ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Γ. ΔΡΑΒΙΛΛΑΣ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ

Transcript

1 Εργαστήριο Βιοχημικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΒΑΘΜΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΚΑΙ ΒΙΟΜΑΖΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Γ. ΔΡΑΒΙΛΛΑΣ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΠΑΤΡΑ 2007

2 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΒΑΘΜΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΚΑΙ ΒΙΟΜΑΖΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Γ. ΔΡΑΒΙΛΛΑ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ Για την απόκτηση του τίτλου του Διδάκτορα του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2007

3 Η έγκριση της διδακτορικής διατριβής από το Τμήμα των Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέα. Ν. 5343/1932, άρθρο 202 i

4 Α φ ι ε ρ ώ σ ε ι ς Η διδακτορική αυτή διατριβή είναι αποκλειστικά αφιερωμένη, στον ένα και μοναδικό άνθρωπο που για μένα ήταν ο φύλακας άγγελος μου σταλμένος στη γη με ιεραποστολικό χαρακτήρα, ολοκληρώνοντας το έργο του τη 1 η Ιουλίου 2003 όπου έφυγε για πάντα από κοντά μας, στη μητέρα μου Αγγελική, αφήνοντας μου κληρονομιά έναν υπέροχο άνθρωπο τον πατέρα μου Γιώργο. ii

5 Ε υ χ α ρ ι σ τ ί ε ς Πρώτα από όλους θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου Γιώργο και Αγγελική, τους δύο αυτούς ανθρώπους που πίστεψαν σε μένα και στήριξαν τη προσπάθεια αυτή για την ολοκλήρωση των σπουδών μου και την απόκτηση του διδακτορικού διπλώματος. Ευχαριστώ πολύ το Καθηγητή μου κύριο Γεράσιμο Λυμπεράτο, για την αμέριστη συμπαράσταση του όλα αυτά τα χρόνια, τις χρήσιμες συμβουλές του και τη καθοδήγηση του στο δύσκολο αυτό επιστημονικό έργο. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κύριο Κώστα Αγγελόπουλο για το ενδιαφέρον του, τις εύστοχες πάντα υποδείξεις του και τη συμβολή του στην ερευνητική αυτή εργασία. Οφείλω ακόμα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον Καθηγητή κύριο Πέτρο Κουτσούκο, καθώς ήταν πάντα φιλικός και διαθέσιμος να μου προσφέρει την οποιαδήποτε επιστημονική βοήθεια, καθώς και τη χρήση του εξοπλισμού του εργαστηρίου του και του Ερευνητικού Ινστιτούτου Χημικής Μηχανικής και Διεργασιών Υψηλών Θερμοκρασιών. Δεν θα μπορούσα φυσικά να μην ευχαριστήσω τη Διδάκτορα Κατερίνα Σταματελάτου, για το πραγματικό ενδιαφέρον που έδειξε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διδακτορικής μου διατριβής, προσφέροντας μου απλόχερα τη βοήθεια της, τις εμπειρίες της και την γνώση της, τόσο σε επιστημονικό όσο και σε προσωπικό επίπεδο. Σε όλους τους συναδέρφους μου στο εργαστήριο, που μοιραστήκαμε καλές και κακές στιγμές, που γελάσαμε, γκρινιάξαμε και κοπιάσαμε από κοινού, τους ευχαριστώ όλους για τις εμπειρίες αυτές που ζήσαμε μαζί και τους εύχομαι να έχουν όλοι τους μια καλή τύχη στη ζωή τους. Στον άνθρωπο που με στήριξε με τη παρουσία του και την αγάπη του όλο αυτό το διάστημα και στάθηκε δίπλα στη χαρά και στη λύπη μου, στο Κατερινάκι μου, οφείλω ευγνωμοσύνη και ένα μεγάλο ευχαριστώ. iii

6 Π ε ρ ί λ η ψ η Η αναερόβια χώνευση αποτελεί στις μέρες μας μια σημαντική βιολογική διεργασία απομάκρυνσης του οργανικού φορτίου των αποβλήτων με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου (μίγμα μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα). Η χρήση υποστρωμάτων φυτικής προέλευσης (βιομάζα) και κυρίως ενεργειακών φυτών έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις σε βιοαέριο. Στη διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκε η αναερόβια επεξεργασία του στερεού/υγρού αποβλήτου που προέρχεται από την αλκοολική ζύμωση του γλυκού σόργου, αλλά και η χρήση του αυτού καθ αυτού γλυκού σόργου, προκειμένου να εξεταστούν ο ρυθμός υδρόλυσης και αποδόμησης της οργανικής ύλης και η ικανότητα των αναερόβιων συστημάτων να επεξεργάζονται τέτοιου είδους υποστρώματα και να παράγουν ενέργεια υπό μορφή βιοαερίου. Στόχος της παρούσης εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός καινοτόμου διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης στερεών αποβλήτων και βιομάζας, όπου τα στάδια της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης διαχωρίζονται, προκειμένου να μελετηθεί χωριστά για κάθε στάδιο η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του και οι επιμέρους παράμετροι που επηρέαζαν τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, με απώτερο σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγή του βιοαερίου. Τα υπολείμματα του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου μετά και από την απομάκρυνση της αιθανόλης με απόσταξη, αποτελούνταν από ένα δύσκολα βιοαποδομήσιμο στερεό/υγρό μίγμα υψηλής συγκέντρωσης στερεών (9% TS) και υψηλής συγκέντρωσης χημικά απαιτούμενου οξυγόνου ΧΑΟ (~115 g/l). Αρχικά, εξετάσθηκε η πιθανότητα η υδρόλυση και η χώνευση του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου να γίνει σε σύστημα ενός σταδίου. Οι βέλτιστες συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης του αποβλήτου αυτού προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικές οργανικές φορτίσεις, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η υδρόλυση των στερεών ήταν το περιοριστικό βήμα της διεργασίας. Έτσι, το απόβλητο διαχωρίστηκε σε δύο φάσεις, στερεή και υγρή, όπου μελετήθηκε χωριστά το στάδιο της υδρόλυσης και της χώνευσης, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι μια αποδοτική επεξεργασία του iv

7 αποβλήτου απαιτεί το διαχωρισμό της στερεής από την υγρή φάση, ώστε να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης για κάθε φάση χωριστά, μεγιστοποιώντας τους διαφορετικούς ρυθμούς υδρόλυσης και αποδόμησης της στερεής και της υγρής φάσης, καταλήγοντας σε μια περισσότερο αποδοτική διάταξη αναερόβιας χώνευσης. Έτσι δημιουργήθηκε ένα σύστημα αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων αποτελούμενο από έναν θερμόφιλο υδρολυτικό και έναν μεσόφιλο ταχύρυθμο μεθανογόνο χωνευτήρα, όπου εξετάστηκε η απόδοση του συστήματος σε μεθάνιο. Ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου του συστήματος έφτασε τα 16 l CH 4 /l αποβλήτου με συνολικό υδραυλικό χρόνο παραμονής 19d. Στη συνέχεια, το διβάθμιο αναερόβιο σύστημα που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε και σε πειράματα αναερόβιας χώνευσης με υπόστρωμα το γλυκό σόργο. Το ενεργειακό αυτό φυτό βιβλιογραφικά θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, το οποίο κάτω από συγκεκριμένες βιολογικές διεργασίες μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις ενέργειας, υπό μορφή βιοαερίου. Ένα μεγάλο μέρος του γλυκού σόργου αποτελείται από εύκολα διαλυτούς υδατάνθρακες. Έτσι πριν την αναερόβια επεξεργασία του, εφαρμόστηκε ένα στάδιο υδατικής εκχύλισης. Το εκχυλισμένο υγρό κλάσμα πλούσιο σε ΧΑΟ (14-34 g/l) και το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης με 20% ολικά στερεά και υψηλό ΧΑΟ (~1,2 g/g VS) τροφοδοτήθηκαν στο καινοτόμο διβάθμιο αναερόβιο σύστημα, επιτυγχάνοντας 70-80% υδρόλυση των στερεών, με ταυτόχρονα υψηλή παραγωγή μεθανίου της τάξεως του 0,63 l/l αντιδραστήρα/d και υδραυλικό χρόνο παραμονής του συστήματος 22d. Συμπερασματικά, το διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης λειτούργησε το ίδιο αποτελεσματικά και με τα δύο υποστρώματα, με ικανοποιητικές αποδόσεις όσον αφορά την υδρόλυση των στερεών και την παραγωγή βιοαερίου, αποδεικνύοντας έτσι και την ευρύτερη εφαρμογή του στο τομέα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα (ενεργειακά φυτά). Προτείνεται η μελέτη διαφόρων μαγιών, όπως είναι η αγελαδοκοπριά, η χρήση της οποίας φέρει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες τα οποία βελτιώνουν τις αποδόσεις ως προς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του στερεού γλυκού σόργου. v

8 A b s t r a c t In our days anaerobic digestion has received an increasing interest, as it is an effective method for the biological treatment of a variety of organic wastes, by degrading the organic matter and converting it into energy in the form of biogas (a mixture of methane and carbon dioxide). The use of biomass, especially energetic plants, as substrate has been proved that could yield a high biogas production. In this research work, the anaerobic treatment of the solid/liquid wastes from alcohol fermentation of sweet sorghum, but also the use of the cultivated sweet sorghum as substrate was investigated, in order to study the hydrolysis and degradation rates of organic matter and the ability of anaerobic systems to produce energy in the form of biogas using such solids substrates. The main aim of this work was the development of an innovative two-stage anaerobic digestion system for solid wastes and biomass, in which hydrolysis and methanogenesis was taking place in two different bioreactors (a hydrolyser and a methanizer) respectively. Hence, it was possible to investigate for each separate stage the optimal operating conditions and parameters that affect the anaerobic digestion process with the intention to maximize the biogas production. The sweet sorghum residues stream, originating from the alcoholic fermentation of sweet sorghum and the subsequent distillation step, contained high concentration of solid matter (9% TS) and thus could be characterized as a semi-solid, not easily biodegradable wastewater with high COD (115 g/l). At first, the possibility of direct hydrolysis and digestion of bioethanol process sludge (sweet sorghum residues) in a single-stage system was examined. Optimal conditions for the anaerobic digestion of this particular waste were determined using different organic loadings, concluding that solids hydrolysis was the process limiting step. Thus, in order to optimize the process performance, it was suggested to separate the solid and liquid phases of the wastewater and to treat the two streams under different operating conditions. Hence, a novel two-stage anaerobic bioreactor system consisted of a thermophilic hydrolyser and a mesophilic high-rate methaniser was made. The application of the proposed two-stage configuration achieved a methane production of 16 l/l wastewater under a hydraulic retention time of 19 days. vi

9 Energetic plants such as sweet sorghum are a promising renewable energy resource. The energy contained in the chemical bonds of carbohydrates could be converted to fuels such as methane through anaerobic digestion. The anaerobic conversion of sweet sorghum to biogas was studied using the novel two-stage bioreactor system. Since a large portion of carbohydrates in sorghum were easily extractable, a water extraction step was preceded. The extracted liquid portion of sweet sorghum, rich in COD (14-34 g/l) and the remaining solid portion with 20% total solids and high COD (~1,20 g/g VS), were treated successfully in a two-stage anaerobic digestion system achieving a solids hydrolysis of 70-80% with a high simultaneous methane production on the order of 0,63 l/l reactor/d under a hydraulic retention time of 22 days. It could be concluded that using a two-stage anaerobic digestion system in treatment of organic materials with high solids concentration, performs efficiently in hydrolysis of solids and production of biogas and could be employed for energy production from biomass (such as energetic plants). Finally, a study over the use of other microbial biomasses, such as cow manure, which seems that has particular properties that improve the anaerobic digestion yields during processing of lingocellulosic materials, is proposed. vii

10 Π ε ρ ι ε χ ό μ ε ν α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1-8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΚΑΙ ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ιστορική αναδρομή Το πρόβλημα 12 Ενεργειακή ζήτηση Ενεργειακά αποθέματα.. 16 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις και εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα.. 21 Πολιτική και περιβάλλον Εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Επενδύοντας στη βιομάζα Παραγωγή βιομάζας για ενεργειακή χρήση 35 Ορισμός βιομάζας Πηγές βιομάζας Καταλληλότητα φυτών για παραγωγή βιομάζας Παράγοντες που καθορίζουν τη παραγωγικότητα μιας καλλιέργειας σε βιομάζα Τα βασικά συστατικά της φυτικής βιομάζας και οι μεταβολές στη σύσταση κατά τη διαδικασία της ζύμωσης της Ενεργειακές καλλιέργειες 43 Ορισμός των ενεργειακών φυτών Χαρακτηριστικά των ενεργειακών φυτών Γενετική μηχανική και ενεργειακά φυτά Το Σόργο ως ενεργειακό φυτό για παραγωγή βιομάζας 46 Προέλευση και εξέλιξη του σόργου Δομή και σύσταση του γλυκού σόργου Διαχείριση, στάδια και απαιτήσεις της καλλιέργειας του γλυκού σόργου 49 Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και ενεργειακό/περιβαλλοντικό όφελος Διεθνές ενδιαφέρον και τάσεις Το γλυκό σόργο στον Ελλαδικό χώρο viii

11 3.5 Ενεργειακές εφαρμογές της φυτικής βιομάζας 53 Μέθοδοι παραγωγής ενέργειας από φυτική βιομάζα. 53 Ενεργειακή χρήση της βιομάζας σε παγκόσμια και εθνική κλίμακα Η φυτική βιομάζα ως μικροβιακό υπόστρωμα 59 Μικροβιακή ενζυμική διάσπαση της λιγνοκυτταρίνης.. 59 Αλκοολική ζύμωση και ανάκτηση της αιθανόλης. 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΦΥΤΙΚΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Βασικές αρχές της αναερόβιας χώνευσης 71 Περιγραφή της αναερόβιας χώνευσης Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Συσχέτιση λειτουργίας του αναερόβιου βιοαντιδραστήρα με αυτή των αναερόβιων οργανικών πεπτικών συστημάτων Εφαρμογές της αναερόβιας χώνευσης 87 Επεξεργασία υγρών αποβλήτων Επεξεργασία στερεών αποβλήτων Ενεργειακές καλλιέργειες.. 95 Περιβαλλοντικά οφέλη.. 98 Επεξεργασία και διάθεση στερεών υπολειμμάτων αναερόβιας χώνευσης Συστήματα αναερόβιας χώνευσης 101 Συστήματα επεξεργασίας στερεών αποβλήτων. 103 Συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων 111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΥΛΙΚΑ κ ΜΕΘΟΔΟΙ Εισαγωγή Αναλυτικές μέθοδοι 117 Μέτρηση ph Προσδιορισμός της αλκαλικότητας Προσδιορισμός ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, ΟΑΣ (TSS) - ΠΑΣ (VSS) Προσδιορισμός ολικών και πτητικών στερεών, ΟΣ (TS) - ΠΣ (VS) 119 Προσδιορισμός χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, ΧΑΟ (COD) 120 Προσδιορισμός ολικού αζώτου κατά Kjeldahl και αμμωνιακού αζώτου 122 Προσδιορισμός ολικού φωσφόρου 123 Προσδιορισμός πτητικών λιπαρών οξέων, ΠΛΟ (VFA) ix

12 Μέτρηση παραγωγής βιοαερίου 125 Μέτρηση σύστασης βιοαερίου Προσδιορισμός υδατανθράκων Πειραματικές διατάξεις 131 Εγκλιματισμός αναερόβιων μικτών καλλιεργειών Διάταξη συστήματος ενός σταδίου αναερόβιας χώνευσης Διάταξη υδρολυτικού αναερόβιου αντιδραστήρα τύπου CSTR Διάταξη περιοδικού αναερόβιου αντιδραστήρα με ανακλαστήρες (PABR) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΟΡΓΟΥ - ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ Προέλευση και χαρακτηρισμός αποβλήτου Αποτελέσματα Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ ΦΑΣΕΩΝ Αποτελέσματα στερεού μέρους του αποβλήτου 161 Αποτελέσματα υγρού μέρους του αποβλήτου Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΒΑΘΜΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΤΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ Λειτουργία διβάθμιας αναερόβιας πειραματικής διάταξης Αποτελέσματα 175 Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ Ακατέργαστο γλυκό σόργο κ η διαδικασία μετατροπής του σε κατάλληλο υπόστρωμα Πειραματική διάταξη διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης 193 Αποτελέσματα 195 Συμπεράσματα x

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΥΔΡΟΛΥΣΗΣ ΤΟΥ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΜΕ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Αποτελέσματα πειραμάτων επιλογής καταλληλότερης συγκέντρωσης γλυκού σόργου και ενδεικτικού προσδιορισμού του χρόνου παραμονής Αποτελέσματα πειραμάτων μικρής διάρκειας, με ρύθμιση ph. 225 Αποτελέσματα πειραμάτων με περιοδική αφαίρεση υγρού από τους χωνευτήρες. 233 Αποτελέσματα πειραμάτων με επιλεγμένες μαγιές, υπό ανάδευση, σε θερμοκρασία 65 o C Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ κ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Μικροσκοπική παρατήρηση δειγμάτων από τα αναερόβια πειράματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ a-f xi

14 Π ε ρ ι ε χ ό μ ε ν ο ι Π ί ν α κ ε ς Πίνακας 2.1 Υπολογισμένα ενεργειακά αποθέματα Πίνακας 2.2 Εκτίμηση ενεργειακού δυναμικού μη συμβατικού πετρελαίου στη φύση 17 Πίνακας 2.3 Πηγές μη συμβατικού φυσικού αερίου και εκτίμηση ενεργειακού δυναμικού 19 Πίνακας 2.4 Προσδιορισμός κατηγοριοποίησης πηγών συμβατικού ουρανίου με βάση το κόστος ανάκτησης τους Πίνακας 2.5 Τύποι και παραδείγματα φυτικής βιομάζας Πίνακας 2.6 Ετήσια δυναμικότητα της ηλιακής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου μεταβλητές παραμέτρους (όπως κλίμα, χρονική περίοδο και χωροταξική διαμόρφωση) Πίνακας 2.7 Κατηγοριοποίηση πηγών γεωθερμικής ενέργειας και εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής δυναμικότητάς τους Πίνακας 2.8 Πηγές ενέργειας των ωκεανών και εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής θεωρητικής δυναμικότητας τους Πίνακας 2.9 Συνοπτικός πίνακας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής τους δυναμικότητας Πίνακας 3.1 Κατανομή του άνθρακα στη βιόσφαιρα σε παγκόσμια κλίμακα Πίνακας 3.2 Κατανομή υδατανθράκων και λιγνίνης στα κύτταρα των φυτών Πίνακας 3.3 Περιεκτικότητα υγρασίας (% επί νωπής βάσης). 48 Πίνακας 3.4 Χημική σύσταση του γλυκού σόργου, του φλοιού και της ψίχας Πίνακας 4.1 Ενδεικτική σύσταση ακατέργαστων οικιακών υγρών λυμάτων από διάφορες πόλεις του κόσμου Πίνακας 4.2 Στατιστικά στοιχεία εφαρμογής ταχύρυθμων αναερόβιων συστημάτων επεξεργασίας βιομηχανικών υγρών αποβλήτων σε παγκόσμια κλίμακα το έτος Πίνακας 4.3 Χαρακτηριστικά & ενδεικτικές τιμές υγρών βιομηχανικών αποβλήτων 89 Πίνακας 4.4 Ενδεικτικό υπολογισμένο κόστος αναερόβιας χώνευσης ΑΣΑ Πίνακας 4.5 Παραγωγή βιοαερίου διαφόρων φυτικών αποβλήτων Πίνακας 4.6 Πίνακας 4.7 Χαρακτηριστικά υπολειμμάτων της απόσταξης του ζωμού της αιθανόλης που προκύπτει από μελάσσες σακχαροκάλαμου Απόδοση της μονάδας αναερόβιας χώνευσης παραγωγής βιοαερίου του Reidling, για το έτος 2005 (8030 ώρες ετήσιας λειτουργίας) Πίνακας 6.1 Χαρακτηριστικά αποβλήτου βιοαιθανόλης (συνολικά στερεό & υγρό κλάσμα) Πίνακας 6.2 Χαρακτηριστικά στερεού κλάσματος αποβλήτου βιοαιθανόλης 144 Πίνακας 6.3 Χαρακτηριστικά υγρού κλάσματος αποβλήτου βιοαιθανόλης xx

15 Πίνακας 6.4 Αποδόσεις πειραμάτων διαλείποντος έργου που πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρα με ανακυκλοφορία βιοαερίου Πίνακας 8.1 Χαρακτηριστικά του αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου 173 Πίνακας 8.2 Συνθήκες λειτουργίας του PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Πίνακας 8.3 Απόδοση διβάθμιου συστήματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. 185 Πίνακας 9.1 Χαρακτηριστικά στερεής φάσης εκχυλισμένου σόργου. 193 Πίνακας 9.2 Χαρακτηριστικά υγρής φάσης εκχυλισμένου σόργου 193 Πίνακας 9.3 Συνθήκες λειτουργίας διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου 204 Πίνακας 9.4 Αποτελέσματα αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου με τη χρήση διβάθμιου συστήματος 204 Πίνακας 10.1 Ποσοστό πτητικών λιπαρών οξέων στο διαλυτό ΧΑΟ (2 η σειρά πειραμάτων) 232 Πίνακας 10.2 Συνοπτικά αποτελέσματα της 3 ης σειράς πειραμάτων 234 Πίνακας 10.3 Ποσοστό πτητικών λιπαρών οξέων στο διαλυτό ΧΑΟ (3 η σειρά πειραμάτων) 242 Πίνακας 10.4 Συνοπτικά αποτελέσματα της 4 ης σειράς πειραμάτων 244 Πίνακας 10.5 Ποσοστό πτητικών λιπαρών οξέων στο διαλυτό ΧΑΟ (4 η σειρά πειραμάτων) 250 xxi

16 Π ε ρ ι ε χ ό μ ε ν ε ς Φ ω τ ο γ ρ α φ ί ε ς Φώτο 5.1 Εγκλιματισμός αναερόβιων μικτών καλλιεργειών Φώτο 5.2 Υδρολυτικός αναερόβιος χωνευτήρας Φώτο 5.3 Περιοδικός αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες (PABR) Φώτο 5.4 Διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης Φώτο 9.1 Ετήσια καλλιέργεια της ποικιλίας του γλυκού σόργου Keller Φώτο 9.2 Τεμαχισμός γλυκού σόργου σε μέγεθος στερεών 1-5 mm Φώτο 9.3 Υδατική εκχύλιση σόργου (5 % κ.ο., υπό ανάδευση για 1h στους 30 C) Φώτο Π1 Φώτο Π2 Φώτο Π3 Φώτο Π4 Φώτο Π5 Μικροσκοπική παρατήρηση δείγματος αναερόβιου χωνευτήρα HR 55 o C με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). 262 Μικροσκοπική παρατήρηση δείγματος αναερόβιου χωνευτήρα PABR 35 o C με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). 269 Μικροσκοπική παρατήρηση δείγματος αγελαδοκοπριάς με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) Μικροσκοπική παρατήρηση δείγματος αναερόβιας μαγιάς 35 o C με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) Μικροσκοπική παρατήρηση δείγματος αναερόβιας μαγιάς 55 o C με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) xxii

17 Π ε ρ ι ε χ ό μ ε ν α Σ χ ή μ α τ α Σχήμα 2.1 Ρυθμός αύξησης του πληθυσμού της Γης, Σχήμα 2.2 Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας ανά περιοχή, Σχήμα 2.3 Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας με βάση την πηγή ενέργειας, Σχήμα 2.4 Εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα παγκοσμίως (σχετιζόμενες με την ενέργεια), με βάση τον τύπο καυσίμου, Σχήμα 2.5 Εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα παγκοσμίως (σχετιζόμενες με την ενέργεια), ανά περιοχή, Σχήμα 2.6 Εναλλακτικές δυνατότητες μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια 28 Σχήμα 3.1 Παράγοντες που επηρεάζουν τη παραγωγικότητα μιας καλλιέργειας σε βιομάζα Σχήμα 3.2 Τρισδιάστατη απεικόνιση ενός φυτικού κυττάρου Σχήμα 3.3 Διάταξη και βασικές περιοχές φυτικών κυττάρων Σχήμα 3.4 Σχηματική απεικόνιση φυτικού κυτταρικού τοιχώματος 42 Σχήμα 3.5 Πειραματικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία νέων ποικιλιών φυτών με τη χρήση της βιοτεχνολογίας. 44 Σχήμα 3.6 Δέντρο ποωδών Σχήμα 3.7 Σχήμα 3.8 Τομή επιφάνειας (α) φλοιού γλυκού σόργου, (β) ψίχας γλυκού σόργου και προβολή υπό μικροσκόπιο φθορισμού.. 49 Πορεία καθαρών εξαγωγών σόργου μέχρι το έτος 2001 και μελλοντικές στατιστικές προβλέψεις Σχήμα 3.9 Πορεία καθαρών εισαγωγών σόργου μέχρι το έτος 2003 και μελλοντικές στατιστικές προβλέψεις Σχήμα 3.10 Ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης 60 Σχήμα 3.11 Ενζυμική υδρόλυση της ημικυτταρίνης Σχήμα 3.12 Απλοποιημένο δομικό μοντέλο του μορίου της λιγνίνης 62 Σχήμα 3.13 Στάδια μετατροπής της φυτικής βιομάζας σε αιθανόλη Σχήμα 3.14 Απλοποιημένο διάγραμμα αναερόβιου και αερόβιου καταβολισμού του Saccharomyces cerevisiae. 66 Σχήμα 4.1 Στάδια μετατροπής του οργανικού υλικού σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα με τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης.. 73 Σχήμα 4.2 Το πεπτικό σύστημα χώνευσης της αγελάδας. 81 Σχήμα 4.3 Σχηματική παρουσίαση του μεταβολισμού των υδατανθράκων. 83 Σχήμα 4.4 Σχηματική παρουσίαση του μεταβολισμού των πρωτεϊνών 85 Σχήμα 4.5 Τυπική μονάδα αναερόβιας επεξεργασίας απορριμμάτων.. 91 Σχήμα 4.6 Διάταξη αναερόβιου συστήματος CSTR (α) με μηχανική ανάδευση και (β) με ανάδευση με ανακυκλοφορία βιοαερίου. 104 Σχήμα 4.7 Διάταξη αναερόβιου συστήματος CSTR με ανακυκλοφορία λάσπης. 104 xii

18 Σχήμα 4.8 Αναερόβιος χωνευτήρας τύπου αυλωτού αντιδραστήρα (plug-flow digester) Σχήμα 4.9 Διάταξη αναερόβιου χωνευτήρα διαλείποντος έργου. 106 Σχήμα 4.10 Ξηρά συστήματα αναερόβιας χώνευσης (α) τύπου Valorga, (β) τύπου Dranco και (γ) τύπου Kompogas. 107 Σχήμα 4.11 Παράλληλη διεργασία αναερόβιας χώνευσης. 110 Σχήμα 4.12 Διεργασία δύο σταδίων αναερόβιας χώνευσης 110 Σχήμα 4.13 Διεργασία δύο φάσεων αναερόβιας χώνευσης 110 Σχήμα 4.14 Διάταξη αντιδραστήρα ανοδικής ροής μέσα από κλίνη λάσπης (UASB) 112 Σχήμα 4.15 Διάταξη αναερόβιου αντιδραστήρα με ανακλαστήρες (ABR) 113 Σχήμα 4.16 Διάταξη αναερόβιου φίλτρου με ανακυκλοφορία Σχήμα 5.1 Συσκευή μέτρησης ρυθμού παραγωγής βιοαερίου με τη χρήση Η/Υ. 126 Σχήμα 5.2 Συσκευή προσδιορισμού της περιεκτικότητας του βιοαερίου σε μεθάνιο Σχήμα 5.3 Διάταξη εγκλιματισμού αναερόβιων μικτών καλλιεργειών 132 Σχήμα 5.4 Διάγραμμα ροών αναερόβιου συστήματος χώνευσης ενός σταδίου Σχήμα 5.5 Διάταξη υδρολυτικού αναερόβιου χωνευτήρα (Procede Flowsheet) Σχήμα 5.6 Περιστροφικός διαχωριστής υγρού-στερεού κλάσματος Σχήμα 5.7 Διάταξη περιοδικού αναερόβιου αντιδραστήρα με ανακλαστήρες (PABR) 139 Σχήμα 5.8 Κάτοψη Διάγραμμα ροής ενός PABR τεσσάρων διαμερισμάτων Σχήμα 6.1 Σχήμα 6.2 Σχήμα 6.3 Σχήμα 6.4 Συγκέντρωση διαλυτού ΧΑΟ δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) ph δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l). 146 Συγκέντρωση οξικού οξέος δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση προπιονικού οξέος δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 147 Σχήμα 6.5 Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) Σχήμα 6.6 Συγκέντρωση ολικών και πτητικών στερεών δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ ~9g ΧΑΟ/l) 149 Σχήμα 6.7 Σχήμα 6.8 Συνολικός όγκος του παραγόμενου βιοαερίου και ο ρυθμός παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) Συνολικός όγκος του παραγόμενου μεθανίου και ο ρυθμός παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l). 150 xiii

19 Σχήμα 6.9 Σχήμα 6.10 Σχήμα 6.11 Σχήμα 6.12 Σχήμα 6.13 Σχήμα 6.14 Σχήμα 6.15 Σχήμα 6.16 Σχήμα 7.1 Σχήμα 7.2 Σχήμα 7.3 Σχήμα 7.4 Σχήμα 7.5 Σχήμα 7.6 Σχήμα 7.7 Σχήμα 7.8 Σχήμα 7.9 Σχήμα 8.1 Συγκέντρωση διαλυτού ΧΑΟ δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l). 151 ph δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση οξικού οξέος δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l). 153 Συγκέντρωση προπιονικού οξέος δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Συνολικός όγκος του παραγόμενου βιοαερίου και ο ρυθμός παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) 154 Συνολικός όγκος του παραγόμενου μεθανίου, και ο ρυθμός παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l). 156 Συγκέντρωση ολικών & πτητικών στερεών δειγμάτων που ελήφθησαν από τα δύο δειγματοληπτικά σημεία του αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Εναλλακτική επεξεργασία των υπολειμμάτων από τη παραγωγή βιοαιθανόλης, με βάση το διαχωρισμό του στερεού υγρού κλάσματος του αποβλήτου. 161 Αναερόβια χώνευση στερεού μέρους του αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου (φόρτιση ΠΣ= 41,09 g/l χωνευτήρα) 162 Αναερόβια χώνευση στερεού μέρους του αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου (φόρτιση ΠΣ= 65,77 g/l χωνευτήρα) 163 Αναερόβια χώνευση στερεού μέρους του αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου (φόρτιση ΠΣ= 73,97 g/l χωνευτήρα) 164 Αναερόβιο σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία του υγρού αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου 166 Αναερόβια χώνευση του υγρού μέρους από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ τροφοδοσίας και απορροής των διαμερισμάτων 1 & Αναερόβια χώνευση του υγρού μέρους από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. Συγκέντρωση Διαλυτού ΧΑΟ, Πτητικών λιπαρών οξέων και ph της τροφοδοσίας και της απορροής των διαμερισμάτων 1 & Αναερόβια χώνευση του υγρού μέρους από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. Παραγωγή μεθανίου των διαμερισμάτων 1 & Αναερόβια χώνευση του υγρού μέρους από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. Ρυθμός παραγωγής μεθανίου των διαμερισμάτων 1 & Πειραματική διάταξη διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης του αποβλήτου από την αλκοολική ζύμωση του σόργου 175 xiv

20 Σχήμα 8.2 Σχήμα 8.3 Σχήμα 8.4 Σχήμα 8.5 Σχήμα 8.6 Σχήμα 8.7 Σχήμα 8.8 Σχήμα 8.9 Σχήμα 8.10 Σχήμα 8.11 Σχήμα 8.12 Σχήμα 8.13 Σχήμα 9.1 Σχήμα 9.2 Σχήμα 9.3 Σχήμα 9.4 Σχήμα 9.5 Υδραυλικός χρόνος παραμονής στον υδρολυτικό CSTR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Ρυθμός φόρτισης στερεών στον CSTR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Συγκέντρωση πτητικών στερεών στον CSTR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Συγκέντρωση ΧΑΟ στον CSTR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. 179 Ειδικός ρυθμός υδρόλυσης των πτητικών στερεών και απελευθέρωσης του ΧΑΟ από τη στερεά στην υγρή φάση στον CSTR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Υδραυλικός χρόνος παραμονής στον PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Ρυθμός οργανικής φόρτισης στον PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ στον PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Συγκέντρωση διαλυτού ΧΑΟ στον PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Συγκέντρωση πτητικών αιωρούμενων στερεών στον PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου ph στον CSTR και PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου Ρυθμός παραγωγής μεθανίου στον CSTR και PABR κατά τη διάρκεια του διβάθμιου πειράματος με τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου. 184 Πειραματική διάταξη διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου ph απορροής υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου ph απορροής μεθανογόνου αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Συνολικά πτητικά στερεά που τροφοδοτήθηκαν και αφαιρέθηκαν στον υδρολυτικό αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου. 197 Πτητικά στερεά υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου. 197 xv

21 Σχήμα 9.6 Σχήμα 9.7 Σχήμα 9.8 Σχήμα 9.9 Στερεά απορροής υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Διαλυτό ΧΑΟ απορροής υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Διαλυτό ΧΑΟ τροφοδοσίας μεθανογόνου αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Διαλυτό ΧΑΟ απορροής μεθανογόνου αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Σχήμα 9.10 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Σχήμα 9.11 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου μεθανογόνου αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Σχήμα 9.12 Σχήμα 9.13 Συσσωρευμένο βιοαέριο υδρολυτικού αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Συσσωρευμένο βιοαέριο μεθανογόνου αντιδραστήρα συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου Σχήμα 10.1 Σχήμα 10.2 Σχήμα 10.3 Σχήμα 10.4 Σχήμα 10.5 Σχήμα 10.6 Σχήμα 10.7 Σχήμα 10.8 Σχήμα 10.9 Σχήμα Υδρόλυση στερεών συναρτήσει της συγκέντρωσης του σόργου που τροφοδοτήθηκε για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 211 Ποσοστό υδρόλυσης στερεών συναρτήσει της συγκέντρωσης του σόργου που τροφοδοτήθηκε για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 211 Απόδοση σε μεθάνιο συναρτήσει της συγκέντρωσης του σόργου που τροφοδοτήθηκε για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 212 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου για το χωνευτήρα με τη μαγιά HR, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 213 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου για το χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό μεθανίου για το χωνευτήρα με τη μαγιά HR, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό μεθανίου για το χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό μεθανίου για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) xvi

