οδηγούν σε µοριακό υδρογόνο. Οι υδατάνθρακες, κυρίως γλυκόζη, αποτελούν τις προτιµώµενες πηγές άνθρακα για αυτή τη διαδικασία, η οποία δίνει οξικό και βουτυρικό οξύ µαζί µε την παραγωγή υδρογόνου (Nath & Das, 2005). C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 (8) C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O CH 3 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 (9) Σ αυτή τη διεργασία, η γλυκόζη αρχικά µετατρέπεται σε πυρουβικό οξύ από τη γλυκολυτική διαδικασία. Το πυρουβικό οξύ στη συνέχεια οξειδώνεται σε acetyl-coa, το οποίο µπορεί να µετατραπεί σε ακέτυλο-φωσφορικό άλας, µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία ΑΤΡ και την έκκριση οξικού οξέος. Αυτή η οξείδωση σε acetyl-coa απαιτεί την αναγωγή µιας φερεδοξίνης (Fd). Η ανηγµένη Fd οξειδώνεται από υδρογενάση η οποία ξαναγεννά Fd(ox) και απελευθερώνει ηλεκτρόνια σαν µοριακό υδρογόνο (Nath & Das, 2005; Nath & Das, 2004). Η συνολική αντίδραση της διαδικασίας είναι: 39

40 Pyruvate + CoA + 2Fd(ox) Acetyl-CoA + + 2Fd(red) + CO 2 (10) 2H + + Fd(red) H 2 + Fd(ox) (11) Παρά τον αυξηµένο ρυθµό σχηµατισµού, η απόδοση υδρογόνου από τη διαδικασία είναι χαµηλότερα σε σχέση µε άλλων χηµικών/ηλεκτροχηµικών διεργασιών. Η θεωρητική απόδοση υδρογόνου είναι 4 mol H 2 /mol γλυκόζης όταν το τελικό προϊόν είναι οξικό οξύ και 2 mol H 2 /mol γλυκόζης όταν το µεταβολικό προϊόν είναι βουτυρικό οξύ. Στην πράξη, η απόδοση του υδρογόνου είναι χαµηλή καθώς τα τελικά προϊόντα περιέχουν και οξικό και βουτυρικό οξύ (Nath & Das, 2005). Εξάλλου όσο αυξάνει η απόδοση, η αντίδραση γίνεται θερµοδυναµικά ασταθής. Ένας άλλος περιορισµός της διαδικασίας είναι η χαµηλή αποτελεσµατικότητα µετατροπής του υποστρώµατος Υβριδική τεχνολογία ζύµωσης Χρήση βιοαντιδραστήρων σκοτεινής και φωτεινής ζύµωσης Η υβριδική τεχνολογία ζύµωσης µπορεί να αποτελέσει ένα υποσχόµενο δρόµο για τον εµπλουτισµό της απόδοσης του υδρογόνου. Η συνέργεια της διαδικασίας έγκειται στη µέγιστη µετατροπή του υποστρώµατος καθώς αλλιώς αποτρέπεται η επίτευξη µιας πλήρους µετατροπής εξαιτίας των θερµοδυναµικών περιορισµών (Nath & Das, 2006). Έτσι, σε αυτό το σύστηµα τα ανεξάρτητα από το φως βακτήρια και τα φωτοσυνθετικά βακτήρια παρέχουν ένα ολοκληρωµένο σύστηµα για τη µεγιστοποίηση της απόδοσης του υδρογόνου (Yokoi et al., 1998). Σ ένα τέτοιο σύστηµα, η αναερόβια ζύµωση υδατανθράκων (ή οργανικών αποβλήτων) παράγει ενδιάµεσα, όπως χαµηλού µοριακού βάρους οργανικά οξέα, τα οποία στη συνέχεια µετατρέπονται σε υδρογόνο από τα φωτοσυνθετικά βακτήρια στο δεύτερο στάδιο σε ένα φωτο-βιοαντιδραστήρα. Οι συνολικές αντιδράσεις της διαδικασίας µπορούν να περιγραφούν ως εξής: 1. Στάδιο 1 ο. Σκοτεινή ζύµωση C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 (12) 2. Στάδιο 2 ο. Φωτεινή ζύµωση 2CH 3 COOH + 4H 2 O 8H 2 + 4CO 2 (13) 40

41 Έτσι θεωρητικά είναι φανερό ότι µε τη χρήση γλυκόζης σαν µοναδικό υπόστρωµα στη σκοτεινή αναερόβια ζύµωση, όπου το οξικό οξύ είναι το επικρατέστερο προϊόν του µεταβολισµού, µπορεί να επιτευχθεί µια αναλογία 12 mol H 2 /mol γλυκόζης µε µια συνδυασµένη διαδικασία. Χρήση βιοηλεκτροχηµικά υποβοηθούµενων µικροβιακών βιο-αντιδραστήρων Οι µικροβιακές κυψέλες καυσίµου (MFC) παράγουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια λόγω της οξείδωσης των οργανικών συστατικών από τα βακτήρια (Ishikawa et al., 2006; Schotz & Schroder, 2003). Τα πρωτόνια διαχέονται µέσω του ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο, καθώς τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν σε µια διαδροµή γύρω από την κάθοδο παράγοντας ρεύµα. Στην κάθοδο το οξυγόνο αντιδρά µε τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια για να σχηµατίσει ένα ανηγµένο συστατικό όπως είναι το νερό. Σε έναν βιοηλεκτροχηµικά υποβοηθούµενο µικροβιακό αντιδραστήρα (BEAMR), υδρογόνο αναπτύσσεται στην κάθοδο (Liu et al., 2005) χρησιµοποιώντας κάθε βιοαποικοδοµήσιµο υλικό, περιλαµβάνοντας γλυκόζη, οξικό οξύ, πρωτεΐνες, άµυλο και κυτταρίνη. C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 4H 2 + 2CO 2 + 2CH 3 COOH (14) Άνοδος: CH 3 COOH + 2H 2 O 2CO 2 + 8e - + 8H + (15) Κάθοδος: 8H + + 8e - 4H 2 (16) Με τιµή ph 7 η διαφορά δυναµικού που απαιτείται για την παραγωγή υδρογόνου είναι θεωρητικά 0,61 V (Madigan et al., 2003). Στην πράξη, η ελάχιστη εφαρµοζόµενη διαφορά δυναµικού για την παραγωγή υδρογόνου από την βιοηλεκτρόλυση του οξικού οξέος έχει βρεθεί ότι είναι περισσότερο από 0,25 V λόγω της ωµικής αντίστασης των ηλεκτροδίων (Liu et al., 2005) που είναι ουσιαστικά λιγότερο από 1,8-2 V που απαιτούνται για την παραγωγή υδρογόνου µέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού (σε αλκαλικές συνθήκες) (Ditzig et al., 2007). Τα συστήµατα MFC και BEAMR µοιράζονται πολλά κοινά χαρακτηριστικά, και εποµένως πολλά ευρήµατα που βελτιώνουν την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος στα MFC θα µπορούσαν να εφαρµοστούν για την αύξηση της παραγωγής υδρογόνου στα BEAMR. 41

42 3.2 Μικροοργανισµοί που παράγουν υδρογόνο Οι µικροοργανισµοί που παράγουν υδρογόνο µπορούν να ταξινοµηθούν σε δύο κατηγορίες, τους αυστηρά αναερόβιους και τους προαιρετικά αναερόβιους µικροοργανισµούς (Das et al., 2008) Αυστηρά αναερόβιοι Clostridium Πολλοί αναερόβιοι οργανισµοί παράγουν υδρογόνο από την εξόζη στη ζύµωση του οξικού οξέος, του βουτυρικού οξέος και των ακετονη-βουτανολη-αιθανόλη. Η µέγιστη απόδοση των 4 mol H 2 /mol γλυκόζης επιτυγχάνεται κατά τη ζύµωση του οξικού οξέος. Η παραγωγή άλλων, περισσότερο ανηγµένων οργανικών οξέων και/ή αλκοολών µειώνουν την απόδοση του υδρογόνου. Για παράδειγµα η µετατροπή 1 mol γλυκόζης σε βουτυρικό οξύ συνοδεύεται από την παραγωγή 2 moles υδρογόνου. Συνήθως ένα µίγµα προϊόντων παράγεται από Clostridium και το διαθέσιµο υδρογόνο από τη γλυκόζη καθορίζεται από την αναλογία βουτυρικού/οξικού οξέος. Τα C.butyricum, C.welchii, C.pasteurianum, C.beijerincki, το προσφάτως αποµονωµένο Clostridium spp. και µίγµα από Clostridium έχουν χρησιµοποιηθεί σε µελέτες µε σκοπό την επίτευξη υψηλών αποδόσεων παραγωγής υδρογόνου (Das et al., 2008). Ο Taguchi και οι φοιτητές του αποµόνωσαν διάφορα είδη Clostridium. Μια αναπτυσσόµενη καλλιέργεια από C.beijerincki AM21B αποµονώθηκε από τερµίτες αποδίδοντας 1,8 µε 2 mol Η 2 σε γλυκόζη (Taguchi et al., 1992). Το συγκεκριµένο είδος µπορούσε επίσης να χρησιµοποιήσει ένα µεγάλο αριθµό άλλων υδατανθράκων όπως, ξυλόζη, αραβινόζη, γαλακτόζη, σουκρόζη και φρουκτόζη µε αποδόσεις από 15,7 µέχρι 19 mmol/g υποστρώµατος σε διεργασίες εφάπαξ πλήρωσης 24 ωρών (Taguchi et al., 1993). Υδρογόνο παράχθηκε επίσης από άµυλο µε παρόµοιες αποδόσεις, όµως δεν επιτεύχθηκε σταθερή παραγωγή και έτσι σταµάτησε πριν εξαντληθούν οι υδατάνθρακες. Ένα άλλο Clostridium sp., είδος no. 2, επίσης αποµονώθηκε από τερµίτες, παράγοντας υδρογόνο αποδοτικότερα από ξυλόζη και αραβινόζη (13,7 και 14,6 mmol/g ή 2,1 και 2,2 mol/mol) παρά από γλυκόζη (11,1 mmol/g ή 2 mol/mol) ( 42

43 Taguchi et al., 1994). Αυτά τα αποτελέσµατα έδειξαν πως τα Clostridium spp. µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή υδρογόνου από κελουλόζη και ηµικελουλόζη που βρίσκονται στη φυτική βιοµάζα. Η υδρόλυση της βιοµάζας για την παραγωγή ενός ζυµωτικού υποστρώµατος µπορεί να γίνει είτε κατά τη ζύµωση, σε µια ταυτόχρονη διάσπαση των σακχάρων, είτε σε µια ξεχωριστή διεργασία που προηγείται της ζύµωσης. Η χρήση Clostridium sp. είδος no. 2 έδειξε πως η ταυτόχρονη διάσπαση σε απλά σάκχαρα της ξυλάνης µε προετοιµασία ακατέργαστης ξυλανάσης και ζύµωση υδρογόνου από το προϊόν της υδρόλυσης από το είδος no. 2 θα µπορούσε να λάβει χώρα σε ένα µόνο αντιδραστήρα (Taguchi et al., 1995a). Ωστόσο, η ταυτόχρονη µετατροπή ήταν λιγότερο αποτελεσµατική σε σχέση µε την ανεξάρτητη µετατροπή των προϊόντων της υδρόλυσης. Οι Taguchi et al., (Taguchi et al., 1996b) αποµόνωσαν ένα νέο είδος, το Clostridium sp. είδος Χ53 από άγριους τερµίτες, το οποίο παρήγαγε ξυλανάση σε µια εφάπαξ πλήρωσης καλλιέργεια και µετέτρεπε την ξυλάνη σε υδρογόνο. Σε σύγκριση µε την ξυλόζη, η κινητική της παραγωγής υδρογόνου από ξυλάνη δεν ήταν ιδιαίτερα διαφορετική, αλλά η συνολική απόδοση ήταν µικρότερη από αυτή της ξυλόζης. Για τα Clostridium sp. είδος no. 2 έχει αποδειχθεί πως ο µέγιστος ρυθµός παραγωγής υδρογόνου και η µοριακή απόδοση ήταν συγκρίσιµα σε εφάπαξ πλήρωσης και σε συνεχείς διεργασίες. Η ικανότητα στα Clostridium να παράγουν υδρογόνο δείχνει πολλά υποσχόµενη. Η απόδοση του υδρογόνου και οι ρυθµοί παραγωγής µπορούν να βελτιωθούν βελτιστοποιώντας τις συνθήκες της διαδικασίας. Υπερθερµόφιλα Τα υπερθερµόφιλα Pyrococcus furiosus, ένα archaebacterium, παράγουν υδρογόνο, οργανικά οξέα και διοξείδιο του άνθρακα από υδατάνθρακες (Fiala & Stetter, 1986; Brown & Kelly, 1989;Godfroy et al., 2000). Από µελέτες που έγιναν σε διάφορα υποστρώµατα και παραγόµενα προϊόντα πολλά ακραία- και υπερθερµόφιλα βρέθηκαν ότι µπορούν να παράγουν υδρογόνο από υδατάνθρακες (Goorissen et al., 2001). Κάποια από αυτά τα είδη είναι τα Anerocellum, Caldicellulosiruptor, Clostridium, Dictyoglomus, Fervidobacterium, Spirocheta, Thermotoga and Thermoanaerobacter. Ο Schröder et al., (Schröder et al., 1994) αναφέρθηκε σε εφάπαξ πλήρωσης ζυµώσεις στους 80 o C µε Thermotoga maritima. Μια απόδοση υδρογόνου των 4 mol/mol 43

44 γλυκόζης παρατηρήθηκε η οποία είναι ίση µε τη µέγιστη θεωρητική τιµή. Ωστόσο, η κατανάλωση της γλυκόζης ήταν χαµηλή (1,6 mm) καθώς επίσης και οι πυκνότητες των κυψελών (1,4 x 108 per ml). Ο µέγιστος ρυθµός παραγωγής υδρογόνου που µετρήθηκε βρέθηκε ίσος µε 10 mmol/l.h. Παρόµοια στοιχειοµετρία µε αυτή του T.maritima παρατηρήθηκε για δύο µέτρια θερµόφιλα, τα Acetothermus paucivorans και Acetomicrobium flavidum, που αναπτύσσονται στους 60 o C (Dietrich et al., 1988; Soutschek et al., 1984). Πρόσφατα εκδόθηκαν αποτελέσµατα πάνω στην ανάπτυξη και την παραγωγή υδρογόνου από δύο άλλα ακραία θερµόφιλα κατά τη ζύµωση ζάχαρης (van Niel et al., 2002). Σε καλλιέργειες Caldicellulosiruptor saccharolyticus, που αναπτύσσεται στη σουκρόζη στους 70 o C, και Thermotoga elfii, που αναπτύσσεται στη γλυκόζη στους 65 o C, παρατηρήθηκαν στοιχειοµετρίες της τάξης των 3,3 moles H 2 ανά mole εξόζης το οποίο είναι το 83% του θεωρητικού µέγιστου. Επίσης µετρήθηκαν µέγιστοι ρυθµοί παραγωγής υδρογόνου 8,4 και 2,7 mmol/l.h αντιστοίχως. Αυτά τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι µπορούν να επιτευχθούν υψηλότερες αποδόσεις υδρογόνου από ακραία και υπερθερµόφιλα σε σχέση µε τα προαιρετικά µεσόφιλα και τα αυστηρά αναερόβια. Μεθανογενή Τα µεθανογενή χαρακτηρίζονται από την παρουσία υδρογενάσης, η οποία συνήθως εµπλέκεται στην οξείδωση του υδρογόνου συνοδευόµενη από παραγωγή µεθανίου. Ωστόσο, κάτω από συνθήκες αναστολής του σχηµατισµού µεθανίου ο Bott et al., (Bott et al., 1986) ανέφερε παραγωγή υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα σε στοιχειοµετρικές ποσότητες από µονοξείδιο του άνθρακα και νερό από ένα είδος Methanosarcina barkeri, την αποκαλούµενη gas-shift αντίδραση (Das et al., 2008) Προαιρετικά αναερόβιοι Οι προαιρετικά αναερόβιοι µικροοργανισµοί είναι ανθεκτικοί στο οξυγόνο. Αυτά τα βακτήρια έχουν το πλεονέκτηµα της ταχείας κατανάλωσης οξυγόνου επαναφέροντας άµεσα τις αναερόβιες συνθήκες στους αντιδραστήρες. Τα αυστηρά αναερόβια είναι πολύ ευαίσθητα στο οξυγόνο και συχνά δεν επιβιώνουν ακόµα και σε χαµηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου (Das et al., 2008). 44

45 Enterobacter Τα Enterobacter όπως και άλλα µέλη της οικογένειας Enterobacteriaceae έχουν κάποιες ιδιότητες βολικές για την παραγωγή υδρογόνου. Επιπρόσθετα µε τον υψηλό ρυθµό ανάπτυξης και την δυνατότητα χρήσης ενός µεγάλου αριθµού πηγών άνθρακα, η παραγωγή υδρογόνου από Enterobacter δεν αναστέλλεται από υψηλές πιέσεις υδρογόνου (Tanisho et al., 1987). Ωστόσο, η απόδοση του υδρογόνου από γλυκόζη είναι συνήθως χαµηλότερη σε σύγκριση µε αυτή των Clostridia. Ο Tanisho et al., (Tanisho et al., 1983) αποµόνωσε είδος E.aerogenes E από φύλλα Mirabilis jalapa. Κάτω από καλλιέργεια σε εφάπαξ πλήρωσης αντιδραστήρα παρατηρήθηκε ρυθµός παραγωγής 21 mmol/l.h σε µια χρονική περίοδο 23h. Η απόδοση ήταν 1 mol/mol γλυκόζης. Σε συνεχή ζύµωση παράχθηκε υδρογόνο κατά τη διάρκεια 42 ηµερών χρησιµοποιώντας το ίδιο είδος σαν υπόστρωµα. Η µέση παραγωγή ήταν 17 mmol/l.h και η µέση απόδοση στη σουκρόζη ήταν 1,5 mole. Σε αντίθεση µε ζυµώσεις σε εφάπαξ πλήρωσης αντιδραστήρα, το κύριο προϊόν ήταν γαλακτικό οξύ, και οξικό και βουτυρικό οξύ παράγονταν σε µικρότερες ποσότητες (Tanisho et al., 1994). Παρόλο που η παραγωγή από Enterobacter δεν αναστέλλεται από υψηλές πιέσεις υδρογόνου η χρήση αργού στην καλλιέργεια αύξησε την απόδοση σε 1,6 mol/mol γλυκόζης. Για το γεγονός προτάθηκε πως η αποµάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα ήταν η αιτία για την βελτίωση της απόδοσης (Tanisho et al., 1998). Ο Yokoi et al., (Yokoi et al., 1995) αποµόνωσε ένα E.aerogenes είδος HO39, το οποίο ήταν ικανό να αναπτυχθεί και να παράγει υδρογόνο σε χαµηλές τιµές ph της τάξης του 4,5. Σε µια συνεχή καλλιέργεια χωρίς έλεγχο του ph παράχθηκε υδρογόνο µε ρυθµό 5 mmol/l.h για 26 ηµέρες µε απόδοση 0,8 σε γλυκόζη. Για τον εµπλουτισµό του ρυθµού παραγωγής αναπτύχθηκαν µεταλλαγµένα E.aerogenes και E.cloacae. Τα µεταλλαγµένα σταµάτησαν την παραγωγή άλλων µεταβολικών προϊόντων, αλκοολών και οργανικών οξέων, τα οποία συνήθως µειώνουν την παραγωγή υδρογόνου. Σε ένα διπλά µεταλλαγµένο E.aerogenes το οποίο παρήγαγε µικρότερες ποσότητες αιθανόλης και βουτανοδιόλης αλλά φυσιολογικές ποσότητες οργανικών οξέων, η παραγωγή και η απόδοση του υδρογόνου ήταν 2 φορές υψηλότερα σε σχέση µε το αρχικό είδος (Rachman et al., 1997). 45