22 Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Ποσοστό μεθανίου για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριά, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο για το χωνευτήρα με τη μαγιά HR, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο για το χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο για το χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) ph του χωνευτήρα με τη μαγιά HR, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) ph του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) ph του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 221 ph του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 222 Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με τη μαγιά HR, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 223 Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων). 223 Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, για κάθε συγκέντρωση του σόργου που τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Υδρόλυση στερεών για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε (2 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Ποσοστό υδρόλυσης στερεών για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε (2 η σειρά πειραμάτων) 226 Σχήμα Σχήμα Σχήμα Σχήμα Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (2 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου του χωνευτήρα με τη Μαγιά βιολογικού σταθμού (2 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας (2 η σειρά πειραμάτων). 228 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (2 η σειρά πειραμάτων) 228 xvii

23 Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (2 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού (2 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας (2 η σειρά πειραμάτων). 231 Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (2 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων). 235 Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων). 236 Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων). 238 Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά βιολογικού σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων). 241 Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) 241 Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων). 245 Σχήμα Πορεία στερεών του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Πορεία Στερεών του χωνευτήρα με τη μαγιά αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων). 247 Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Σχήμα Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) 248 xviii

24 Σχήμα Σχήμα Συσσωρευμένο μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων). 249 Σύσταση βιοαερίου σε μεθάνιο του χωνευτήρα με τη μαγιά αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) xix

25 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 1 Ε Ι Σ Α Γ Ω Γ Η 1

26 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή 2

27 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, η οικονομική ανάπτυξη των ανεπτυγμένων και των αναπτυσσόμενων κρατών, οδήγησε στην αύξηση της παραγωγής των αποβλήτων από αστικές, αγροτικές και βιομηχανικές δραστηριότητες (Eighmy and Kosson, 1996; Sparling et al., 1997). Έχει υπολογιστεί ότι κάθε χρόνο, μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, παράγονται 5,4 εκατομμύρια τόνοι οικιακών αποβλήτων. Η διαχείριση και η διάθεση των τεράστιων όγκων αποβλήτων που παράγονται σήμερα σε παγκόσμια κλίμακα, είναι ένα πολυσύνθετο και πολυδιάστατο περιβαλλοντικό θέμα, το οποίο συνεχίζει να αποτελεί μεγάλη πρόκληση για τους χημικούς μηχανικούς, τους περιβαλλοντολόγους μηχανικούς και τους λοιπούς φορείς που εμπλέκονται σε αυτό. Οι παραδοσιακές μέθοδοι διάθεσης και σταθεροποίησης των αποβλήτων, όπως είναι οι χωματερές (σκουπιδότοποι), οι χώροι υγειονομικής ταφής και η αποτέφρωση, στις μέρες μας έχουν γίνει λιγότερο ελκυστικές εξαιτίας του αυξημένου κόστους και των ανάλογων περιβαλλοντικών ανησυχιών και προβλημάτων που προκύπτουν. Σε αντίθεση, η ανάκτηση ενεργειακών και θρεπτικών πηγών από τα απόβλητα, με τη χρήση βιολογικών μεθόδων, έχει επιφέρει τεράστια πλεονεκτήματα και ωφέλει και αποτελεί μια πολύ σημαντική στρατηγική στη διαχείριση των αποβλήτων. Παράλληλα με την ανάκτηση ενέργειας από τα απόβλητα, υπάρχει έντονο και διαρκώς αυξανόμενο ενδιαφέρον όσον αφορά τις τεχνολογίες που εστιάζουν στην ανάκτηση ενέργειας από φυτική βιομάζα. Η βιομάζα (κυρίως ενεργειακά φυτά) είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία όταν χρησιμοποιηθεί σε συγκεκριμένες βιολογικές διεργασίες, μπορεί να απελευθερώσει τη συσσωρευμένη ηλιακή ενέργεια σε μορφή αιθανόλης, υδρογόνου, μεθανίου κ.α. Ωστόσο, ακόμα και τα υπολείμματα των εφαρμοσμένων αυτών βιολογικών διεργασιών, περιέχουν σημαντική ποσότητα αποδομήσιμης οργανικής ύλης για περαιτέρω ενεργειακή ή θρεπτική αξιοποίηση της. Η βιομάζα στις μέρες μας αποτελεί τη πιο σημαντική από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, θεωρώντας ότι περίπου το 11% της παγκόσμιας ενέργειας προέρχεται από τη βιομάζα. Το γλυκό σόργο, ως βιομάζα, είναι ένα πολλά υποσχόμενο ενεργειακό φυτό το οποίο κάτω από συγκεκριμένες βιολογικές διαδικασίες μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις ενέργειας, υπό μορφή βιοαερίου. Το ενδιαφέρον γύρω από τις εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως είναι η βιομάζα, προέκυψε από την ανάγκη για αύξηση της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας προκειμένου να καλυφτούν οι ενεργειακές απαιτήσεις, αλλά και για το περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη χρήση συμβατικών πηγών ενέργειας (πετρέλαιο, γαιάνθρακες κ.α.). 3

28 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Σε πολλές μονάδες επεξεργασίας υγρών και στερεών αποβλήτων, συναντάται η βιολογική διεργασία της αναερόβιας χώνευσης για τη σταθεροποίηση των αποβλήτων και τη ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου, καθώς πλεονεκτεί σε πολλά σημεία έναντι της αερόβιας επεξεργασίας. Επιπλέον, το χωνευμένο υπόλειμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό λίπασμα για την ανάπτυξη των φυτών. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει επιτευχθεί μεγάλη πρόοδος ως προς τη κατανόηση της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης και της πρακτικής της εφαρμογής. Στην αναερόβια χώνευση, η οργανική ύλη μετατρέπεται σε αέριο μίγμα μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα (βιοαέριο), διαμέσου συνδυασμένης δράσης ποικίλων ειδών μικροοργανισμών με διαφορετική φυσιολογία και ρυθμούς ανάπτυξης. Αυτό καθιστά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης πολύ ευαίσθητη σε παράγοντες όπως το ph, η θερμοκρασία, το οργανικό υπόστρωμα, η συγκέντρωση θρεπτικών ουσιών και η παρουσία τοξικών ουσιών (π.χ. οξυγόνο, αμμωνία, πτητικά λιπαρά οξέα κ.α.), οι οποίοι επηρεάζουν άμεσα τους αναερόβιους μικροοργανισμούς. Η εφαρμογή της μεθόδου της αναερόβιας χώνευσης συνήθως απαντάται με τη χρήση συμβατικών, μεσόφιλων, αναερόβιων χωνευτήρων σε συστήματα ενός σταδίου. Στις περισσότερες επιστημονικές μελέτες που γίνονται σε μεσοφιλικά συστήματα χώνευσης ενός σταδίου, για την ικανοποιητική αποδόμηση του οργανικού φορτίου αναφέρονται σχετικά υψηλοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής. Όπως αναφέρουν o Hashimoto, (1983), οι Cecchi et al., (1997) και ο Ahring, (1994), η αναερόβια χώνευση των αποβλήτων στη θερμοφιλική περιοχή έχει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως βελτίωση της απόδοσης της υδρόλυσης των στερεών, αύξηση του ρυθμού αντίδρασης και γενικότερα καλύτερη απόδοση της διεργασίας. Όμως, σύμφωνα με τους Buhr and Andrews, (1977), η θερμόφιλη αναερόβια χώνευση υστερεί ως προς τη σταθερότητα του συστήματος και τη ποιότητα της εκροής (υψηλή συγκέντρωση πτητικών λιπαρών οξέων). Προκειμένου να βελτιωθεί η σταθερότητα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης και να επιτευχθούν καλύτερες αποδόσεις από ότι στα συστήματα ενός σταδίου, οι Schober et al., (1999), και οι Sharma et al., (1999), προτείνουν όσο αφορά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων με μέτρια ή υψηλή συγκέντρωση στερεών, τη χρήση αναερόβιων συστημάτων χώνευσης δύο σταδίων, όπου μπορούν να ρυθμιστούν οι συνθήκες βελτιστοποίησης της κάθε φάσης χωριστά. Στο πρώτο στάδιο λαμβάνει χώρα η υδρόλυση των στερεών και η οξεογένεση, ενώ στο δεύτερο στάδιο οι διαλυτές οργανικές ενώσεις μετατρέπονται σε βιοαέριο από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς. 4

29 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Στόχος της παρούσης διατριβής ήταν αφ ενός η ανάπτυξη ενός καινοτόμου διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης, χρησιμοποιώντας δύο διαδοχικούς αντιδραστήρες (έναν υδρολυτικό θερμόφιλο και ένα μεθανογόνο μεσόφιλο), προκειμένου να διαχωριστούν τα στάδια της αναερόβιας χώνευσης με σκοπό τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών συνθηκών τους και τη μεγιστοποίηση της παραγωγής του βιοαερίου (μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα). Αφ ετέρου, η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αναερόβια χώνευση των υπολειμμάτων της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου, μετά και από την απομάκρυνση της παραγόμενης βιοαιθανόλης με απόσταξη, για περαιτέρω βιοαποδόμηση και παραγωγή ενέργειας υπό μορφή μεθανίου. Τέλος, ένας ακόμα στόχος ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας χρησιμοποίησης ενεργειακής φυτικής βιομάζας, από καλλιέργεια γλυκού σόργου, ως υποστρώματος στα πειράματα με το καινοτόμο διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης. Στα επόμενα κεφάλαια 2 και 3 της διατριβής, γίνεται μια περιληπτική αλλά πλήρης ανασκόπηση γύρω από την ενέργεια και το περιβάλλον, τη βιομάζα και τη χρήση της ως μικροβιακού υποστρώματος. Συγκεκριμένα, αναλύονται θέματα που αφορούν στο ενεργειακό πρόβλημα σήμερα και εναλλακτικοί τρόποι αντιμετώπισης του. Παράλληλα, εισάγεται η έννοια της βιομάζας και των ενεργειακών φυτών όσον αφορά στη παραγωγή ενέργειας και επεξηγείται ο ρόλος, η αξιοποίηση και οι προοπτικές του γλυκού σόργου ως ενεργειακού φυτού. Τέλος, αναλύεται η ενζυμική δράση των μικροοργανισμών ως προς τα στερεά απόβλητα και συγκεκριμένα της φυτικής βιομάζας, καθώς και η διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 4, αναφέρονται πρώτα οι βασικές αρχές που διέπουν τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης και έπειτα γίνεται ένας συσχετισμός της λειτουργίας των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων με αυτή των αναερόβιων οργανικών συστημάτων χώνευσης. Επίσης, γίνεται εκτενής αναφορά στις τεχνολογικές εφαρμογές της. Οι αναλυτικές μέθοδοι που εφαρμόστηκαν στους διάφορους χημικούς προσδιορισμούς και οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, στα πλαίσια της διδακτορικής αυτής διατριβής, περιγράφονται αναλυτικά στο πέμπτο κεφάλαιο. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται η δυνατότητα για ταυτόχρονη υδρόλυση και χώνευση του συνόλου (υγρό-στερεό κλάσμα) των υπολειμμάτων της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου σε σύστημα ενός σταδίου, όπου αξιολογείται η αποτελεσματικότητα του συστήματος και η βιοαποδομησιμότητα του αποβλήτου. 5

30 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Η διακριτή βελτιστοποίηση της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης των υπολειμμάτων της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου, μέσω του διαχωρισμού της στερεής από την υγρή φάση και στη συνέχεια την υδρόλυση του στερεού κλάσματος και την χωριστή επεξεργασία του υγρού κλάσματος (μαζί με την υγρή απορροή από το στάδιο της υδρόλυσης του στερεού), εξετάζεται στο κεφάλαιο 7. Στα πειράματα αυτά μελετήθηκε ο ρυθμός υδρόλυσης των στερεών και εκτιμήθηκε η μεθανογόνος απόδοση του υγρού μέρους του αποβλήτου. Το όγδοο κεφάλαιο πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός πρότυπου διβάθμιου αναερόβιου συστήματος χώνευσης αποβλήτων με μεγάλη περιεκτικότητα σε στερεά, εργαστηριακής κλίμακας, το οποίο συνδυάζει τη θερμοφιλική υδρόλυση του στερεού κλάσματος και τη ταχύρρυθμη μεσόφιλη χώνευση του υδρολύματος σε συνδυασμό με το υγρό κλάσμα. Στο σύστημα αυτό γινόταν ανακυκλοφορία της απορροής του ταχύρρυθμου μεθανογόνου χωνευτήρα στον υδρολυτικό χωνευτήρα. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων αυτών, με υπόστρωμα το υπόλειμμα της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου, εξετάστηκαν διάφορες συνθήκες λειτουργίας του διβάθμιου συστήματος, όπως ο ρυθμός φόρτισης σε στερεά, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, και η οργανική φόρτιση τόσο στο συνολικό σύστημα όσο και χωριστά στα δύο στάδια του συστήματος προκειμένου να προσδιοριστούν οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες και να εκτιμηθεί η μέγιστη επιτρεπτή τιμή της οργανικής και στερεής φόρτισης. Στο κεφάλαιο 9 μελετάται η δυνατότητα χρήσης του γλυκού σόργου αυτού καθ αυτού για παραγωγή βιοαερίου, χωρίς δηλαδή την πρότερη παραγωγή βιοαιθανόλης, χρησιμοποιώντας το πρότυπο διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 8. Σε αυτή τη περίπτωση το διβάθμιο σύστημα είχε υποστεί σημαντικές βελτιώσεις/τροποποιήσεις που έγιναν για να διασφαλιστεί η απρόσκοπτη, συνεχής λειτουργία του συστήματος χωρίς προβλήματα. Για τη χρησιμοποίηση του γλυκού σόργου ως κατάλληλου υποστρώματος αναπτύχθηκε μια διαδικασία προεπεξεργασίας του, που περιλάμβανε υδατική εκχύλιση του ευδιάλυτου οργανικού κλάσματος του σόργου από την στερεά στην υγρή φάση και διαχωρισμό της υγρής και στερεάς φάσης. Η βελτιστοποίηση των συνθηκών μικροβιακής υδρόλυσης του γλυκού σόργου με αναερόβια χώνευση εξετάστηκε στο κεφάλαιο 10. Στα πειράματα που διεξήχθησαν, χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά είδη μαγιών και λειτουργικών συνθηκών προκειμένου να επιλεγεί μια μαγιά με τα καλύτερα χαρακτηριστικά, και να μεγιστοποιηθεί ο ρυθμός υδρόλυσης των στερεών. 6

31 Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Στο τελευταίο κεφάλαιο (ενδέκατο), ανακεφαλαιώνονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας ερευνητικής μελέτης και προτείνονται ιδέες για μελλοντική εργασία. Στο παράρτημα παρατίθενται φωτογραφίες και σχόλια από τη μικροσκοπική ανάλυση, σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, δειγμάτων που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων από τους χωνευτήρες και τις μαγιές. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη πλήρη και αναλυτική καταγραφή των βιβλιογραφικών αναφορών που χρησιμοποιήθηκαν. 7

32 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 2 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΚΑΙ ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 9

33 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 10

34 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 2.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η πρωταρχική πηγή ενέργειας στην οποία οφείλεται η δημιουργία του κόσμου και κάθε μορφής ζωής είναι ο ήλιος. Η ηλιακή ενέργεια που έφτανε στη γη με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας έγινε αφορμή για τη δημιουργία μιας σειράς αλυσιδωτών χημικών αντιδράσεων, με τις οποίες η ενέργεια αυτή μετατρεπόταν τόσο σε χημική ενέργεια όσο και σε άλλες μορφές ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό, βήμα-βήμα ξεκίνησε να δημιουργείται η ζωή στο πλανήτη γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια (Γιαννούλης, 1997). Η εκμετάλλευση και η χρήση της ενέργειας, με την αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρει, επέβαλαν στο ανθρώπινο είδος καθ όλη την εξέλιξη του και μέχρι σήμερα τον τρόπο ζωής του καθώς και την άμεση εξάρτηση του από αυτή. Μέχρι τις αρχές του 19 ου αιώνα οι κύριες πηγές ενέργειας που εκμεταλλευόταν ο άνθρωπος ήταν η μυϊκή δύναμη του ανθρώπου και των ζώων, η βιομάζα, οι υδατοπτώσεις, η αιολική και η ηλιακή ενέργεια (Τσαγκάρης, 2000). Στη συνέχεια του 19 ου αιώνα, οι γαιάνθρακες αποτέλεσαν την καύσιμη ύλη της βιομηχανικής επανάστασης, παρέχοντας τη βάση στην παραγωγή ενέργειας και στην παρασκευή σιδήρου και ατσαλιού για περισσότερα από 200 χρόνια. Στον 20 ο αιώνα, κυρίως μετά το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, οι γαιάνθρακες έχασαν τον πρωταγωνιστικό τους ρόλο εξαιτίας της διάδοσης και ευρείας πλέον χρήσης του αργού πετρελαίου. Παρόλα αυτά, η ευημερία και η οικονομική ανάπτυξη πολλών κρατών συνέχισε να στηρίζεται στους γαιάνθρακες οι οποίοι σήμερα καλύπτουν το 22 % της παγκόσμιας απαίτησης για ενέργεια και περίπου το 40 % του ηλεκτρισμού παγκοσμίως (Barthel et al., 2000). Οι απαιτήσεις όμως για ενέργεια οδήγησαν στη χρήση και άλλων πηγών ενέργειας όπως είναι το φυσικό αέριο και η πυρηνική ενέργεια από σχάσιμα υλικά (π.χ. ουράνιο). Οι γαιάνθρακες, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αντιπροσωπεύουν το συμπυκνωμένο ενεργειακό φυσικό πόρο της γης, το συσσωρευμένο υπόλειμμα δισεκατομμυρίων χρόνων φωτοσύνθεσης (Glazer and Nikaido, 1995). Όμως, η πετρελαϊκή κρίση το 1973, η οποία κατέστησε σαφές ότι τα ορυκτά καύσιμα δεν είναι ανεξάντλητα, καθώς και η εμφάνιση των πρώτων συμπτωμάτων του φαινομένου του θερμοκηπίου, και ο σκεπτικισμός γύρω από την ασφάλεια της χρήσης των πυρηνικών και της διάθεσης των πυρηνικών αποβλήτων, έστρεψε το ενδιαφέρον στη χρήση και αξιοποίηση εναλλακτικών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η υδροηλεκτρική ενέργεια, η ηλιακή, η αιολική, η γεωθερμική, η ενέργεια από τη βιομάζα και η ενέργεια των ωκεανών (Γεντεκάκης, 1999). 11

35 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 2.2 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Ενεργειακή Ζήτηση Αν και τα τελευταία χρόνια o ρυθμός αύξησης του πληθυσμού της γης (σχήμα 2.1) ολοένα και μειώνεται, και οι προβλέψεις για να εξακολουθεί να αυξάνεται ο πληθυσμός εμφανίζονται δυσοίωνες, η ζήτηση για παραγωγή και κατανάλωση περισσότερης ενέργειας διαρκώς αυξάνεται. Percent 3,0 2,5 Ιστορικά δεδομένα Προβλέψεις Πηγή: FAPRI, ,0 1,5 1,0 0,5 0, Ασία Λατινική Αμερική Αφρική Υπόλοιπος κόσμος Σχήμα 2.1 Ρυθμός Αύξησης του Πληθυσμού της Γης, Η συνολική παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας αναμένεται να αυξηθεί μέχρι το 2025 κατά 58%, δηλαδή από 404 τετράκις εκατομμύρια Btu το 2001, σε 640 τετράκις εκατομμύρια Btu το Στο σχήμα 2.2, φαίνεται ότι υπάρχει μεγάλη αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας από τα αναπτυσσόμενα έθνη και συγκεκριμένα από την αναπτυσσόμενη Ασία (συμπεριλαμβανομένων της Κίνας και της Ινδίας), όπου η απαίτηση για ενέργεια αναμένεται να είναι μεγαλύτερη από το διπλάσιο κατά το πρώτο τέταρτο του αιώνα. Σύμφωνα με προβλέψεις του ΕIA2003a (Energy Information Administration), κατά τη διάρκεια των πρώτων 25 χρόνων του αιώνα που διανύουμε, θα αυξηθεί η κατανάλωση κάθε βασικής ενεργειακής πηγής (σχήμα 2.3). Η μελλοντική ζήτηση για ενέργεια φαίνεται να καλύπτεται κυρίως από τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο και γαιάνθρακες), όπου εμφανίζεται και η μεγαλύτερη αύξηση στη κατανάλωση μεταξύ των πηγών ενέργειας, αφού αναμένεται ότι οι τιμές των ορυκτών 12 (1 τετράκις εκατομμύρια Btu = 1,055 exajoules)

36 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας καυσίμων θα παραμείνουν σχετικά χαμηλές και ότι το κόστος της παραγόμενης ενέργειας από άλλες πηγές δεν είναι ακόμα ανταγωνιστικό. Ιστορικά δεδομένα Προβλέψεις Βιομηχανοποιημένες Αναπτυσσόμενες Ανατολική Ευρώπη/ Πρώην Σοβιετική Ένωση Σχήμα 2.2 Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας ανά Περιοχή, Ιστορικά δεδομένα Προβλέψεις Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Γαιάνθρακες Ανανεώσιμες Πυρηνικά Σχήμα 2.3 Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας με Βάση την Πηγή Ενέργειας, Πηγές: (σχήμα 2.2, 2.3) Ιστορικά δεδομένα: Energy Information Administration (EIA), International Energy Annual 2001, DOE/EIA-0219(2001). Προβλέψεις: Energy Information Administration (EIA), System for the Analysis of Global Energy Markets (2003). 13

37 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Το πετρέλαιο αναμένεται να παραμείνει το κυρίαρχο ενεργειακό καύσιμο κατά την διάρκεια της προβλεπόμενης περιόδου Η αύξηση της κατανάλωσης του πετρελαίου στον βιομηχανοποιημένο κόσμο εμφανίζεται κυρίως στο τομέα των μεταφορών, όπου και δεν υπάρχουν σήμερα διαθέσιμα εναλλακτικά καύσιμα για να ανταγωνιστούν τα προϊόντα του πετρελαίου. Η χρήση όμως του πετρελαίου για παραγωγή ηλεκτρισμού αναμένεται να μειωθεί λόγω της συνεχούς αύξησης της χρήσης εναλλακτικών καυσίμων, όπως είναι το φυσικό αέριο. Στον αναπτυσσόμενο κόσμο η χρήση του πετρελαίου πρόκειται να αυξηθεί σε όλους τους τομείς, αντίθετα το φυσικό αέριο, λόγω της έλλειψης σε έργα υποδομής τα οποία απαιτούνται για τη χρήση του, δεν έχει ευρέως καθιερωθεί στις χώρες του τρίτου κόσμου σε αντίθεση με τις βιομηχανοποιημένες χώρες (Barnes et al., 1997). Το φυσικό αέριο αναμένεται να είναι η πιο γρήγορα αναπτυσσόμενη πηγή ενέργειας παγκοσμίως επιτυγχάνοντας ετησίως, κατά τη διάρκεια της περιόδου , σταθερό ρυθμό αύξησης 2,8 %, περίπου διπλάσιο από το ρυθμό αύξησης της χρήσης των γαιανθράκων. Η κατανάλωση του φυσικού αερίου προβλέπεται ότι θα αυξηθεί από τα 1 τρισεκατομμύρια m 3 το 2001 σε 2 τρισεκατομμύρια m 3 το 2025, κυρίως για παραγωγή ηλεκτρισμού. Το γεγονός ότι καίγεται πιο καθαρά από το γαιάνθρακα και το πετρέλαιο καθιστά το φυσικό αέριο ακόμα πιο ελκυστικό στη χρήση, κυρίως για τις χώρες που ενδιαφέρονται να μειώσουν τις εκπομπές αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Την περίοδο αναμένεται αύξηση στην χρήση των γαιανθράκων παγκοσμίως κατά 2 δισεκατομμύρια τόνους με ετήσιο ρυθμό αύξησης 1,5 %. Σημαντική μείωση στη χρήση των γαιανθράκων παρατηρείται ήδη στις χώρες της Δυτικής Ευρώπης και στη περιοχή της Ανατολικής Ευρώπης και της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης, όπου η χρήση του φυσικού αερίου ως καύσιμο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και άλλων χρήσεων στον βιομηχανικό και κατασκευαστικό τομέα, αυξάνεται διαρκώς. Ωστόσο, στον αναπτυσσόμενο κόσμο, αναμένεται ακόμα μεγαλύτερη κατανάλωση γαιανθράκων, με την Κίνα και την Ινδία να καταλαμβάνουν τις πρώτες θέσεις, αφού οι χώρες αυτές είναι πλούσιες σε κοιτάσματα γαιανθράκων. Οι δύο αυτές χώρες μαζί υπολογίζεται ότι κατέχουν το 86 % της προβλεπόμενης αύξησης στη χρήση των γαιανθράκων μεταξύ των αναπτυσσόμενων χωρών. Σε παγκόσμια κλίμακα, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από την πυρηνική ενέργεια αναμένεται να αυξηθεί από 2521 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες το 14

38 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 2001 σε 2737 δισεκατομμύρια το Οι βιομηχανοποιημένες χώρες αποφάσισαν να επαναπροσδιορίσουν τη πολιτική τους όσον αφορά τα πυρηνικά, και να καθυστερήσουν τα προγράμματα αποπυρηνικοποίησης τους, στοχεύοντας σε υψηλότερους ρυθμούς αξιοποίησης των δυνατοτήτων της πυρηνικής τεχνολογίας, σε λιγότερες αποσύρσεις των υπαρχόντων πυρηνικών εγκαταστάσεων και σε παράταση των αδειών λειτουργίας των πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας. Σύμφωνα με το International Energy Outlook του 2003 (EIA2003a), η παγκόσμια πυρηνική δυναμικότητα αναμένεται να φτάσει από 353 gigawatts το 2001, σε 393 gigawatts το 2015 και να πέσει στα 366 gigawatts το Η μεγαλύτερη ανάπτυξη στη παραγωγή πυρηνικών παρατηρείται στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου η κατανάλωση του ηλεκτρισμού προερχόμενου από τη πυρηνική ενέργεια πρόκειται να αυξηθεί τη περίοδο με ετήσιο ρυθμό 4,1 %. Ειδικότερα στην αναπτυσσόμενη Ασία αναμένεται να παρατηρηθεί η μεγαλύτερη επέκταση σε νέες μονάδες παραγωγής πυρηνικών. Το Φεβρουάριο του 2003 στα έθνη της αναπτυσσόμενης Ασίας κατασκευάζονταν οι 17 από τους 35 πυρηνικούς αντιδραστήρες που βρίσκονται υπό κατασκευή παγκοσμίως και οι οποίοι κατανέμονται ως εξής: 8 στην Ινδία, 4 στη Κίνα, 2 στη νότια Κορέα και 1 στη βόρεια και 2 στη Ταϊβάν (IAEA, 2003). Η κατανάλωση ηλεκτρισμού, ο οποίος προέρχεται από την υδροηλεκτρική ενέργεια και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αναμένεται να αυξηθεί με ρυθμό 1,9 % ετησίως. Όσο οι τιμές των ορυκτών καυσίμων παραμένουν σχετικά χαμηλές, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν προβλέπεται να γίνουν ευρέως ανταγωνιστικές και το ποσοστό που καταλαμβάνουν στη παγκόσμια συνολική κατανάλωση ενέργειας δεν αναμένεται να αυξηθεί καθώς οι προβλέψεις δείχνουν να περιορίζεται στο 8 % κατά τη περίοδο Παρόλα αυτά, αν και στις βιομηχανοποιημένες χώρες οι εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική ενέργεια στη Δυτική Ευρώπη και η βιομάζα και η γεωθερμική ενέργεια στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, αναπτύσσονται και εξελίσσονται με γρήγορους ρυθμούς, η μεγαλύτερη ανάπτυξη στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας προέρχεται από τα φιλόδοξα και μεγάλης κλίμακας αναπτυξιακά έργα παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας, που ήδη κατασκευάζονται ή πρόκειται να κατασκευαστούν στον αναπτυσσόμενο κόσμο και συγκεκριμένα μεταξύ των εθνών της αναπτυσσόμενης Ασίας (Κίνας, Ινδίας, Μαλαισίας και Βιετνάμ). 15

39 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ενεργειακά Αποθέματα Τα ενεργειακά αποθέματα, εφόσον η ενεργειακή κατανάλωση παρέμενε σταθερή από τα μέσα της δεκαετίας του 1990, θα αρκούσαν ως εξής: το πετρέλαιο για 40 χρόνια, το φυσικό αέριο για 60 χρόνια και οι γαιάνθρακες για πολύ περισσότερο από 250 χρόνια (World Resources ). Όμως, επειδή η ενεργειακή ζήτηση ολοένα και αυξάνεται, με βάση επιστημονικούς υπολογισμούς και προβλέψεις σε περίπου 75 χρόνια θα έχουν εξαντληθεί, σε παγκόσμια κλίμακα, όλες οι πηγές εξόρυξης γαιάνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου και ουρανίου-235 (Denker, 2003). Σύμφωνα με πρόσφατους υπολογισμούς και αναφορές του Παγκόσμιου Συμβουλίου Ενέργειας (World Energy Council, WEC) και της πετρελαϊκής εταιρίας BP (British Petroleum), τα γνωστά παγκόσμια αποθέματα αργού πετρελαίου (συμβατικού πετρελαίου) το έτος 1999 ανέρχονταν σε περίπου 1000 δισεκατομμύρια βαρέλια, δηλαδή περίπου γιγατόνους (~ exajoules), και κατανέμονται ανά χώρα όπως φαίνεται στο πίνακα 2.1. Επιπλέον, υπολογίζεται ότι από νέες ανακαλύψεις κοιτασμάτων τα αποθέματα θα αυξηθούν κατά περίπου 28 γιγατόνους (Barthel et al, 2000). Η Μέση Ανατολή σήμερα κατέχει περίπου το 50 % των παγκόσμιων αποθεμάτων πετρελαίου, τη στιγμή που οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής δεν ξεπερνούν το 3 % (Abel, 2000). Σήμερα, μόνο το 35 % του πετρελαίου ανακτάται από τις πρωτογενείς και δευτερογενείς μεθόδους παραγωγής. Με την χρήση σύγχρονων, βελτιωμένων μεθόδων ανάκτησης πετρελαίου, οι οποίες όμως αυξάνουν το κόστος εξόρυξης, θα μπορούσε το ποσοστό αυτό να ανέλθει στο 65 % του αρχικού πετρελαίου της πηγής (BGR, 1995). Πίνακας 2.1 Υπολογισμένα Ενεργειακά Αποθέματα Συμβατικού Πετρελαίου (BP, 1999) exajoules Συμβατικού Φυσικού Αερίου (BP, 1999) exajoules Γαιάνθρακα (WEC, 1998) exajoules Βόρεια Αμερική Λατινική Αμερική & Καραϊβική Δυτική Ευρώπη Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη Πρώην Σοβιετική Ένωση Μέση Ανατολή & Βόρεια Αφρική Βόρεια Αφρικανική Έρημος Σαχάρα Ανατολική Ασία (Pacific Asia) Νότια Ασία Κεντρική Ασία (Pacific OECD*) Συνολικά *Οργανισμός Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης 16

40 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι τεράστιες ποσότητες αποθεμάτων μη συμβατικού πετρελαίου που έχουν καταγραφεί μέχρι σήμερα, περιλαμβάνουν το πετρέλαιο που παράγεται από τον ορυκτό αργιλικό σχιστόλιθο, το βαρύ αργό πετρέλαιο και την αμμώδη πίσσα. Η εκμετάλλευση και η χρήση του μη συμβατικού πετρελαίου είναι ήδη οικονομικά εφικτή και η εξέλιξη του καθορίζεται από την τιμή του συμβατικού πετρελαίου, την τεχνολογική ανάπτυξη και τη μακροπρόθεσμη απαίτηση για υγρά καύσιμα. Σύμφωνα με το BGR, (1998), τα αποθέματα του μη συμβατικού πετρελαίου εκτιμώνται ότι είναι της τάξεως των 245 γιγατόνων, ξεπερνώντας ουσιαστικά τα αποθέματα του συμβατικού πετρελαίου. Σήμερα περίπου το 8 % της παγκόσμιας παραγωγής πετρελαίου προέρχεται από το βαρύ αργό πετρέλαιο. Ο πετρελαϊκός αργιλικός σχιστόλιθος, είναι ιζηματογενές πέτρωμα, πλούσιο σε οργανική ύλη, ο οποίος περιέχει περισσότερο από 10 % κηρογενών ουσιών (kerogen) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατευθείαν ως καύσιμο σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ή για παραγωγή συνθετικών πετρελαϊκών προϊόντων. Το βαρύ αργό πετρέλαιο, ορίζεται ως το αργό πετρέλαιο με υψηλό ιξώδες, με πυκνότητα ίση ή λιγότερη από 20 o API (934 kg/m 3 ) και δημιουργείται από την αποδόμηση του συμβατικού πετρελαίου σε ρηχά κοιτάσματα. Η αμμώδης πίσσα (φυσικό βιτούμιο) και το πολύ βαρύ πετρέλαιο, είναι άμμος ή αμμόπετρα, η οποία περιέχει μεγάλες ποσότητες πισσωδών υδρογονανθράκων, με ιξώδες που ξεπερνάει τα millipoise και παράγονται από θερμική μεταμόρφωση και βιοαποδόμηση των συμβατικών πετρελαϊκών κοιτασμάτων. Πίνακας 2.2 Εκτίμηση Ενεργειακού Δυναμικού Μη Συμβατικού Πετρελαίου στη Φύση Πετρελαϊκός αργιλικός σχιστόλιθος Βαρύ αργό πετρέλαιο Αμμώδης πίσσα exajoules exajoules exajoules Πηγή: BGR, Τα αποθέματα του φυσικού αερίου είναι άμεσα συγκρίσιμα με τα αποθέματα του πετρελαίου (πίνακας 2.1), όμως ακόμα και σήμερα το φυσικό αέριο αντιμετωπίζεται ως υποδεέστερο του πετρελαίου. Πρόσφατοι υπολογισμοί σύμφωνα με τη ΒP, (1999), δείχνουν ότι τα αποθέματα συμβατικού φυσικού αερίου ανέρχονται στα περίπου 147 Tm 3 (~5454 exajoules). Η εφαρμογή προηγμένων μεθόδων ανάκτησης φυσικού αερίου θα 17