46 Οι Kumar και Das (Kumar & Das, 2000) αποµόνωσαν ένα είδος E.cloacae IITBT08 από εκχυλίσµατα φύλλων το οποίο ήταν ικανό να αναπτυχθεί και να παράγει υδρογόνο χρησιµοποιώντας διαφορετικές πηγές άνθρακα, Σε ζυµώσεις σε εφάπαξ πλήρωσης αντιδραστήρα η µέγιστη απόδοση ήταν 2,2 mol/mol γλυκόζης και 6 και 5,4 σε σουκρόζη και cellobiose, αντίστοιχα. Ο µέγιστος ρυθµός παραγωγής βρέθηκε ίσος µε 35 mmol/l.h σε σουκρόζη σαν υπόστρωµα. Η ίδια προσέγγιση µε αυτή των E.aerogenes χρησιµοποιήθηκε για την ανάπτυξη µεταλλαγµένων µε σκοπό τη βελτίωση της παραγωγής υδρογόνου (Kumar et al., 2001). Σε ζυµώσεις σε εφάπαξ πλήρωσης αντιδραστήρα ένα διπλά µεταλλαγµένο παρήγαγε λιγότερη αιθανόλη και βουτανοδιόλη καθώς και µικρότερα ποσά γαλακτικού και βουτυρικού οξέος. Τα επίπεδα του οξικού οξέος ήταν παρόµοια µε αυτά της αρχικής µορφής του είδους. Το σταµάτηµα της διαδικασίας σχηµατισµού των αλκοολών και των οργανικών οξέων απέφερε αύξηση της απόδοσης κατά 1,5 φορές σε γλυκόζη (3,4 mol/mol γλυκόζης). Συνεχείς ζυµώσεις επιτελέστηκαν µε αρχικής µορφής E.aerogenes και ενός διπλά µεταλλαγµένου (Rachman et al., 1998). Μέγιστος ρυθµός απόδοσης ήταν 58 mmol/l.h σε ρυθµό διάλυσης 0,67 h -1 για το µεταλλαγµένο, ο οποίος ήταν σχεδόν 2 φορές υψηλότερος από τον αντίστοιχο του αρχικού είδους. Η απόδοση µοριακού υδρογόνου στη γλυκόζη διατηρήθηκε στο 1,1. Σε µια στήλη µε πορώδες υλικό ένα αρχικό είδος E.aerogenes παρήγαγε υδρογόνο σε άµυλο µε απόδοση 1,5 mol/mol γλυκόζης σε ρυθµό διάλυσης 0,1 h -1 (Palazzi et al., 2000). E.coli Τα E.coli έχει δειχθεί πως είναι ικανά να παράγουν υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα από φορµικό οξύ απουσία οξυγόνου (Stickland, 1929; Yudkin, 1932). Η παρατεταµένη διάλυση του φορµικού οξέος είναι απαραίτητη για τον περιορισµό άλλων αναερόβιων αναγωγικών (Nandi & Sengupta, 1996). Παραγωγή υδρογόνου από υδατάνθρακες αναφέρθηκε επίσης (Stickland, 1929). Στο στάδιο που οδηγεί στην παραγωγή υδρογόνου υπάρχει ανακολουθία είτε µε φορµικό οξύ ως ενδιάµεσο είτε χωρίς αυτό (Stickland, 1929; Blackwood et al., 1956). Η απόδοση µοριακού υδρογόνου στη γλυκόζη από αναπτυσσόµενα E.coli ήταν 0,9 (Blackwood et al., 1956;Doelle, 1969). 46

47 Citrobacter Ένα είδος Citrobacter, το Citrobacter sp. Y19 που αποµονώθηκε από χωνευτήρες ιλύος έδειξε να παράγει υδρογόνο από µονοξείδιο του άνθρακα και νερό µε την water-gas shift αντίδραση κάτω από αναερόβιες συνθήκες (Jung et al., 1999;Jung et al., 2002). Παραγωγή υδρογόνου παρατηρήθηκε σε δοχεία ορού και κατά τη διάρκεια συνεχούς λειτουργίας. Ο ρυθµός παραγωγής ήταν 15 mmol/l.h. Ισοµοριακές ποσότητες υδρογόνου παράχθηκαν από το µονοξείδιο του άνθρακα που καταναλώθηκε, αλλά η αποτελεσµατικότητα της µετατροπής του µονοξειδίου ήταν σχετικά χαµηλή περίπου 20%. Αυτό συνέβαλλε σε µικρούς χρόνους διατήρησης του µονοξειδίου. 3.3 Αναερόβια επεξεργασία λυµάτων-παραγωγή µεθανίου και υδρογόνου Οι οργανικοί ρύποι µετατρέπονται σε µεθάνιο στη συµβατική αναερόβια επεξεργασία των λυµάτων (Hulshoff Pol and Lettinga, 1986; Fang and Liu, 2000). Η διαδικασία µπορεί να χωριστεί σε τρία ευδιάκριτα στάδια: την υδρόλυση, την παραγωγή οξέων/παραγωγή οξικού οξέος και τη µεθανογένεση. Κάθε στάδιο ολοκληρώνεται από έναν αριθµό µικροοργανισµών διαµέσου της συντροφικής αλληλεπίδρασης. Κατά την παραγωγή οξικού οξέος παράγεται υδρογόνο ως υποπροϊόν, που µε τη σειρά του χρησιµοποιείται ως δότης ηλεκτρονίων από πολλά µεθανογενή βακτήρια στο επόµενο στάδιο της διαδικασίας. Ωστόσο, το υδρογόνο από µόνο του είναι ένα αέριο µε µεγάλη οικονοµική αξία. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί ως πρώτη ύλη σε µια ποικιλία βιοµηχανικών εφαρµογών (Kirk et al., 1985) αλλά και ως καθαρή πηγή ενέργειας για τις κυψέλες καυσίµου (Hart, 1997). Η παραγωγή υδρογόνου από αυτά τα βακτήρια εξαρτάται ιδιαίτερα από τις συνθήκες της σκοτεινής ζύµωσης, όπως το ph, τον υδραυλικό χρόνο διατήρησης (HRT), τη θερµοκρασία, το οργανικό φορτίο και τη µερική πίεση του αερίου µίγµατος, οι οποίες επηρεάζουν την µεταβολική ισορροπία. Κατά συνέπεια, τα τελικά προϊόντα της ζύµωσης που παράγονται από ένα βακτήριο, εξαρτώνται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες αυτό αναπτύσσεται. Οι ιδανικές συνθήκες που χρειάζονται τα µεθανογενή βακτήρια για να αναπτυχθούν είναι: α) 35 o C (µεσόφιλη ζώνη), pη ουδέτερο και HRT 30 ηµέρες και β) 55 o C 47

48 (θερµόφιλη ζώνη), pη ουδέτερο και HRT 15 ηµέρες. Οι ιδανικές συνθήκες θερµοκρασίας που τα υδρογονογενή βακτήρια χρειάζονται για να αναπτυχθούν και να παράγουν την µέγιστη ποσότητα υδρογόνου δεν έχουν προσδιοριστεί πειραµατικά, γενικά κυµαίνονται µεταξύ µεσόφιλης και υπερθερµόφιλης ζώνης (35-70 o C). Ενώ έχει αποδειχθεί οτι το ιδανικό pη είναι και το HRT 6-26 h. Συµφωνά µε την στοιχειοµετρία των αντιδράσεων κατά τη διαδικασία της σκοτεινής αναερόβιας ζύµωσης, όταν το οξικό οξύ είναι το τελικό προϊόν, λαµβάνεται ένα θεωρητικό µέγιστο 4 mole H 2 ανά mole γλυκόζης: C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 4H 2 + 2CO 2 Όταν το βουτυρικό οξύ είναι το τελικό προϊόν, λαµβάνεται ένα θεωρητικό µέγιστο 2 mole H 2 ανά mole γλυκόζης: C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 + 2CO 2 Όταν το προπιονικό οξύ είναι το τελικό προϊόν, παρατηρείται µία θεωρητική κατανάλωση 2 mole H 2 ανά mole γλυκόζης: C 6 H 12 O 6 + 2H 2 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O Κατά συνέπεια, η υψηλότερη θεωρητική παραγωγή H 2 συνδέεται µε το οξικό οξύ ως τελικό προϊόν της ζύµωσης. Στην πράξη εντούτοις, οι υψηλή παραγωγή H 2 συνδέεται µε ένα µίγµα ζυµωτικών προϊόντων οξικού και βουτυρικού οξέος και η χαµηλή παραγωγή συνδέεται µε το προπιονικό οξύ και µε αναγόµενα τελικά προϊόντα (αλκοόλες, γαλακτικό οξύ) (B. Levin et al., 2004). Τα αναγόµενα τελικά προϊόντα της ζύµωσης, όπως η αιθανόλη, η βουτανόλη, και το γαλακτικό οξύ, περιέχουν υδρογόνο που δεν απελευθερώθηκε ως αέριο. Για να µεγιστοποιηθεί η παραγωγή H 2, ο µεταβολισµός του βακτηρίου πρέπει να αποµακρυνθεί από τις αλκοόλες (αιθανόλη, βουτανόλη) και τα αναγόµενα οξέα (γαλακτικό) και να οδηγηθεί προς τα πτητικά λιπαρά οξέα (VFA) (B. Levin et al., 2004). 48

49 3.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή υδρογόνου Οι τρεις βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την υδρογονογένεση είναι: Α) το ph, B) η θερµοκρασία, Γ) ο υδραυλικός χρόνος διατήρησης (HRT). (Κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συγκεκριµένης πειραµατικής διάταξης, το οργανικό φορτίο παραµένει σταθερό και δεν υπάρχει παρέµβαση στη µερική πίεση του αερίου µίγµατος). Α) Επίδραση του ph Τα αποτελέσµατα των ερευνών που έχουν γίνει µέχρι σήµερα για την παραγωγή υδρογόνου σε συνεχούς ροής αντιδραστήρες από γλυκόζη (Nakamura et al., 1993; Majizat et al., 1997), δείχνουν ότι ο έλεγχος του ph είναι σηµαντικός. Το ph επηρεάζει την δραστηριότητα της υδρογενάσης (Dabrock et al., 1992) και των µεταβολικών διαδικασιών (Lay, 2000). Το ιδανικό ph για την παραγωγή υδρογόνου ποικίλει και κυµαίνεται για τους αντιδραστήρες συνεχούς ροής από ph , σε ph , για την ζύµωση σακχαρόζης (Ren et al., 1995) και αµύλου (Lay, 2000) αντίστοιχα. Σύµφωνα µε τους Fang και Liu 2002, µε ph 5.5, στο βιοαέριο δεν ανιχνεύτηκε µεθάνιο λόγω της καταστολής της µεθανογένεσης στις όξινες συνθήκες. Όµως όταν το ph αυξήθηκε, σηµαντικές ποσότητες µεθανίου παράχθηκαν από τα µεθανογενή βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο. 49

50 Επίδραση του ph a) στην αποικοδόµηση της γλυκόζης b) στην σύνθεση του βιοαερίου c) στην απόδοση παραγωγής του υδρογόνου d) στον ακριβή ρυθµό παραγωγής υδρογόνου. ΣΧΗΜΑ 3.1: Επίδραση του ph σε πείραµα µε µικτές καλλιέργειες βακτηρίων (Fang and Liu, 2002) Στα τέσσερα διαγράµµατα παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα του πειράµατος (Fang and Liu, 2002) µε µικτές καλλιέργειες βακτηρίων (σε υπόστρωµα γλυκόζης), σε διαφορές τιµές του ph µε HRT 6 ώρες και θερµοκρασία στους 36 o C. Παρατηρούµε ότι σε τιµές του ph µεταξύ 4.0 και 5.5 έχουµε µηδενική παραγωγή µεθανίου και ο ρυθµός παραγωγής του υδρογόνου βρίσκεται εγγύτερα στις στοιχειοµετρικές τιµές. Όταν το ph βρίσκεται µεταξύ 5.5 και 7.0 αρχίζει να εµφανίζεται µεθανογένεση ενώ ο ρυθµός παραγωγής του υδρογόνου µειώνεται ραγδαία. Στην ίδια πειραµατική διάταξη µετρήθηκαν οι συγκέντρωσεις των λιπαρών πτητικών οξέων (VFA), µερικά από τα αποτελέσµατα αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα: 50

51 ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1: Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων ph Βουτυρικό οξύ (%) Οξικό οξύ (%) Προπιονικό οξύ (%) *Fang and Liu, 2002 Παρατηρούµε ότι για τιµές του ph µεταξύ 4.0 και 5.5 η παραγωγή του προπιονικού οξέος διατηρείται σε πολύ χαµηλά επίπεδα, ενώ ταυτόχρονα για τις ίδιες τιµές του ph, η παραγωγή βουτυρικού οξέος είναι πολύ υψηλή, σε συνδυασµό µε την παραγωγή του οξικού οξέος που βρίσκεται σε ικανοποιητικά επίπεδα. Η µειωµένη παραγωγή προπιονικού οξέος σε χαµηλό ph έχει παρατηρηθεί κι από άλλους (Inanc et al., 1999), όµως αυξάνεται δραστικά σε ph µε ταυτόχρονη αύξηση της παραγωγής µεθανίου. Β) Επίδραση της Θερµοκρασίας Η θερµοκρασία είναι ένας καθοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη της µεθανογένεσης και της υδρογονογένεσης κατά τη σκοτεινή ζύµωση. Μελέτες έχουνε δείξει ότι η χρήση του θερµικού σοκ ως παράγοντα επιλογής των υδρογονογενών βακτηρίων έναντι των µεθανογενών µπορεί να επιτευχθεί σε batch αντιδραστήρες (Van Ginkel et al., 2001). Επίσης θερµική µεταχείριση µπορεί να γίνει στα λύµατα των αντιδραστήρων συνεχούς ροής, για να εξοντωθούν τα µεθανογενή βακτήρια (Levin et al., 2004; Lay, 2001; Oh et al., 2003; Ting et al., 2004). Ο Kotsopoulos et al., 2006, παρατήρησε ότι η µετάβαση της ενεργής βιοµάζας ενός UASB αντιδραστήρα από τους 55 o C στους 70 o C δηµιούργησε σοκ στα µεθανογενή βακτήρια και επέτρεψε στα υδρογονογενή βακτήρια να αναπτυχθούν πρώτα και να παράγουν υδρογόνο. Γ) Επίδραση του υδραυλικού χρόνου διατήρησης (HRT) Το HRT (υδραυλικός χρόνος διατήρησης), είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν τις διαδικασίες της µεθανογένεσης και της υδρογονογένεσης. Έχει βρεθεί ότι τα οξεογενή βακτήρια αναπτύσσονται ταχύτερα από τα µεθανογενή µε 51

52 αποτέλεσµα πολλοί ερευνητές να διαπίστωσουν ότι µε µικρά ΗΡΤ γίνεται έκπλυση των µεθανογενών και αναστολή της µεθανογένεσης. Οι απαιτήσεις των µεθανογενών βακτηρίων είναι HRT 7 ηµέρες στην θερµόφιλη και 15 ηµέρες στην µεσόφιλη επεξεργασία. Σε εργαστηριακό επίπεδο µια από τις µεθόδους περιορισµού της µεθανογένεσης είναι η λειτουργία του συστήµατος µε µικρό HRT (Κ. Vijayaraghavan and Mohd, 2004). Το µικρό HRT οδηγεί στην αποµάκρυνση (wash out) τον µεθανογενών βακτηρίων πριν ενεργοποιηθούν και παράγουν µεθάνιο και επιτρέπει στα υδρογονογενή να αναπτυχθούν απουσία του ανταγωνισµού. Ο Samir et al., 2006, παρατήρησε ότι σε αντιδραστήρα συνεχούς ροής µε την χρήση βακτηρίων µικτής καλλιέργειας, µε HRT 20 ώρες ευνοούνταν η παραγωγή υδρογόνου, ενώ µε HRT 30 ώρες ανιχνεύτηκε µεθάνιο στα αέρια προϊόντα. 52

53 4. ΠΤΗΤΙΚΑ ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ (Volatile Fatty Acids: VFA) Τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στην ανάπτυξη αντιδραστήρων για την αναερόβια επεξεργασία των λυµάτων, η οποία οδηγεί στην µετατροπή των οργανικών µορίων σε βιοαέριο. Η αφορµή για τη συγκέντρωση ενδιαφέροντος στην παραγωγή βιοαερίου δόθηκε µε την πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 1970 (Diamantis et al., 2006). Τα ζωικά λύµατα που παράγονται σε µικρές µονάδες εκτροφής, βρίσκονται συνήθως σε υγρή ή ρευστή µορφή (ενεργή ιλύς). Αυτά συνήθως αποθηκεύονται στις µονάδες για κάποιο χρονικό διάστηµα, µε ή χωρίς προσθήκη νέων λυµάτων, µε σκοπό την εκµετάλλευσή τους ή την απόθεσή τους. Τα αποθηκευµένα λύµατα, αν δεν βρίσκονται εκτεθειµένα στον αέρα, υπόκεινται σε αναερόβια αποικοδόµηση (Patni and Jui, 1985). Κατά την αναερόβια αποικοδόµηση λυµάτων ένα σύνολο οργανικών ενώσεων, όπως υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λιπίδια τα οποία περιέχονται στα περιττώµατα, αρχικά υδρολύεται και ζυµώνεται από γρήγορα αναπτυσσόµενα και µη-ευαίσθητα στο ph οξεογενή βακτήρια σε πτητικά λιπαρά οξέα (Li and Noike, 1992; Siegrist et al., 1993). Τα λιπαρά οξέα στη συνέχεια οξειδώνονται από αργά αναπτυσσόµενα οξεογενή βακτήρια σε οξικό οξύ, µοριακό υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα που αποτελούν ιδανικό υπόστρωµα για τα µεθανογενή βακτήρια (Denac et al., 1988;Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991;Ozturk, 1993). Η αναερόβια διαδικασία είναι διαδεδοµένη λόγω των πλεονεκτηµάτων που εµφανίζει, όπως είναι ο υψηλός βαθµός επεξεργασίας και η δυνατότητα παραγωγής µεθανίου (Wang et al., 1999), κάτι που συνεπάγεται ανάκτηση ενέργειας, γεγονός που την καθιστά µια από τις προσφορότερες µεθόδους. Με την όλο ένα και αυξανόµενη εφαρµογή της πλήρους κλίµακας αναερόβιας αποικοδόµησης για την επεξεργασία λυµάτων και την παραγωγή βιοαερίου, γεννήθηκε η ανάγκη να αναπτυχθεί µια αξιόπιστη µέθοδος για την εκτίµηση και τον έλεγχο της αναερόβιας διεργασίας. Η παρακολούθηση της διεργασίας απαιτεί την 53