41 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας βελτίωναν τις τιμές των αποθεμάτων, αυξάνοντας ουσιαστικά την ανάκτηση φυσικού αερίου σε εγκαταλελειμμένες και νέες πηγές (Elrod, 1997). Ως, μη συμβατικό αέριο ορίζεται το φυσικό αέριο, το οποίο προέρχεται από πόρους οι οποίοι δεν είναι εκμεταλλεύσιμοι με τη χρήση συμβατικών τεχνικών ανάκτησης (BGR, 1995). Τύποι μη συμβατικού αερίου είναι το μεθάνιο από λιθανθρακοφόρα κοιτάσματα, τα αέρια ερμητικά κλειστών κοιτασμάτων, τα ένυδρα αέρια και τα αέρια του υδροφόρου ορίζοντα. Η δυναμικότητα των φυσικών πόρων των μη συμβατικών αερίων στη γη, υπολογίζεται ότι ξεπερνάει τα Tm 3 ( exajoules). Το μεθάνιο από λιθανθρακοφόρα κοιτάσματα, είναι ένα μίγμα φυσικού αερίου το οποίο περιέχει περισσότερο από 90 % μεθάνιο και το οποίο δημιουργείται σε μεγάλες φλέβες άνθρακα από τις οποίες μπορεί να μεταφερθεί στα βραχώδη πετρώματα. Η ποσότητα του μεθανίου στις πηγές άνθρακα υπολογίζεται ότι φτάνει και μέχρι τα 25 m 3 ανά τόνο άνθρακα (Davidson, 1995). Tο αέριο ερμητικά κλειστών κοιτασμάτων, είναι φυσικό αέριο εγκλωβισμένο σε χαμηλής διαπερατότητας (μικρότερης από 0,1 millidarcy) φυσικές υπόγειες βραχώδεις δεξαμενές (Law and Spencer, 1993), και καλύπτει σήμερα περίπου το 3 % της συνολικής παραγωγής του φυσικού αερίου. Τα ένυδρα αέρια, σύμφωνα με τη Διεθνή Ένωση Φυσικού Αερίου (International Gas Union, IGU, 1997), θεωρούνται ως η μελλοντικά πλέον υποσχόμενη πηγή φυσικού αερίου. Τα ένυδρα αέρια, είναι ένα κρυσταλλικό κλουβί από μόρια νερού τα οποία εγκλωβίζουν μέσα τους διάφορα αέρια, μοιάζουν με κοιτάσματα πάγου, για τη δημιουργία τους απαιτούνται χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις και καλύπτουν ένα σημαντικό τμήμα του πυθμένα των ωκεανών. Η έκταση την οποία καλύπτουν και η υψηλή περιεκτικότητα τους σε μεθάνιο, οδηγούν στη πιθανότητα ότι γιγαντιαίες ποσότητες μεθανίου θα μπορούσαν να γίνουν μελλοντικά διαθέσιμες. Όμως, ακόμα δεν υπάρχει κάποια οικονομικά εφικτή μέθοδος ανάκτησης τους. Τα αέρια του υδροφόρου ορίζοντα (γεω-πρεσαρισμένα) όπως καλούνται, είναι φυσικό αέριο διαλυμένο στους υδροφόρους ορίζοντες, υπό κανονική υδροστατική πίεση, σε μορφή μεθανίου και κατά τον Marsden, (1993), υπάρχουν σχεδόν σε κάθε ιζηματογενή λεκάνη. Η ποσότητα του αερίου που βρίσκεται διαλυμένο στα υπόγεια νερά αυξάνεται σημαντικά με το βάθος. Έτσι, για βάθη μέχρι 4000 μέτρα υπάρχουν 0,5-1,5 m 3 διαλυμένου αερίου ανά μέτρο νερού του υδροφόρου ορίζοντα, ενώ για 18

42 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας βάθη μέτρων η τιμή φτάνει τα 7-20 m 3 αντίστοιχα (BGR, 1995). Παρόλα αυτά, τα αέρια του υδροφόρου ορίζοντα παραμένουν μέχρι σήμερα αναξιοποίητα. Λιθανθρακοφόρα κοιτάσματα Πίνακας 2.3 Πηγές Μη Συμβατικού Φυσικού Αερίου και Εκτίμηση Ενεργειακού Δυναμικού Ερμητικά κλειστά κοιτάσματα Ένυδρα αέρια Υδροφόροι ορίζοντες Σύνολο exajoules exajoules exajoules exajoules exajoules Πηγή: BGR, 1995, 1998; Rogner, Οι γαιάνθρακες υποδιαιρούνται σε διάφορους ευκρινώς ορισμένους τύπους, σύμφωνα με την θερμιδική τους αξία. Έτσι, στους τύπους των γαιανθράκων περιλαμβάνονται ο ασφαλτούχος λιθάνθρακας (περιλαμβανομένου του ανθρακίτη), ο υπο-ασφαλτούχος λιθάνθρακας και ο λιγνίτης. Οι παγκόσμιες πηγές γαιανθράκων, σύμφωνα με το WEC, (1998), υπολογίζεται ότι αντιστοιχούν σε περίπου 4500 γιγατόνους ισοδύναμου πετρελαίου (Gtoe), ενώ το ανακτήσιμο μέρος είναι περίπου γύρω στους 500 Gtoe και θεωρείται ως το απόθεμα. Από τους φυσικούς πόρους των γαιανθράκων, το 85 % αποτελείται από ασφαλτούχο και υπο-ασφαλτούχο (σκληρό) λιθάνθρακα και το υπόλοιπο από λιγνίτη (μαλακό καφέ γαιάνθρακα). Η φυσική ύπαρξη των υλικών σχάσεως φυσικό ουράνιο και θόριο συναντάται σε διάφορους τύπους γεωλογικών κοιτασμάτων. Συγκρίνοντας την ισχύ που παράγεται από το ουράνιο σε σχέση με το πετρέλαιο αρκεί να συγκρίνουμε τη σχάση ενός κιλού φυσικού ουρανίου η οποία παράγει περίπου 573 gigajoules θερμικής ενέργειας περίπου φορές η ενέργεια που παράγει ένα κιλό πετρελαίου και με τη χρήση ενός γρήγορου αντιδραστήρα νετρονίων παράγεται 100πλάσια ισχύς. Στους σύγχρονους αντιδραστήρες, 22 τόνοι ουρανίου παράγουν 1 terrawatt-hour ηλεκτρισμού. Τα αποθέματα ουρανίου προσδιορίζονται περιοδικά από τον Οργανισμό για την Οικονομική Συνεργασία και την Ανάπτυξη, την Υπηρεσία Πυρηνικής Ενέργειας (Nuclear Energy Agency, NEA), μαζί με την Διεθνή Υπηρεσία Ατομικής Ενέργειας (International Atomic Energy Agency, IAEA), το Ινστιτούτο Ουρανίου (Uranium Institute, UI), το Παγκόσμιο Συμβούλιο Ενέργειας (WEC) και άλλα διεθνή και εθνικά γεωλογικά ινστιτούτα. Τα παγκόσμια αποθέματα και οι πηγές συμβατικού ουράνιου, υπολογίζεται ότι φτάνουν τους 20 εκατομμύρια τόνους. Από τη ποσότητα αυτή ως αποθέματα χαρακτηρίζονται μόνον όσα η τιμή ανάκτησης τους είναι μικρότερη των $80 ανά κιλό. 19

43 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Πίνακας 2.4 Προσδιορισμός Κατηγοριοποίησης Πηγών Συμβατικού Ουρανίου με Βάση το Κόστος Ανάκτησης τους <$80 ανά κιλό $ $ Υποθετικές Πηγές Συνολικά τόνοι ουρανίου τόνοι ουρανίου τόνοι ουρανίου τόνοι ουρανίου τόνοι ουρανίου Πηγή: NEA and IAEA, Επιπρόσθετα, υπάρχουν τεράστιες ποσότητες μη συμβατικού ουρανίου, οι οποίες βρίσκονται κυρίως σε κοιτάσματα φωσφορικών αλάτων και υπολογίζεται ότι η περιεκτικότητα τους σε ουράνιο αγγίζει τα 15 εκατομμύρια τόνους, εκ των οποίων περισσότεροι από τους μισούς βρίσκονται στο Μαρόκο. Οι τεχνικές ανάκτησης του ουρανίου από το μετάλλευμα δίνουν 70 % ανάκτηση, ακόμα όμως λόγω κόστους δεν εφαρμόζονται. Άλλες, πηγές μη συμβατικού ουρανίου είναι: Ο μαύρος αργιλικός σχιστόλιθος, και τα πετρώματα από γρανίτη, τα οποία, αν και υπάρχουν σε σημαντικές ποσότητες, λόγω περιβαλλοντικών και οικονομικών περιορισμών έχει εγκαταλειφθεί κάθε προσπάθεια αξιοποίησης τους. Το θαλασσινό νερό, για το οποίο υπολογίζεται ότι περιέχει συνολικά το γιγαντιαίο ποσό των περίπου 4,5 δισεκατομμυρίων τόνων ουρανίου (700 φορές περισσότερο από τις γνωστές πηγές ουρανίου της γης, με κόστος ανάκτησης λιγότερο των $130 ανά κιλό). Η πηγή αυτή θεωρείται μεγίστης σημασίας για το μέλλον, καθώς θεωρείται ότι θα μπορούσε η εξαγωγή του ουρανίου από το θαλασσινό νερό να επιτευχθεί με χαμηλό κόστος, όπου σύμφωνα με γάλλους και ιάπωνες επιστήμονες το κόστος δεν θα ξεπερνάει τα $ ανά κιλό (Charpak and Garwin, 1998). Η συγκεκριμένη τεχνολογία ανάκτησης όμως, βρίσκεται ακόμα σε εργαστηριακή κλίμακα και απρόβλεπτες δυσκολίες αναμένονται να προκύψουν κατά την αλλαγή της κλίμακας σε ένα εκατομμύριο φορές ή και περισσότερο. Επίσης, το επανεπεξεργασμένο (reprocessed) ουράνιο και πλουτώνιο αποτελεί και αυτό επιπρόσθετη πηγή τροφοδοσίας σταθμός παραγωγής πυρηνικής ενέργειας με δυναμικότητα να προσφέρει γύρω στο 30 % της αρχικής απαίτησης, με τη διαδικασία της ανακύκλωσης (BNFL, 1997). Το θόριο και οι βασικές πηγές του στη γη προέρχονται από το μοναζίτη, ένα σπάνιο ορυκτό και φωσφορικό άλας του θορίου. Άλλη πηγή με υψηλή συγκέντρωση θορίου, είναι ο θορίτης. Τα αποθέματα θορίου σήμερα, υπολογίζονται σε όχι λιγότερα από δύο εκατομμύρια τόνους (BGR data bank). 20

44 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις και Εκπομπές Διοξειδίου του Άνθρακα Οι βασικότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση του πετρελαίου, των γαιανθράκων και του φυσικού αερίου με σκοπό τη παραγωγή ενέργειας είναι η επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με διοξείδιο του άνθρακα και άλλων επιβλαβών αέριων ουσιών (όπως χλωροφθοράνθρακες, μεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου κ.α.), αυξάνοντας έτσι την απειλή για τον πλανήτη και για το ανθρώπινο είδος από το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Υπολογισμοί δείχνουν ότι αν δε ληφθούν κατάλληλα μέτρα όσον αφορά τις ανθρώπινες δραστηριότητες, οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου θα διπλασιαστούν σε λιγότερο από 50 χρόνια. Οι συνέπειες μιας τέτοιας εξέλιξης θα έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της γης κατά 1,5-6 ο C, με αποτέλεσμα την τήξη των πάγων των αρκτικών ζωνών, την άνοδο της στάθμης της θάλασσας κατά 0,5 1,5 m, τη διατάραξη του κύκλου των βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων, το πολλαπλασιασμό των ακραίων κλιματολογικών φαινομένων, καθώς και άλλων σοβαρών επιπτώσεων στην υγεία, το φυτικό και ζωικό κόσμο, την πολιτική, την οικονομία και γενικότερα σε κάθε γήινη δραστηριότητα (Γεντεκάκης, 1999). Έτσι, ακόμα και η λύση της εκμετάλλευσης του μη συμβατικού πετρελαίου, για την αντιμετώπιση της μελλοντικής έλλειψης του συμβατικού αργού πετρελαίου, δεν αποτελεί την πλέον ορθή επιλογή αφού εγκυμονεί, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, σοβαρούς κινδύνους για το περιβάλλον και για τη διατήρηση της ζωής στη γη. Επιπλέον, η παραγωγή του μη συμβατικού πετρελαίου και η απαραίτητη αναβάθμιση του σε εμπορεύσιμο καύσιμο θα μπορούσε να βλάψει το περιβάλλον κατά τόπους, αφού οι διεργασίες εκμετάλλευσης, μετατροπής και αναβάθμισής του σε συνθετικό αργό πετρέλαιο, παράγουν τοξικά βαρέα μέταλλα και μεγάλες ποσότητες στερεών και όξινων υγρών και αέριων αποβλήτων. Τα απόβλητα αυτά θα πρέπει να συγκεντρώνονται, να καθαρίζονται και να διατίθενται με περιβαλλοντικά ήπιο τρόπο, υπό αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανόνες, ελέγχους και νέες τακτικές και τρόπους διαχείρισης για την διάθεση μεγάλων όγκων και τέτοιου είδους τοξικών αποβλήτων (Barthel et al, 2000). Για την παρακολούθηση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων και των επιπτώσεών τους στο περιβάλλον, καθώς και για το τρόπο με τον οποίο σχεδιάζεται η πολιτική και οι νόμοι που θέτουν διαρκώς νέα όρια, περιορίζοντας και κατευθύνοντας την χρήση των ορυκτών καυσίμων, έχουν συσταθεί παγκόσμιοι οργανισμοί που συλλέγουν και 21

45 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αναλύουν δεδομένα, καταλήγοντας σε χρήσιμα πορίσματα για την ενεργειακή και περιβαλλοντική πολιτική του παρελθόντος, το παρόν και τις τάσεις του μέλλοντος, σχεδιάζοντας και υλοποιώντας αποτελεσματικά προγράμματα για την αντιμετώπιση του ενεργειακού και περιβαλλοντικού προβλήματος. Με βάση τα σημερινά δεδομένα, η έκταση του προβλήματος καθώς και οι μελλοντικές προβλέψεις εμφανίζονται δυσοίωνες και απειλητικές αφού οι δείκτες των τιμών των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα σε παγκόσμια κλίμακα παρουσιάζουν διαρκώς αυξανόμενη τάση. Σύμφωνα με τα προβλεπόμενα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας παγκοσμίως, όπως παρουσιάζονται στο International Energy Outlook 2003 (EIA2003a), οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα σε παγκόσμια κλίμακα προβλέπεται ότι θα αυξηθούν κατά 3,8 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους άνθρακο-ισοδύναμου τη περίοδο (σχήμα 2.4), δηλαδή με ετήσιο ρυθμό 1,9 %, ξεπερνώντας το 2025 τα επίπεδα εκπομπών του 1990 κατά 76 %. Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο φαίνεται ότι θα συνεισφέρουν στο πρόβλημα την περίοδο αυτή, κατά 1,5 και 1,3 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους αντίστοιχα, και οι γαιάνθρακες το υπόλοιπο 1 δισεκατομμύριο μετρικών τόνων άνθρακοισοδύναμου. Οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα στις βιομηχανοποιημένες χώρες, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5, αναμένεται από το 2001 μέχρι το 2025 να αυξηθούν κατά 1,2 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους άνθρακο-ισοδύναμου φτάνοντας 4,3 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους το 2025, αύξηση που αντιστοιχεί σε ρυθμό περίπου 1,3 % ετησίως. Από το 2020, τα επίπεδα των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στον αναπτυσσόμενο κόσμο (συμπεριλαμβανομένων της Κίνας και της Ινδίας) αναμένονται να ξεπεράσουν αυτά των βιομηχανοποιημένων χωρών, έστω και αν οι αναπτυσσόμενες χώρες στο διάστημα αυτό προβλέπεται ότι θα χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια από τις βιομηχανοποιημένες χώρες. Οι συνολικές εκπομπές στα αναπτυσσόμενα έθνη προβλέπεται να αυξηθούν την περίοδο κατά 2,3 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους, φτάνοντας το 2025 συνολικά τα 4,7 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους άνθρακοισοδύναμου, αύξηση που αντιστοιχεί περίπου στο 59% της παγκόσμιας αύξησης. Η μεγάλη αύξηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στα αναπτυσσόμενα έθνη οφείλεται εν μέρει στη συνεχή έντονη εξάρτηση των κρατών αυτών από τους γαιάνθρακες. Στην αναπτυσσόμενη ασιατική περιοχή, η οποία έχει το μεγαλύτερο αναμενόμενο ρυθμό ανάπτυξης στην οικονομία και την ενέργεια, γίνεται εκτεταμένη χρήση των γαιανθράκων, με αποτέλεσμα η αύξηση των εκπομπών του διοξειδίου του 22

46 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας άνθρακα που αντιστοιχεί στη περιοχή αυτή να προβλέπεται ότι θα φτάσει από τα 1,6 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους άνθρακο-ισοδύναμου το 2001 στα 3,3 δισεκατομμύρια μετρικών τόνων το Στη περιοχή της Ανατολικής Ευρώπης και της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα (σχήμα 2.5), δεν αναμένονται να αυξηθούν σημαντικά με την αύξηση της απαίτησης για ενέργεια, λόγω των νέων επενδύσεων που γίνονται στη περιοχή και λόγω της χρήσης του φυσικού αερίου εις αντικατάσταση των γαιανθράκων, κυρίως στο τομέα της παραγωγής του ηλεκτρισμού. Ιστορικά δεδομένα Προβλέψεις Συνολικά Πετρέλαιο Γαιάνθρακες Φυσικό Αέριο Σχήμα 2.4 Εκπομπές Διοξειδίου του Άνθρακα Παγκοσμίως (σχετιζόμενες με την ενέργεια), με Βάση τον Τύπο Καυσίμου, Πηγή (σχήμα 2.4, 2.5): International Energy Outlook

47 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Βιομηχανοποιημένες Αναπτυσσόμενες Ανατολική Ευρώπη/ Πρώην Σοβιετική Ένωση Σχήμα 2.5 Εκπομπές Διοξειδίου του Άνθρακα Παγκοσμίως (σχετιζόμενες με την ενέργεια), ανά Περιοχή, Πολιτική και Περιβάλλον Η λύση του περιβαλλοντικού προβλήματος που προκύπτει λόγω της χρήσης κυρίως των ορυκτών καυσίμων συνδέεται άμεσα με τη πολιτική των κρατών, από όπου μέσα από τα περιβαλλοντικά προγράμματα, τις κυβερνητικές τακτικές και με τον κατάλληλο σχεδιασμό των νόμων που τίθενται σε ισχύ μπορούν να περιοριστούν ή και να μειωθούν οι αέριες εκπομπές που προκαλούν την ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου καθώς και όλες τις υπόλοιπες περιβαλλοντικές συνέπειες. Σήμερα, η δημιουργία και το μέτρο εφαρμογής των νόμων και των συμφωνιών που σχετίζονται με την επίλυση του προβλήματος του φαινομένου του θερμοκηπίου, ορίζονται κυρίως από κυβερνητικές παρεμβάσεις, την παγκόσμια οικονομία, την βιομηχανική ανάπτυξη καθώς και από άλλους παράπλευρους παράγοντες, όπως η αντιμετώπιση της ανεργίας, η βελτίωση της ποιότητας ζωής κ.α. Το 1992, στο συνέδριο των Ηνωμένων Εθνών για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (παγκόσμια συνάντηση κορυφής στο Ρίο της Βραζιλίας), όπου παραβρέθηκαν εκπρόσωποι των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής (Η.Π.Α) και άλλων εθνών από όλο τον κόσμο, υπήρξε το ελπιδοφόρο μήνυμα για τη μείωση και συγκράτηση των αέριων εκπομπών που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου στα επίπεδα του 1990 μέχρι το έτος 2000 (Reiner, 2001). Όμως, το διεθνές σύμφωνο που υπογράφει στη παγκόσμια 24

48 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας συνάντηση κορυφής δεν ήταν νομικά δεσμευτικό με αποτέλεσμα πολλά έθνη συμπεριλαμβανομένων και των Η.Π.Α. να αποτύχουν στο να ανταποκριθούν στους στόχους που τέθηκαν. Εντούτοις, μετά το 1992 υπήρξαν και άλλες συναντήσεις και διαπραγματεύσεις γύρω από το θέμα, με πιο σημαντική τη συνάντηση που έλαβε χώρα στο Κιότο της Ιαπωνίας το Το αποτέλεσμα αυτού του συνεδρίου ήταν η υπογραφή του πρωτοκόλλου του Κιότο, στο οποίο γίνεται αναφορά στις ανησυχίες, το ενδιαφέρον και τις ευθύνες που έχει η κάθε χώρα, βεβαιώνοντας ότι όλες οι χώρες θα περιορίσουν τις εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα και των άλλων αερίων που συμβάλλουν στην επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου, μειώνοντας συγκεκριμένα την χρήση των ορυκτών καυσίμων, όπως των γαιανθράκων, της βενζίνης και του πετρελαίου. Ωστόσο, το πρωτόκολλο του Κιότο δεν κατέληγε σε συγκεκριμένα συμπεράσματα με αποτέλεσμα οι εκπρόσωποι των 170 κρατών (συμπεριλαμβανομένου και των Η.Π.Α.) να συναντήθουν ακόμα μία φορά τον Νοέμβριο του 2000, στην Χάγη της Ολλανδίας, προκειμένου να συμπληρώσουν τα κενά του πρωτοκόλλου. Ο στόχος στην Χάγη ήταν να δοθεί το περίγραμμα για το πώς κάθε ανεξάρτητη χώρα θα συμμορφωθεί με τους στόχους που τέθηκαν το Όμως, οι διαπραγματεύσεις δεν κατάφεραν να οδηγήσουν σε συμφωνία (Goel, 2000). Πολλοί αναλυτές ρίχνουν το βάρος για τη μη επίτευξη συμφωνίας στις Η.Π.Α. και τον πρόεδρο Μπούς, ο οποίος στις 13 Μαρτίου, 2001, απέρριψε και οριστικά πια το πρωτόκολλο του Κυότο, καθώς έκρινε ότι η προσπάθεια για μείωση και περιορισμό των αερίων που ευθύνονται για την επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου, θα είχε αρνητικές επιδράσεις στην οικονομία της χώρας του (WHRC, 2006). 2.3 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η διαρκής μείωση των ενεργειακών αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων καθώς και οι βλαβερές συνέπειες στο περιβάλλον από την χρήση τους, έχουν στρέψει το διεθνές πολιτικό, επιστημονικό ενδιαφέρον στην εύρεση και εφαρμογή νέων εναλλακτικών και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια, η οποία οφείλεται στην υδατόπτωση του νερού, είναι η μεγαλύτερη ανανεώσιμη πηγή που χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το 1997, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανήλθε συνολικά στις 2566 terawatt-hours (ΙΕΑ, 1999). Αν και η υδροηλεκτρική ενέργεια θεωρείται ως καθαρή πηγή ενέργειας, δεν είναι πλήρως απαλλαγμένη από τις εκπομπές αερίων που προκαλούν το 25

49 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας φαινόμενο του θερμοκηπίου, από την επιβάρυνση του οικοσυστήματος και από αρνητικές οικονομικοκοινωνικές επιπτώσεις. Σύμφωνα με υπολογισμούς, το παγκόσμιο θεωρητικό, τεχνικό και οικονομικό δυναμικό της υδροηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται στα , και 8100 terawatt-hours αντίστοιχα (World Atlas and Industry Guide, 1998). Η τεχνολογική πρόοδος τείνει να αυξήσει το τεχνικό δυναμικό, διευρύνοντας την προοπτική της υδροηλεκτρικής ενέργειας να φτάσει τις μελλοντικές απαιτήσεις σε ηλεκτρισμό. Έτσι, οι ανακαινίσεις των υπαρχουσών εγκαταστάσεων, οι κατασκευές νέων υδροηλεκτρικών εργοστασίων και η εκμετάλλευση πρότινος τεχνικά αντιοικονομικών δυναμικών κάνοντας χρήση των νέων, σύγχρονων τεχνολογιών, θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά τις ενεργειακές αποδόσεις. Αν και, ο τομέας της υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι ήδη τεχνολογικά αρκετά ώριμος, με αποδόσεις των υπαρχόντων εργοστασίων της τάξεως του 85%, όπου οι όποιες πρακτικές βελτιώσεις είναι μετρίου μεγέθους, και δεν ξεπερνούν το 10%. Το οικονομικό δυναμικό της υδροηλεκτρικής ενέργειας περιορίζεται από οικονομικούς, κοινωνικούς, περιβαλλοντικούς, γεωλογικούς και τεχνολογικούς παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν την εξέλιξη και το μέλλον της υδροηλεκτρικής ενέργειας. Σε παγκόσμια κλίμακα, περίπου το 11% της ενέργειας προέρχεται από την βιομάζα (IEA, 1998b). Στις αναπτυσσόμενες χώρες η βιομάζα αποτελεί την πιο σημαντική πηγή ενέργειας, αφού υπολογίζεται ότι καλύπτει περίπου το 35% των συνολικών απαιτήσεων τους (WEC, 1994). Αν και η βιομάζα παραδοσιακά εφαρμόζεται ως καύσιμη ύλη για οικιακή χρήση και σε μικρές βιομηχανίες, σύγχρονες βιομηχανικής κλίμακας εφαρμογές της βιομάζας έχουν ήδη αρχίσει να γίνονται εμπορικά διαθέσιμες. Το 1996, υπολογίζεται ότι η παραγωγή ενέργειας από την κατανάλωση της βιομάζας ανήλθε μεταξύ των exajoules (IEA, 1998a; WEC, 1998). Η βιομάζα ταξινομείται ως φυτική (ξυλώδης, μη ξυλώδης, φυτικά απόβλητα διεργασιών, πίνακας 2.5), ζωική και βιομάζα στερεών αστικών απορριμμάτων. Η φυτική, ξυλώδης βιομάζα προέρχεται από δεντρόφυτες εκτάσεις, φυσικά δάση και φυσικούς δασότοπους. Η μη ξυλώδης βιομάζα και τα φυτικά απόβλητα διεργασιών είναι προϊόντα ή υποπροϊόντα αγρο-βιομηχανικών δραστηριοτήτων. Έχει υπολογιστεί ότι η ενέργεια που περιέχεται στα φυτικά απόβλητα διεργασιών υπερβαίνει το ένα τρίτο της παγκόσμιας, εμπορικά χρησιμοποιούμενης ενέργειας, από την οποία περίπου το 30 % είναι ανακτήσιμη (Hall and others, 1993). Σύμφωνα με τους Hall και Rao, (1994), η δυσκολία για την ευρεία χρήση της βιομάζας δεν είναι στη διαθεσιμότητα, αλλά στην 26

50 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας διαχείριση για διατήρηση της οικολογικής ισορροπίας, στη μετατροπή της βιομάζας (ως πρώτης ύλης) σε μια άλλη μορφή και η εισαγωγή της στην αγορά ως μιας μοντέρνας και οικονομικά εφικτής ενεργειακής υπηρεσίας. Το τεχνικό δυναμικό της βιομάζας στηρίζεται κυρίως στη διαθεσιμότητα και κατανομή της καλλιεργήσιμης γης για βιομάζα, τις αποστάσεις από τα κέντρα συγκέντρωσης, διάθεσης και αξιοποίησης της βιομάζας, την παραγωγικότητα της καλλιεργήσιμης γης, συμπεριλαμβανομένης της διαθεσιμότητας του νερού, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθώς και τις τεχνικές και οικονομικές αποδόσεις των ενεργειακών ισοζυγίων από την εφαρμογή τεχνολογιών μετατροπής της βιομάζας σε άλλες μορφές ενέργειας. Προβλέψεις, δείχνουν ότι μέχρι το 2025, οι αναπτυσσόμενες χώρες θα χρησιμοποιούν μόνο το 40 % της διαθέσιμης καλλιεργήσιμης γης τους (Alexandratos, 1995). Σήμερα, η Αφρική χρησιμοποιεί μόνο το 20% των διαθέσιμων εκτάσεων της και η Λατινική Αμερική μόλις το 15%. Υπολογίζεται ότι το 2050, το θεωρητικό και τεχνικό δυναμικό ενέργειας από βιομάζα θα είναι δέκα φορές μεγαλύτερο από το σημερινό και η χρήση της ενέργειας από βιομάζα θα ανέρχεται περίπου στα 450 exajoules το χρόνο αντί των περίπου 50 exajoules που ισχύουν σήμερα. Το κόστος της βιομάζας, καθορίζεται από την απόδοση, από την ενοικίαση της γης και από τα εργατικά. Οι αποδόσεις μπορούν να βελτιωθούν με τη βελτίωση των καλλιεργητικών μεθόδων, την γενετική εξέλιξη των φυτών, την ενσωμάτωση πολλαπλών προϊόντων και την μηχανοποίηση των διαδικασιών καλλιέργειας, μειώνοντας έτσι και το εργατικό κόστος. Ο ανταγωνισμός στην χρήση γης, θα πρέπει να κρατηθεί χαμηλά προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι πληθωριστικές τάσεις στην ενοικίαση της. Πίνακας 2.5 Τύποι και Παραδείγματα Φυτικής Βιομάζας Ξυλώδης Βιομάζα Μη Ξυλώδης Βιομάζα Φυτικά Απόβλητα Διεργασιών Δέντρα Θάμνοι Βάτοι Σαρίδια Μπαμπού Φοίνικες Ενεργειακές καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο και το σόργο Σκύβαλα δημητριακών Στελέχη και ρίζες από βαμβάκι, μανιότη, νικοτινιανή Πόες Μπανάνα, πεντάνευρο και τα όμοια Μαλακά στελέχη όπως των οσπρίων και της πατάτας Υδροχαρή φυτά και φυτά βάλτων Φλοιοί και κότσαλα δημητριακών Βαγάσση Σάρκα και τσόφλια καρπών δέντρων και φρούτων Συσσωματώματα φυτικών ελαίων Βιομηχανικές φλούδες ξύλων, πριονίδια και απόβλητα υλοτομιών Μαύρος ζωμός από μύλους πολτοποίησης Πηγή: IEA, 1998a. Η ζωική κοπριά μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμη ύλη για οικιακή χρήση καθώς και ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου. 27

51 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Τα αστικά στερεά απορρίμματα και τα βιομηχανικά υπολείμματα αποτελούν έμμεση πηγή βιομάζας. Στις βιομηχανοποιημένες χώρες παράγονται κάθε ημέρα 0,9-1,9 Kg στερεών αστικών απορριμμάτων κατ άτομο, τα οποία περιέχουν ενέργεια της τάξεως των 4-13 megajoules/kg (IPCC, 1996a). Διεργασίες όπως η καύση των απορριμμάτων, η θερμοχημική αεριοποίηση και η μικροβιακή αποδόμηση τους, μετατρέπουν τα αστικά στερεά απορρίμματα σε ηλεκτρισμό, θερμότητα ακόμα και σε αέρια και υγρά καύσιμα. Σε αναφορά τους οι Johansson et al, (1993), προβλέπουν ότι στις βιομηχανοποιημένες χώρες, το έτος 2025 η παραγωγή ενέργειας από τα αστικά απορρίμματα θα φθάσει περίπου τα 3 exajoules τον χρόνο, ενώ παγκοσμίως υπολογίζεται ότι θα φθάσει τα 6 exajoules το χρόνο. Η βιομάζα προβάλλεται σήμερα ως μερικώς εναλλακτική, και ως μία μεγάλης κλίμακας ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και πρώτη ύλη της χημικής βιομηχανίας και της παραγωγής υγρών καυσίμων (σχήμα 2.6). Η βιομάζα μπορεί επίσης να γίνει αρκετά φιλική προς το περιβάλλον εφ όσον ο ρυθμός χρήσης της αντιστοιχεί στον ανάλογο ρυθμό αναγέννησης της. Έτσι, στη περίπτωση αυτή δεν προκαλείται αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου τού άνθρακα στην ατμόσφαιρα. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Φωτοσύνθεση Ενεργειακές καλλιέργειες (ζαχαροκάλαμο, μανιότη, σόργο, ειδικά δένδρα) Φυσική βλάστηση (πόες, φυλλωσιές, δένδρα, φύκι) Αγροτικά, βιομηχανικά και αστικά απόβλητα ΒΙΟΜΑΖΑ ΚΑΥΣΗ ΞΗΡΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΔΑΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Ηλεκτρισμός Ατμός υψηλής πίεσης Πυρόλυση Αεριοποίηση Υδροαεριοποίηση Χημική ελάττωση Αλκοολική ζύμωση Αναερόβια ζύμωση Έλαια Αέριο Άνθρακας χαμηλής-μεσαίας ενέργειας αέριο Μεθάνιο Αιθάνιο Άνθρακας Έλαια Αιθανόλη Μεθάνιο Μεθάνιο Μεθανόλη Αμμωνία Ηλεκτρισμός Σχήμα 2.6 Εναλλακτικές δυνατότητες μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια (Smith, 1997) 28

52 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί μια διαρκή ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Όμως, η μεγάλης κλίμακας διαθεσιμότητα της ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από τέσσερις σημαντικές παραμέτρους: την χρονική περίοδο, την γεωγραφική και χωροταξική θέση και τις κλιματολογικές συνθήκες. Η απόδοση της εξαρτάται από τη συσκευή μετατροπής που θα χρησιμοποιηθεί (όπως φωτοβολταϊκά κελιά). Σύμφωνα με τον πίνακα 2.6, το δυναμικό της ηλιακής ενέργειας φαίνεται ότι μπορεί να καλύψει τις παγκόσμιες ανάγκες για ενέργεια μέχρι και πέρα από το Αυτό όμως εξαρτάται από τρεις παράγοντες: τη διαθεσιμότητα αποδοτικών και χαμηλού κόστους τεχνολογιών για μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική και υδρογόνο, την ανάπτυξη αποδοτικών τεχνολογικών μέσων αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και του υδρογόνου καθώς και την εξέλιξη υψηλής απόδοσης τεχνολογικού υλικού και εξοπλισμού καθημερινής χρήσης τα οποία θα χρησιμοποιούν ως καύσιμο τις νέες αυτές μορφές ενέργειας (Barthel et al., 2000). Πίνακας 2.6 Ετήσια Δυναμικότητα της Ηλιακής Ενέργειας, Συμπεριλαμβανομένου Μεταβλητές Παραμέτρους (όπως κλίμα, χρονική περίοδο και χωροταξική διαμόρφωση) Ελάχιστο (exajoules) Μέγιστο (exajoules) Σύνολο Λόγος προς τη παρούσα κατανάλωση ενέργειας (~400 exajoules) 3,9 124 Λόγος προς τη προβλεπόμενη κατανάλωση ενέργειας μέχρι το 2050 ( exajoules) 2,7-1, Λόγος προς τη προβλεπόμενη κατανάλωση ενέργειας μέχρι το 2100 ( exajoules) 1,8-0, Πηγή: IEA, 1998c; Nakicenovic et al., Ως γεωθερμική ενέργεια γενικά ορίζεται η ενέργεια που αποθηκεύεται στο εσωτερικό της γης. Υπάρχουν τέσσερις τύποι γεωθερμικής ενέργειας: Υδροθερμική ενέργεια θερμό νερό ή ατμός σε βάθη από μέτρα. Ενέργεια γεωθερμικών συστημάτων υπό πίεση υδροφόροι ορίζοντες καυτού νερού που περιέχουν διαλυτό μεθάνιο υπό υψηλή πίεση σε βάθη από 3-6 χιλιόμετρα. 29