54 ύπαρξη µιας παραµέτρου που θα δίνει σαφή εικόνα για τη µεταβολική διαδικασία καθ όλη τη διάρκεια (Ahring et al., 1995). Μερικά σηµαντικά χαρακτηριστικά ενός καλού δείκτη µιας διεργασίας είναι η ικανότητά του να εντοπίζει τυχόν ανισορροπίες του συστήµατος νωρίς και να αντανακλά τη µεταβολική διαδικασία ανά πάσα στιγµή. Είναι επίσης σηµαντικό η σχετική µεταβολή της παραµέτρου που ακολουθεί µια διαταραχή, να είναι σηµαντική συγκρινόµενη µε προηγούµενες αυξοµειώσεις και αβεβαιότητες της ανάλυσης (Ahring et al., 1995). ιάφορες παράµετροι έχουν προταθεί σαν δείκτες ελέγχου. Μερικοί από τους πιο συνηθισµένους δείκτες περιλαµβάνουν µέτρηση της παραγωγής του αερίου, της σύνθεσης του αερίου, του ph, της αποδόµησης των πτητικών στερεών και της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων. Γενικά, οι περισσότεροι από αυτούς τους δείκτες είναι βολικοί για τον προσδιορισµό βαθµιαίων µεταβολών (Angelidaki and Ahring 1994). Για µεγάλο χρονικό διάστηµα ήταν αναγνωρισµένο ότι η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων είναι µια από τις πιο σηµαντικές παραµέτρους για τον ακριβή έλεγχο της αναερόβιας χώνευσης (Chynoweth and Mah 1971; Fischer et al. 1983; Hill and Bolte 1989; McCarty and McKinney 1961). Τα πτητικά λιπαρά οξέα αποτελούν πολύ σηµαντικά ενδιάµεσα προϊόντα στην παραγωγή µεθανίου µε αναερόβια αποικοδόµηση, και η συγκέντρωσή τους αποτελεί έναν από τους πιο σηµαντικούς δείκτες ελέγχου της σταθερότητας της διαδικασίας της αποικοδόµησης (McCarty, 1964;Stafford, 1982). Τα περιεχόµενα πτητικά λιπαρά οξέα στα λύµατα από διάφορα είδη ζώων χρησιµοποιούνται για το χαρακτηρισµό του υποστρώµατος κατά τη µελέτη της κινητικής της διαδικασίας παραγωγής του µεθανίου (Hill, 1983;Hill et al., 1983). 4.1 Χαρακτηριστικά πτητικών λιπαρών οξέων και επίδραση στο περιβάλλον Τα λιπαρά οξέα που βρίσκονται στα λύµατα των χοίρων είναι µεταβολικά προϊόντα της βακτηριακής αναερόβιας ζύµωσης και έχουν ανιχνευθεί σε υγρά λύµατα τα οποία 54

55 αποθηκεύονται αναερόβια (Cooper and Cornforth, 1978; Guenzi and Beard, 1981; Patni and Jui, 1985). Είναι ευρέως γνωστό και αποδεκτό ότι η ύπαρξη των πτητικών λιπαρών οξέων στα λύµατα, µειώνεται καθώς η ανθρακική αλυσίδα αυξάνει. Επιπρόσθετα, η παρουσία φορµικού οξέος είναι συνήθως αρκετά περιορισµένη εξαιτίας της ταχύτατης µετατροπής του σε άλλα συστατικά (µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα). Έτσι είναι λογικό η προσοχή να επικεντρώνεται σε λιπαρά οξέα που έχουν από δύο έως πέντε άτοµα άνθρακα (Wang et al., 1999). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: Πτητικά Λιπαρά Οξέα µικρής ανθρακικής αλυσίδας ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΜΟΡΙΑΚΟΣ ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ ΜΟΡΙΑΚΟ ΤΥΠΟΣ ΒΑΡΟΣ ΟΞΙΚΟ ΟΞΥ C 2 H 4 O 2 CH3-COOH 60 ΠΡΟΠΙΟΝΙΚΟ ΟΞΥ ΒΟΥΤΥΡΙΚΟ ΟΞΥ ΙΣΟ-ΒΟΥΤΥΡΙΚΟ ΟΞΥ C 3 H 6 O 2 CH3-CH2-COOH 74 C 4 H 8 O 2 CH3-CH2-CH2-COOH 88 C 4 H 8 O 2 CH3-CH-COOH CH3 ΒΑΛΕΡΙΚΟ ΟΞΥ C 5 H 10 O 2 CH3-CH2-CH2-CH2-COOH ΙΣΟ-ΒΑΛΕΡΙΚΟ ΟΞΥ C 5 H 10 O 2 CH3-CH-CH2-COOH CH3 102 Το οξικό οξύ συνήθως αποτελεί το 60 µε 70 % του συνόλου των λιπαρών οξέων µε το προπιονικό να ακολουθεί µε ένα 10 µε 20 % και τα υπόλοιπα να αντιπροσωπεύουν το 10 µε 20 % (Cooper and Cornforth, 1978;Spoelstra, 1980;Conn et al., 2005). Το εύρος των συγκεντρώσεων των λιπαρών οξέων µικρής ανθρακικής αλυσίδας (C 2 -C 5 ), είναι: Οξικό οξύ 2-13 g/l, Προπιονικό οξύ 0-3 g/l, Ισοβουτυρικό οξύ 0-1 g/l, Βουτυρικό οξύ 0-2 g/l, Ισοβαλερικό οξύ 0-0,5 g/l, Βαλερικό οξύ 0-0,3 g/l. Συνήθως οι συνολικές συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων στα λύµατα ποικίλουν από 5-20 g/l (Spoelestra, 1979). Αυτή η µεγάλη ποσότητα λιπαρών οξέων που περιέχεται στα λύµατα προκαλεί ενδεχοµένως κάποιες περιβαλλοντικές επιδράσεις: 55

56 1. Ανάµεσα σε µια λίστα από περίπου 200 συστατικά τα οποία έχουν αναγνωριστεί ως αυτά που προκαλούν τις οσµές των λυµάτων, η οµάδα των πτητικών λιπαρών οξέων αποτελεί έναν από τους συντελεστές των ενοχλητικών οσµών (Zhu, Riskowski and Torremorell, 1999; O'Neill and Phillips, 1992). Τα οξέα µε την πιο δυσάρεστη οσµή είναι το βουτυρικό και το βαλερικό οξύ τα οποία έχουν και χαµηλό όριο ανίχνευσης των οσµών σε σχέση µε το οξικό και το προπιονικό οξύ (Zahn et al., 2001;Le et al., 2005). Έτσι οι οσµές των λιπαρών οξέων δεν είναι ευθέως ανάλογες µε τις συγκεντρώσεις αυτών αλλά κυρίως µε τις συγκεντρώσεις του βουτυρικού και του βαλερικού οξέος (Zhu et al., 1996, 1997). 2. Τα περισσότερα αποθηκευµένα ζωικά λύµατα, παραδοσιακά ανακυκλώνονται µε τη διασπορά τους στη γεωργική γη (Μαρτζόπουλος, 2001). Αυτή η πρακτική ενδεχοµένως εµποδίζει την ανάπτυξη των φυτών (Cooper and Conforth, 1978; Paul and Beauchamp, 1989) σε επίπεδα 0,20 mmol συνολικών πτητικών λιπαρών οξέων ανά kg εδάφους. 3. Τα λιπαρά οξέα, αποτελούν ένα ενδιάµεσο προϊόν στη διαδικασία της µεθανογένεσης όπου παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και µεθάνιο κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Τα αέρια προϊόντα ελευθερώνονται στην ατµόσφαιρα, όπου το µεθάνιο δρα ως ένα αέριο του θερµοκηπίου (Safley et al. 1992). Τα πτητικά λιπαρά οξέα συχνά προστίθενται στις ζωοτροφές και τα φρούτα για να αποτραπεί η σήψη, και το οξικό οξύ και το προπιονικό οξύ, χρησιµοποιούνται σαν συντηρητικά τροφίµων (Doores, 1993;Freese et al., 1973;Sholberg, 1998). 4.2 Επίδραση πτητικών λιπαρών οξέων στην αναερόβια αποικοδόµηση Η αναερόβια χώνευση είναι µια σύνθετη διεργασία που αποτελείται από µία σειρά µικροβιακών αντιδράσεων που καταλύονται από µια οµάδα διαφόρων βακτηριδίων (McInerney et al. 1980). Κάτω από συνθήκες µη σταθερής λειτουργίας, οι ενδιάµεσες ενώσεις όπως τα πτητικά λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες συσσωρεύονται (Gujer and Νehnder 1983) σε διαφορετικούς ρυθµούς εξαρτώµενα από το υπόστρωµα και τον τύπο της διαταραχής που προκαλεί αστάθεια (Allison 1978). Οι πιο συνηθισµένες διαταραχές που προκαλούν αστάθεια είναι η υδραυλική ή η οργανική υπερφόρτωση, 56

57 η παρουσία ανόργανων ή οργανικών τοξίνων ή άλλες διαταραχές στις συνθήκες της διεργασίας όπως είναι η θερµοκρασία και οι αλλαγές του υποστρώµατος (Switzenbaum et al. 1990). Η συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων αντανακλά µια κινητική αποσύνδεση µεταξύ των παραγωγών και των καταναλωτών των οξέων και είναι τυπική για καταστάσεις stress. Πολλοί ερευνητές συσχέτισαν τη σταθερότητα της διεργασίας µε τις συγκεντρώσεις κάθε οξέος ξεχωριστά στον αντιδραστήρα (Hill et al. 1987; Kaspar and Wuhrmann 1978; Hill and Holmberg 1988; Varel et al. 1977). Συγκεντρώσεις οξικού οξέος µεγαλύτερες από 13 mm αναφέρθηκε ότι δείχνουν ανισορροπία (Hill et al. 1987). Από µερικούς ερευνητές προτάθηκε ότι το προπιονικό οξύ αποτελεί καλύτερο δείκτη της αστάθειας του συστήµατος (Kaspar and Wuhrmann 1978; Varel et al. 1977). Ο Hill (1982) έκανε την πρόταση πως ο λόγος προπιονικού/οξικού οξέος θα έπρεπε να χρησιµοποιείται σαν δείκτης της διεργασίας. Πρότεινε ότι για µια σταθερή διεργασία ο λόγος αυτός των δύο οξέων θα έπρεπε να είναι µικρότερος από 1,4. Πτητικά λιπαρά οξέα µεγαλύτερης ανθρακικής αλυσίδας (C 4 -C 6 ), έχουν επίσης προταθεί σαν δείκτες της διεργασίας (Fischer et al. 1983; Chen and Day 1986). Οι Hill και Holmberg (1988) έδειξαν πως συγκεντρώσεις ισο-βουτυρικού ή ισοβαλερικού µικρότερες από 0,06 mm δείχνουν σταθερή διεργασία, καθώς και ότι συγκεντρώσεις µεταξύ 0,06 mm και 0,17 mm δείχνουν ανισορροπία του συστήµατος. Ωστόσο, από τα διάφορα επίπεδα πτητικών λιπαρών οξέων που έχουν βρεθεί σε διαφορετικούς αντιδραστήρες, προκύπτει το συµπέρασµα ότι δεν είναι εφικτό να καθοριστεί ένα απόλυτο επίπεδο πτητικών λιπαρών οξέων που να δείχνει την κατάσταση της διεργασίας. Κάθε αναερόβιο σύστηµα έχει τα δικά του φυσιολογικά επίπεδα πτητικών λιπαρών οξέων, που καθορίζονται από τη σύσταση του υποστρώµατος ή από τις συνθήκες λειτουργίας (Angelidaki et al. 1993). Τα τοξικά αποτελέσµατα υψηλών συγκεντρώσεων πτητικών λιπαρών οξέων στην αναερόβια χώνευση µελετήθηκαν και διατυπώθηκαν από πλήθος ερευνητών (Ahring and Westermann 1988; Gorris et al. 1989; Gourdon and Vermande 1987), και η πτώση του ph σαν αποτέλεσµα θεωρείται γενικά η κύρια αιτία της τοξικότητας (Hill 1982; Mosey and Fernandes 1984). Κάποιες µελέτες έδειξαν ότι υψηλές συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων µεταξύ τους δεν έχουν αρνητικά αποτελέσµατα στη διεργασία του βιοαερίου (Boone 1980; Gourdon and Vermande 57

58 1987). Όµως έχει δειχθεί πως αποικοδόµηση του προπιονικού και του βουτυρικού οξέος αναστέλλεται από το οξικό οξύ (Ahring and Westermann 1988; Kasper and Wuhrmann 1978). Ο συγκεκριµένος ρόλος των ξεχωριστών λιπαρών οξέων στο σύνολο της αναερόβιας διεργασίας αποτέλεσε το θέµα συζήτησης και ακόµα δεν έχει γίνει πλήρως κατανοητός. Οι υψηλές συγκεντρώσεις οξικού οξέος και κατά συνέπεια και των υπολοίπων λιπαρών οξέων έχει αποδειχθεί από έρευνες ότι συνδυάζονται από υψηλές συγκεντρώσεις υδρογόνου στο αέριο µίγµα. Από τις αντιδράσεις σχηµατισµού των λιπαρών οξέων κατά την αναερόβια αποικοδόµηση φαίνεται καθαρά η παραγωγή υδρογόνου, το οποίο στη συνέχεια καταναλώνεται για παραγωγή µεθανίου. Αν η παραγωγή του µεθανίου ανασταλεί είναι δυνατό η αναερόβια αποικοδόµηση να οδηγήσει σε παραγωγή υδρογόνου ως κύριο προϊόν. ιάφορες φυσικο-χηµικές παράµετροι επηρεάζουν την παραγωγή µεθανίου και αναστολή της βακτηριακής δραστηριότητας είναι πιθανή αν οι συγκεντρώσεις είτε του υποστρώµατος είτε των προϊόντων αυξηθούν πάρα πολύ. Για παράδειγµα, υψηλές συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων στο σύστηµα µπορούν να προκαλέσουν αναστολή της µεθανογένεσης (Marchaim and Krause, 1993;Van den Heuvel and Beeftink, 1988;Ahring and Westermann, 1988;Hill, 1989;Fukuzaki et al., 1990). Από πειράµατα (Padmasiri et al., 2006) προέκυψε ότι όσο αυξάνεται ο ρυθµός τροφοδοσίας του αντιδραστήρα, υπάρχει αύξηση στη συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων ύστερα από λίγο. Κάτω από συνθήκες υπερτροφοδότησης και µε την παρουσία αναστολέων η δραστηριότητα της µεθανογένεσης δεν µπορεί να αποκρίνει το υδρογόνο και τα πτητικά λιπαρά οξέα τόσο γρήγορα όσο παράγονται. Σαν αποτέλεσµα αυτού δηµιουργείται συσσώρευση των οξέων, ελαχιστοποίηση της ρυθµιστικής ικανότητας και µείωση του ph σε επίπεδα τα οποία επίσης αναστέλουν τη φάση υδρόλυσης/οξεογένεσης (Palmisano and Barlaz, 1971). Υπό σταθερές συνθήκες, ο ρυθµός παραγωγής των οξέων εξισορροπείται από έναν ίσο ρυθµό κατανάλωσης. Κάτω από συνθήκες διαταραχής της τροφοδοσίας ωστόσο, ο ρυθµός παραγωγής των οξέων, µπορεί να ξεπεράσει το ρυθµό κατανάλωσης. Αν η διαταραχή δεν είναι τόσο έντονη ή παρατεταµένη, η ρυθµιστική ικανότητα του διαλύµατος θα εξαντληθεί τελικά, µε συνέπεια το ph να µειωθεί σηµαντικά. Αυτή η 58

59 επιδείνωση των συνθηκών ενισχύεται από το γεγονός ότι τα µεθανογενή που καταναλώνουν οξέα αναστέλλονται περισσότερο από τη µείωση του ph σε σχέση µε αυτά που παράγουν οξέα, µε αποτέλεσµα σε ακραίες περιπτώσεις µια µη αναστρέψιµη οξίνιση του χωνευµένου διαλύµατος και το σταµάτηµα της διαδικασίας της αποικοδόµησης. Καθώς η ρυθµιστική ικανότητα παρέχει ένα βαθµό σταθερότητας απέναντι στην ανισορροπία των οξέων, εµποδίζει τη χρήση του ph σαν ευαίσθητο δείκτη για την ανίχνευση της επικείµενης οξίνισης (Powell and Archer, 1988). Η σταθερή παρακολούθηση της ρυθµιστικής ικανότητας και των επιπέδων των πτητικών λιπαρών οξέων έχει προταθεί για τον αξιόπιστο και αποτελεσµατικό έλεγχο της αναερόβιας αποικοδόµησης (McCarty 1964). Όπως ο McCarty επισήµανε, τα υψηλά επίπεδα πτητικών λιπαρών οξέων είναι το αποτέλεσµα και όχι η αιτία της ανισορροπίας της αποικοδόµησης (Powell and Archer, 1988). Το ποσό των λιπαρών οξέων που εξατµίζονται από τα λύµατα εξαρτάται κυρίως από το ph και τις συγκεντρώσεις αυτών. Παρατηρήσεις σχετικά µε την επίδραση της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων στους µικροοργανισµούς στους αναερόβιους αντιδραστήρες, µπερδεύονται από το γεγονός ότι τα οξέα επηρεάζουν επίσης και το ph. Όταν το ph διατηρείται σταθερό κοντά στο ουδέτερο, τα πτητικά λιπαρά οξέα δεν παρουσιάζουν σηµαντική τοξική επίδραση πάνω στα µεθανογενή βακτήρια σε συγκεντρώσεις µέχρι 1000 mg/lt. Ανάµεσα στα οξέα, ανασταλτικοί παράγοντες καταγράφηκαν µόνο για το προπιονικό οξύ, και αυτό µόνο σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις των 1000 ppm και πάνω (McCarty and McKinney, 1961). Όσο χαµηλότερο είναι το ph, τόσο µεγαλύτερη είναι η αναλογία ανάµεσα στις πτητικές µη-ιοντικές µορφές (οξικό οξύ) και στις µη-πτητικές ιοντικές µορφές (οξικός εστέρας) (Conn et al., 2005). Η τιµή της pk a για τα πτητικά λιπαρά οξέα κυµαίνεται µεταξύ 4,8 και 5 στους 248 o C (Perrin and Dempsey, 1974). Μικρή πτητικότητα των λιπαρών οξέων απαντάται συνήθως σε λύµατα µε τιµές ph λίγο κάτω ή πάνω από 7, επειδή σχεδόν το 100 % των λιπαρών οξέων βρίσκεται στη µη-πτητική ιοντική µορφή (Arogo et al, 2003; Conn et al., 2005;Le et al., 2005). Το ph των λυµάτων των χοίρων κυµαίνεται µεταξύ 6,5 και 8,6 (Cooper and Cornforth, 1978;Conn et al., 2005). 59