53 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ενέργεια θερμών ξηρών πετρωμάτων υπέρθερμοι γεωλογικοί σχηματισμοί με απουσία ή ελάχιστη παρουσία νερού. Ενέργεια μάγματος τηγμένα πετρώματα σε θερμοκρασίες ο C. Σήμερα, μόνο οι υδροθερμικές πηγές ενέργειας χρησιμοποιούνται σε εμπορική κλίμακα για παραγωγή ηλεκτρισμού και ως άμεση πηγή θερμότητας, όπου σύμφωνα με τον Björnsson et al., (1998), το 1997 παράγονταν 44 terawatt-hours ηλεκτρισμού και 38 terawatt-hours θέρμανσης. Η παγκόσμια δυναμικότητα της γεωθερμικής ενέργειας είναι τεράστια, αγγίζοντας το ποσό της τάξεως των exajoules (πίνακας 2.7). Ακόμα, και η χρησιμοποίηση των σημερινών πηγών που χαρακτηρίζονται ως αποθέματα (~434 exajoules ετησίως), ξεπερνάει την ετήσια παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Αλλά, όπως και σε άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ηλιακή και αιολική) το ποσό της ενέργειας αυτής βρίσκεται ευρέως διασκορπισμένο. Έτσι, ο κυριότερος παράγων που θα καθορίσει το μέλλον της, είναι η τεχνολογική ικανότητα για χρήση της γεωθερμικής ενέργειας και όχι η ποσότητα της. Πίνακας 2.7 Κατηγοριοποίηση Πηγών Γεωθερμικής Ενέργειας και Εκτίμηση της Ετήσιας Ενεργειακής Δυναμικότητάς τους Κατηγορία πηγής Φυσικοί πόροι (θεωρητική ποσότητα η οποία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί μέχρι βάθος 5 km) Ενέργεια (exajoules) Φυσικοί πόροι (πρακτικής χρησιμότητας) Πηγές (οικονομικά εφικτή χρησιμοποίηση τους τα επόμενα χρόνια) Αποθέματα (οικονομικά εφικτή χρησιμοποίηση τους τα επόμενα χρόνια) Πηγή: Palmerini, 1993; Björnsson et al, Ο άνεμος δημιουργείται από την ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στις διάφορες ποικιλόμορφες επιφάνειες της γης ακανόνιστα, δημιουργώντας διαφορετική θερμοκρασία, πυκνότητα και πίεση, από μέρος σε μέρος της γης. Έτσι, η ατμόσφαιρα της γης αναλαμβάνει να εξισορροπήσει τις όποιες μεταβολές κυκλοφορώντας και μεταφέροντας θερμότητα από τους τροπικούς στους πόλους. 30

54 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι Grubb and Mayer, (1993), υπολόγισαν ότι το παγκόσμιο θεωρητικό δυναμικό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο (αιολική ενέργεια), ανέρχεται στις terawatt-hours (6000 exajoules) ετησίως, από το οποίο μόνο το 10 % περίπου θα μπορούσε ρεαλιστικά να αξιοποιηθεί, λόγω πολλών πρακτικών, περιβαλλοντικών και κοινωνικών περιορισμών. Η ενέργεια από τους ωκεανούς, είναι και αυτή μια εναλλακτική πρόταση για το ενεργειακό πρόβλημα. Υπάρχουν οι τέσσερις ακόλουθες ενεργειακές πηγές από τους ωκεανούς: Ενέργεια από τη παλίρροια ενέργεια που μεταφέρεται στους ωκεανούς από την περιστροφή της γης, διαμέσου της βαρύτητας του ήλιου και του φεγγαριού. Ενέργεια των κυμάτων μηχανική ενέργεια του ανέμου η οποία προσλαμβάνεται από τα κύματα. Θερμική ενέργεια των ωκεανών ενέργεια που αποθηκεύεται στις θερμές επιφάνειες του νερού και μπορεί να αξιοποιηθεί χρησιμοποιώντας την διαφορά θερμοκρασίας του νερού στα βάθη των ωκεανών. Ενέργεια από το βαθμό αλατότητας ενέργεια που προέρχεται από την διαφορετική συγκέντρωση άλατος μεταξύ του γλυκού νερού που αδειάζει στους ωκεανούς και του νερού των ωκεανών. Η ενέργεια από την παλίρροια είναι η εμπορικά επικρατέστερη σήμερα. Απαριθμώντας αρκετές βιομηχανικές εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης της, παρά την αξιοσημείωτη πρόοδο που έχει γίνει τα τελευταία χρόνια, οι υπόλοιπες ενεργειακές πηγές των ωκεανών δεν είναι αρκετά ώριμες ακόμα για την εμπορική τους εφαρμογή. Η δυσκολία έγκειται στο ότι η κάθε μια απαιτεί διαφορετική τεχνολογική προσέγγιση και επίσης στο γεγονός ότι και αυτού του είδους η ενέργεια είναι διασκορπισμένη και δεν είναι εύκολη η αξιοποίηση της. Πίνακας 2.8 Πηγές Ενέργειας των Ωκεανών και Εκτίμηση της Ετήσιας Ενεργειακής Θεωρητικής Δυναμικότητάς τους Κατηγορία πηγής Θεωρητική Ενέργεια (exajoules) Ενέργεια από τη παλίρροια 79 Ενέργεια των κυμάτων 65 Θερμική ενέργεια των ωκεανών 7200 Ενέργεια από το βαθμό αλατότητας 83 Συνολικά 7400 Πηγή: WEC, 1994, 1998; Cavanagh et al,

55 Κεφάλαιο 2 - Το Ενεργειακό Πρόβλημα και οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι μη ορυκτές πηγές ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων της πυρηνικής ενέργειας και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η βιομάζα, η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική, η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, στο μέλλον θα γίνουν πιο ελκυστικά αφού ήδη υπάρχει ευρύ παγκόσμιο επιστημονικό και πολιτικό ενδιαφέρον το οποίο δημιουργεί τις προϋποθέσεις για την μελλοντική χρήση τους. Πίνακας 2.9 Συνοπτικός Πίνακας Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Εκτίμηση της Ετήσιας Ενεργειακής τους Δυναμικότητας Πηγή Ενέργειας Παραγόμενη Ενέργεια (exajoules) Τεχνικό Δυναμικό (exajoules) Θεωρητικό Δυναμικό (exajoules) Υδροηλεκτρική Βιομάζα 50 > Ηλιακή 0,10 > Γεωθερμική 0, Αιολική 0, Ωκεανών Συνολικά 59 >7.600 >

56 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 3 Ε Ν Ε Ρ Γ Ε Ι Α Α Π Ο Β Ι Ο Μ Α Ζ Α 33

57 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα 34

58 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα 3.1 ΕΠΕΝΔΥΟΝΤΑΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΑΖΑ Η ανθρωπότητα προσδοκά την παραγωγή εν αφθονία τροφίμων, καυσίμων και χημικών προϊόντων από την κυτταρίνη που βρίσκεται στη φυτική βιομάζα, στα αστικά απορρίμματα και στα υπολείμματα που παραμένουν από δασοκαλλιέργειες, γεωργικές εργασίες, και την βιομηχανία τροφίμων. Τέτοιες διεργασίες θα μπορούσαν δυνητικά: (1) να βοηθήσουν στην επίλυση των σύγχρονων προβλημάτων της διάθεσης των απορριμμάτων, (2) να μειώσουν τη ρύπανση του περιβάλλοντος, (3) να βοηθήσουν στην έλλειψη των τροφίμων και των ζωοτροφών, (4) να μειώσουν την εξάρτηση του ανθρώπου από τα ορυκτά καύσιμα, παρέχοντας του κατάλληλες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας υπό μορφή αιθανόλης και μεθανίου, (5) να βοηθήσουν στην βελτίωση της διαχείρισης των δασών και της οριοθέτησης των καλλιεργήσιμων εκτάσεων, παρέχοντας μια αγορά για την χαμηλής ποιότητας ξυλεία και άλλων αποβλήτων φυτικής προέλευσης τα οποία δημιουργούνται σε κακοδιαχειριζόμενες εκτάσεις, (6) να συνδράμει στην ανάπτυξη συστημάτων υποστήριξης της ζωής σε διαστημικά και υποβρύχια οχήματα, και (7) να βελτιώσει το βιοτικό επίπεδο του ανθρώπου. Κατά το γε νυν έχον, όλες αυτές οι φιλοδοξίες παραμένουν ανεκπλήρωτες εξαιτίας δύο βασικών χαρακτηριστικών των φυσικών κυτταρινούχων υλικών, της κρυσταλλικότητας και της λιγνοποίησης. Cowling, E.B., and Kirk, T.K. (1976), Properties of cellulose and lignocellulosic materials as substrates for enzymatic conversion processes. Biotechnology and Bioengineering Symposium, 6, Σχόλιο [ΓΛ1]: Ξεκίνα από δω άλλο κεφάλαιο 3. «Ενέργεια από βιομάζα Μορφοποιήθηκε: Ελληνικά Μορφοποιήθηκε: Διάστιχο: 1,5 γραμμή Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 1,27 εκ., Διάστιχο: 1,5 γραμμή Διαγράφηκε: μόλυνση Διαγράφηκε: φυτικών Διαγράφηκε: σκουπιδιών Διαγράφηκε: βελτιώσουν Διαγράφηκε: της ζωής 3.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ Ορισμός Βιομάζας Η λέξη βιομάζα μπορεί να καλύπτει ένα ευρύ φάσμα εννοιών, αλλά στα πλαίσια της Βιοτεχνολογίας, ορίζεται ως όλη η οργανική ύλη η οποία αναπτύσσεται με τη φωτοσυνθετική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας. Ο ήλιος είτε άμεσα, είτε έμμεσα είναι η βασική πηγή ενέργειας στη γη. Η ισχύς του μετατρέπεται σε χρήσιμη οργανική μορφή βιομάζα από τα πράσινα φυτά, τα φύκη και τα φωτοσυνθετικά βακτήρια. Η βιομάζα που παράγεται ετησίως, με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης στη στεριά και στους ωκεανούς, υπολογίζεται ότι περιέχει 3x10 21 joules ενέργεια, η οποία καλύπτει περίπου 10 φορές την ετήσια παγκόσμια κατανάλωση από τον άνθρωπο (Glazer and Nikaido, 1995). Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 1,27 εκ. Διαγράφηκε: Διαγράφηκε:, η Διαγράφηκε: φύκι 35

59 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Πηγές Βιομάζας Διαγράφηκε: Μια εκτίμηση για το πόσο μεγάλα είναι τα αποθέματα παγκοσμίως των ενώσεων του οργανικού άνθρακα στη βιόσφαιρα και το που βρίσκονται και το πως κατανέμονται παρουσιάζεται στο παρακάτω πίνακα 3.1 (Klass, 1983). Πίνακας 3.1 Κατανομή του Άνθρακα στη Βιόσφαιρα σε Παγκόσμια Κλίμακα Επιφάνεια Καθαρή παραγωγή άνθρακα στη βιόσφαιρα Άνθρακας υπό μορφή βιομάζας 10 6 km 2 % 10 9 tons/year % 10 9 tons % Θαλάσσιας προέλευσης 361,0 70,8 24,6 31,8 4,5 0,5 Δάση 48,5 9,5 33,3 42,9 744,0 89,3 Σαβάννα & λιβάδια 24,0 4,7 8,5 11,0 33,5 4,0 Βάλτοι & έλη 2,0 0,4 2,7 3,5 14,0 1,7 Υπόλοιπες γήινες πηγές 74,5 14,6 8,4 10,8 37,5 4,5 Τα δάση, τα οποία καλύπτουν περίπου το 10% της συνολικής έκτασης της γης και περίπου το 43% του καθαρού μόνιμου άνθρακα στην βιόσφαιρα, περιέχουν το 90% του άνθρακα της βιομάζας της γης. Στις αποδόσεις αυτές τα τροπικά δάση είναι αυτά με την μεγαλύτερη συνεισφορά. Οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις καταλαμβάνουν περίπου 9% της συνολικής επιφάνειας της γης, αλλά υπολογίζεται ότι παράγουν λιγότερο από το 6% του μέσου ετήσιου άνθρακα. Μετά τα δάση, οι θαλάσσιες πηγές άνθρακα, η σαβάννα και τα λιβάδια έχουν την αμέσως μεγαλύτερη συνεισφορά στα αποθέματα του άνθρακα υπό μορφή βιομάζας και στην δέσμευση του άνθρακα στην βιόσφαιρα. Επίσης, πολλά από τα παραπροϊόντα/υπολείμματα που δημιουργούνται σε αγροτικές και αστικές περιοχές καθώς και στο τομέα της αγροβιομηχανίας και της βιομηχανίας τροφίμων, από τα διάφορα στάδια μετατροπής της κύριας (πρωτογενούς) βιομάζας σε ωφέλιμα προϊόντα και ενέργεια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με περαιτέρω επεξεργασία για τη παραγωγή νέων προϊόντων και μορφών ενέργειας. Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Καταλληλότητα Φυτών για Παραγωγή Βιομάζας Καθώς υπάρχουν δύο κύριες φωτοσυνθετικές οδοί η C 3 και η C 4 που ακολουθούν τα διάφορα είδη των φυτών, έχει αποδειχθεί ότι τα φυτά με C 4 φωτοσυνθετικό βιοχημικό κύκλο έχουν μεγαλύτερη απόδοση και προσαρμόζονται ευκολότερα σε φτωχά και ξηρά εδάφη από τα C 3 φυτά. Έτσι, τα φυτά που θεωρούνται κατάλληλα για παραγωγή 36

60 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα βιομάζας ανήκουν στη κατηγορία C 4, όπου βρίσκονται τα μονοετή και τα ποώδη. Επίσης, χρησιμοποιούνται και τα πολυετή και ξυλώδη φυτά. Κύρια, όμως, κριτήρια για την επιλογή των φυτών που θεωρούνται κατάλληλα για την παραγωγή βιομάζας, εκτός από την απόδοση και την ανθεκτικότητα τους σε δυσμενείς συνθήκες (ξηρασία, άγονα εδάφη, χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες κλπ), είναι και η σύσταση της παραγόμενης βιομάζας, η θερμιδική της απόδοση και η ευκολία μετατροπής της σε μορφές καυσίμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τις υπάρχουσες μηχανές παραγωγής ενέργειας χωρίς αυτές να χρειάζονται μεγάλες και πολυδάπανες μετατροπές (Τσαγκάρης, 2000). Διαγράφηκε: είναι Παράγοντες που Καθορίζουν τη Παραγωγικότητα μιας Καλλιέργειας σε Βιομάζα Η παραγωγικότητα μιας καλλιέργειας σε βιομάζα συνοπτικά, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1, καθορίζεται από τρεις βασικούς παράγοντες: το περιβάλλον, τη γενετική σύσταση του γονότυπου και το βασικό σχεδιασμό για την καλλιέργεια του φυτού. Περιβάλλον Φως Θερμοκρασία Νερό κλπ Γενετική δομή / σύσταση Γονίδια Ένζυμα Σχήμα και αρχιτεκτονική των φύλλων κλπ Φωττοοσσύύννθθεεσσηη Πααρρααγγόόμμεεννηη ββι ιοομμάάζζαα Σχεδιασμός καλλιέργειας Λιπάσματα Άρδευση Καλλιεργητικές πρακτικές κλπ Πηγή: Τσάγκαρης, Σχήμα 3.1 Παράγοντες που επηρεάζουν τη παραγωγικότητα μιας καλλιέργειας σε βιομάζα Η αντίληψη για καλλιέργεια φυτικής βιομάζας συγκεκριμένα και μόνο για παραγωγή ενέργειας, στηρίζεται στο γεγονός ότι έτσι επιτυγχάνονται πολύ μεγαλύτερες αποδόσεις στον άνθρακα υπό μορφή βιομάζας, λόγω των καλά σχεδιασμένων μεθόδων καλλιέργειας για την επίτευξη του συγκεκριμένου στόχου (Smith, 1997). 37

61 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Τα Βασικά Συστατικά της Φυτικής Βιομάζας και οι Μεταβολές στη Σύσταση κατά τη Διαδικασία της Ζύμωσης της Στα φυτά όπως και σε κάθε ζωντανό οργανισμό, η βασική δομική και λειτουργική μονάδα είναι το κύτταρο. Η δομή ενός φυτικού κυττάρου των ανωτέρων φυτών παρουσιάζεται στο σχήμα 3.2, όπου διακρίνονται αναλυτικά όλες οι περιοχές του κυττάρου, από τις οποίες κάθε μια εκτελεί και διαφορετική λειτουργία στο κύτταρο. Μεμβράνη του πυρήνα Πυρήνας Πυρηνίσκος Τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο Χλωροπλάστες Κενοτόπιο Ομαλό ενδοπλασματικό δίκτυο Ενδιάμεση περιοχή Αεροδιάστημα Golgi body Υπεροξεισωμάτια Μιτοχόνδρια Κυτταρικό τοίχωμα Πηκτικές ουσίες ενδιάμεσης περιοχής Μεμβράνη πλάσματος Τοίχωμα κυτταρίνης/ημικυτταρίνης Πηγή: Nielsen, Σχήμα 3.2 Τρισδιάστατη Απεικόνιση ενός Φυτικού Κυττάρου Η γενική σύσταση της βιομάζας των φυτών αποτελείται κυρίως από υδατάνθρακες οι οποίοι κατανέμονται σε τρεις βασικές περιοχές των φυτικών κυττάρων όπως περιγράφεται στο σχήμα 3.3 και στο πίνακα 3.2. Περιεχόμενο κυττάρων Ενδιάμεση περιοχή Κυτταρικό τοίχωμα Σχήμα 3.3 Διάταξη και Βασικές Περιοχές Φυτικών Κυττάρων 38

62 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Πίνακας 3.2 Κατανομή Υδατανθράκων και Λιγνίνης στα Κύτταρα των Φυτών Περιεχόμενο κυττάρων Ενδιαμεση περιοχή Κυτταρικό τοίχωμα Οργανικά οξέα Σάκχαρα Άμυλο Φρουκτοζάνες Πηκτικές ουσίες β γλυκάνες Ημικυτταρίνη Κυτταρίνη Λιγνίνη Πηγή (σχήμα 3.3, πίνακας 3.2): Hall, Αναλυτικότερα, η σύσταση της βιομάζας των φυτών αποτελούμενη από τα οργανικά οξέα, τους υδατάνθρακες και την λιγνίνη και οι μετασχηματισμοί της λόγω της ζύμωσης, περιγράφονται παρακάτω: Οργανικά οξέα: Μπορούν να διακριθούν σε αυτά που παράγονται κατά την ανάπτυξη των φυτών και σε αυτά που δημιουργούνται λόγω κάποιας διαδικασίας ζύμωσης. Στο υλικό των φυτών που δεν έχει υποστεί ζύμωση, τα οργανικά οξέα είναι γενικά ενδιάμεσες ενώσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος ή αμυντικές ουσίες του φυτού, περιλαμβάνοντας το κιτρικό, το μηλικό, το κινικό, το ηλεκτρικό, το φουμαρικό, το οξαλικό, το σικιμικό, το trans-ακονιτικό, το μηλονικό οξύ και άλλα. Τα οργανικά οξέα που προέρχονται από κάποια διαδικασία ζύμωσης του φυτού όπως κατά τη διάρκεια αποθήκευσης και συντήρησης του, διαφέρουν από αυτά που βρίσκονται στο φρέσκο υλικό των φυτών, αφού τα βακτήρια που αναπτύσσονται ζυμώνουν τα σάκχαρα, το άμυλο, τα οργανικά οξέα και τις φρουκτοζάνες, κυρίως σε γαλακτικό οξύ, οξικό οξύ και άλλα λιπαρά οργανικά οξέα (McDonald, 1973). Σάκχαρα και Ολιγοσακχαρίτες: Τα απλά σάκχαρα, όπως η γλυκόζη και η φρουκτόζη, αποτελούνται από απλά μόρια σακχάρων (μονοσακχαρίτες). Οι ολιγοσακχαρίτες όπως ο δισακχαρίτης σακχαρόζη, είναι μικρές αλυσίδες σακχάρων, με 2 έως 20 μονομερή. Η γλυκόζη, η φρουκτόζη και η σακχαρόζη μαζί, είναι οι επικρατέστεροι χαμηλού μοριακού βάρους υδατάνθρακες των φυτών. Τα απλά σάκχαρα και οι ολιγοσακχαρίτες, λόγω της χημικής τους σύστασης και της υψηλής διαλυτότητας τους, βρίσκονται ανάμεσα στους εύκολα ζυμώσιμους υδατάνθρακες. Η γρήγορη ζύμωση των σακχάρων παράγει οξέα, που μπορούν πολύ γρήγορα να ρίξουν το ph μιας διαδικασίας όπως είναι η αναερόβια χώνευση (Hall, 2000). Διαγράφηκε: σουξινικό Διαγράφηκε: γρήγορα 39

63 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Άμυλο: Αποτελείται βασικά από γλυκόζη και χωρίζεται σε δύο τύπους αδιάλυτων πολυμερών: την αμυλόζη (25 %), ένα γραμμικό μόριο με α-(1 4) δεσμούς μορίων γλυκόζης και την αμυλοπηκτίνη (75 %), ένα πολυμερές γλυκόζης με α-(1 4) γλυκοζιδικούς δεσμούς το οποίο φέρει διακλαδώσεις με α-(1 6) δεσμούς (Νικολαΐδη, 1996). Η ζύμωση του αμύλου από αναερόβιους μικροοργανισμούς έχει αρκετές ομοιότητες με αυτή των σακχάρων. Το άμυλο ζυμώνεται συχνά σε γαλακτικό οξύ και τείνει να παράγει χαμηλότερο λόγο οξικού προπιονικού σε σχέση με τη ζύμωση των υδατανθράκων του κυτταρικού τοιχώματος (Marounek et al., 1985). Αν και τα βακτήρια που ζυμώνουν το άμυλο είναι πιο ανθεκτικά σε όξινες συνθήκες απ ότι οι μικροοργανισμοί που χωνεύουν τις φυτικές ίνες, η ανάπτυξη των μικροβίων που χωνεύουν το άμυλο μειώνεται καθώς μειώνεται το ph. Φρουκτοζάνες: Είναι υδατοδιαλυτές αλυσίδες φρουκτόζης που βρίσκονται στο εσωτερικό των φυτικών κυττάρων. Οι υδατάνθρακες αυτοί μπορεί να έχουν β-(2 1) δεσμούς ή β-(2 6) δεσμούς με κάποιες β-(2 1) διακλαδώσεις (Smith, 1973). Κατά την διάρκεια της αποθήκευσης και συντήρησης του υλικού, οι φρουκτοζάνες μπορεί να ζυμωθούν σε γαλακτικό οξύ (Muler and Lier, 1994), καθώς επίσης και κατά την διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης από βακτήρια και πρωτόζωα υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Επίσης, τα αναερόβια μικρόβια μπορούν να διασπούν τις φρουκτοζάνες και να τις αποθηκεύουν ως μικροβιακό άμυλο (πολυμερή γλυκόζης με τους ίδιους δεσμούς όπως του αμύλου) και να το χρησιμοποιούν αργότερα όταν άλλα θρεπτικά δεν είναι πια διαθέσιμα (Ziolecki et al., 1992). (1 3)(1 4)-β-γλυκάνες: Βρίσκονται στο ενδόσπερμα και στα κυτταρικά τοιχώματα κυρίως των ποωδών φυτών. Έχουν τον ίδιο β-(1 4) δεσμό μεταξύ των μορίων γλυκόζης που έχει η κυτταρίνη, αλλά οι β-(1 3) δεσμοί δημιουργούν αναδιπλώσεις στην αλυσίδα, αποτρέποντας τη δημιουργία της γραμμικότητας και της κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης (Jeraki and Lewis, 1989). Οι υδατάνθρακες αυτοί σπάνια υπόκεινται σε ζύμωση και όταν αυτό συμβεί δεν δίνουν γαλακτικό οξύ. Πηκτικές ουσίες: Οι πηκτικές ουσίες βρίσκονται βασικά στην ενδιάμεση περιοχή των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών. Έχουν λειτουργικά προσδιοριστεί ως μηαμυλούχοι πολυσακχαρίτες διαλυτοί στο νερό και στους διαλύτες οι οποίοι απομακρύνουν δισθενή κατιόντα (π.χ. Ca +2, Mg +2 ) καθώς και στα διαλυτά οξέα ή βάσεις που σπάνε ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι κύριες πηκτικές ουσίες είναι το γαλακτουρονικό οξύ και η ραμνόζη όπου ορίζουν την πηκτίνη, και επιπλέον η Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Η 40

64 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα αραβινόζη και η γαλακτόζη (Jarvis, 1984). Μεταξύ φυτών και τμημάτων των φυτών υπάρχουν διαφορές στη συγκέντρωση και τη σύσταση των πηκτικών ουσιών. Επειδή είναι πολυσύνθετοι υδατάνθρακες, η ανάλυση των ουσιών αυτών είναι παρά πολύ δύσκολη. Οι ουσίες αυτές διασπώνται ολοκληρωτικά και πάρα πολύ γρήγορα από διάφορες αναερόβιες μικτές καλλιέργειες μικροοργανισμών, όπως γίνεται στο στομάχι των μηρυκαστικών, παράγοντας υψηλό λόγο οξικού προς προπιονικό και σχετικά ελάχιστα ή καθόλου γαλακτικό οξύ (Marounek et al., 1985). Η απόδοση των μικροβίων από την πηκτίνη ή τις πηκτικές ουσίες είναι ίδια με αυτή του αμύλου. Κυτταρίνη: Είναι ένας υψηλού μοριακού βάρους πολυσακχαρίτης που περιλαμβάνει μακριές, χωρίς διακλαδώσεις, αλυσίδες από β-(1 4) γλυκοζιδικούς δεσμούς. Η κυτταρίνη αποτελεί το κύριο συστατικό στα κυτταρικά τοίχωματα των φυτών, είναι λευκή, αδιάλυτη στο νερό και τους κοινούς διαλύτες, έχει υψηλή αντοχή τάνυσης, διασπάται δυσκολότερα από ότι τα άλλα πολυμερή γλυκόζης (π.χ. άμυλο) και δημιουργεί τη βασική ινώδη δομή του φυτού. Επίσης, οι ίνες κυτταρίνης αποτελούνται από κρυσταλλικές και άμορφες περιοχές, η αναλογία των οποίων ποικίλλει με βάση την πηγή της κυτταρίνης (Glazer and Nikaido, 1995). Η κρυσταλλικότητα αυτή προσδίδει στην ινώδη κυτταρίνη την ιδιότητα της ανελαστικότητας και της ιδιαίτερης αντοχής της, η οποία συγκρίνεται με αυτή του ατσαλιού, συνδράμοντας ταυτόχρονα στη σχετική αντίσταση που εμφανίζει η κυτταρίνη στην διαδικασία της υδρόλυσης της (Breznak and Brune, 1994). Η κυτταρίνη είναι ο υδατάνθρακας, που υπάρχει ελεύθερος ως λιγνοκυτταρινούχο σύμπλεγμα στα ξύλα, στα δασικά και αγροτικά απόβλητα, και στο απόβλητο χαρτί σε μεγάλη αφθονία. Ο αποτελεσματικός και οικονομικός διαχωρισμός της καθώς και η υδρόλυση της σε γλυκόζη, αποτελεί βιοτεχνολογική και περιβαλλοντική πρόκληση. Ημικυτταρίνη: Σύμφωνα με τους Glazer and Nikaido, (1995), ως ημικυτταρίνη ορίζονται οι πολυσακχαρίτες οι οποίοι συνδέονται με την κυτταρίνη μη-ομοιοπολικά, με δεσμούς υδρογόνου. Αποτελείται κυρίως από πεντόζες (ξυλόζη, αραβινόζη) και άλλους μονοσακχαρίτες, όπως εξόζες (γαλακτόζη, μανόζη, ραμνόζη, φυκόζη) και ουροκανικά οξέα (γλυκουρονικό οξύ). Ο βαθμός πολυμερισμού της είναι πολύ μικρότερος από αυτόν της κυτταρίνης. Οι αλυσίδες της ημικυτταρίνης μπορεί να διακλαδίζονται αλλά δεν δημιουργούν κρυσταλλικές περιοχές. Η ημικυτταρίνη είναι σχετικά διαλυτή στο νερό, αποτελεί το εύκολα υδρολυόμενο τμήμα της κυτταρίνης και παρέχει δομική υποστήριξη στα φυτά. Διαγράφηκε: 41

65 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Λιγνίνη: Είναι ένα πολυσύνθετο, τρισδιάστατο, αρωματικό πολυμερές του φαινυλοπροπανίου, με τυχαίους διαμοριακούς δεσμούς. Είναι το βασικό μηυδατανθρακικό μέρος του κυτταρικού τοιχώματος των φυτών, το οποίο παρέχει μηχανική αντοχή στους φυτικούς ιστούς, προσδίδοντας επίσης μία κίτρινη η καστανή χροιά. Κατά τους Tombs and Harding, (1998), τα μόρια της λιγνίνης τείνουν να συνδεθούν ομοιοπολικά με τους πολυσακχαρίτες στο δίκτυο του κυτταρικού τοιχώματος, όχι όμως και με τη κυτταρίνη, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4. Η αναερόβια μικροβιακή χώνευση της λιγνίνης είναι πρακτικά αδύνατη, αλλά η διάσπαση της μπορεί να γίνει από εξωκυτταρικά ένζυμα, όπως η λιγνοϋπεροξειδάση (Glazer and Nikaido, 1995). Ο διαχωρισμός της από την χρήσιμη και πολύτιμη κυτταρίνη και ημικυτταρίνη αποτελεί επίσης μεγάλη επιστημονική πρόκληση. Εμπορική αξία έχει ως πηγή βανιλίνης, φαινολών και άλλων αρωματικών χημικών. Διαγράφηκε: λιγνουπεροξειδάση Διαγράφηκε: σαν Κυτταρίνη Λιγνίνη Ημικυτταρίνη Δεσμίδες Κυτταρίνης Σχήμα 3.4 Σχηματική Απεικόνιση Φυτικού Κυτταρικού Τοιχώματος 42

66 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα 3.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ Ορισμός των Ενεργειακών Φυτών Τα ενεργειακά φυτά είναι επίλεκτα είδη φυτών που καλλιεργούνται και συλλέγονται κυρίως ως βιομάζα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας αλλά και ως υπόστρωμα του οποίου τα συστατικά μπορούν να μετατραπούν σε αλκοολούχα και αέρια καύσιμα ή σε βιομηχανικά χημικά. Οι ενεργειακές καλλιέργειες περιλαμβάνουν φυτά πλούσια σε περιεκτικότητα σακχάρων (ζαχαροκάλαμο, ζαχαρότευτλο, γλυκό σόργο) ή αμύλου (αραβόσιτος, μανιότη), υψηλής περιεκτικότητας σε κυτταρίνη (kenaf, elephant grass) και φυτά με μεγάλη περιεκτικότητα υδατανθράκων (jojoba, γαλατσίδα, ελαιόσποροι όπως ο ηλίανθος). Ακόμα, η βακτηριακή αναερόβια χώνευση των υδροχαρών φυτών, όπως τα θαλάσσια φύκη, τα φύκη του γλυκού νερού και ο εξαιρετικά γρήγορος σε ανάπτυξη υδατικός υάκινθος, παράγει πολύ υψηλές αποδόσεις μεθανίου. Έτσι μπορούμε να κατατάξουμε και αυτά τα φυτά στις ενεργειακές καλλιέργειες (Glazer and Nikaido, 1995). Χαρακτηριστικά των Ενεργειακών Φυτών Τα κύρια χαρακτηριστικά με βάση τα οποία κρίνεται η καταλληλότητα των φυτικών ειδών για τη καλλιέργεια τους με στόχο τη παραγωγή ενέργειας, σε γενικές γραμμές είναι τα εξής (Τσαγκάρης, 2000): Όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ικανότητα πρόσληψης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη περίοδο της ανάπτυξης τους. Υψηλή απόδοση στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε οργανική ύλη. Ελάχιστη απαίτηση εξωτερικών παρεμβάσεων και εισροών στο στάδιο της παραγωγής και της συγκομιδής. Θετικό ενεργειακό ισοζύγιο, το οποίο θα πρέπει να ικανοποιεί τις προϋποθέσεις βιώσιμης ανάπτυξης του οικοσυστήματος στο οποίο εντάσσονται. Υψηλή απόδοση σε ξηρή βιομάζα κατά τη περίοδο της συγκομιδής. Υψηλή ενεργειακή αξία της παραγόμενης ξηρής βιομάζας (σε MJ/Kg), που σημαίνει φυτικό σώμα πλούσιο σε έλαια, σάκχαρα, άμυλο, λιγνοκυτταρίνη κ.τ.λ. Παραγωγή και χρήση τους με τις ελάχιστες δυνατές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. 43

67 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Γενετική Μηχανική και Ενεργειακά Φυτά Η εξέλιξη της βιοτεχνολογίας και συγκεκριμένα του κλάδου της γενετικής μηχανικής στα φυτά έχει οδηγήσει στην επίλυση πολλών αγροτικών και καλλιεργητικών προβλημάτων, εξελίσσοντας και βελτιώνοντας τα είδη των φυτών με τροποποίηση του γενετικού τους υλικού. Έτσι, είναι δυνατόν από φυτικά κύτταρα, τα οποία με κατάλληλες τεχνικές βιομηχανικής μικροβιολογίας όπως η μετάλλαξη, η επιλογή του είδους και η ανάπτυξη κατάλληλων διεργασιών, η γενετική ποικιλομορφία των φυτών να αλλάξει χωρίς τη φυσιολογική διεργασία αναπαραγωγής. Σήμερα, οι διάφορες μέθοδοι της γενετικής μηχανικής (σχήμα 3.5) επιτρέπουν την εισαγωγή των χαρακτηριστικών ενός απλού γονιδίου στα φυτικά κύτταρα και το ίδιο μπορεί να εφαρμοστεί και με πολλαπλά γονίδια και μάλιστα σε όλα τα βιοχημικά μονοπάτια. Οι βασικές γενετικές βελτιώσεις που εφαρμόζονται στα φυτά έχουν ως σκοπό: την αύξηση της αντοχής τους σε συγκεκριμένες φυτοκτόνες ουσίες την αύξηση της αντοχής τους στα βλαβερά έντομα και τις μικροβιακές αρρώστιες την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους ιδιοτήτων την βελτίωση των μετά τη συγκομιδή τους χαρακτηριστικών Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,5 εκ. Πρωτοπλάστες ΦΥΤΟ (υπάρχουσα καλλιεργήσιμη ποικιλία) Πλασμιδιακός μεταφορέας Biolistics Καλλιεργημένα κύτταρα Μετασχηματισμένα κύτταρα Γονιδιακή έρευνα Κατασκευή γονιδίων Εισαγωγή γονιδίων Μεταλλαξιογένεση Σωματοκλονικές και γαμετοκλονικές παραλλαγές Καλλιέργεια ιστών των νέων παραλλαγών Αναγέννηση Πολλαπλασιασμός Δοκιμές σε χωράφια Εμπορεύσιμη ποικιλία Πηγή: Smith, Σχήμα 3.5 Πειραματικές Προσεγγίσεις που Χρησιμοποιούνται για τη Δημιουργία Νέων Ποικιλιών Φυτών με τη Χρήση της Βιοτεχνολογίας 44

68 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Η έρευνα στο τομέα της μοριακής βιολογίας των φυτών, έχει οδηγήσει στη αναπαραγωγή των φυτών με κλωνοποίηση μέσα από τη διαδικασία της σωματικής εμβρυογένεσης, κατά την οποία κύτταρα αναπτύσσονται για να παράγουν ολόκληρα φυτά χωρίς τη σύμμειξη των γαμετών. Τέτοια συστήματα είναι εμπορικώς ελκυστικά γιατί δίνουν τη δυνατότητα για μεγάλη παραγωγή γενετικά βελτιωμένων εμβρύων. Ένα δεύτερο πλεονέκτημα είναι ότι η ανάπτυξη και η δημιουργία των ιστών των σωματικών εμβρύων μπορούν να γίνουν να γίνουν σε υγρό μέσο, γεγονός που δίνει στη σωματική εμβρυογένεση τη δυνατότητα να συνδυαστεί με τη τεχνολογία της μηχανικής για τη δημιουργία μεγάλης κλίμακας συστημάτων καλλιέργειας. Η ανάπτυξη μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι το περιοριστικό βήμα στην εμπορευματοποίηση. Η χρήση υποβρύχιων υγρών καλλιεργειών για αποδοτική μαζική παραγωγή εμβρύων, τεχνητών σπόρων ή για ανάπτυξη φυτών είναι μια πολλά υποσχόμενη βιομηχανική τεχνική η οποία εφαρμόζεται στο Ισραήλ και σε άλλες χώρες. Για τα καλλιεργήσιμα και τα δασικά φυτά η μικροαναπαραγωγή σε στερεό μέσο έχει πολύ μεγάλο κόστος. Η χρήση βιοαντιδραστήρων, με τους οποίους μειώνεται αισθητά το εργατικό κόστος, είναι απαραίτητη για τη μαζική παραγωγή καλλιεργήσιμων και δασικών φυτών τα οποία είναι προϊόντα γενετικής μηχανικής ή άλλων μη παραδοσιακών μεθόδων αναπαραγωγής. Το πρόβλημα σε τέτοια συστήματα είναι ο έλεγχος και η ρύθμιση των περιβαλλοντικών συνθηκών οι οποίες είναι απαραίτητες για την δημιουργία συντεταγμένων ιστών από τους ανοργάνωτους, ελάχιστα διαφοροποιημένους ιστούς (NRC, 1992). Τα ενεργειακά φυτά τα τελευταία χρόνια έχουν επικεντρώσει το διεθνές ενεργειακό ενδιαφέρον πάνω στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά τους, τα οποία τα κατατάσσουν ως μια ενεργειακά αποδοτική και οικονομικά εφικτή, εναλλακτική και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Παρ όλα αυτά όμως, τα ενεργειακά φυτά για να είναι ανταγωνιστικά και για να εισαχθούν με επιτυχία στο ενεργειακό προσκήνιο θα πρέπει το είδος τους να εξελιχθεί και να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες τους με τη βοήθεια της βιοτεχνολογίας. Έτσι, εφαρμόζονται και για τα φυτά αυτά οι παραπάνω τεχνικές και μέθοδοι της γενετικής μηχανικής και της κλωνοποίησης για τους ίδιους προαναφερθέντες λόγους καθώς και για άλλους ειδικότερους λόγους που αφορούν στα συγκεκριμένα φυτά και στις ιδιομορφίες τους που ποικίλουν από είδος σε είδος. Έμφαση δίνεται στην επίτευξη της αύξησης της παραγωγής και της βιοσύνθεσης, της αύξησης της φωτοσυνθετικής ικανότητας, στη βελτίωσης της ποιότητας των φυτών, στην ευκολία για καλλιέργεια στον αγρό κ.α. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 1,27 εκ. Σχόλιο [ΓΛ2]: Υπάρχουν βέβαια και οι γνωστές αντιρρήσεις στη χρήση γενετικά τροποποιημένων φυτών στην γεωργία Διαγράφηκε: τους 45

69 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Στον αντίποδα, υπάρχουν και οι αντιρρήσεις όσον αφορά στη χρήση της βιοτεχνολογίας στην εξέλιξη και παραγωγή των φυτών, λόγω των συνεπειών που μπορεί να επιφέρουν στο ευρύτερο περιβάλλον και τον άνθρωπο (NCBE, 2006). Οι βασικοί κίνδυνοι που ελλοχεύουν είναι η δημιουργία νέων ποικιλιών και ειδών από μεταφορά διαφορετικής φύσης γονιδίων στα φυτά, η διατάραξη τις τροφικής αλυσίδας και η δημιουργία νέων ανθεκτικότερων στη καταπολέμηση τους ζιζανίων, εντόμων και παρασίτων. Η χρήση βακτηρίων ice-minus τα οποία προστατεύουν τις καλλιέργειες από το ψύχος και το παγετό θα μπορούσαν να δημιουργήσουν διαταραχή των καιρικών προτύπων αν διέφευγαν στην ατμόσφαιρα. Ο έλεγχος και ο περιορισμός μιας γενετικά τροποποιημένης καλλιέργειας είναι πρακτικά αδύνατος καθώς οι σπόροι μεταφέρονται από περιοχή σε περιοχή με τον άνεμο. Τέλος, σε διάφορες κοινωνίες δημιουργούνται ηθικά και θρησκευτικά προβλήματα όσον αφορά την παρέμβαση αυτή του ανθρώπου στα φύση και τη μεταφορά ζωικών και ανθρώπινων γονιδίων στα φυτά (Hoban & Kendall, 1992). Οι άνθρωποι των ανεπτυγμένων χωρών έχουν ήδη αρχίσει να αποδέχονται και να αντισταθμίζουν τα ωφέλη και τα ρίσκα των γενετικά τροποποιημένων φυτών και να αποκτούν βιοηθική ωριμότητα. 3.4 ΤΟ ΣΟΡΓΟ ΩΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Προέλευση και Εξέλιξη του Σόργου Πολλές από τις σημαντικές καλλιέργειες, όπως το καλαμπόκι, το σιτάρι, το ρύζι, η βρώμη, το σόργο, το κριθάρι και το ζαχαροκάλαμο, ανήκουν στην οικογένεια των ποωδών της φυλής των Ανδροπωγώνων. Από ενδείξεις σε απολιθώματα, έχει υπολογιστεί ότι η βασική καταγωγή και ύπαρξη των ποών εμφανίζεται περίπου πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια, στο τέλος της εποχής των δεινοσαύρων. Τα τελευταία 20 χρόνια, με την εξέλιξη και την χρήση της γενετικής, έγινε εφικτή η σύγκριση του DNA μεταξύ διαφόρων ειδών ποών, από όπου έγινε γνωστή η εξελικτική τους σχέση (Buckler Lab, 2004). Στο παρακάτω σχήμα 3.6, περιγράφονται κάποιες από τις μεταξύ τους σχέσεις βασισμένες στην ακολουθία του ριβοσωμακού DNA. Έτσι, εμφανίζονται τρεις αρχαίες καταγωγές: (1) το ρύζι (Oryza) και τα μπαμπού, (2) το σιτάρι (Triticum), η βρώμη (Avena) και το κριθάρι (Hordeum), και (3) το καλαμπόκι (Zea), το σόργο (Sorghum) και το ζαχαροκάλαμο. Το σόργο σχετίζεται στενά με το καλαμπόκι και το ζαχαροκάλαμο, αν 46

70 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα και το γονιδίωμα του σόργου είναι μικρότερο, σε μέγεθος, από το ένα-τρίτο του γονιδιώματος του καλαμποκιού και του ζαχαροκάλαμου. Έτσι, το σχετικά μικρό γονιδίωμα του σόργου χρησιμοποιείται ως πρότυπο για την μελέτη των μεγαλύτερων και λιγότερο ανιχνεύσιμων γονιδιωμάτων του καλαμποκιού και του ζαχαροκάλαμου καθώς και για μεγάλης κλίμακας φυσική και μοριακή χαρτογράφηση (Missisipi Genome Exploration Laboratory, 2004). Διαγράφηκε: σαν Διαγράφηκε: ς Διαγράφηκε: ς Διαγράφηκε: ς Πήγη: Buckler and Holtsford, Σχήμα 3.6 Δέντρο Ποωδών Το σόργο πρωτοεμφανίστηκε στην ανατολική Αφρική, από όπου πιθανόν αρχικά μεταφέρθηκε με πλοία, ως τροφή, στη Ινδία κατά την διάρκεια της πρώτης χιλιετίας π.χ. Η εξάπλωση του σόργου κατά μήκος της νότιας Ασίας και γύρω από τη Κίνα, υπολογίζεται χρονολογικά ότι συνέβη στη περίοδο των πρώτων χριστιανικών χρόνων. Όμως, κατά τους ιστορικούς, είναι πολύ πιθανόν το σόργο να έφτασε στη Κίνα πολύ νωρίτερα, μέσω των εμπορικών οδών που ακολουθούνταν για τη διακίνηση του μεταξιού. Το σόργο πρωτοεμφανίζεται στην Λατινική Αμερική τον 16 ο αιώνα, με το δουλεμπόριο και τους θαλασσοπόρους που έπλεαν στην εμπορική διαδρομή Ευρώπη- Αφρική-Λατινική Αμερική. Όμως, το ενδιαφέρον στην Αμερική γύρω από το σόργο αρχίζει να εμφανίζεται στα μέσα του 19 ου αιώνα, όπου το σόργο φτάνει από τη Δυτική Αφρική μέσω των δουλεμπόρων. Η ίδια περίπτωση συναντάται και για την έλευση του σόργου στην Αυστραλία (FAO, 1995). 47

71 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Δομή και Σύσταση του Γλυκού Σόργου Σύμφωνα με τον Billa et al., (1997), ο μίσχος του γλυκού σόργου αποτελείται από τον φλοιό και την ψίχα, τα οποία βρίσκονται στην ίδια περίπου αναλογία βάρους επί ξηρής βάσης, ενώ επί νωπής ύλης η ψίχα υπολογίζεται ως το 65% του μίσχου. Στον πίνακα 3.3, φαίνεται ότι το φρέσκο γλυκό σόργο είναι πολύ νωπό, με την ψίχα να περιέχει 38 % περισσότερη υγρασία από αυτή του φλοιού. Διαγράφηκε: Πίνακας 3.3 Περιεκτικότητα Υγρασίας (% επί νωπής βάσης) Γλυκό σόργο Φλοιός Ψίχα Η χημική σύσταση ολόκληρου του μίσχου καθώς και του φλοιού και της ψίχας χωριστά παρουσιάζονται στον πίνακα 3.4, όπου τα δύο κλάσματα του μίσχου του σόργου παρουσιάζουν ουσιαστικές διαφορές στη σύσταση τους, προβάλλοντας έτσι τον ετερογενή τους χαρακτήρα. Συγκεκριμένα, η ψίχα είναι δύο φορές πλουσιότερη σε σακχαρόζη και γλυκόζη (71 % επί ξηρού βάρους) απ ότι ο φλοιός (~35 %). Η συνολική περιεκτικότητα κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης του φλοιού προσεγγίζει το 45 %, παρέχοντας μια ινώδη κάλυψη, προστατεύοντας το εσωτερικό τμήμα του φυτού και αποτρέποντας την διάσπαση των συστατικών της ψίχας. Η ψίχα έχει χαμηλή συγκέντρωση λιγνίνης συγκριτικά με τον φλοιό ο οποίος είναι και εμπλουτισμένος σε κυτταρίνουχες ίνες. Αυτό φαίνεται και από το σχήμα 3.7(α),(β), όπου ο αυτοφθορισμός είναι σημαντικά ισχυρότερος στο φλοιό απ ότι στη ψίχα, υποδεικνύοντας έτσι έναν υψηλότερο βαθμό λιγνοποίησης του φλοιού. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 1,27 εκ. Διαγράφηκε: παρουσιάζεται Διαγράφηκε: ς Διαγράφηκε: από Διαγράφηκε: από Πίνακας 3.4 Χημική Σύσταση του Γλυκού Σόργου, του Φλοιού και της Ψίχας Γλυκό σόργο % επί ξηρού βάρους Φλοιός % επί ξηρού βάρους Ψίχα % επί ξηρού βάρους Κυτταρίνη 12,4 19,2 8,7 Ημικυτταρίνη 10,2 17,5 6,3 Λιγνίνη 4,8 8,8 0,6 Σακχαρόζη 55,0 32,2 67,4 Γλυκόζη 3,2 2,4 3,7 Τέφρα 0,3 0,5 0,2 Πηγή (πίνακας 3.4, σχήμα 3.7): Billa et al.,

72 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα (α) Zeiss Axiolab Fluorescence Microscope with HBO 50 lamp, a BP nm exciter/lp 520 nm emission filter combination, using Achroplan 40 x /0.65 objective. Sample thickness = 10μm. (β) Σχήμα 3.7 Τομή Επιφάνειας (α) Φλοιού Γλυκού Σόργου, (β) Ψίχας Γλυκού Σόργου και Προβολή υπό Μικροσκόπιο Φθορισμού Έτσι, από τη δομή και σύσταση του γλυκού σόργου, ο πλούσιος σε λιγνοκυτταρινούχες ίνες φλοιός θα μπορούσε να αποτελέσει μια υποσχόμενη πηγή στη βιομηχανία χαρτοπολτού και κυτταρίνης. Ενώ η ψίχα αποτελεί ένα μεγάλης αξίας υπόστρωμα για βιομετατροπή εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητας σακχάρων και της χαμηλής περιεκτικότητας σε λιγνίνη. Διαχείριση, Στάδια και Απαιτήσεις της Καλλιέργειας του Γλυκού Σόργου Τα ώριμα φυτά φτάνουν μέχρι τα τέσσερα μέτρα ύψος, έχουν ινώδες ριζικό σύστημα, κοτσάνι με γλυκιά σε γεύση ψίχα και λογχοειδή φύλλα καλυμμένα με κέρινο λεπτό στρώμα το οποίο μειώνει τις απώλειες σε νερό. Αν και το γλυκό σόργο προέρχεται από τροπικές περιοχές, έχει πολύ καλή προσαρμογή και σε εύκρατες περιοχές. Είναι ικανό να αντέξει σε περιόδους ξηρασίας περισσότερο από τα υπόλοιπα δημητριακά και να επιβιώσει σε ευρεία κλίμακα εδαφικών συνθηκών. Το γλυκό σόργο είναι μια ετήσια ανοιξιάτικη καλλιέργεια, όπου σπέρνεται όταν η θερμοκρασία του εδάφους ξεπεράσει τους 15 o C σε γραμμές με διαστήματα 70 cm μεταξύ των γραμμών και cm εντός της γραμμής. Η διαδικασία αυτή έχει δείξει ότι δίνει καλά αποτελέσματα όσον αφορά στην απόδοση σε βιομάζα. Στις νότιες περιοχές της Ευρωπαϊκής Ένωσης, τα επίπεδα άρδευσης κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, προκειμένου να επιτευχθούν υψηλές αποδόσεις βιομάζας και σακχάρων, φτάνουν τα mm, αυτό όμως εξαρτάται κυρίως από τις πεδοκλιματικές συνθήκες. Όσον αφορά τον εμπλουτισμό του εδάφους με Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: ευρωπαϊκής Διαγράφηκε: ένωσης 49

73 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα λίπασμα, το γλυκό σόργο έχει χαμηλές απαιτήσεις σε άζωτο που κυμαίνονται μεταξύ Kg N/ha (Nicholaou, 1999). Η συγκομιδή γίνεται την περίοδο του φθινοπώρου και όταν η περιεκτικότητα των σακχάρων στο στέλεχος του φυτού έχει λάβει τη μέγιστη δυνατή τιμή της, περίπου % του φρέσκου κοτσανιού (Mamma et al., (1995), (1996), Alexopoulou and Chatziathanassiou, (1999)). Πλεονεκτήματα, Μειονεκτήματα και Ενεργειακό/Περιβαλλοντικό Όφελος Το γλυκό σόργο είναι ένα C 4 φυτό και, ως καλλιέργεια, χαρακτηρίζεται από υψηλό ρυθμό φωτοσύνθεσης ανάμεσα στις υπόλοιπες φυτικές καλλιέργειες, η οποία προσδίδει υψηλό δυναμικό απόδοσης βιομάζας, υψηλό ποσοστό εύκολα ζυμώσιμων σακχάρων και καύσιμων οργανικών ινών. Το γλυκό σόργο έχει αποδειχθεί ότι έχει πολύ καλή προσαρμοστικότητα και απόδοση, ιδίως στις νότιες περιοχές της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Ένα άλλο πλεονέκτημα του είναι και το χαμηλό κόστος σποράς. Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει, είναι η ιδιαίτερη ευπάθεια του φυτού στο δυνατό αέρα, ο οποίος είναι συχνό φαινόμενο στις νότιες περιοχές της Ευρωπαϊκής Ένωσης, συμπεριλαμβανομένου και του Ελλαδικού χώρου. Για το πρόβλημα αυτό, γίνεται προσπάθεια να δοθεί λύση είτε χρησιμοποιώντας καταλληλότερες τεχνικές καλλιέργειας είτε μέσω της γενετικής μηχανικής, βελτιώνοντας και εξελίσσοντας γενετικά το είδος. Μια άλλη δυσκολία συναντάται στη συγκομιδή του γλυκού σόργου. Θα πρέπει να κατασκευαστεί ειδικό μηχάνημα συγκομιδής το οποίο να μπορεί ταυτόχρονα να αφαιρεί και τα φύλλα από το κοτσάνι. (Alexopoulou and Chatziathanassiou, 1999). Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, το γλυκό σόργο έλαβε σημαντική προσοχή ως ενεργειακό φυτό. Τα ζυμώσιμα σάκχαρα που περιέχονται στο στέλεχος είναι κατάλληλα για την παραγωγή βιοαιθανόλης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο και για τις μηχανές αυτοκινήτων (Nicholaou, 1999). Διαγράφηκε: κύριος Διαγράφηκε: τις Διαγράφηκε: ευρωπαϊκής Διαγράφηκε: ένωσης Διαγράφηκε: που παρατηρείται Διαγράφηκε: ευρωπαϊκής Διαγράφηκε: ένωσης Διαγράφηκε: όπου θα Διεθνές Ενδιαφέρον και Τάσεις Όπως παρατηρείται από το σχήμα 3.8, στις αρχές της πρώτης δεκαετίας της νέας χιλιετίας, η παγκόσμια αγορά του σόργου παραμένει χαμηλή λόγω της χαμηλής παραγωγής και των υψηλών τιμών του, όμως η τάση αυτή φαίνεται να αλλάζει και μέχρι τα τέλη της δεκαετίας να μεγαλώνει περίπου κατά 2 mmt, καθώς αυξάνονται οι 50

74 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα καλλιεργήσιμες εκτάσεις και η παραγωγή του σόργου. Αυτή η αναμενόμενη αύξηση των εξαγωγών, βασικά προέρχεται από την απαίτηση των Μεξικάνικων εισαγωγών και εν μέρει αντισταθμίζεται από τη οριακή πτωτική τάση των Ιαπωνικών εισαγωγών. Η Αργεντινή και η Αμερική φαίνεται να χάνουν μέρος από την διεθνή αγορά, καθώς η Αυστραλία μπαίνει ενεργά στη αγορά βελτιώνοντας και αυξάνοντας τη παραγωγή της. Στο σχήμα 3.9 φαίνεται ότι οι Ιαπωνικές εισαγωγές ανακάμπτουν το 2003/04 εξαιτίας της πτώσης της παγκόσμιας τιμής του σόργου και σχεδόν σταθεροποιούνται σε αυτό το επίπεδο, φθάνοντας το 2012/13 τους 1,8 mmt. Οι εισαγωγές του σόργου από το Μεξικό μειώνονται μέχρι τα μέσα της προβλεπόμενης περιόδου, λόγω της χαμηλής χρήσης του ως τροφή και αυξάνονται έπειτα από τη περίοδο αυτή φθάνοντας τους 4,8 mmt. Διαγράφηκε:, Διαγράφηκε: λόγο Million MT / / / / / / / /11 Argentina Australia U.S. Πηγή: FAPRI, Σχήμα 3.8 Πορεία Καθαρών Εξαγωγών Σόργου μέχρι το Έτος 2001 και Μελλοντικές Στατιστικές Προβλέψεις Thousand MT Πηγή: FAPRI, / / / / / / /11 Mexico Japan Σχήμα 3.9 Πορεία Καθαρών Εισαγωγών Σόργου μέχρι το Έτος 2003 και Μελλοντικές Στατιστικές Προβλέψεις 51

75 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Το Γλυκό Σόργο στον Ελλαδικό Χώρο Σύμφωνα με τους Alexopoulou and Chatziathanassiou, (1999), το γλυκό σόργο προσαρμόζεται γρήγορα στον Ελλαδικό χώρο και φυτρώνει σε όλες τις περιοχές από το βορρά μέχρι το νότο και υψομετρικά από την επιφάνεια της θάλασσας μέχρι τα 800 μέτρα, καθώς επίσης είναι ικανό να φυτρώνει και σε ποικίλους τύπους χώματος. Στην Ελλάδα οι αποδόσεις του γλυκού σόργου αναλόγως την περιοχή, την ποικιλία και τον τρόπο καλλιέργειας κυμαίνονται σε φρέσκια βιομάζα μεταξύ 71 t/ha και 141 t/ha και σε ξηρή μάζα από 20,3 t/ha μέχρι 49,1 t/ha (Panoutsou and Alexopoulou, 1999). Η δυναμικότητα του γλυκού σόργου στην παραγωγή αιθανόλης, υπό τις Ελληνικές συνθήκες, σε εύφορες περιοχές και με καλή άρδευση έχει υπολογιστεί ότι φτάνει τα 6,750 l/ha (Nicholaou, 1999). Από εκτεταμένες έρευνες που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια γύρω από το γλυκό σόργο και την καλλιέργεια του σε διάφορες περιοχές της Ελλάδος, η ποικιλία c.v. Keller έχει αποδειχθεί ότι είναι η καταλληλότερη για καλλιέργεια στον Ελλαδικό χώρο, καθώς προσαρμόζεται πολύ εύκολα και προσφέρει υψηλή παραγωγικότητα (Panoutsou and Alexopoulou, 1999). Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 1,27 εκ. 52

76 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα 3.5 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΦΥΤΙΚΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Το πλεονέκτημα της βιομάζας και των βιοκαυσίμων, σε σχέση με τις άλλες ανανεώσιμες τεχνολογίες, είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλες τις εφαρμογές οι οποίες σήμερα χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα. Οι γαιάνθρακες που χρησιμοποιούνται για απ ευθείας θέρμανση και παραγωγή ενέργειας θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από τη βιομάζα, ενώ εφαρμογές οι οποίες λειτουργούν με φυσικό αέριο και με τα προϊόντα πετρελαίου (βενζίνη και ντίζελ) απαιτούν τη μετατροπή της βιομάζας σε κατάλληλη μορφή αντίστοιχων αέριων και υγρών βιοκαυσίμων. Έτσι η φυτική βιομάζα, ως ενεργειακή καλλιέργεια, μπορεί να συνδράμει στη λύση πολλών ενεργειακών προβλημάτων καλύπτοντας ένα μεγάλο φάσμα εφαρμογών τόσο της καθημερινής ζωής όσο και των εξειδικευμένων επιστημονικών και βιομηχανικών τεχνολογιών. Μέθοδοι Παραγωγής Ενέργειας από Φυτική βιομάζα Οι τεχνολογικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη παραγωγή ενέργειας από τη φυτική βιομάζα διακρίνονται σε θερμικές, όπως είναι η καύση, η πυρόλυση, η αεριοποίηση, η υγροποίηση, βιολογικές όπως η ζύμωση και η αναερόβια χώνευση και χημικές όπως η εστεροποίηση (The Millennium Environment Debate, 2002). Καύση: Ο πιο απλός τρόπος παραγωγής ενέργειας, είναι από τη καύση της φυτικής βιομάζας για παροχή θερμότητας. Ως καύση ορίζεται η θερμική οξείδωση παρουσία περίσσειας αέρα (Λυμπεράτος, 2005). Η θερμότητα που παράγεται κατά τη καύση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση ενός σπιτιού ή κτιρίου, αλλά και για τη παροχή ζεστού νερού. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρισμού από ατμό. Επίσης, ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί, χρησιμοποιώντας τεχνολογία συμπαραγωγής, προσθέτοντας βιομάζα στις πρώτες ύλες ορυκτών καυσίμων, όπως γαιανθράκων. Η μέθοδος της καύσης της βιομάζας δεν απαιτεί εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας όπως απαιτείται για τη παραγωγή ηλεκτρισμού από ορυκτά καύσιμα. Οι εξελιγμένες, υψηλής απόδοσης διεργασίες καύσης χρησιμοποιούν ρευστοποιημένες κλίνες, στις οποίες επιτυγχάνεται η καύση όλου του στερεού υλικού. Ο αρχικός τεμαχισμός της πρώτης ύλης είναι σημαντικός παράγοντας σε τέτοιου είδους διεργασίες, καθώς αυξάνει το συνολικό εμβαδό της επιφάνειας καύσης και συνεπώς την απόδοση. Ένας άλλος παράγοντας που επιδρά στην απόδοση της καύσης είναι η υγρασία της βιομάζας. Έτσι πριν τη χρήση της, η βιομάζα θα πρέπει να είναι 53

77 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα ξηρή και αυτό μπορεί να επιτευχθεί κάνοντας χρήση των απωλειών θερμότητας της διεργασίας. Ωστόσο, κατά τη θερμική επεξεργασία της βιομάζας παράγονται υψηλά ποσοστά πτητικής ύλης, η οποία αντιστοιχεί στο 75 % της ενέργειας του καυσίμου, έτσι είναι σημαντικό τα αέρια αυτά να καίγονται και να μην απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα μαζί με τα υπόλοιπα αέρια. Η χρησιμοποίηση κεραμικών αεριοστρόβιλων για τη καύση της βιομάζας υπό μορφή σκόνης, θεωρείται ως η επικρατέστερη και πολλά υποσχόμενη μελλοντική τεχνολογία, η οποία όμως βρίσκεται ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης και εξέλιξη της καθώς αναμένεται να είναι εμπορικά διαθέσιμη μέσα στην επόμενη δεκαετία. Πυρόλυση: Είναι η θερμική επεξεργασία της βιομάζας απουσία αέρα η οποία οδηγεί στην παραγωγή στερεού, υγρού και αέριου καυσίμου. Οι παραδοσιακές μέθοδοι επικεντρώνονται μόνο στη παραγωγή του κάρβουνου, η οποία αντιστοιχεί στη καλύτερη περίπτωση στο 1/3 της ενέργειας που εμπεριέχεται στη βιομάζα. Με τη χρήση αποδοτικών μεθόδων αεριοποίησης, μπορεί να συλλεχθεί το παραγόμενο συνθετικό αέριο (syn-gas) το οποίο είναι πλούσιο σε υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα, καθώς και το λάδι (bio-oil) και το κάρβουνο από τη διεργασία της πυρόλυσης. Το ποσοστό μετατροπής της βιομάζας στις αντίστοιχες μορφές ενέργειας εξαρτάται κυρίως από τη διεργασία που χρησιμοποιείται (BTG, 2005). Σε προηγμένες τεχνολογικά διεργασίες όπως είναι η γρήγορη πυρόλυση (fast pyrolysis) η μετατροπή σε συνθετικό αέριο ανέρχεται στο 70% κ.β., αντίστοιχο είναι και το ποσοστό μετατροπής σε bio-oil στη διεργασία της στιγμιαίας πυρόλυσης (flash pyrolysis). Αεριοποίηση: Μια από τις χημικές διεργασίες που έχουν αναπτυχθεί για τη μετατροπή της βιομάζας σε ποιοτικά καύσιμα είναι και η αεριοποίηση, η οποία είναι συναφή με την πυρόλυση και πραγματοποιείται με προσθήκη αερίων (οξυγόνο, ατμός ή υδρογόνο) με σκοπό την ενίσχυση του σχηματισμού αερίων καύσιμων προϊόντων ή/και την απελευθέρωση όσης θερμότητας μέσα στον αντιδραστήρα απαιτείται για την καύση. Το παραγόμενο μίγμα αερίων αποτελείται από μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και μεθάνιο (Friends of Earth, 2002). Κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκοσμίου πολέμου, ο τύπος του αερίου αυτού χρησιμοποιούταν ως καύσιμο στα οχήματα, λόγω έλλειψης της βενζίνης. Σήμερα χτίζονται εργοστάσια αεριοποίησης της βιομάζας, δυναμικότητας προσαρμοσμένης στις απαιτήσεις για τη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού, τόσο τοπικών κοινωνιών, όσο και ορισμένων βιομηχανικών αναγκών. 54

78 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Υγροποίηση: Κατά τη διεργασία της υγροποίησης, στο τροφοδοτούμενο πολτό βιομάζας προστίθεται ένα αέριο, όπως είναι το υδρογόνο, υπό κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα τη παραγωγή ενός οξυγονωμένου υγρού υψηλής θερμικής αξίας (Lowenstein, 1985). Το κόστος του εξοπλισμού που απαιτείται για μια τέτοια διεργασία είναι πολύ υψηλό, καθώς κατά τη διάρκεια της υγροποίησης αναπτύσσονται πολύ υψηλές πιέσεις. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι τα τεχνικά προβλήματα που παρουσιάζονται κατά τη λειτουργία της, λόγο του τροφοδοτούμενου πολτού Κυρίως, για αυτούς λόγους δεν παρουσιάζεται μεγάλο ενδιαφέρον στην εφαρμογή της διεργασίας της υγροποίησης. Ένα βασικό πλεονέκτημα των καυσίμων από βιομάζα σε σχέση με τα παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα είναι οι ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκαλούν. Όταν τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα καίγονται παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, ένα από τα κύρια αέρια που προκαλεί και ενισχύει το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Αντιθέτως, το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από τη καύση της βιομάζας είναι ουδέτερο, δηλαδή όση ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα παράγεται από τη καύση ισοδυναμεί στην ποσότητα του αερίου που απορροφήθηκε από το φυτό κατά την ανάπτυξη του (Irish Energy Centre, 2004). Επίσης, συγκριτικά και οι εκπομπές των αερίων που προκαλούν την όξινη βροχή είναι σημαντικά μειωμένες. Εστεροποίηση: Ένα καθαρό, εναλλακτικό καύσιμο του πετρελαίου (diesel oil) είναι το βιοντίζελ (biodiesel), το οποίο παράγεται από φυτικό λάδι προερχόμενο από αγροτικές καλλιέργειες που αναπτύσσονται για το σκοπό αυτό, μέσω της διεργασίας της εστεροποίησης. Ως κατάλληλες πρώτες ύλες για τη παραγωγή του βιοντίζελ θεωρούνται ο βαμβακόσπορος, η σόγια, η αγριοκράμβη (ρέβα), η ινδική καρύδα, το φιστίκι, η φοινικιά, ο ηλιόσπορος κ.α. Πριν το στάδιο της εστεροποίησης, γίνεται η εκχύλιση του ελαίου από τους σπόρους ή από τα φασόλια. Σε αυτή τη φάση το φυτικό λάδι που λαμβάνεται είναι ακατάλληλο για χρήση σε μηχανές, εξαιτίας του υψηλού ιξώδους του και κατά συνέπεια λόγω των προβλημάτων που προκαλεί από τις υψηλές τριβές και πιέσεις που δημιουργούνται. Έτσι, με τη διεργασία της εστεροποίησης το φυτικό λάδι αναμιγνύεται με κάποια αλκοόλη, όπως είναι η μεθανόλη ή η αιθανόλη παρουσία ενός καταλύτη, απομακρύνοντας τη γλυκερίνη, η οποία είναι και η κύρια αιτία των παραπάνω προβλημάτων. Τα προϊόντα που λαμβάνονται από τη χημική αυτή διεργασία είναι το βιοντίζελ (μεθυλεστέρες) και η γλυκερίνη η οποία πωλείται 55

79 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα ως πρώτη ύλη για τη παραγωγή σαπουνιών και άλλων προϊόντων. Η φυτική ψίχα των σπόρων ή των φασολιών που χρησιμοποιήθηκαν στην εκχύλιση του ελαίου, ως παραπροϊόν θα μπορούσε, αφού εμπλουτιστεί με κατάλληλα αμινοξέα και εφ όσον το κόστος το επιτρέπει, να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή. Το βιοντίζελ είναι φιλικό καύσιμο ως προς τη χρήση, βιοδιασπώμενο, μη τοξικό και δεν περιέχει θείο και αρωματικές ενώσεις, ενώ μπορεί εύκολα να αναμιχθεί με το πετρέλαιο σε οποιαδήποτε αναλογία για τη παραγωγή μίγματος βιοντίζελ το οποίο είναι καθαρότερο ως καύσιμο από ότι το συμβατικό πετρέλαιο (NBB, 2006). Ζύμωση: Με τη διεργασία της ζύμωσης τα σάκχαρα που υπάρχουν στη βιομάζα ή παράγονται κατά τη μικροβιακή της διάσπαση, μετατρέπονται σε αλκοόλη. Τρεις είναι οι κυριότεροι τύποι υποστρώματος που θεωρούνται κατάλληλοι για τη παραγωγή της αιθανόλης: το σακχαρώδες το οποίο είναι κυρίως σάκχαρα (ζαχαροκάλαμο, ζαχαρότευτλο, γλυκό σόργο κ.α.), το αμυλώδες υπόστρωμα, το οποίο περιέχει κυρίως άμυλο (π.χ. δημητριακά, μανιότη, πατάτες) και οι κυτταρινούχες (ινώδες) πρώτες ύλες όπως τα αγροτικά υπολείμματα και τα υπολείμματα ξυλείας, ο πολτός χαρτιού κ.α. Η παραγόμενη αλκοόλη μετά τη ζύμωση, ανακτάται με απόσταξη. Συγκέντρωση αλκοόλης 95 % κ.ο μπορεί να επιτευχθεί με απλές διεργασίες απόσταξης, όμως για την ανάμιξη της αλκοόλης με βενζίνη θα πρέπει να είναι τελείως άνυδρη. Η άνυδρη αλκοόλη περιέχει ενέργεια ίση με τα 2/3 της ενέργειας της βενζίνης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε βενζινοκινητήρες. Ωστόσο η χαμηλή πτητικότητα της δημιουργεί προβλήματα στην εκκίνηση των κινητήρων όταν οι θερμοκρασία είναι κάτω των 10 o C. Αναερόβια χώνευση: Κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης η βιομάζα διασπάται από μικροοργανισμούς απουσία οξυγόνου. Το ενεργειακό προϊόν της διάσπασης και μετατροπής της βιομάζας καλείται βιοαέριο. Τα τελευταία χρόνια η αναερόβια χώνευση εκτός από τη χρήση της για τη σταθεροποίηση της βιολογικής ιλύος και την εφαρμογή της στην επεξεργασία αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας, διακρίνεται με αρκετή επιτυχία και ως εναλλακτική μέθοδος παραγωγής ενέργειας από φυτική βιομάζα. Η διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης και της αναερόβιας χώνευσης, περιγράφονται αναλυτικότερα στη συνέχεια του κεφαλαίου 3 και στο κεφάλαιο 4 αντίστοιχα. 56