60 Γενικά ισχύει ότι η µη-ιοντική µορφή των πτητικών λιπαρών οξέων είναι τοξική (Freese, 1973; Goepfert and Hicks, 1969; Wallace et al., 1989). Η αναλογία ιοντικής και µη-ιοντικής µορφής ενός λιπαρού οξέος εξαρτάται από το ph του διαλύµατος. Η συγκέντρωση της µη-ιοντικής µορφής ενός µεµονωµένου οξέος σε ένα διάλυµα υπολογίζεται µε τη βοήθεια της εξίσωσης Henderson-Hasselbalch (Hasselbalch, 1916): mm µη-ιοντικών = [mm (µη-ιοντικών + ιοντικών)] / [ (10 (-pka) / 10 (-ph) ) + 1] όπου mm (µη-ιοντικών + ιοντικών) = η συγκέντρωση ενός λιπαρού οξέος στο διάλυµα (millimolar), pka = σταθερά ισορροπίας. Αναφορές για την τοξικότητα των πτητικών λιπαρών οξέων στις καλλιέργειες (Doores, 1993;Lynch, 1977,1978), στους οργανισµούς που ευθύνονται για την αλλοίωση των τροφίµων (Esgalhado, 1996) και της παθογένειας των φυτών (Widmer, 1998), δεν περιλαµβάνουν υπολογισµούς των συγκεντρώσεων των µη-ιοντικών µορφών των λιπαρών οξέων, αν και είναι απαραίτητο για την αποτελεσµατική χρήση των πτητικών λιπαρών οξέων στα γεωργικά συστήµατα(tenuta et al., 2002). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2: Αντιδράσεις αποικοδόµησης λιπαρών οξέων Οξύ Αντίδραση 1 Οξικό CH 2 COOH CH 4 + CO 2 2 Προπιονικό CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + CO 2 + 2H 2 3 Βουτυρικό CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2H 2 4 Ισο-Βουτυρικό CH 3 (CHCH 3 )COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2H 2 5 Βαλερικό CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 6 Ισο-Βαλερικό CH 3 (CHCH 3 )CH 2 COOH + CO 2 + 2H 2 O 3CH 3 COOH + H 2 *ΠΗΓΗ: Dynamics of the anaerobic process: Effects of volatile fatty acids 4.3 Τεχνικές προσδιορισµού πτητικών λιπαρών οξέων Η ποσοτικοποίηση των λιπαρών οξέων είναι απαραίτητη για την αξιολόγηση και τη µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων όπως είναι η δυσοσµία, η µείωση της ανάπτυξης των φυτών και η παραγωγή υποστρώµατος µεθανίου. Υπάρχουν 60

61 πολυάριθµες τεχνικές για τον προσδιορισµό των πτητικών λιπαρών οξέων µε τις πιο συνηθισµένες να είναι οι χρωµατογραφικές ακολουθούµενες από τις χρωµατοµετρικές και τις στοιχειοµετρικές τεχνικές. Για τον προσδιορισµό των πτητικών λιπαρών οξέων, συνήθως χρησιµοποιείται υγρή και αέρια χρωµατογραφία (Brien and Loomis, 1978;Otsuka, 2002). Για τον προσδιορισµό των οξέων µε χρήση αέριας χρωµατογραφίας, υπάρχουν διάφορες µέθοδοι στη βιβλιογραφία, µε τις πιο γνωστές να είναι: η προεπεξεργασία του δείγµατος µε απόσταξη (Abbatichio et al., 1983;Yan and Jen, 1992), headspace χρωµατογραφία (Seto, 1994;Abalos et al., 2002), και η µέθοδος απ ευθείας έγχυσης (Henderson and Steedman, 1982; Tangerman and Nagengast, 1996). Η πρώτη µέθοδος απαιτεί πρόσθετο εξοπλισµό, χρειάζεται αρκετό χρόνο και εµπειρία. Η δεύτερη δεν είναι απ ευθείας εφαρµόσιµη στο διάλυµα. Τελικά, η µέθοδος απ ευθείας έγχυσης έχει το πλεονέκτηµα του άµεσου προσδιορισµού των πτητικών οργανικών συστατικών της υγρής φάσης, ωστόσο η µέθοδος έχει αναφερθεί ότι οδηγεί στην αµφάνιση άγνωστων κορυφών εξαιτίας της µόλυνσης της στήλης της αέριας χρωµατογραφίας. ιάφορες τεχνικές έχουν εφαρµοστεί για να ξεπεραστεί το συγκεκριµένο πρόβληµα, όπως είναι η χρήση φορµικού οξέος (Famme and Knudsen 1984), και η εγκατάσταση γραµµής µε wool plug σαν µια προ-στήλη για το φιλτράρισµα των διαλυµένων µολυσµατικών συστατικών (Tangerman and Nagengast, 1996). Η αέρια χρωµατογραφία αποτελεί τη συχνότερα προτιµόµενη µέθοδο για τον διαχωρισµό και την ποσοτικοποίηση των λιπαρών οξέων. Πράγµατι, η τεχνική αυτή βασίζεται στη χρήση µιας «packed» ή µιας τριχοειδούς στήλης σε συνδυασµό µε έναν ανιχνευτή φλόγας ιονισµού, επιτρέπει υψηλή ακρίβεια στην ανάλυση των λιπαρών οξέων σε ένα σύνθετο µίγµα, περιλαµβάνοντας τον διαχωρισµό των ισοµερών. Ανάλυση περιορισµένης ακρίβειας είναι πιθανή για συγκεντρώσεις δειγµάτων µικρότερες από 10 mg/l για κάθε οξύ (Madrid et al. 1999), και συνήθως προστίθεται ένα εσωτερικό πρότυπο στο δείγµα για τη διόρθωση της ικανότητας αναπαραγωγής της έγχυσης του όγκου του δείγµατος. Οι στοιχειοµετρικές (Anderson and Yang, 1992; Haas and Adam, 1995) και οι χρωµατοµετρικές (Montgomery et al. 1962) µέθοδοι συνήθως χρησιµοποιούνται στην 61

62 ανάλυση απόνερων «wastewater». Αυτές οι µέθοδοι αναπτύχθηκαν παράλληλα µε τις µεθόδους αέριας χρωµατογραφίας, λόγω του µέτριου κόστους, της απλότητας της διαδικασίας και της ταχύτητας στον προσδιορισµό του συνόλου των λιπαρών οξέων. Με τη στοιχειοµετρική διαδικασία, είναι απαραίτητη η ιδιαίτερη προσοχή στη συντήρηση και τη βαθµονόµηση του οργάνου µέτρησης του ph, και η υψηλή συγκέντρωση ανθρακικών αλάτων στα λύµατα ίσως επηρεάσει τον προσδιορισµό των πτητικών λιπαρών οξέων (Haas and Adam, 1995). Με τις διάφορες αυτές αναλυτικές µεθοδολογίες και µε ένα συνδυασµό φυσιολογικών υγρών όπως ούρων-περιττωµάτων ή ορού, η προετοιµασία των δειγµάτων είναι απαραίτητη πριν τον προσδιορισµό των λιπαρών οξέων. Αυτή η προετοιµασία περιλαµβάνει διάφορα στάδια για τον καθαρισµό ή τη συγκέντρωση του δείγµατος (φυγοκέντρηση, φιλτράρισµα) (Chen and Lifschitz, 1989). 62

63 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στην παρούσα µελέτη λειτούργησε σε εργαστηριακές συνθήκες ένα κλειστό σύστηµα δύο εν σειρά αντιδραστήρων συνεχούς ροής και πλήρους ανάµειξης (CSTRcontinuous stirred tank reactor) κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Ο πρώτος αντιδραστήρας λειτούργησε στη µεσόφιλη περιοχή (35 o C) µε υδραυλικό χρόνο διατήρησης (HRT) 16 ηµέρες µε στόχο την παραγωγή µεθανίου και ο δεύτερος στην υπερθερµόφιλη περιοχή (70 o C) µε HRT 24 ωρών µε στόχο την παραγωγή υδρογόνου. Μέρος της ενεργής βιοµάζας από τον πρώτο αντιδραστήρα εισαγόταν καθηµερινά στον δεύτερο αντιδραστήρα για την βελτίωση της αναερόβιας αποικοδόµησης. Οι µετρήσεις που έλαβαν χώρα περιλάµβαναν τα πτητικά στερεά, το ph, η ποσοτική και η ποιοτική σύσταση των παραγοµένων αερίων και οι συγκεντρώσεις των πτητικών λιπαρών οξέων στους δύο αντιδραστήρες. Τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα που προέκυψαν παρουσιάζονται στη συνέχεια. 63