80 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Επειδή λοιπόν τα βιοκαύσιμα παράγονται και καίγονται καθαρότερα, εκπέμποντας πολύ λιγότερα καυσαέρια από τα προϊόντα πετρελαίου, αποτελούν εξαιρετικής σημασίας λύση και για τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το βασικό κόστος της παραγωγής των βιοκαυσίμων από φυτική βιομάζα, είναι η πρώτη ύλη. Ωστόσο, με διαρκή επαναπροσδιορισμό τόσο στο σχεδιασμό όσο και στις μεθόδους παραγωγής των καλλιεργειών της φυτικής βιομάζας καθώς και με συνεχή έρευνα γύρω από την εύρεση και την εξέλιξη οικονομικότερων πρώτων υλών, είναι εφικτή η μείωση του κόστους παραγωγής και η γρήγορη διάδοση των βιοκαυσίμων. Ενεργειακή Χρήση της Βιομάζας σε Παγκόσμια και Εθνική Κλίμακα Η μέχρι σήμερα χρήση της βιομάζας, ως τροφή, καύσιμα, ίνες, οικοδομικά υλικά και άλλα προϊόντα, υπολογίζεται ότι καταλαμβάνει μόνο ένα μικρό ποσοστό στην παγκόσμια ετήσια παραγωγή της. Τα υπάρχοντα δάση και οι δενδρόφυτες εκτάσεις είναι ιδιαίτερα πλούσιες πηγές σε περίσσεια βιομάζας, ικανής να καλύψει τις διατροφικές ανάγκες των σύγχρονων κοινωνιών, δημιουργώντας έτσι τις προϋποθέσεις για την καλλιέργεια ενεργειακών φυτών με σκοπό την παραγωγή καυσίμων και χημικών. Το ενδιαφέρον σε παγκόσμιο επίπεδο για την καλλιέργεια και χρήση της βιομάζας για ενεργειακούς σκοπούς διαρκώς αυξάνεται. Πολλές χώρες του κόσμου σχεδιάζουν και εκπονούν εκτεταμένα ερευνητικά προγράμματα για την βελτιστοποίηση των αποδόσεων των καλλιεργειών παραγωγής βιομάζας, τον τρόπο εκμετάλλευσης και μετατροπής των ενεργειακών της χαρακτηριστικών σε άλλες μορφές ενέργειας, καθώς και την γενετική εξέλιξη των ενεργειακών φυτών για βελτίωση των ιδιοτήτων τους, όσον αφορά στη καλλιέργεια, στη συγκομιδή, στην αποθήκευση, στις αποδόσεις τους σε ενέργεια και σε άλλες παραμέτρους. Το ζαχαροκάλαμο και η μανιότη είναι οι δύο βασικές ενεργειακές καλλιέργειες οι οποίες αναπτύσσονται στη Βραζιλία, την Αυστραλία και τη νότιο Αφρική. Ολοένα και περισσότερα προγράμματα για λιγνοκυτταρινούχα βρίσκονται σε εξέλιξη στη Σουηδία και την Αμερική. Στη τελευταία περίπτωση, γίνονται σχέδια για δημιουργία δασών τα όποια θα χρησιμοποιηθούν αποκλειστικά για την μετατροπή τους σε υγρά καύσιμα. Η δημιουργία φυτειών με ενεργειακές καλλιέργειες θα προσφέρει αναμφίβολα σημαντικές ενεργειακές ποσότητες στο σύντομο μέλλον, με πολύ μικρό κόστος αφού τα πρώτα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά και αισιόδοξα (Smith, 1997). Διαγράφηκε: στη Διαγράφηκε: στο Διαγράφηκε: στη Διαγράφηκε:, καθώς επίσης Διαγράφηκε: ολοένα Διαγράφηκε: αναμφίβολα στο σύντομο μέλλον 57

81 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Στην Ελλάδα η χρήση της βιομάζας για ενεργειακούς σκοπούς βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο αφού δεν υπάρχει κάποιο δυναμικό εθνικό πρόγραμμα για την διαχείριση της βιομάζας ή κάποια ξεκάθαρη αγροτική πολιτική για ενεργειακές καλλιέργειες. Σύμφωνα με την Alexopoulou, (1999), ένα προτεινόμενο σχήμα πάνω στο οποίο θα μπορούσε να στηριχθεί μια εθνική πολιτική στρατηγική για την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου και της βιομάζας, στον Ελλαδικό χώρο, είναι το ακόλουθο: Αξιοποίηση και ανάπτυξη των τοπικών ενεργειακών τομέων, έτσι ώστε να συνδράμουν σημαντικά στην κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη της χώρας. Περιβαλλοντική προστασία μειώνοντας τη χρήση των ορυκτών καυσίμων για παραγωγή ηλεκτρισμού και αυξάνοντας τη χρήση της ανανεώσιμης ενέργειας. Παραγωγή αξιόπιστων και ανταγωνιστικών ενεργειακών προϊόντων με την εφαρμογή συστημάτων Ελληνικής ή ξένης τεχνολογίας, κατάλληλα προσαρμοσμένων στις Ελληνικές συνθήκες. Ανάπτυξη και διάδοση των σύγχρονων τεχνολογιών κυρίως σε μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις στην Ελλάδα και στο εξωτερικό. Δημιουργία ευνοϊκών όρων και κίνητρων, σύμφωνα με τις υπάρχουσες Ελληνικές τακτικές, για ιδιώτες επενδυτές και μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις ώστε να εφαρμόσουν νέες βιομηχανικές, αγροτικές, τουριστικές και εμπορικές δραστηριότητες στηριζόμενοι στην εκμετάλλευση των εγχώριων ενεργειακών φυσικών πόρων. Συνεισφορά για ουσιαστική μείωση στους ρυθμούς αστικοποίησης, έτσι ώστε να ανανεωθούν οι μακρινές περιοχές και τα νησιά του Αιγαίου πελάγους, οι οποίες έχουν ιδιαίτερο κοινωνικό-οικονομικό ενδιαφέρον για την Ελλάδα. Το 1996 οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα υπολογίζονταν ότι κατείχαν το 5 % (1,40 Mtoe) στη συνολική βασική παρεχόμενη ενέργεια, από το οποίο περίπου το 64% (0,89 Mtoe) προέρχονταν από τη χρήση της βιομάζας (Panoutsou, 1999). Το ξύλο ως καύσιμη ύλη χρησιμοποιείται κυρίως σε αστικές και αγρο-βιομηχανικές περιοχές και υπολογίζεται σύμφωνα με στοιχεία της EUROSTAT για την Ελλάδα το 1996, ότι παρείχε για ενεργειακούς σκοπούς 0,70 Mtoe. Σχόλιο [ΓΛ3]: Είναι ειδικά για τη βιομάζα ή μήπως γενικότερα για την ενέργεια? Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,5 εκ. 58

82 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα 3.6 Η ΦΥΤΙΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ ΩΣ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ Μικροβιακή Ενζυμική Διάσπαση της Λιγνοκυτταρίνης Η διεργασία μετατροπής των λιγνοκυτταρινούχων δομικών συστατικών των φυτών, με την εφαρμογή τεχνολογιών προεπεξεργασίας και ενζυμικής υδρόλυσης, θεωρείται ως το πιο δαπανηρό στάδιο, αφού το υψηλό κόστος των εμπορικών ενζύμων είναι αυτό που περιορίζει τη χρήση τους. Εναλλακτικά, η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και η λιγνίνη, μπορεί να διασπαστούν μικροβιακά από κατάλληλους υδρολυτικούς μικροοργανισμούς οι οποίοι έχουν την ιδιότητα να παράγουν υδρολυτικά ένζυμα, που διασπούν τα πολυμερή αυτά. Οι μικροβιακές αυτές ιδιότητες συναντώνται σε αρκετά είδη μικροοργανισμών (βακτήρια, μύκητες, πρωτόζωα) καθώς και σε μικτές καλλιέργειες μικροοργανισμών όπως είναι η αναερόβια μαγιά των κέντρων βιολογικού καθαρισμού αστικών λυμάτων και η μαγιά στο στομάχι των μηρυκαστικών. Διάσπαση της Κυτταρίνης: Η ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης σε γλυκόζη συμβαίνει με τη δράση της κυτταρινάσης (σχήμα 3.10). Η κυτταρινάση είναι ένα μίγμα ενζύμων, τα οποία έχουν διαφορετική δράση και ιδιαιτερότητες μεταξύ τους. Το μίγμα αυτό αποτελείται από τρία βασικά ένζυμα: τις ενδογλυκανάσες (ενδο-1,4-βγλυκανάσες), τις εξωγλυκανάσες (εξω-1,4-β-γλυκανάσες) οι οποίες περιλαμβάνουν και τη κελλοβιο-υδρολάση και την εξωγλυκο-υδρολάση, και τις β-γλυκοσιδάσες (Goyal et al., 1991). Οι ενδογλυκανάσες διασπούν τους εσωτερικούς γλυκοζιδικούς δεσμούς κατά μήκος της αλυσίδας πολυγλυκάνης και δρουν κατά της άμορφης κυτταρίνης και των υδατοδιαλυτών παράγωγων της, απελευθερώνοντας γλυκόζη, κελλοβιόζη, κελλοτριόζη και άλλα ανώτερα ολιγομερή. Ωστόσο, είναι λιγότερο δραστικές στη κυτταρίνη με υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας. Οι εξωγλυκανάσες (κελλοβιο-υδρολάση και εξωγλυκο-υδρολάση) δρουν στο τέλος της αλυσίδας πολυγλυκάνης, απελευθερώνοντας κελλοβιόζη ή γλυκόζη από το μη διασπασμένο άκρο της. Οι κελλοβιο-υδρολάσες είναι πιο ενεργές κατά της κυτταρίνης με υψηλή κρυσταλλικότητα από ότι είναι οι ενδογλυκανάσες, αλλά λιγότερο ενεργές κατά των υδατοδιαλυτών παράγωγων της κυτταρίνης. Οι εξωγλυκο-υδρολάσες δρουν στις διαλυτές κελλοδεξτρίνες. Οι β-1,4-γλυκοσιδάσες υδρολύουν τη κελλοβιόζη και τις υδατοδιαλυτές κελλοδεξτρίνες σε γλυκόζη. 59

83 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Εκτεταμένη υδρόλυση της κρυσταλλικής κυτταρίνης από μύκητες, προέρχεται από την παραγωγή και συνεργιστική δράση και των τριών βασικών, λειτουργικών ενζύμων του μίγματος της κυτταρινάσης (Woodward, 1991). Ωστόσο, η κυτταρινάση από βακτήρια, σπάνια περιέχει τις εξωγλυκανάσες (Gilbert and Hazlewood, 1993). Η παραγωγή πολλαπλών ενζύμων μιας συγκεκριμένης κατηγορίας, από κάποιο μικροοργανισμό, είναι κάτι που συναντάται αρκετά συχνά σε τέτοιου είδους διεργασίες. ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ Εξω-1,4-β-γλυκανάσες Ενδο-1,4-β-γλυκανάσες ΚΕΛΛΟΔΕΞΤΡΙΝΕΣ β-1,4-γλυκοσιδάσες ΚΕΛΛΟΒΙΟΖΗ Πηγή: Malburg et al., ΓΛΥΚΟΖΗ Σχήμα 3.10 Ενζυμική Υδρόλυση της Κυτταρίνης Διάσπαση της Ημικυτταρίνης: Οι κύριες ημικυτταρίνες που συναντώνται συνήθως σε κάθε είδος φυτικού οργανισμού, είναι τα ξυλάνια, τα οποία είναι πολυσακχαρίτες που περιέχουν στην αλυσίδα τους μονάδες του σακχάρου D-ξυλόζη. Όπως και στην κυτταρίνη, η ενζυμική υδρόλυση των ξυλανίων της ημικυτταρίνης συνήθως καταλύεται από μια σύνθεση ενζύμων (σχήμα 3.11), η οποία περιλαμβάνει: τις ενδο- 1,4-β-ξυλανάσες οι οποίες υδρολύουν τους β-1,4-δεσμούς μεταξύ των μορίων ξυλόζης στον κύριο κορμό του γραμμικού πολυσακχαρίτη, τις β-ξυλοσιδάσες, οι οποίες υδρολύουν τη ξυλοβιόζη και τους άλλους κοντούς ξυλοολιγοσακχαρίτες που απελευθερώνονται από την δράση της ενδοξυλανάσης, τις α-γλυκουρονιδάσες και α- L-αραβινοφουρανοσιδάσες, οι οποίες σπάνε τις διακλαδώσεις στην αλυσίδα, και τέλος, η ενζυμική αυτή σύνθεση περιλαμβάνει και το ένζυμο ακετυλοεστεράση Διαγράφηκε: Η 60

84 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα (Biely, 1985). Ανάλογη ενζυμική δράση παρατηρείται και από μικροοργανισμούς που υδρολύουν άλλα είδη ημικυτταρίνης και όπως και στην κυτταρινάση έτσι και στην περίπτωση αυτή παράγονται πολλαπλά ένζυμα (Wong et al., 1988). 1 ακετυλοεστεράση 2 α-l-αραβινοφουρανοσιδάση 3 ενδο-1,4-β-ξυλανάση 4 β-ξυλοσιδάση 5 α-γλυκουρονιδάση ACE ARAf COU FER MEGLCA XYL οξικό οξύ αραβινοφουρανόζη κουμαρικό οξύ φερουλικό οξύ γλυκουρονικό οξύ ξυλόζη Πηγή: Malburg et al., Σχήμα 3.11 Ενζυμική Υδρόλυση της Ημικυτταρίνης Διάσπαση της Λιγνίνης: Τα χαρακτηριστικά που προσδίδουν στην λιγνίνη ανθεκτικότητα απέναντι στον ενζυμικό αποπολυμερισμό της, είναι τo μέγεθος, η δομική πολυπλοκότητα και η χημική σταθερότητα των εσωμονομερικών δεσμών της (σχήμα 3.12). Ο μόνος αποδοτικός τρόπος για την αποσυναρμολόγηση μιας τέτοιου είδους πολύπλοκης δομής είναι μέσω της αντιστροφής του μηχανισμού στον οποίο οφείλεται η δημιουργία της. Αυτό επιτυγχάνεται κυρίως μέσω του μύκητα λευκής σήψης Phanerochaete chrysosporium, ο οποίος χρησιμοποιεί εξωκυτταρικές υπεροξειδάσες για να επιφέρει μια τυχαία ενζυματική οξείδωση του μακρομορίου (Kirk and Farrell, 1987). Οι λίγνο-υπεροξειδάσες συνδέονται κυρίως με τους μύκητες, όπως τα είδη λευκής σήψης, καστανής σήψης, μαλακής σήψης και άλλα. Βακτήρια που έχουν αναφερθεί ότι παράγουν εξωκυτταρικές υπεροξειδάσες είναι κυρίως Διαγράφηκε: μέσο Διαγράφηκε: 61

85 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα ακτινομύκητες Streptomyces spp. Η υπεροξειδάση που παράγεται από τέτοιου είδους βακτήρια σχετίζεται με την μερική διαλυτοποίηση της λιγνίνης από τη λιγνοκυτταρίνη, όμως δεν έχει αποδειχθεί ότι κατά τη διαδικασία αυτή διασπάται και ο πυρήνας της λιγνίνης (Jeffries, 1990). Γενικά, τα βακτήρια παρουσία οξυγόνου θεωρούνται ακατάλληλα για τη διάσπαση της λιγνίνης, ενώ υπό αναερόβιες συνθήκες, θεωρητικά δεν υπάρχει καθόλου διάσπαση. Η παρουσία μοριακού οξυγόνου είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τον αποπολυμερισμό της λιγνίνης από τις λίγνο- και μαγγάνιο-υπεροξειδάσες, οι οποίες χρησιμοποιούν ως αποδέκτη ηλεκτρονίων στις αντιδράσεις που καταλύουν το υπεροξείδιο του υδρογόνου το οποίο δημιουργείται μέσω οξυγόνο-εξαρτημένων αντιδράσεων. Πηγή: Sakakibara, Σχήμα 3.12 Απλοποιημένο Δομικό Μοντέλο του Μορίου της Λιγνίνης 62

86 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Παράγοντες που Επιδρούν στην Ενζυμική Διάσπαση της Λιγνοκυτταρίνης: Ο βαθμός διάσπασης της λιγνοκυτταρίνης, καθορίζεται από πολλούς παράγοντες, όπως από την επιλογή των μικροοργανισμών που θα χρησιμοποιηθούν και το δυναμικό των ενζύμων πολλαπλής προέλευσης. Εκτός από την ενζυμική δραστηριότητα, ο ρυθμός και το εύρος της διάσπασης της λιγνοκυτταρινούχας πρώτης ύλης καθορίζονται και από άλλους φυσικοχημικούς παράγοντες, όπως τη σύσταση της και το τεμαχισμό (άλεσμα) της ο οποίος μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων, αυξάνει το εμβαδόν της επιφάνειας και μειώνει τη κρυσταλλικότητα της κυτταρίνης, δημιουργώντας έτσι καταλληλότερες συνθήκες για την ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης (Walker and Wilson, 1991). Άλλοι σημαντικοί παράγοντες είναι η δημιουργία κατάλληλων όξινων συνθηκών οι οποίες βελτιστοποιούν τη δράση των ενζύμων στη διάσπαση της λιγνίνης, καθώς επίσης και η επιλογή κατάλληλων χρόνων παραμονής στους βιοαντιδραστήρες ώστε να επιτευχθεί ένας ικανοποιητικός χρόνος έκθεσης του λιγνοκυτταρινούχου υποστρώματος στα ένζυμα χώνευσης. Επίσης ο κατάλληλος σχεδιασμός των αντιδραστήρων όπου λαμβάνουν χώρα οι ενζυμικές αντιδράσεις συμβάλλει στην αποδοτικότητα των αντιδράσεων αυτών. Αλκοολική Ζύμωση και Ανάκτηση της Αιθανόλης Για χιλιάδες χρόνια η αιθανόλη παραγόταν για να καλύψει τις ανθρώπινες διατροφικές ανάγκες, ενώ για τουλάχιστον χίλια χρόνια χρησιμοποιείται στη παραγωγή συμπυκνωμένων αλκοολούχων ποτών. Η παραγωγή της με τη διαδικασία της ζύμωσης και η χρήση της ως χημικής πρώτης ύλης ξεκίνησε με την ανάπτυξη της βιομηχανικής μικροβιολογίας, ωστόσο για πολλά χρόνια παραγόταν μέσω χημικών διεργασιών, όπως η καταλυτική ενυδάτωση του αιθυλενίου. Τα τελευταία χρόνια η παραγωγή της αιθανόλης, στρέφεται κυρίως στις διεργασίες ζύμωσης (Crueger and Crueger, 1990). Η φυτική βιομάζα με κατάλληλη προεπεξεργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα στη διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης. Στο σχήμα 3.13, περιγράφονται τα στάδια μετατροπής της λιγνοκυτταρινούχας φυτικής βιομάζας σε αιθανόλη. Στο πρώτο στάδιο, τα πολυμερή υποστρώματα διασπώνται σε μονοσακχαρίτες μέσω φυσικοχημικών ή ενζυμικών μεθόδων. Στο δεύτερο στάδιο, η μικροβιακή ζύμωση (κυρίως με ζυμομύκητες) μετατρέπει τα σάκχαρα σε αλκοόλες. Στο τρίτο στάδιο, η αλκοόλη ανακτάται με απόσταξη (ανάκτηση ~95,6 % κ.ο. αιθανόλη και ~4,4 % κ.ο. νερό), ενώ για τη λήψη άνυδρης αιθανόλης, απαιτούνται περαιτέρω διεργασίες απόσταξης. Διαγράφηκε: παράγονταν Διαγράφηκε: παράγονταν 63

87 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα Προκειμένου η παραγόμενη αλκοόλη να είναι ανταγωνιστική με τις άλλες πηγές καυσίμων και χημικών, θα πρέπει και τα τρία στάδια παραγωγής της, που περιγράφονται παραπάνω, να είναι απλά και οικονομικά, ανεξάρτητα από το υπόστρωμα που θα χρησιμοποιηθεί. Ακόμα, μεγάλο ρόλο στο κόστος παραγωγής της αιθανόλης, παίζει η επιλογή της πηγής σακχάρων, αφού το υπόστρωμα θα πρέπει να είναι οικονομικό, να υπάρχει σε αφθονία και να δίνει υψηλές αποδόσεις στη παραγωγή αιθανόλης. ΣΤΑΔΙΟ Ι: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΕ ΖΥΜΩΣΙΜΑ ΣΑΚΧΑΡΑ Σάκχαρα Άμυλο Λιγνοκυτταρίνη Εκχύλιση με πρεσάρισμα ή πολτοποίηση Ενζυμική υδρόλυση Άλεσμα,, Διασπαση με ατμό ή άλλη φυσικοχημική προεπεξεργασία και Ενζυμική υδρόλυση ΣΤΑΔΙΟ ΙΙ: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΩΝ ΣΑΚΧΑΡΩΝ ΣΕ ΑΛΚΟΟΛΗ (ΜΕ ΖΥΜΩΣΗ) ΣΤΑΔΙΟ ΙΙΙ: ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΑΛΚΟΟΛΗΣ Απόσταξη Πηγή: Glazer and Nikaido, Αφυδάτωση Ά ν υ δ ρ η Α λ κ ο ό λ η Σχήμα 3.13 Στάδια Μετατροπής της Φυτικής Βιομάζας σε Αιθανόλη Από την Πρώτη Ύλη στα Σάκχαρα: Το σακχαροκάλαμο και το γλυκό σόργο θεωρούνται ως άριστη πηγή σακχάρων και πρώτη ύλη για τη παραγωγή αιθανόλης. Τα διαλυτά σάκχαρα (σακχαρόζη, γλυκόζη, φρουκτόζη) από τη φυτική βιομάζα μπορούν να ληφθούν είτε άμεσα και σχεδόν ανέξοδα, από τα διαθέσιμα σάκχαρα του υλικού, είτε έμμεσα, από τη μετατροπή (υδρόλυση) του αμύλου και των λιγνοκυτταρινούχων υλικών (Glazer and Nikaido, 1995). Έτσι, στην πρώτη 64

88 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα περίπτωση, το υπόστρωμα της ζύμωσης λαμβάνεται με εκχύλιση της σακχαρόζης στην υδατική φάση, αφού έχει προηγηθεί μηχανική σύνθλιψη στο στέλεχος του σακχαροκάλαμου ή του γλυκού σόργου. Η σακχαρόζη στη συνέχεια, με τη χρήση ενός κατάλληλου ζυμομύκητα ο οποίος παράγει το ένζυμο της ιμβερτάσης, υδρολύεται σε γλυκόζη και φρουκτόζη, οι οποίες έπειτα ζυμώνονται από τα κύτταρα του ζυμομύκητα. Στην περίπτωση του αμύλου, τα σιτηρά αλέθονται και βράζονται υπό πίεση για να διαλυτοποιηθεί το άμυλο και στη συνέχεια προστίθενται τα σακχαροποιητικά ένζυμα. Το ένζυμο της αμυλάσης μετατρέπει το άμυλο στα σάκχαρα μαλτόζη και δεξτρίνη, τα οποία με προσθήκη αμυλογλυκοσιδάσης μετατρέπονται σε γλυκόζη. Τα ένζυμα αυτά μπορούν να ληφθούν από ευρωτομύκητες (μούχλα), μέσω της άμυλο-διεργασίας ή από το βλαστό του κριθαριού, κατά τη διεργασία παρασκευής της βύνης. Το λιγνοκυτταρινούχο μέρος της φυτικής βιομάζας, συνήθως απαιτεί ένα στάδιο προεπεξεργασίας, το οποίο παρέχει στα υδρολυτικά ένζυμα μεγαλύτερη πρόσβαση στα μόρια της κυτταρίνης και έτσι ξεκινά ευκολότερα η διαδικασία διάσπασης της κρυσταλλικής δομής των κυτταρινούχων ινών. Υπάρχουν πολλοί τρόποι φυσικοχημικής προεπεξεργασίας της λιγνοκυτταρίνης (όπως άλεσμα, διάσπαση με ατμό, υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση, αποσυμπίεση κ.α.), οι οποίοι ποικίλουν ανάλογα με το είδος της φυτικής βιομάζας. Η μικροβιακή ενζυμική υδρόλυση της λιγνοκυτταρίνης σε ζυμώσιμα σάκχαρα περιγράφηκε αναλυτικά στην αρχή του κεφαλαίου 3.6. Διαγράφηκε: μέσο Από τα Σάκχαρα στην Αλκοόλη: Για τη παραγωγή της αλκοόλης, με τη διαδικασία της μικροβιακής ζύμωσης, χρησιμοποιούνται ως υπόστρωμα οι μονοσακχαρίτες που απελευθερώνονται από τους πολυσακχαρίτες στο στάδιο Ι. Από τα βακτήρια και τους μύκητες, οι ζυμομύκητες και κυρίως τα είδη Saccharomyces, είναι οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται συχνότερα στη βιομηχανική παραγωγή της αιθανόλης, λόγω του ότι μετατρέπουν σχεδόν στοιχειομετρικά τη γλυκόζη σε αλκοόλη. Η σχηματική αναπαράσταση των αναερόβιων και αερόβιων μεταβολικών οδών των ζυμομυκήτων στην μετατροπή της γλυκόζης σε αιθανόλη παρουσιάζονται στο σχήμα Υπό αναερόβιες συνθήκες, η γλυκόζη μετατρέπεται σε αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα μέσω της γλυκόλυσης. Η συνολική αντίδραση, για την απελευθέρωση ενέργειας για βιοσύνθεση, παράγει 2 moles αιθανόλης και 2 moles CO 2 για κάθε mole γλυκόζης που καταναλώνεται (εξίσωση 3.1). 65

89 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα ADP (από βιοσύνθεση) Ακεταλδεύδη 2 Αιθανόλες Γλυκόζη (1 mole) Γλυκόλυση 2 Πυροσταφυλικά Αναερόβιο Ελαττωμένα νουκλεοτίδια Αερόβιο Κύκλος TCA Ελαττωμένα νουκλεοτίδια Για Βιοσύνθεση Οξειδωμένα νουκλεοτίδια Αλυσίδα Μεταφοράς ηλεκτρονίων Κυτταρική βιομάζα Πηγή: Maiorella et al., Σχήμα 3.14 Απλοποιημένο Διάγραμμα Αναερόβιου και Αερόβιου Καταβολισμού του Saccharomyces cerevisiae C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + Ενέργεια (αποθηκευμένη ως ATP) (3.1) Με βάση το βάρος, κάθε γραμμάριο γλυκόζης θεωρητικά μπορεί να αποδώσει 0,51 g αιθανόλης. Στη πράξη όμως, η πραγματική απόδοση της αιθανόλης ανέρχεται περίπου στο 90 % της θεωρητικής απόδοσης, αφού ένα μέρος της γλυκόζης χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα για τη σύνθεση νέας κυτταρικής βιομάζας (εξίσωση 3.2). 1g (C 6 H 12 O 6 ) 0,46g (C 2 H 5 OH) + 0,44g (CO 2 ) + 0,10g (νέα κύτταρα) (3.2) Υπό αερόβιες συνθήκες, η γλυκόζη μετατρέπεται ολοκληρωτικά σε διοξείδιο του άνθρακα και σε νέα κυτταρική βιομάζα, χωρίς να παράγεται αιθανόλη. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Αριστερά: 0,5 εκ. Σύμφωνα με τους Maiorella et al., (1981), οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης είναι: η συγκέντρωση της γλυκόζης, όπου για υψηλές συγκεντρώσεις (>150 g/l) η γλυκόζη παρεμποδίζει τη δράση των ενζύμων, η παρουσία οξυγόνου, όπου θα πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή ώστε να αποκλείεται ο αερόβιος μεταβολισμός, καλύπτοντας όμως την απαίτηση κατανάλωσης οξυγόνου 66

90 Κεφάλαιο 3 - Ενέργεια από Βιομάζα από τους ζυμομύκητες για την ανάπτυξη τους και η παραγόμενη αιθανόλη, η οποία είναι τοξική για τους ζυμομύκητες και σταματάει τη διαδικασία παραγωγής αιθανόλης και κυτταρικής ανάπτυξης όταν αυτή ξεπεράσει τη συγκέντρωση των 110 g/l. Άλλες ουσιώδεις παράμετροι που επιδρούν στη διεργασία της ζύμωσης είναι το ph, η θερμοκρασία, τα θρεπτικά συστατικά που προστίθενται και άλλα. Ανάκτηση της Αλκοόλης: Η διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης παράγει ένα αλκοολικό διάλυμα, το οποίο συνήθως περιέχει 7-10 % κ.ο. αιθανόλη και μικρές ποσότητες ανωτέρων αλκοολών, εστέρων, αλδεΰδων και άλλων ουσιών. Η συμπύκνωση και ο καθαρισμός της αιθανόλης γίνεται με την διεργασία της απόσταξης. Για υψηλής απόδοσης διαχωρισμό της αιθανόλης, σε βιομηχανική κλίμακα, συνήθως χρησιμοποιείται η απόσταξη συνεχούς λειτουργίας, η οποία παράγει το προϊόν με συνεχή ροή. Μια απλή διάταξη απόσταξης συνεχούς λειτουργίας, αποτελείται από δύο διαφορετικές στήλες, τη στήλη ανάλυσης (analysing column) και τη στήλη δευτερογενούς απόσταξης (rectification column). Στην πρώτη στήλη, διαχωρίζεται η αλκοόλη από το μίγμα της ζύμωσης, το οποίο απομακρύνεται από το κάτω μέρος της στήλης ως υπόλειμμα απόσταξης και περιέχει μηδενική αλκοόλη. Το ποσοστό της αιθανόλης που βγαίνει μαζί με τον ατμό από τη κορυφή της στήλης ανέρχεται περίπου στο % του μίγματος. Στη συνέχεια, ο ατμός αυτός συμπυκνώνεται και περνάει στη στήλη δευτερογενούς απόσταξης, όπου συλλέγεται πλέον η αλκοόλη με σύσταση ~95,6 % κ.ο. (Adams and Flynn, 1982). Η παραγωγή άνυδρης αιθανόλης από την παραπάνω διαχωρισμένη αλκοόλη απαιτεί δύο επιπλέον στήλες. Μια στήλη αφυδάτωσης, όπου η αιθανόλη απομακρύνεται ως προϊόν βάσης. Νερό, αιθανόλη και η συμπαρασυρόμενη ουσία απομακρύνονται από τη κορυφή της στήλης, όπου συμπυκνώνονται και έπειτα διαχωρίζονται σε μια οργανική και μια υδατική φάση μέσα σε ένα διαχωριστή φάσεων. Η οργανική φάση που περιέχει τη συμπαρασυρόμενη ουσία επιστρέφει στη στήλη αφυδάτωσης, ενώ η υδατική φάση αντλείται στη δεύτερη στήλη διαχωρισμού, όπου απομακρύνεται το νερό και ανακτάται η αιθανόλη και κάποιοι υδρατμοί (Arpe and Ullmann, 1987). Διαγράφηκε: 67

91 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 4 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΦΥΤΙΚΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 69

92 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 70

93 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 4.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ Η αναερόβια χώνευση, είναι μια διεργασία η οποία συναντάται ευρέως στη φύση και ορίζεται ως η βιολογική διεργασία στην οποία η οργανική ύλη, απουσία οξυγόνου, μετατρέπεται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (Toerien and Hattingh, 1969). Η αναερόβια χώνευση, για περισσότερο από έναν αιώνα, χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση στερεών και βιοστερεών καθώς και σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο, με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου (Shang, 2000). Τα τελευταία χρόνια, η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης εφαρμόζεται ως εναλλακτική μέθοδος παραγωγής ενέργειας από φυτική βιομάζα. Περιγραφή της Αναερόβιας Χώνευσης Η βιολογική μετατροπή της οργανικής ύλης σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, υπό αναερόβιες συνθήκες, συμβαίνει μέσω μιας διεργασίας τεσσάρων σταδίων τα οποία αποτελούνται από μια σειρά συσχετιζόμενων μικροβιακών μεταβολισμών. Τα στάδια της διεργασίας αυτής περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω (σχήμα 4.1). Υδρόλυση: Στο πρώτο στάδιο πλήθος αναερόβιων βακτηρίων διασπούν σύνθετα, αδιάλυτα οργανικά μόρια (λιπίδια, πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, νουλεϊνικά οξέα) προς τα αντίστοιχα διαλυτά πλέον μονομερή μόρια, δηλαδή λιπαρά οξέα, μονοσακχαρίτες, αμινοξέα, πουρίνες και πυριμιδίνες και απλές αρωματικές ενώσεις. Η υδρόλυση των σύνθετων αυτών ενώσεων καταλύεται από εξωκυτταρικά ένζυμα όπως η λιπάση, η κυτταρινάση και η πρωτεάση. Ωστόσο, η υδρολυτική φάση είναι σχετικά αργή και συνήθως αποτελεί το περιοριστικό βήμα στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης των λιγνοκυτταρινούχων υποστρωμάτων (Speece, 1983; Polprasert, 1989). Οξεογένεση: Το επόμενο στάδιο είναι αυτό, κατά το οποίο τα οξεογόνα βακτήρια μεταβολίζουν τα μονομερή μόρια σε οργανικά οξέα (όπως οξικό, προπιονικό, μυρμηκικό, γαλακτικό, βουτυρικό, σουκκινικό οξύ κ.α.), αλκοόλες και κετόνες (όπως αιθανόλη, μεθανόλη, γλυκερόλη, ακετόνη κ.α.), CO 2 και Η 2 (Bitton, 1994). Το οξικό οξύ είναι το βασικό προϊόν της ζύμωσης των υδατανθράκων. Τα προϊόντα που δημιουργούνται ποικίλουν ανάλογα με το τύπο των βακτηρίων καθώς και ανάλογα με τις συνθήκες της καλλιέργειας (ph, θερμοκρασία, οξειδαναγωγικό δυναμικό). Ο πληθυσμός των οξεογόνων βακτηρίων αποτελεί περίπου το 90% του συνολικού πληθυσμού μικροοργανισμών σε ένα αναερόβιο χωνευτήρα (Zeikus, 1980). 71

94 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Οξικογένεση: Στο τρίτο στάδιο τα οξικογόνα βακτήρια μετατρέπουν τα λιπαρά οξέα (όπως προπιονικό και βουτυρικό οξύ) και τις αλκοόλες (όπως αιθανόλη) σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα, σύμφωνα με τις αντιδράσεις (4.1), (4.2) και (4.3) αντίστοιχα. Η κατηγορία αυτή των οξικογόνων μικροοργανισμών απαιτεί χαμηλή μερική πίεση υδρογόνου για τη μετατροπή των λιπαρών οξέων (Speece, 1983). Υπό συνθήκες σχετικά υψηλής μερικής πίεσης του υδρογόνου, η παραγωγή του οξικού οξέος μειώνεται με αποτέλεσμα τη παρεμπόδιση και μείωση της παραγωγής του μεθανίου. Οι οξικογόνοι και οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί έχουν μεταξύ τους μια συμβιωτική σχέση, αφού οι μεθανογόνοι υδρογονότροφοι βοηθούν στο να επιτευχθεί η απαιτούμενη χαμηλή μερική πίεση υδρογόνου, για τη δράση των οξικογόνων βακτηρίων. CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + CO 2 + 3H 2 (4.1) CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2H 2 (4.2) CH 3 CH 2 OH + CO 2 CH 3 COOH + 2H 2 (4.3) Οι οξικογόνοι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται πολύ γρηγορότερα από τους μεθανογόνους, με μέγιστους ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης μ max περίπου 1 h -1 για τους οξικογόνους και 0,04 h -1 για τους μεθανογόνους (Hammer, 1986). Μεθανογένεση: Στο τελευταίο αυτό στάδιο της αναερόβιας χώνευσης παράγεται μεθάνιο από μια κατηγορία βακτηρίων γνωστά ως μεθανογόνα. Οι μικροοργανισμοί αυτοί χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες, τους μεθανογόνους υδρογονοτρόφους, οι οποίοι μετατρέπουν το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα σε μεθάνιο (εξίσωση 4.4) και τους μεθανογόνους οξικοτρόφους, οι οποίοι μετατρέπουν το οξικό οξύ σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. (εξίσωση 4.5). 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O (4.4) CH 3 COOH CH 4 + CO 2 (4.5) Γενικότερα, οι οργανικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς για παραγωγή μεθανίου είναι περιορισμένες, και συμμετέχουν στις ακόλουθες αντιδράσεις (Madigan et al., 1997). 72

95 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 4HCOO - + 4H + CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O (4.6) 4CO + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2 (4.7) 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O (4.8) 4(CH 3 ) 3 N + H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 6H 2 O + 4NH 3 (4.9) Περίπου τα δύο τρίτα του παραγόμενου μεθανίου οφείλονται στους οξικότροφους μεθανογόνους ενώ το υπόλοιπο μέρος σε υδρογονότροφα μεθανογόνα βακτήρια (Mackie and Bryant, 1981). Λιπίδια Πολυσακχαρίτες Πρωτεΐνες Νουκλεϊνικά οξέα Υ Δ Ρ Ο Λ Υ Σ Η Λιπαρά οξέα Μονοσακχαρίτες Αμινοξέα Πουρίνες και Πυριμιδίνες Αρωματικές Άλλα Προϊόντα Ζύμωσης (π.χ. προπιονικό, βουτυρικό, σουκκινικό, γαλακτικό οξύ, αιθανόλη, κ.α.) Μ Ε Θ Α Ν Ο Γ Ε Ν Ε Σ Η Υποστρώματα Μεθανογόνων (Η2, CO2, μεθανόλη, μεθυλαμίνες, μυρμηκικό και οξικό οξύ) Μεθάνιο (CH 4 ) και Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) Ο Ξ Ε Ο Γ Ε Ν Ε Σ Η Ο Ξ Ι Κ Ο Γ Ε Ν Ε Σ Η Πηγή: McCarty and Smith, Σχήμα 4.1 Στάδια Μετατροπής του Οργανικού Υλικού σε Μεθάνιο και Διοξείδιο του Άνθρακα με τη Διαδικασία της Αναερόβιας Χώνευσης 73

96 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Μικροβιολογία της Αναερόβιας Χώνευσης Πλήθος μικροοργανισμών, εμπλέκονται στη μετατροπή των σύνθετων, υψηλού μοριακού βάρους οργανικών ενώσεων σε μεθάνιο. Στους αναερόβιους χωνευτήρες αν και μπορεί να συνυπάρχουν βακτήρια, μύκητες και πρωτόζωα, τα βακτήρια είναι αναμφισβήτητα οι κύριοι και επικρατέστεροι μικροοργανισμοί. Η κατηγορία των μη-μεθανογόνων μικροοργανισμών (υδρολυτικοί, οξεογόνοι και οξικογόνοι), αποτελείται από περιπτωσιακά και υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια, τα οποία ανήκουν σε ένα ευρύ φάσμα μικροβιακής φυσιολογίας που περιλαμβάνει χημειολιθότροφα, χημειοργανότροφα και φωτοργανότροφα βακτήρια. Μικροοργανισμοί της κατηγορίας αυτής, που έχουν απομονωθεί από αναερόβιους χωνευτήρες περιλαμβάνουν τα: Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus, Escherichia coli, Syntrophobacter wolinii και Syntrophomonas wolfei (Metcalf and Eddy, 1991; McInernay et al., 1981). Οι μικροοργανισμοί στους οποίους οφείλεται η παραγωγή μεθανίου, ταξινομούνται ως αρχαιοβακτήρια και είναι αυστηρώς υποχρεωτικά αναερόβιοι (Sahm, 1984). Τα βασικά γένη των μικροοργανισμών, τα οποία έχουν προσδιοριστεί σε μεσοφιλικές συνθήκες, περιλαμβάνουν τα σχήματος ράβδου Methanobacterium και Methanobacillus και σχήματος κόκκου Methanococcus, Methanothrix και Methanosarcina. Οι Methanosarcina και Methanothrix είναι οι μόνοι οργανισμοί που μπορούν να παράγουν μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα από το οξικό οξύ. Οι υπόλοιποι οργανισμοί οξειδώνουν το υδρογόνο και με το διοξείδιο του άνθρακα ως δέκτη ηλεκτρονίων παράγουν μεθάνιο (Tchobanoglous et al., 2003). Μεθανογόνοι χρήστες του οξικού παρατηρήθηκαν και σε θερμοφιλικούς αναερόβιους αντιδραστήρες, όπου κάποια είδη Methanosarcina παρεμποδίστηκαν στη θερμοκρασία των 65 o C, ενώ κάποια άλλα όχι, αλλά καμία παρεμπόδιση δεν υπέστησαν οι Methanothrix (van Lier, 1996; Zinder and Koch, 1984; Ahring, 1995). Για τους μεθανογόνους χρήστες του υδρογόνου, σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 60 o C, τα Methanobacteria ήταν αυτά που βρέθηκαν σε αφθονία. Η μικροβιολογία της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, ελλιπώς χαρακτηρισμένη και εξαρτώμενη σημαντικά από τις συγκεκριμένες συνθήκες που επικρατούν. 74

97 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αναερόβια Χώνευση Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης επηρεάζεται από διάφορους λειτουργικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν το σχεδιασμό, τον έλεγχο και τη ρύθμιση των αναερόβιων συστημάτων. Οι παράγοντες αυτοί αναλύονται στη συνέχεια. ph: Η ρύθμιση του ph παίζει μεγάλο ρόλο στην απόδοση των αναερόβιων διεργασιών. Τα περισσότερα μεθανογόνα βακτήρια αναπτύσσονται και λειτουργούν χωρίς προβλήματα, μεταξύ ph 6,7 και 7,4, με βέλτιστο ph από 7,0 έως 7,2. Ενώ για pη κοντά στο 6 η δραστηριότητα των μεθανογόνων μικροοργανισμών μειώνεται αρκετά (Bitton, 1994). Η επίδραση του ph είναι μικρότερη στα οξεογόνα βακτήρια τα οποία είναι πιο ανθεκτικά και επηρεάζονται λιγότερο από τις μεταβολές του. Το ph και η αλκαλικότητα συνδέονται άρρηκτα, αφού η πτώση της αλκαλικότητας κάνει ευάλωτο το ph στις πιθανές μεταβολές του συστήματος και μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της τιμής του. Αλκαλικότητα: Το όξινο ανθρακικό ασβέστιο, μαγνήσιο και αμμώνιο είναι κάποιες από τις ρυθμιστικές ουσίες που βρίσκονται στους χωνευτήρες. Οι ρυθμιστικές αυτές ουσίες είτε συνοδεύουν τη πρώτη ύλη που τροφοδοτείται, είτε παράγονται κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, όπως είναι η παραγωγή όξινου ανθρακικού αμμωνίου από τη διάσπαση των πρωτεϊνών, καθώς και άλλων όξινων ανθρακικών κατά τη διαδικασία της μεθανογένεσης. Η συγκέντρωση της αλκαλικότητας στον χωνευτήρα είναι σε μεγάλο βαθμό ανάλογη της συγκέντρωσης των στερεών της τροφοδοσίας. Ένας καλά ορισμένος χωνευτήρας έχει ολική αλκαλικότητα μεταξύ 2000 και 5000 mg/l (WEF, 1996). Σε περίπτωση διαταραχής των συνθηκών που επικρατούν στο χωνευτήρα, η αλκαλικότητα μπορεί να πέσει κάτω από τα επιτρεπτά όρια, παρεμποδίζοντας ή σταματώντας την παραγωγή μεθανίου στο σύστημα. Η βασική αιτία κατανάλωσης της αλκαλικότητας στο χωνευτήρα είναι το διοξείδιο του άνθρακα και όχι τα πτητικά λιπαρά οξέα που θεωρούνταν μέχρι πρότινος η αιτία (Tchobanoglous et al., 2003). Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της μερικής πίεσης του αερίου στο χωνευτήρα, όπου το διοξείδιο του άνθρακα διαλυτοποιείται και δημιουργεί ανθρακικό οξύ το οποίο καταναλώνει αλκαλικότητα. Η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση του χωνευτήρα αντικατοπτρίζει την απαίτηση για αλκαλικότητα. Χημικά που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της αλκαλικότητας είναι το όξινο ανθρακικό νάτριο, το ανθρακικό νάτριο, το υδροξείδιο του νατρίου, το υδροξείδιο του ασβεστίου και η άνυδρη αμμωνία. Διαγράφηκε: ως 75

98 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Θερμοκρασία: H θερμοκρασία εκτός από την επίδραση που έχει στις μεταβολικές δραστηριότητες των μικροβιακών πληθυσμών, επιδρά καθοριστικά και σε παράγοντες όπως στο ρυθμό μεταφοράς αερίων και στα χαρακτηριστικά καθίζησης των βιολογικών στερεών (Tchobanoglous et al., 2003). Τα περισσότερα συστήματα αναερόβιας χώνευσης είναι σχεδιασμένα για να λειτουργούν σε μεσοφιλικές θερμοκρασίες μεταξύ 30 και 40 ο C, ενώ άλλα συστήματα είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν σε ένα εύρος θερμοφιλικών θερμοκρασιών μεταξύ 50 και 60 ο C. Οι νέες τάσεις όμως στο σχεδιασμό συστημάτων αναερόβιας χώνευσης, απαιτούν για την βελτιστοποίηση της διεργασίας, διβάθμια συστήματα που χρησιμοποιούν μεσοφιλικές και θερμοφιλικές θερμοκρασίες για διαφορετικά στάδια χώνευσης αντίστοιχα. Καθώς η επιλογή των λειτουργικών θερμοκρασιών είναι σημαντική, η επίτευξη μιας σταθερής θερμοκρασίας στον χωνευτήρα θεωρείται περισσότερο σημαντική επειδή τα βακτήρια, ειδικότερα τα μεθανογόνα, είναι ευαίσθητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Γενικά, μεταβολές στη θερμοκρασία κατά 1 ο C επηρεάζούν την απόδοση της διεργασίας, και έτσι προτείνεται ένα σταθερό θερμοκρασιακό περιβάλλον όπου η μεταβολή στη θερμοκρασία να μη ξεπερνάει τους 0,5 ο C (WEF, 1998). Χρόνος παραμονής στερεών και Υδραυλικός χρόνος παραμονής: Η επίτευξη ικανοποιητικών χρόνων παραμονής, σε καλά αναδευόμενους αντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης, εξασφαλίζουν ένα σημαντικό ποσοστό διάσπασης των πτητικών αιωρούμενων στερεών (VSS). Σημαντική παράμετρος είναι ο μέσος χρόνος παραμονής στερεών (SRT) στον αντιδραστήρα ή το σύστημα χώνευσης. Ο χρόνος παραμονής των στερεών παίζει σημαντικό ρόλο στον τύπο μικροοργανισμών που θα επικρατήσουν (υδρολυτικοί, οξεογόνοι-οξικογόνοι και μεθανογόνοι), καθώς και στην έκταση με την οποία θα λάβουν χώρα οι διάφορες αντιδράσεις (Grady et al., 1999). Γενικά, για αποτελεσματική αναερόβια επεξεργασία στερεών, στους 30 o C, απαιτείται SRT μεγαλύτερος των 15 ημερών, ενώ όσο μειώνεται η θερμοκρασία απαιτούνται μεγαλύτεροι χρόνοι παραμονής των στερεών (Tchobanoglous et al., 2003). Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT), είναι ο μέσος χρόνος παραμονής του υγρού στη διεργασία της χώνευσης. Τα αναερόβια συστήματα που στηρίζονται στην ανάπτυξη μικροοργανισμών προσκολλημένων σε στερεή επιφάνεια (ταχύρυθμα), έχουν χαμηλότερο HRT (1-10 ημέρες) από τα συμβατικά όπου αναπτύσσονται αιωρούμενοι μικροοργανισμοί (10-60 ημέρες) (Polprasert, 1989). Επίσης, ο Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: Ως Μορφοποιήθηκε: Γραμματοσειρά: Πλάγια Διαγράφηκε:, ορίζεται ο μέσος χρόνος παραμονής των στερεών Διαγράφηκε: αναπτυχθούν Διαγράφηκε: στην Διαγράφηκε: συμβούν Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: ενός μορίου νερού 76

99 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας υδραυλικός χρόνος παραμονής που επιλέγεται εξαρτάται και από τη θερμοκρασία. Για συστήματα χώνευσης σε αιώρηση, δηλαδή χωρίς κάποιο υλικό προσκόλλησης της βιομάζας και χωρίς ανακυκλοφορία, ισχύει SRT=HRT. Οι χρόνοι παραμονής καθορίζουν και το μέγεθος του αντιδραστήρα, γι αυτό και αποτελούν σημαντικά κριτήρια στο σχεδιασμό των αναερόβιων χωνευτήρων. Ρυθμός οργανικής φόρτισης και Συγκέντρωση τροφοδοσίας: Αν και ο ρυθμός οργανικής φόρτισης (OLR), ο οποίος ορίζεται ως η μάζα της οργανικής ύλης που τροφοδοτείται ανά μονάδα χρόνου και η συγκέντρωση τροφοδοσίας δεν είναι θεμελιώδεις παράμετροι για την απόδοση των αναερόβιων συστημάτων, σχετίζονται όμως άμεσα με τον SRT. Από το ρυθμό οργανικής φόρτισης που μπορεί να δεχτεί μια διεργασία χώνευσης, μπορεί να προσδιοριστεί η βέλτιστη χρήση του όγκου του βιοαντιδραστήρα, όπου για πιο συμπυκνωμένη τροφοδοσία και υψηλό ρυθμό οργανικής φόρτισης χρησιμοποιείται μικρότερου όγκου αντιδραστήρας και μικρότερες απαιτήσεις σε θέρμανση (Shang, 2000). Χημική σύσταση τροφοδοσίας: Τα βακτήρια εκτός από άνθρακα (C), χρειάζονται και άλλα στοιχεία προκειμένου να ικανοποιήσουν τις βιοσυνθετικές τους ανάγκες, όπως το άζωτο (N), ο φώσφορος (P), το θείο (S) καθώς και διάφορα ιχνοστοιχεία. Έτσι η τροφοδοσία θα πρέπει να είναι θρεπτικώς ισορροπημένη για την επίτευξη επαρκούς αναερόβιας χώνευσης. Σύμφωνα με τον Sahm, (1984), ο λόγος C:N:P για τα αναερόβια βακτήρια είναι 700:5:1, ενώ κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφορες τιμές. Τα απαραίτητα ιχνοστοιχεία για τα αναερόβια βακτήρια είναι ο σίδηρος (Fe), το κοβάλτιο (Co), το μολυβδαίνιο (Mo), το νικέλιο (Ni), το μαγνήσιο (Mg), το ασβέστιο (Ca), το νάτριο (Na), το βάριο (Ba), το σελήνιο (Se) και ο ψευδάργυρος (Zn). Αναφορικά, το νικέλιο μπορεί να αυξήσει το ρυθμό κατανάλωσης του οξικού οξέος από 2 σε 10 g/g VSS/day (Speece et al., 1983), καθώς επίσης συμμετέχει και στη σύνθεση του συνένζυμου F 430, το οποίο εμπλέκεται στη παραγωγή του βιοαερίου (Diekert et al., 1981). Τοξικές ουσίες: Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός τοξικών ουσιών οι οποίες παρεμποδίζουν ή και σταματούν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και συνεπώς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι στις ουσίες αυτές οι οποίες περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω. Η παρουσία του οξυγόνου, ακόμα και σε ίχνη, επιδρά δυσμενώς στη δράση των υποχρεωτικά αναερόβιων μεθανογόνων βακτηρίων (Oremland, 1988). Διαγράφηκε: σχετίζονται με Διαγράφηκε: για Διαγράφηκε: που καθορίζουν Σχόλιο [ΓΛ1]: Ασαφές! 77

100 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Η ελεύθερη αμμωνία είναι αρκετά τοξική για τα μεθανογόνα βακτήρια, ιδιαίτερα σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 1500 mg/l. Ωστόσο, η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας εξαρτάται από το ph. Για υψηλές τιμές ph σχηματίζεται περισσότερη ελεύθερη αμμωνία, ενώ σε ουδέτερο ph παρατηρείται μικρή τοξικότητα (Σταματελάτου, 1999). Τα ανώτερα λιπαρά οξέα (π.χ. καπρυλικό, καπρικό, λαουρικό, μυριστικό και ολεϊκό), παρεμποδίζουν τη δραστικότητα των οξικοχρηστικών μεθανογόνων βακτηρίων (π.χ. Methanothrix spp.) (Koster and Cramer, 1987). Τα πτητικά λιπαρά οξέα (όπως το οξικό και βουτυρικό) σε υψηλές συγκεντρώσεις και ουδέτερο ph, εμφανίζουν μικρή τοξικότητα στους μεθανογόνους, ενώ το προπιονικό οξύ είναι αρκετά τοξικό και για τα οξεογόνα και τα μεθανογόνα βακτήρια (Bitton, 1994). Τα βαρέα μέταλλα (π.χ. Cu 2+, Pb 2+, Cd 2+, Ni 2+, Zn 2+, Cr 6+ ) βρίσκονται σε βιομηχανικά κυρίως απόβλητα και δρουν παρεμποδιστικά στην αναερόβια χώνευση όταν αυτά υπερβαίνουν ένα όριο (Lin, 1992; Mueller and Steiner, 1992). Η τοξικότητα τους με βάση το βαθμό παρεμπόδισης ακολουθεί τη σειρά: Ni > Cu > Cd > Cr > Pb. Η τοξικότητά των μετάλλων μπορεί να μειωθεί εάν αντιδράσουν με υδρόθειο, όπου σχηματίζονται αδιάλυτα θειούχα άλατα. Ωστόσο, κάποια μέταλλα της κατηγορίας αυτής, όπως το νικέλιο, όταν βρίσκονται σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις είναι απαραίτητα για τους μεθανογόνους και βοηθούν στη διεργασία της χώνευσης. Τα σουλφίδια είναι από τους πιο ισχυρούς παρεμποδιστές της αναερόβιας χώνευσης (Anderson et al., 1982) και η τοξικότητα τους είναι συνάρτηση του ph (Koster et al., 1986). Η τοξική επίδραση των σουλφιδίων στα μεθανογόνα βακτήρια συναντάται σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 150 mg/l. Μικροβιακές αλληλεπιδράσεις: Οι σχέσεις συμβίωσης των μικροοργανισμών μεταξύ τους δεν είναι πάντα αρμονικές, παρόλα αυτά είναι καθοριστικές για τη λειτουργία των συστημάτων της αναερόβιας χώνευσης. Υπάρχουν πολλές μικροβιακές αλληλεπιδράσεις και η φύση του ανταγωνισμού ανάμεσα τους είναι δύσκολο να προσδιοριστεί (Varnam and Evans, 2000). Ο ανταγωνισμός (competition), είναι από τις πιο συνηθισμένες αλληλεπιδράσεις, όπου όταν το αποτέλεσμα του ανταγωνισμού εξαρτάται από την απόκριση σε ένα και μόνο περιοριστικό παράγοντα, η ανάπτυξη και των δύο μικροβιακών πληθυσμών περιορίζεται. Ωστόσο, σε ποιο σύνθετες περιπτώσεις, όπου για παράδειγμα το Διαγράφηκε: ποιό 78

101 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας αποτέλεσμα του ανταγωνισμού εξαρτάται από δύο διαφορετικούς περιοριστικούς παράγοντες, τότε μόνο ο ένας από τους δύο μικροβιακούς πληθυσμούς περιορίζεται, ενώ ο άλλος επικρατεί. Παρ όλα αυτά είναι πιθανή και η συνύπαρξη των πληθυσμών ακόμα και όταν ο ένας είναι αρκετά μεγαλύτερος από τον άλλο. Ο αμηνσαλισμός (amensalism), είναι η περίπτωση όπου ο ανταγωνισμός μεταξύ των πληθυσμών οδηγεί με βεβαιότητα στην επικράτηση ενός και μόνο πληθυσμού, ο οποίος παρεμποδίζει την ανάπτυξη του ανταγωνιστικού πληθυσμού χωρίς ο ίδιος να επηρεάζεται. Η συνύπαρξη (commensalism), είναι η συμβίωση των οργανισμών κατά την οποία ένα είδος ξενίζεται και συντηρείται από άλλο (μη βλαπτόμενο) είδος κατά τρόπο μονοπλεύρως επωφελή. Η περίπτωση της συνύπαρξης είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ακριβώς και σε πολλές περιπτώσεις, σχέσεις που περιγράφονται ως συνύπαρξη είναι στη πραγματικότητα σχέσεις αμοιβαίας εξάρτησης ή παρασιτικές. Επίσης η συνύπαρξη είναι δυναμική κατάσταση και μπορεί να μετεξελιχθεί σε αμοιβαία εξάρτηση ή παρασιτική και αντίθετα. Η σχέση αμοιβαίας εξάρτησης (mutualism) των μικροβιακών πληθυσμών συναντάται σε πολλές μορφές. Σε κάποιες περιπτώσεις η εξάρτηση μεταξύ των μικροοργανισμών είναι τέτοια, ώστε κανένας δεν μπορεί να αναπτυχθεί απουσία του άλλου. Σε άλλη περίπτωση μπορεί να υπάρχει μια συνήθης, βραχύβια σχέση. Η αμοιβαία εξάρτηση είναι καθοριστικής σημασίας για τις μικροβιακές κοινότητες, ειδικότερα σε περιπτώσεις όπου εκτίθενται σε μεταβολές στα επίπεδα των θρεπτικών συστατικών και άλλων περιοριστικών παραγόντων ανάπτυξης. Τον μικροβιακό συνεταιρισμό (microbial consortium) τον συναντάμε σε μικτές καλλιέργειες και είναι ιδιαίτερα σταθερός. Οι σχέσεις μεταξύ των μελών του συνεταιρισμού είναι συνήθως αμοιβαίας εξάρτησης, αλλά μπορεί να μεταβληθούν. Στο παρασιτισμό (parasitism), συμβαίνει ο μικρότερος μικροοργανισμός να ωφελείται απευθείας από την εξάλειψη (θάνατο) του μεγαλύτερου φιλοξενούμενου κυττάρου. Αντίθετα, στην αρπαγή (predation) ο ωφελημένος οργανισμός είναι συνήθως ο μεγαλύτερος, αν και στις δύο περιπτώσεις υπάρχουν εξαιρέσεις. Οι έμμεσες αλληλεπιδράσεις (indirect interactions) είναι αυτές που συμβαίνουν στις μικροβιακές κοινωνίες λόγω της παρεμβολής εξωγενών παραγόντων, όπως για παράδειγμα η ξαφνική πτώση ή αύξηση του ph ενός χωνευτήρα. Διαγράφηκε: την απόκριση σε Σχόλιο [ΓΛ2]: Καλό! One-night stand? Διαγράφηκε: ανάμικτες Διαγράφηκε: λόγο 79

102 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Τέλος, υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεθανογόνων και άλλων αναερόβιων μικροοργανισμών για την ενδομεταφορά υδρογόνου (interspecies hydrogen transfer) και την παραγωγή βιοαερίου, όπου απαιτείται μία συνεργιστική σχέση, προκειμένου να ολοκληρωθούν οι αντιδράσεις και να δώσουν υψηλές αποδόσεις ATP και βιομάζας. Διαγράφηκε: ένδομεταφορα 4.2 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΥ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕ ΑΥΤΗ ΤΩΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΠΕΠΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Σχόλιο [ΓΛ3]: Πηγές? Το ποιο αποδοτικό και σύνθετο σύστημα παραγωγής μεθανίου που συναντάται στη φύση είναι το στομάχι των μηρυκαστικών ζώων. Το αναερόβιο αυτό σύστημα δεν έχει ποτέ αναπαραχθεί ολόκληρο με τεχνητό τρόπο, καθώς ο τρόπος αλληλεπίδρασης του μεγάλου αριθμού των μικροοργανισμών (βακτήρια, πρωτόζωα, μύκητες και ιούς) που περιέχονται σε αυτό είναι ιδιαίτερα πολυσύνθετος και απαιτεί την μελέτη, τη κατανόηση και τον έλεγχο πολλών παραμέτρων. Οι αναερόβιες συνθήκες που επικρατούν στο στομάχι των μηρυκαστικών ζώων μπορούν να συσχετιστούν με αυτές που επικρατούν σε ένα βιοαντιδραστήρα. Επίσης, η μικροβιακή μαγιά από το στομάχι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές της αναερόβιας χώνευσης, καθώς πολλοί από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς που υπάρχουν σε αναερόβιους βιοαντιδραστήρες είναι οι ίδιοι με αυτούς που συναντώνται στα στομάχια των μηρυκαστικών. Η αγελάδα είναι ένα από τα μηρυκαστικά, όπου ο τρόπος με τον οποίο χωνεύεται η φυτική βιομάζα στο στομάχι της, προκαλεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς χωνεύονται μεγάλες ποσότητες με ταυτόχρονα υψηλή παραγωγή μεθανίου (~600 λίτρα/ημέρα), όπου κατ` αντιστοιχία το πρόβατο παράγει 60 λίτρα (CME, 2002). Ακολούθως αναλύονται οι συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιείται η πέψη στο στομάχι της αγελάδας και ο ρόλος των αναερόβιων μικροοργανισμών σε αυτή. Το πεπτικό σύστημα της αγελάδας: Οι αγελάδες όπως είναι γνωστό ανήκουν στη κατηγορία των φυτοφάγων ζώων και συγκεκριμένα των μηρυκαστικών θηλαστικών. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.2, διαθέτει τέσσερα στομάχια χώνευσης συνολικού όγκου περίπου 250 λίτρων (Wattiaux and Howard, 2003). Το πρώτο στομάχι (μεγάλη κοιλία) χωρητικότητας >160 λίτρων και το δεύτερο στομάχι (κεκρύφαλος), μοιράζονται ένα πυκνό πληθυσμό μικροοργανισμών που αποτελείται από βακτήρια, πρωτόζωα και μύκητες. Η μεγάλη κοιλία είναι ένα δοχείο ζύμωσης όπου σωματίδια φυτικών ινών παραμένουν σε αυτή από 20 έως 48 ώρες, καθώς η βακτηριακή ζύμωση είναι αργή Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: 80

103 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας διαδικασία. Ο κεκρύφαλος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σταυροδρόμι κατά το οποίο διαχωρίζονται τα σωματίδια που εισέρχονται και εξέρχονται από αυτόν. Μόνο σωματίδια με μέγεθος μικρότερο των 1-2 mm και με πυκνότητα μεγαλύτερη από 1,2 g/ml μπορούν να περάσουν στο τρίτο στομάχι. Το τρίτο στομάχι ή αλλιώς εχίνος, έχει χωρητικότητα 10 λίτρων και μεγάλη απορροφητική ικανότητα. Επιτρέπει την ανακύκλωση του νερού και μετάλλων όπως το νάτριο και ο φώσφορος, τα οποία επιστρέφουν στο πρώτο στομάχι μέσω του σάλιου. Ο εχίνος δρα ως όργανο μετάβασης μεταξύ του πρώτου και του τέταρτου στομαχιού. Το τέταρτο στομάχι ή αλλιώς ήνυστρο, είναι παρόμοιο με το στομάχι των υπόλοιπων φυτοφάγων ζώων. Εκκρίνει ένα πολύ ισχυρό οξύ και πολλά χωνευτικά ένζυμα. Το υλικό που εισέρχεται στο τέταρτο στομάχι προέρχεται κυρίως από σωματίδια τροφής, από τελικά προϊόντα μικροβιακής ζύμωσης και άλλα μικρόβια που αναπτύσσονται στο πρώτο στομάχι. Η μεγάλη κοιλία αποτελεί κατάλληλο περιβάλλον για την ανάπτυξη και αναπαραγωγή μικροβίων. Η απουσία οξυγόνου ενισχύει την ανάπτυξη κάποιων βακτηριακών ειδών, μεταξύ των οποίων και αυτών που μπορούν να μετατρέψουν τη κυτταρίνη σε απλά σάκχαρα όπως η γλυκόζη. Έπειτα, τα μικρόβια προκαλούν τη ζύμωση της γλυκόζης και παράγουν πτητικά λιπαρά οξέα (VFA) τα οποία αποτελούν τη κύρια πηγή ενέργειας για την αγελάδα. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,77 εκ. Πηγή: Wattiaux and Howard, Rumen: πρώτο στομάχι, Reticulum: δεύτερο στομάχι, Omasum: τρίτο στομάχι, Abomasum: τέταρτο στομάχι Σχήμα 4.2: Το Πεπτικό Σύστημα Χώνευσης της Αγελάδας 81

104 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Ζωοτροφές (υπόστρωμα): Η τροφή των αγελάδων περιλαμβάνει θρεπτικά συστατικά τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη, αναπαραγωγή και υγεία των ζώων (Howard, 2003). Αυτή αποτελείται από μίσχους, φύλλα, σπόρους και ρίζες διαφόρων φυτών. Επίσης μπορούν να τραφούν με βιομηχανικά παραπροϊόντα (συμπυκνωμένη τροφή) τα οποία συνήθως χρειάζεται να συμπληρωθούν από μικρές ποσότητες πρωτεϊνών, βιταμινών και μετάλλων. Ο μεταβολισμός των υδατανθράκων: Οι υδατάνθρακες αποτελούν τη πιο σημαντική πηγή ενέργειας για την αγελάδα. Οι μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται στο πρώτο στομάχι επιτρέπουν στην αγελάδα να κερδίζει ενέργεια από τους ινώδεις υδατάνθρακες (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη) οι οποίοι συνδέονται με τη λιγνίνη στα κυτταρικά τοιχώματα (Wattiaux and Armentano, 2003). Εξαιτίας του ογκώδους μεγέθους των ινών που παραμένουν στο πρώτο στομάχι όπου η κυτταρίνη και η ημικυτταρίνη υφίσταται αργή ζύμωση, το στάδιο του μηρυκασμού εντείνει την αποδόμηση και τη ζύμωση των ινών. Το όξινο ανθρακικό νάτριο και τα φωσφορικά άλατα που εμπεριέχονται στο σάλιο βοηθούν στην διατήρηση σχεδόν ουδέτερου ph στο στομάχι. Οι μη ινώδεις υδατάνθρακες (άμυλο και απλά σάκχαρα) ζυμώνονται γρήγορα και σχεδόν ολοκληρωτικά στο πρώτο στομάχι. Επίσης, αυξάνουν την ενεργειακή πυκνότητα της διατροφής, γεγονός το οποίο βελτιώνει τα ενεργειακά αποθέματα και καθορίζει το ποσοστό των βακτηριακών πρωτεϊνών που παράγονται στο πρώτο στομάχι. Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης ο μικροβιακός πληθυσμός αποσυνθέτει τους υδατάνθρακες και παράγει ενέργεια, αέρια (υπό μορφή CH 4 και CO 2 ), θερμότητα και οξέα. Τα πτητικά λιπαρά οξέα (κυρίως οξικό οξύ, προπιονικό οξύ και βουτυρικό οξύ) αποτελούν τη πλειοψηφία (>95%) των οξέων που παράγονται στο πρώτο στομάχι. Επίσης από η ζύμωση αμινοξέων, παράγονται κάποια οξέα που ονομάζονται ισο-οξέα. Η ενέργεια και τα ισο-οξέα που παράγονται χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια για την ανάπτυξή τους. Η παραπάνω διαδικασία φαίνεται στο επόμενο σχήμα 4.3. Διαγράφηκε: Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,77 εκ. 82

105 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Τροφή Πρώτο στομάχι Περιττώματα Ζωοτροφή Κυτταρίνη αχώνευτες ίνες Σπόροι Ημικυτταρίνη Άμυλο (άμυλο) αχώνευτο άμυλο Αέρια (CO 2 & CH 4 ) Ισο-οξέα Γλυκόζη (γλυκόζη) Ενέργεια (για ανάπτυξη των βακτηρίων) Πτητικά Λιπαρά Οξέα (VFA) Πηγή: Wattiaux and Armentano, Σχήμα 4.3 Σχηματική Παρουσίαση του Μεταβολισμού των Υδατανθράκων Η σύσταση των υδατανθράκων στη τροφή των ζώων επηρεάζει το ποσοστό των VFA που παράγονται από το πρώτο στομάχι. Έτσι η συγκέντρωση του προπιονικού οξέος είναι μεγαλύτερη όταν τα ζώα τρέφονται με τροφές που περιέχουν μεγάλες ποσότητες απλών σακχάρων ή αμύλου και μικρότερη όταν οι τροφές είναι πλούσιες σε κυτταρίνη. Το αντίθετο συμβαίνει για τη συγκέντρωση του οξικού οξέος. Το ποσοστό μετατροπής των υδατανθράκων σε VFA ανέρχεται σε 65% οξικό, 20% προπιονικό και 15% βουτυρικό οξύ. Επιπλέον, οι μη ινώδεις υδατάνθρακες αποδίδουν περισσότερα VFA εξαιτίας της γρηγορότερης και πιο ολοκληρωμένης ζύμωσης τους. Ο μεταβολισμός των λιπιδίων: Συνήθως η περιεκτικότητα των τροφών των αγελάδων σε λιπίδια δε ξεπερνάει το 5%. Παρόλα αυτά, τα λιπίδια αποτελούν ένα σημαντικό μέρος της τροφής των αγελάδων καθώς είναι η πιο συμπυκνωμένη πηγή ενέργειας στη τροφή (Wattiaux and Grummer, 2003). Τα λιπίδια είναι ουσίες οι οποίες είναι αδιάλυτες στο νερό, αλλά διαλυτές σε οργανικούς διαλύτες όπως ο αιθέρας, το χλωροφόρμιο κ.α. Τα λιπίδια βρίσκονται στις τροφές με τη μορφή των γαλακτολιπιδίων και των τριγλυκεριδίων. Στη μεγάλη κοιλία, οι μικροβιακές λιπάσες υδρολύουν σε μεγάλο βαθμό τα γαλακτολιπίδια και τα τριγλυκερίδια, όπως επίσης συμβαίνει και για τα φωσφολιπίδια. Τα λιπαρά οξέα που προκύπτουν από την υδρόλυση αυτή, είναι στη πλειονότητά τους πολυακόρεστα με 18 άτομα άνθρακα (κυρίως λινολενικό και λινολεϊκό οξύ). Από την υδρόλυση των λιπιδίων προκύπτει και γλυκερίνη η οποία ζυμώνεται κυρίως σε προπιονικό οξύ. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,77 εκ. 83