64 5. ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Η εξάντληση των αποθεµάτων πετρελαίου και οι επιπτώσεις της χρήσης των συµβατικών καυσίµων, έχει οδηγήσει τα τελευταία χρόνια σε µια εντατική προσπάθεια εξεύρεσης νέων πηγών ενέργειας, φιλικότερων προς το περιβάλλον. Μια από τις πλέον υποσχόµενες και καθαρές πηγές είναι το υδρογόνο. Το υδρογόνο είναι ένα αέριο µε υψηλή ενεργειακή απόδοση κατά την καύση του και επιπλέον οι εκποµπές που εκλύονται δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. Υπάρχουν διάφορες µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου, οι βιολογικές όµως είναι αυτές που προσελκύουν περισσότερο σήµερα το ενδιαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας. Η αναερόβια ζύµωση, µία από τις αποδοτικότερες βιολογικές µεθόδους, δίνει το πλεονέκτηµα της χρήσης των οργανικών αποβλήτων σαν πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου. Η µέθοδος αποτελείται από τρία στάδια: α. υδρόλυση, β. παραγωγή οξέων και γ. µεθανογένεση. Η παραγωγή του υδρογόνου συντελείται στα δύο πρώτα στάδια της διαδικασίας, ενώ στο τρίτο καταναλώνεται για την παραγωγή µεθανίου. Εποµένως, βασική προϋπόθεση για την παραγωγή υδρογόνου αποτελεί η αναστολή της διαδικασίας της µεθανογένεσης. Από διάφορες µελέτες που έχουν γίνει µε βάση τη µέθοδο αυτή και µε δοκιµές σε διαφορετικές περιοχές θερµοκρασίας, (µεσόφιλη περιοχή, θερµόφιλη περιοχή, υπερθερµόφιλη περιοχή), αποδείχθηκε πως η εφαρµογή υπερθερµόφιλης θερµοκρασίας έχει τα καλύτερα αποτελέσµατα. Εκτός από την καλύτερη απόδοση σε υδρογόνο (Kotsopoulos et al., 2006; Pakarinen et al., 2008), η υπερθερµόφιλη περιοχή παρουσιάζει πλεονεκτήµατα όπως το ότι µειώνεται ο κίνδυνος µόλυνσης από µεθανογενή βακτήρια (van Groenestijn et al., 2002) καθώς και το ότι δηµιουργούνται καλύτερες θερµοδυναµικές συνθήκες οι οποίες βοηθούν την παραγωγή υδρογόνου (Kádár et al., 2004; van Niel et al., 2002; Levin et al., 2004). Όπως προαναφέρθηκε, ένα από τα πλεονεκτήµατα της αναερόβιας ζύµωσης είναι η χρήση διαφόρων τύπων οργανικών αποβλήτων (βιοµηχανικά, οικιακά, ζωικά) σαν πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου. Τα ζωικά απόβλητα παρά το ότι αποτελούν µια πολύ καλή πηγή παραγωγής δεν έχουν µελετηθεί επαρκώς ώστε να βελτιστοποιηθεί η διαδικασία µετατροπής τους σε υδρογόνο. Κύριος ανασταλτικός 64

65 παράγοντας σε αυτό είναι το στάδιο της µεθανογένεσης το οποίο µειώνει ή και τερµατίζει την παραγωγή υδρογόνου λόγω της δηµιουργίας ευνοϊκών συνθηκών για αυτήν. Οι Yokoyama et al., (Yokoyama et al., 2007) χρησιµοποίησαν λύµατα αγελάδων για να παράξουν υδρογόνο κάτω από διάφορες συνθήκες θερµοκρασίας. Βρήκαν ότι είναι δυνατό να παραχθεί υδρογόνο σε εφάπαξ πλήρωσης πειράµατα απλά και µόνο µε επώαση των λυµάτων χωρίς την παρουσία πρόσθετων ή σπόρους βακτηρίων. Ενώ οι Tang et al., (Tang et al., 2008) µελέτησαν την επίδραση της θερµοκρασίας και του ph στην παραγωγή υδρογόνου από λύµατα αγελάδων σε εφάπαξ πλήρωσης πειράµατα. Οι Venkata Mohan et al., (Venkata Mohan et al., 2008) εξέτασαν την επίδραση της χηµικής επεξεργασίας, της θερµικής επεξεργασίας και της επεξεργασίας του ph όπως επίσης και συνδυασµού αυτών σε λύµατα αγελάδων για να επιτείνουν την παραγωγή υδρογόνου σε µεσόφιλες περιοχές σε κατάσταση εφάπαξ πλήρωσης. Οι Zhu et al., (Zhu et al., 2007) χρησιµοποίησαν λύµατα χοίρων αναµιγµένα µε ποικιλία θρεπτικών συστατικών και γλυκόζης για να παράξουν υδρογόνο σε µεσόφιλες περιοχές σε κατάσταση συνεχούς χώνευσης. Επίσης χρησιµοποίησαν έλεγχο του ph κρατώντας το στο 5,3 στο σύστηµα. Μέχρι τώρα η παραγωγή βιοϋδρογόνου από ζωικά λύµατα χωρίς καµία προεπεξεργασία, έλεγχο του ph και πρόσθετη τροφοδοσία σε συνεχή συστήµατα υστερεί σηµαντικά. Έχοντας υπόψη τις µελέτες που προηγήθηκαν, αντιλαµβάνεται κανείς την έλλειψη έρευνας όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου από ζωικά λύµατα χωρίς να προηγηθεί επεξεργασία αυτών και χωρίς βέβαια την προσθήκη βακτηρίων και άλλων ουσιών. Στο πείραµα της συγκεκριµένης εργασίας χρησιµοποιήθηκαν λύµατα χοίρων µε µικτές καλλιέργειες χωρίς καµία προεπεξεργασία, για την παραγωγή υδρογόνου σε υπερθερµόφιλες συνθήκες θερµοκρασίας. Όπως γίνεται κατανοητό, στόχος της µελέτης ήταν η εξέταση της δυνατότητας παραγωγής υδρογόνου µε τις προαναφερθείσες συνθήκες αναστέλλοντας την µεθανογένεση, και η εξαγωγή χρήσιµων συµπερασµάτων για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας. 65

66 6. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 6.1 Υλικά που χρησιµοποιήθηκαν στην πειραµατική διαδικασία Η πειραµατική διάταξη µπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια, το στάδιο της τροφοδοσίας, το στάδιο της επεξεργασίας στους αντιδραστήρες και στο στάδιο του διαχωρισµού των φάσεων και µετρήσεων. Στο πρώτο στάδιο, αυτό της τροφοδοσίας χρησιµοποιήθηκαν: 1. υο γυάλινες κωνικές φιάλες των 250 ml και 2 lt αντίστοιχα, που χρησιµοποιήθηκαν σαν δεξαµενές τροφοδοσίας των λυµάτων D 1 (250 ml SIMAX) και D 2 (2 l ILMABOR TGI). 2. ύο σακούλες αποθήκευσης αερίων, µε άζωτο, B 1 και B 2, χωρητικότητας 2 lt. 3.Ένας µαγνητικός αναδευτήρας (Sr 3 ) NAHITA STIRRER υο περισταλτικές αντλίες (P 1,P 2 ) µε παροχή 46 ml/min (OMEGAFLEX FPU-254). 5. υο χρονοδιακόπτες (Tm 1,Tm 2 ) για τη χρονική ρύθµιση της λειτουργίας των δύο αντλιών. 6.Σωλήνες σιλικόνης διαµέτρου 6 και 8 mm για τη διακίνηση των λυµάτων και του αζώτου. ΣΧΗΜΑ 6.1:Στάδιο τροφοδοσίας Τροφοδοσία Αντιδραστήρα R1 Τροφοδοσία Αντιδραστήρα R2 66

67 Στο δεύτερο στάδιο, της επεξεργασίας στους αντιδραστήρες χρησιµοποιήθηκαν: 1.Ένας κλωβός κατασκευασµένος από πλαίσια νοβοπάν πάχους 7 mm και διαστάσεων 1,4x0,9x0,9 m, επενδυµένος εσωτερικά µε µονωτικό υλικό, για τη διατήρηση σταθερής θερµοκρασίας στους δύο αντιδραστήρες, και στη µία πλευρά υπήρχαν δύο συρώµενα φύλλα τζαµιού, καλυµένα µε αλουµίνιο για την αποφυγή του φωτός. 2. υο γυάλινοι αντιδραστήρες (R 1, R 2 ) όγκου 750 ml τριών εισόδων. 3.Ένας µαγνητικός αναδευτήρας (Sr 1 ) NAHITA STIRRER Ένας µαγνητικός αναδευτήρας µε σύστηµα θέρµανσης (Sr 2 ) NAHITA HOT STIRRER Ένα γυάλινο πυρίµαχο δοχείο, το οποίο χρησίµευε για τη διατήρηση και την καλύτερη κατανοµή της θερµότητας στον αντιδραστήρα R 2. 6.Μία συσκευή παραγωγής θερµού αέρα (Alaska, 1800Watt), για τη θέρµανση του αντιδραστήρα R 1. 7.Ένας θερµοστάτης T 1 συνδεδεµένος µε τη συσκευή θέρµανσης του αντιδραστήρα R1, για τη ρύθµιση της θερµοκρασίας. 8.Σωλήνες σιλικόνης διαµέτρου 8 mm για την κυκλοφορία των λυµάτων και του βιοαερίου στο σύστηµα των δύο αντιδραστήρων. ΣΧΗΜΑ 6.2: Στάδιο επεξεργασίας α. 67