106 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Η ικανότητα των μικροοργανισμών της μεγάλης κοιλίας και του κεκρύφαλου να υδρολύουν τα λιπίδια έχει ορισμένα όρια. Έτσι, αν η περιεκτικότητα των τροφών σε λιπίδια ξεπεράσει το 10%, τότε η δραστηριότητα των μικροοργανισμών μειώνεται σημαντικά, η ζύμωση των υδατανθράκων καθυστερεί και η όρεξη για λήψη τροφής μειώνεται επίσης. Οι αγελάδες δεν πρέπει να τρέφονται με παραπάνω από 1,5 kg/day σε λιπίδια. Η ποσότητα αυτή μπορεί να μεταφραστεί σε 6 με 8 % λιπιδίων στη διατροφή πριν τα αρνητικά αποτελέσματα αρχίζουν να γίνονται εμφανή. Τέλος τα λιπίδια έχουν 2,25 φορές περισσότερη ενέργεια από τους υδατάνθρακες, ενώ κατά το μεταβολισμό τους από τον οργανισμό παράγουν λιγότερη θερμότητα σε σχέση με τους υδατάνθρακες και τις πρωτεΐνες. Ο μεταβολισμός των πρωτεϊνών: Οι πρωτεΐνες παρέχουν στον οργανισμό τα αμινοξέα που χρειάζονται για τη διατήρηση ζωτικών λειτουργιών του. Ενώ τα υπόλοιπα ζώα χρειάζονται προσχηματισμένα αμινοξέα στη διατροφή τους, τα μηρυκαστικά μπορούν να εκμεταλλευτούν νιτρογενείς πηγές εξαιτίας της ικανότητας τους να συνθέτουν αμινοξέα και πρωτεΐνες από μη πρωτεϊνούχες νιτρογενείς πηγές. Έτσι οι πρωτεΐνες της τροφής στα μηρυκαστικά υδρολύονται από μικροοργανισμούς της μεγάλης κοιλίας και του κεκρύφαλου σε πεπτίδια και αμινοξέα (Wattiaux, 2003). Τα αμινοξέα, στην πλειονότητα τους, αποδομούνται με ζυμωτική απαμίνωση και δίνουν αμμωνία και οργανικά οξέα από τα οποία προκύπτει στη συνέχεια διοξείδιο του άνθρακα. Ορισμένα πεπτίδια και αμινοξέα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν απευθείας από τους παραπάνω μικροοργανισμούς. Πολλά όμως από τα διάφορα είδη βακτηρίων της μεγάλης κοιλίας και του κεκρύφαλου μπορούν να συνθέτουν τις δικές τους πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας την αμμωνία ως κύρια πηγή αζώτου. Η διαδικασία αυτή περιγράφεται στο σχήμα 4.4. Η αμμωνία είναι η κύρια αζωτούχος ουσία στο περιεχόμενο της μεγάλης κοιλίας και του κεκρύφαλου (Χριστοδούλου, 1984). Αν η συγκέντρωση της αμμωνίας είναι χαμηλή ( 50 mg/l), τότε και η ανάπτυξη καθώς και ο πολλαπλασιασμός των μικροοργανισμών της μεγάλης κοιλίας γίνεται με βραδύ ρυθμό, με συνέπεια την επιβράδυνση της αποδόμησης των υδατανθράκων. Από την άλλη, αν η αποδόμηση των πρωτεϊνών της τροφής γίνεται γρηγορότερα από ότι η σύνθεση των μικροβιακών πρωτεϊνών, τότε η αμμωνία που παράγεται δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί, λόγω της μικρής ενέργειας ζύμωσης, με αποτέλεσμα να συσσωρεύεται, ξεπερνώντας την βέλτιστη τιμή συγκέντρωσης ( mg/l) και παρεμποδίζοντας έτσι τη διεργασία. Διαγράφηκε: Τ Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,77 εκ. Διαγράφηκε: λόγο Διαγράφηκε: ), 84

107 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Πρέπει να σημειωθεί ότι η αμμωνία στη μεγάλη κοιλία μπορεί να προέρχεται, όχι μόνο από την αποδόμηση των πρωτεϊνών της τροφής, αλλά και από απλές οργανικές ουσίες όπως είναι τα αμινοξέα, τα αμίδια και οι αμίνες ή ακόμα και από ανόργανες ουσίες όπως τα νιτρικά. Οι μη πρωτεϊνικές αυτές αζωτούχες αυτές ουσίες περιέχουν το 30% περίπου του αζώτου στις τροφές των μηρυκαστικών. Οι περισσότερες από αυτές αποδομούνται εύκολα στη μεγάλη κοιλία από τους μικροοργανισμούς της και η αμμωνία που παράγεται προστίθεται σε εκείνη από την αποδόμηση των πρωτεϊνών. Τροφή Φυτικές ζωοτροφές Μεγάλη κοιλιά Πρωτεΐνες Πρωτεΐνες Περιττώματα Αχώνευτες ίνες Βακτηριακό & μεταβολικό άζωτο Μη πρωτεϊνικό άζωτο Αμινοξέα Αμμωνία Ενέργεια από ζύμωση υδατανθράκων Βακτηριακή πρωτεΐνη Πηγή: Wattiaux, Σχήμα 4.4 Σχηματική Παρουσίαση του Μεταβολισμού των Πρωτεϊνών Συσχέτιση του πεπτικού συστήματος της αγελάδας και των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων: Σύμφωνα με τα παραπάνω είναι εμφανής η συσχέτιση της δράσης των μικροοργανισμών της αναερόβιας χώνευσης σε πειράματα με βιοαντιδραστήρες και της πέψης στο στομάχι της αγελάδας. Η υδρολυτική διάσπαση υδατανθράκων, λιπιδίων και πρωτεϊνών σε σάκχαρα, λιπαρά οξέα και αμινοξέα είναι αντίστοιχα παρόμοια και στις δύο περιπτώσεις. Ακόμα, κατά την αποδόμηση των υδατανθράκων στο στομάχι παράγονται πτητικά λιπαρά οξέα (όπως οξικό, προπιονικό και βουτυρικό οξύ), τα οποία αποτελούν επίσης βασικά προϊόντα των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων. Τα αέρια τα οποία παράγονται στη μεγάλη κοιλία και τον κεκρύφαλο είναι κυρίως το CO 2 και το CH 4, ενώ παρατηρούνται ελάχιστες ποσότητες Ν 2 και ίχνη Ο 2 (Kessel, 1996). Στην αγελάδα, το CH 4 αποτελεί το % της συνολικής ποσότητας των αερίων, ενώ η συγκέντρωση του CO 2 κυμαίνεται από Διαγράφηκε: το 85

108 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 20-65% όταν το ζώο λαμβάνει τροφή μια φορά την ημέρα (Χριστοδούλου, 1984). Τα αέρια αυτά ως γνωστόν είναι τα κύρια αέρια τα οποία απαντώνται κατά τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης. Τέλος θα μπορούσε να γίνει άμεσος συσχετισμός και όσον αφορά τη τροφοδοσία των δύο συστημάτων, αφού σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται όμοια ή παρόμοια υποστρώματα (π.χ. σόργο). Τα κοινά στοιχεία που εμφανίζουν οι δύο αυτές διεργασίες μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης απαντάται στη φύση στο πεπτικό σύστημα των μηρυκαστικών ζώων και βρίσκει πρακτική εφαρμογή σε βιοαντιδραστήρες. Επίσης μπορεί να παρατηρηθεί γενικότερα στη φύση οπουδήποτε επικρατούν αναερόβιες συνθήκες όπως π.χ. στο έδαφος. Μορφοποιήθηκε: Εσοχή: Πρώτη γραμμή: 0,77 εκ. 86

109 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 4.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ Το ενδιαφέρον γύρω από την αναερόβια χώνευση τα τελευταία χρόνια διαρκώς αυξάνεται, καθώς είναι μια αποδοτική μέθοδος βιολογικής επεξεργασίας διαφόρων οργανικών αποβλήτων (αστικών, βιομηχανικών, ζωικών, φυτικών, κ.α.), η οποία προσφέρει και τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου, ενώ ταυτόχρονα βοηθάει και στο περιορισμό του φαινομένου του θερμοκηπίου. Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης καλύπτει ένα ευρύ φάσμα επεξεργασίας αποβλήτων. Παλαιότερα η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιούνταν μόνο για την επεξεργασία αστικών και αγροτικών λυμάτων (βοθρολύματα και ζωική κοπριά αντίστοιχα) και ιλύος. Οι πιο πρόσφατες, σύγχρονες μονάδες επεξεργάζονται αστικά στερεά απόβλητα (ΑΣΑ) και βιομηχανικά στερεά ή υγρά απόβλητα, ενώ η ανάγκη για κάλυψη των διαρκώς αυξανόμενων ενεργειακών απαιτήσεων του πλανήτη, προωθούν τη τάση για μεγιστοποίηση της παραγωγής του βιοαερίου, βελτιστοποιώντας τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης με τη χρήση ως υπόστρωμα ενεργειακών φυτών. Διαγράφηκε: Επεξεργασία Υγρών Αποβλήτων Τα Αστικά Υγρά Απόβλητα προέρχονται από διαφορετικές ροές, οι οποίες μπορούν να διατεθούν είτε χωριστά είτε συνδυαστικά (De Mes et al., 2003). Το μαύρο νερό (black water) περιέχει τις απορροές τις τουαλέτας (περιττώματα, ουρία και υλικά καθαρισμού), στο οποίο βρίσκεται ένας μεγάλος αριθμός παθογόνων μικροοργανισμών. Η συγκέντρωση του αποβλήτου εξαρτάται από τη ποσότητα του νερού που χρησιμοποιείται κατά το ξέπλυμα μετά τη χρήση της τουαλέτας. Σε τουαλέτες της Ευρώπης και της βορείου Αμερικής χρησιμοποιούν 10 λίτρα νερού ανά ξέπλυμα, σε άλλες χώρες χρησιμοποιούνται από 2-5 λίτρα, ενώ τα μοντέρνα συστήματα κενού (vacuum) χρησιμοποιούν μόνο 1 λίτρο νερού ανά χρήση. Το γκρι νερό (grey water) προέρχεται από εσωτερική οικιακή χρήση, όπως είναι τα νερά του λουτρού, το νερό πλύσης (ρούχων και κουζινικών) και καθαρισμού του σπιτιού. Το νερό αυτό δεν περιέχει περιττώματα, οπότε ούτε ιδιαίτερα παθογόνους μικροοργανισμούς αλλά και λίγα θρεπτικά συστατικά (Ν, P, K). Ο όγκος και η συγκέντρωση του αποβλήτου εξαρτάται καθαρά από τη κατανάλωση του νερού και τη διαχείριση των απορροών. 87

110 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Το συνδυασμένο υγρό απόβλητο (combined wastewater) περιλαμβάνει το μαύρο και το γκρι νερό καθώς και όλες τις αστικές απορροές, όπως τα νερά της βροχής και του αποχετευτικού δικτύου. Στο δυτικό κόσμο το συνδυασμένο απόβλητο χαρακτηρίζεται από υψηλό ποσοστό αραίωσης που το καθιστά ακατάλληλο για αναερόβια επεξεργασία, διότι η ενέργεια που θα απαιτούνταν για τη θέρμανση του θα ήταν μεγαλύτερη από το παραγόμενο μεθάνιο. Τα τελευταία χρόνια, μελετώνται και αναπτύσσονται πιλοτικά νέες τεχνολογίες αναερόβιας επεξεργασίας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αντίθεση τα οικιακά υγρά λύματα (μαύρο και γκρι νερό), σε αναπτυσσόμενες χώρες όπως είναι η νότιος Αμερική, η Ινδία, η δυτική Αφρική κ.α., επεξεργάζονται αναερόβια με την εφαρμογή συστημάτων UASB (upflow anaerobic sludge blanket reactor: αντιδραστήρας ανοδικής ροής μέσα από κλίνη λάσπης), καθώς οι θερμοκρασίες λόγω κλίματος στις χώρες αυτές είναι ευνοϊκές. Η σύσταση των οικιακών υγρών αποβλήτων ποικίλη από τόπο σε τόπο (πίνακας 4.1), ενώ η μέγιστη αναερόβια βιοδιασπασιμότητα τους ανέρχεται στο 74%. Πίνακας 4.1 Ενδεικτική Σύσταση Ακατέργαστων Οικιακών Υγρών Λυμάτων από Διάφορες Πόλεις του Κόσμου Χαρακτηριστικά Pedegral, Brazil Cali, Colombia Bennekom, Netherlands Accra, Ghana Ολικά αιωρούμενα στερεά, TSS mg/l Πτητικά αιωρούμενα στερεά, VSS mg/l Βιολογικά απαιτούμενο οξυγόνο, BOD mg/l Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο, COD mg/l Ολικό Άζωτο mg N/l Ολικός Φώσφορος 11 1, mg P/l Αλκαλικότητα mg CaCO 3 /l Πηγή: van Haandel and Lettinga, Τα Βιομηχανικά Υγρά Απόβλητα είναι ετερογενή τόσο ως προς τη σύσταση, όσο και ως προς τον όγκο. Οι απορροές που προέρχονται από τη βιομηχανία των τροφίμων και των ποτών περιέχουν την υψηλότερη συγκέντρωση οργανικών ενώσεων (Lexmond and Zeeman, 1995). Η αναερόβια επεξεργασία εφαρμόζεται ευρέως τόσο στη κατηγορία αυτή των βιομηχανικών αποβλήτων όσο και στη βιομηχανία πολτού και χαρτιού (Πίνακας 4.2). 88

111 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Πίνακας 4.2 Στατιστικά Στοιχεία Εφαρμογής Ταχύρυθμων Αναερόβιων Συστημάτων Επεξεργασίας Βιομηχανικών Υγρών Αποβλήτων σε Παγκόσμια Κλίμακα το έτος 2001 Βιομηχανικές εφαρμογές Αριθμός μονάδων επεξεργασίας Μέρισμα χρήσης της αναερόβιας χώνευσης Ζυθοποιεία & ποτοποιεία % Αποστακτήρια και ζυμώσεις % Χημικά 61 7 % Πολτός & χαρτί % Τρόφιμα % Διάφορες 70 7 % Συνολικά % Πηγή: Frankin, 2001; IEA, Καθώς, κάθε διεργασία εμπλέκει διαφορετικές ενώσεις και στη πλειοψηφία τους οι βιομηχανίες αυτές δεν έχουν συνεχόμενη λειτουργία, τα χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων έχουν έντονες διακυμάνσεις μεταξύ τους με το χρόνο. Ενδεικτικά φαίνονται στο πίνακα 4.3. Πίνακας 4.3 Χαρακτηριστικά & Ενδεικτικές Τιμές Υγρών Βιομηχανικών Αποβλήτων Όγκος 0,1-175 m 3 /τόνο παραγόμενου προϊόντος Συγκέντρωση BOD; COD g/l; g/l ph 3-12 Θερμοκρασία o C Συγκέντρωση θρεπτικών, χημικών, απορρυπαντικών ουσιών Πηγή: De Mes et al., Στη περίπτωση που το υγρό απόβλητο δεν περιέχει μεγάλο ποσοστό αιωρούμενων στερεών συνήθως εφαρμόζονται ταχύρρυθμα συστήματα επεξεργασίας του, διαφορετικά απομακρύνονται τα στερεά σε ένα στάδιο προεπεξεργασίας. Τα στερεά που απομακρύνονται μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν ως ζωοτροφές ή λίπασμα, είτε να χωνευτούν αναερόβια ή στη χειρότερη περίπτωση να αποτεφρωθούν. Εάν τα στερεά δεν απομακρυνθούν εκ των προτέρων, ο HRT θα πρέπει να αυξηθεί τόσο ώστε να υπάρξει ένας ικανοποιητικός SRT (Zeeman and Lettinga, 1999). Ο κύριος τύπος βιοαντιδραστήρα που χρησιμοποιείται σε ποσοστό 60% για τα βιομηχανικά υγρά απόβλητα είναι ο UASBR, ακολουθούν ο CSTR (continuous stirred tank reactor: αναδευόμενος αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας) και τα αναερόβια φίλτρα καταλαμβάνοντας το 10 και το 8% αντίστοιχα (Jantsch et al., 2002). 89

112 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Επεξεργασία Στερεών Αποβλήτων Αστικά Στερεά Απόβλητα: Στα τέλη της δεκαετίας του 90, στην Ευρώπη, υπήρχαν 53 συνολικά μονάδες αναερόβιας χώνευσης αστικών στερεών αποβλήτων (De Baere, 2000), ενώ η ετήσια δυναμικότητα δεκαπλασιάστηκε σε σχέση με τις αρχές της δεκαετίας. Σήμερα, στην Ευρώπη υπάρχουν συνολικά 69 τέτοιες μονάδες (78 παγκοσμίως), ενώ στο προσεχές μέλλον επρόκειτο να κατασκευαστούν παγκοσμίως 32 μονάδες ακόμα (Kelleher, 2006). Οι 28 από τις 69 μονάδες βρίσκονται στη Γερμανία, ακολουθούν η Ελβετία και η Ισπανία με 12 και 7 αντίστοιχα. Τα αστικά στερεά απορρίμματα μπορούν να αποδώσουν σημαντικά ποσά ενέργειας. Η εκμετάλλευση του βιοαερίου που παράγεται κατά την υγειονομική ταφή αποτελεί μια κλασσική μέθοδο ανάκτησης ενέργειας από τα απορρίμματα. Η μέθοδος όμως αυτή χαρακτηρίζεται από πολύ βραδύ ρυθμό που συνήθως διαρκεί 5-10 έτη. Η επιτάχυνση της απελευθέρωσης του βιοαερίου και η συνακόλουθη σταθεροποίηση και αδρανοποίηση του βιομετατρέψιμου κλάσματος των απορριμμάτων μπορεί να επιτευχθεί σε ειδικούς αναερόβιους αντιδραστήρες υπό ελεγχόμενες συνθήκες (Λυμπεράτος, 1999). Επιπλέον, οι αντιδραστήρες αυτοί αποδίδουν το υπόλειμμα της αποσύνθεσης για περαιτέρω επεξεργασία και χρήση ως εδαφοβελτιωτικό, περίπου όπως και το παραγόμενο με την αερόβια διαδικασία λιπασματοποίησης. Η υψηλή συγκέντρωση στερεών στους αναερόβιους χωνευτήρες των ΑΣΑ καθιστά τους μικροβιακούς πληθυσμούς πιο ευαίσθητους σε διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους. Έτσι, η τοξικότητα της αμμωνίας επιδρά στα μεθανογόνα βακτηρίδια με αποτέλεσμα τη παρεμπόδιση της δράσης τους, την αστάθεια του αντιδραστήρα και τη μειωμένη παραγωγή μεθανίου. Σε πολλές περιπτώσεις η τοξικότητα της αμμωνίας μπορεί να αποφευχθεί με κατάλληλη ρύθμιση του λόγου C/N στην τροφοδοσία. Μια τυπική μονάδα επεξεργασίας των ΑΣΑ (σχήμα 4.5) αποτελείται από τα εξής στάδια: 1. διαχωρισμός του οργανικού κλάσματος από τα μέταλλα, τα πλαστικά, το γυαλί 2. αιώρηση των οργανικών σε νερό για τροφοδότηση του βιοαντιδραστήρα (σε 10 % στερεά τυπικά) 3. αναερόβια χώνευση 4. διήθηση αναερόβιας ιλύος 5. αερόβια σταθεροποίηση αναερόβιας ιλύος 90

113 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Προκειμένου να καταστεί δυνατή η εφαρμογή της μεθόδου αυτής είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός σταδίου προεπεξεργασίας των στερεών απορριμμάτων. Κατά την προεπεξεργασία απομακρύνονται τα μέταλλα, το γυαλί και τα άλλα ανόργανα υλικά και εξασφαλίζεται η κατάλληλη κοκκομετρία και προστίθεται νερό για επίτευξη συγκέντρωσης στερεών 10-30%, ανάλογα με την τεχνολογία, για την τροφοδοσία του αντιδραστήρα. Στη συνέχεια το αιώρημα οδηγείται σε αντιδραστήρα όπου χωνεύεται επί 2-3 εβδομάδες. Το βιοαέριο που παράγεται καίγεται προς παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Η μονάδα συνήθως ιδιοκαταναλώνει ένα ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας. Το υπόλειμμα του αντιδραστήρα (όπου τα πτητικά στερεά έχουν μειωθεί κατά 50-65%, αφυδατώνεται ως 60%. Το υγρό κλάσμα χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της υγρασίας της τροφοδοσίας. Το συμπύκνωμα της πρέσας λιπασματοποιείται αερόβια (ενδεχομένως με προσθήκη άλλων υλικών όπως ιλύς από βιολογικό) και το μίγμα αφήνεται να ωριμάσει οπότε σχηματίζεται το τελικό προϊόν (compost). Το υλικό αυτό είναι σταθεροποιημένο και απαλλαγμένο από παθογόνους οργανισμούς. Η περιεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα εξαρτάται από τη τροφοδοσία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό ή ως επικαλυπτικό στην υγειονομική ταφή απορριμμάτων. βιοαέριο m kg διαχωρισμός αιώρηση χώνευση μέταλλα πλαστικά γυαλί υγρό κλάσμα διήθηση 550 kg ιλύς τελικό προϊόν 300 kg αερόβια σταθεροποίηση Πηγή: Λυμπεράτος, νερό Σχήμα 4.5 Τυπική Μονάδα Αναερόβιας Επεξεργασίας Απορριμμάτων 91

114 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Συνοπτικά, οι Silvey et al, (2000), εκτιμούν ότι το δυναμικό παραγωγής μεθανίου για σύμμεικτα απορρίμματα είναι 0,19 m 3 /kg ζυμώσιμων στερεών. Τυπικά παράγονται, ανά τόνο απορρίμματος, m 3 βιοαερίου ανάλογα με τη σύσταση των απορριμμάτων, με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 55-70% και kg compost. Η αναερόβια χώνευση απαιτεί περίπου το 20-40% της παραγόμενης ενέργειας. Με μέση θερμική αξία 5,5 kwh/m 3, η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυπικά kwh/ton. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ραγδαία πρόοδος στη τεχνολογία της αναερόβιας χώνευσης έχει μειώσει σημαντικά το κόστος της τεχνολογίας. Έτσι, το πάγιο κόστος μειώθηκε από 840 $/t/y το 1992 σε 260 $/t/y το 2000 για να κλείσει το 2005 στα $/t/y, όπως φαίνεται και στο πίνακα 4.4. Η μονάδα στο Tilburg της Ολλανδίας (τεχνολογία Valorga) στοίχισε περίπου 13 εκ. Ευρώ και αποδίδει 5 /t από πωλήσεις ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ το καθαρό κόστος ανέρχεται σε 50 /t. Το εργοστάσιο στο Arnhem της Ολλανδίας (τεχνολογία Biocel) στοίχισε 6,4 εκ. Ευρώ και αποδίδει 4,3 /t. Ενδεικτικά, το κόστος της αναερόβιας χώνευσης των ΑΣΑ παρουσιάζεται στο πίνακα 4.4. Πίνακας 4.4 Ενδεικτικό Υπολογισμένο Κόστος Αναερόβιας Χώνευσης ΑΣΑ Πληθυσμός (κάτοικοι) ΑΣΑ (τόνοι/έτος) Κόστος Επένδυσης $ 3,3 εκατ. $ 7,3 εκατ. $ 12,6 εκατ. Λειτουργικό Κόστος /έτος $ $ $ Κόστος /τόνο $ $ $ Ανάκτηση Ενέργειας kw kw kw Πηγή: Kelleher, Η κύρια ανταγωνιστική τεχνολογία προς την αναερόβια χώνευση του οργανικού κλάσματος των αστικών στερεών απορριμμάτων είναι η αερόβια λιπασματοποίηση (composting) η οποία σήμερα κατέχει περίπου το 90% της αγοράς, αν και η αναερόβια χώνευση κερδίζει συνεχώς έδαφος (στην Ελβετία ξεπερνάει ήδη το 25%) αφού η τεχνολογία της διαρκώς βελτιώνεται, ενώ υπάρχουν σοβαρές επιφυλάξεις για το αερόβια παραγόμενο λίπασμα (compost). Επιπλέον, η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης υπερέχει και ως προς τις εκπομπές των πτητικών οργανικών ενώσεων. 92

115 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Αγροτο-Βιομηχανικά Στερεά Απόβλητα: Ένας άλλος τομέας εφαρμογής της αναερόβιας χώνευσης, είναι η παραγωγή βιοαερίου από την επεξεργασία στερεών αποβλήτων που προέρχονται από αγροτικές καλλιέργειες και βιομηχανίες μεταποίησης αγροτικών προϊόντων. Στο πίνακα 4.5, παραθέτονται στοιχεία αποδόσεων παραγωγής βιοαερίου από διάφορες πρώτες ύλες φυτικής προέλευσης. Πίνακας 4.5 Παραγωγή Βιοαερίου Διαφόρων Φυτικών Αποβλήτων Πρώτη Υλη (υπόστρωμα) Βιοαέριο (l/kg ξηρού βάρους) Άχυρο σιταριού τρυφερό 300 Άχυρο σιταριού σκληρό 318 Άχυρο βρώμης 368 Άχυρο κριθαριού 380 Άχυρο ρυζιού 360 Κοτσάνι καλαμποκιού 295 Σκόνες αλευροποιείου 245 Σπόρος βαμβακιού 357 Κάναβις 358 Άχυρο σίκαλης 315 Φύλλα αραχίδας 298 Φύλλα φακής 292 Φύλλα ρεβυθιού 297 Άλευρο φυλλωδών 222 Πηγή: Χαρώνης, Στην Ινδία (Τare et al., 1997), χρησιμοποιείται κατ εξοχή η αναερόβια χώνευση για την επεξεργασία των υπολειμμάτων οινοπνευματοποιείων. Για κάθε λίτρο αιθανόλης, παράγονται λίτρα αποβλήτου με BOD mg/l και COD mg/l. Αναφέρεται η χρήση χωνευτήρα δύο σταδίων, ενός οξεογόνου τύπου CSTR με χρόνο παραμονής 2,5 ημέρες και ενός μεθανογόνου (αναερόβιο φίλτρο με δακτυλίους PVC), και ανακυκλοφορία. Η μέγιστη φόρτιση του συστήματος είναι 25 kg COD m -3 d -1, με 60-70% απομάκρυνση του COD. Ο Yeoh, (1997), μελέτησε τη θερμοφιλική αναερόβια χώνευση (55 ο C) των υπολειμμάτων της απόσταξης του ζωμού αιθανόλης που προκύπτει από μελάσσες ζαχαροκάλαμου και συνέκρινε την απόδοση διεργασιών ενός και δύο σταδίων. Τα 93

116 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας βασικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος συνοψίζονται στον πίνακα 4.6. Το διβάθμιο σύστημα έδωσε κατά 17% καλύτερες αποδόσεις σε μεθάνιο από ότι το σύστημα ενός σταδίου, πετυχαίνοντας συνολική απόδοση μεθανίου 0,168 m 3 kg -1 COD ή διαφορετικά 0,292 m 3 kg -1 VS, ενώ η μέγιστη τιμή που επιτεύχθηκε έφτασε τα 0,216 m 3 kg -1 COD ή 0,401 m 3 kg -1 VS. Ταυτόχρονα η απομάκρυνση του COD ξεπέρασε το 65%. Το σύστημα λειτούργησε με χρόνο παραμονής στον οξεογόνο αντιδραστήρα 2 ημερών ενώ στο μεθανογόνο κυμάνθηκε από 33 έως 5,5 ημέρες. Πίνακας 4.6 Χαρακτηριστικά Υπολειμμάτων της Απόσταξης του Ζωμού της Αιθανόλης που Προκύπτει από Μελάσσες Σακχαροκάλαμου Παράμετρος mg/l (πλην του ph) ph 4,5 BOD COD TS (ολικά στερεά) VS (πτητικά στερεά) TKN (ολικό άζωτο κατά Khedhal) Ολικός φώσφορος 400 Πηγή: Yeoh, Οι Rieker et al., (1999), περιγράφουν αναερόβια διεργασία για την παραγωγή βιοαερίου από χρησιμοποιημένο κριθάρι (brewer s spent grain), η οποία αποτελείται από 4 στάδια: 1. πρώτο στάδιο υδρόλυσης (χρόνος παραμονής 3 ημέρες, για υδρόλυση του εύκολα αποδομήσιμου κλάσματος) 2. στάδιο τεμαχισμού με σφαιρόμυλο (από 1000 μm σε λιγότερο από 200 μm) και χημική επεξεργασίας με διάλυμα καυστικού νατρίου (NaOH) 0,2N στους 70 ο C 3. δεύτερο στάδιο υδρόλυσης (χρόνος παραμονής 4 ημέρες, για διάσπαση κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης) 4. στάδιο μεθανογένεσης Η διεργασία τροφοδοτείται με αραιωμένο οργανικό υλικό σε 5% στερεά. Η παραγωγή βιοαερίου σε πιλοτική μονάδα ζυθοποιείου ήταν 500 l/kg VS, με ποσοστό CH 4 75 %. 94

117 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Χρησιμοποιημένο κριθάρι (7 % w/v) χρησιμοποίησαν και οι Poirrier and Chamy, (1999), με σύστημα 2 σταδίων που περιελάμβανε έναν υδρολυτικό/οξεογόνο CSTR και έναν μεθανογόνο UASB. Ο οξεογόνος λειτουργούσε με οργανική φόρτιση 0,7 g COD l -1 d -1 και έδωσε μίγμα οξικού: προπιονικού: βουτυρικού 40:7:53. Ο μεθανογόνος αντιδραστήρας λειτούργησε σε οργανική φόρτιση 9 g COD l -1 d -1. Η παραγωγή βιοαερίου του συστήματος έφθασε τα 1,4 l/l reactor /d με σύσταση μεθανίου 80% και μετατροπή του COD στον UASB που έφτασε το 65%. Η παραγωγή βιοαερίου από το χαρτί γραφείου και το χαρτί των εφημερίδων περιγράφεται από τους Clarkson and Xiao, (1999), ως μια πλήρης και λειτουργική διεργασία με πολύ καλές αποδόσεις. Το χαρτί γραφείου που περιείχε κυτταρίνη σε ποσοστό 82% των VS και αντίστοιχα 3,6% λιγνίνη χρειάστηκε 20 ημέρες για τη σχεδόν πλήρη αποδόμηση του, αν και η χώνευση συνεχίστηκε για ακόμη 165 ημέρες. Η απόδοση του σε βιοαέριο ήταν μεταξύ 71-85% της θεωρητικής, με βάση το βιομετατρεπόμενο COD. Ενώ στο χαρτί από εφημερίδες μόνο το 50% των VS ήταν κυτταρίνη και περιείχε αντίστοιχα 31% λιγνίνη. Η απόδοση σε βιοαέριο ήταν περίπου η μισή και απαιτήθηκαν 130 ημέρες χώνευσης. Η προσθήκη ενός σταδίου προεπεξεργασίας με NaOH 10% επιτάχυνε σημαντικά τη διεργασία. Ενεργειακές Καλλιέργειες Τα τελευταία χρόνια η αναερόβια χώνευση κατευθύνεται προς τη χρήση ενεργειακών καλλιεργειών για παραγωγή βιοαερίου, καθώς το δυναμικό μιας τέτοιας διεργασίας ισοδυναμεί με αυτό της παραγωγής της βιοαιθανόλής και του βιοντίζελ (Wheeler, 2001). Επιλέγοντας τις ενεργειακές καλλιέργειες αντί των αποβλήτων η διεργασία πλεονεκτεί καθώς περιέχουν μικρότερα ποσοστά λιγνίνης από ότι τα υπολείμματα και δίνουν καλύτερους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου (Stewart, 1980). Μελέτες με θέμα την αναερόβια χώνευση ενεργειακών καλλιεργειών διεξάγονται γύρω από ένα ευρύ φάσμα υποστρωμάτων όπως είναι η βρώμη, ο αραβόσιτος, οι πόες και τα άχυρα. Ο Jerger et al., (1987), αναφέρει στη μελέτη του ότι η απόδοση σε μεθάνιο της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου σε έναν περιοδικά αναδευόμενο αντιδραστήρα, έφτασε τα 370 litres/kg πτητικών στερεών που προστέθηκαν στον χωνευτήρα, ενώ ταυτόχρονα το ποσοστό απομάκρυνσης των 95

118 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας πτητικών στερεών (μετατροπής τους σε μεθάνιο) ξεπέρασε το 90%. Σε άλλες βιβλιογραφικές αναφορές παρουσιάζονται αποδόσεις που φτάνουν τα 300 λίτρα/kg για υποστρώματα χωρίς προ-επεξεργασία όπως ο αραβόσιτος, το ζαχαροκάλαμο, η βρώμη κ.α. (Gunaseelan, 1997). Το εκχυλισμένο γλυκό σόργο (bagasse) είναι ότι απομένει μετά την εκχύλιση και ανέρχεται περίπου στο 30% του ολικού (νωπού) βάρους του φυτού (Negro et al., 1996b). Το υλικό αυτό έχει με επιτυχία συλλιπασματοποιηθεί με κοπριά χοίρων, καθώς και με ιλύ βιολογικών σταθμών παράγοντας εδαφοβελτιωτικό. Το bagasse περιέχει 85,7 % υγρασία, άνθρακα και άζωτο 46,9 % και 0,5 % επί του ξηρού βάρους αντίστοιχα και ph 7,2. Λόγω του μεγάλου λόγου C/N (101,9), η προσθήκη κοπριάς (C/N:12,7) ή ιλύος (C/N:9,1) είναι απαραίτητη για τη λιπασματοποίηση (Negro et al., 1996a). Η αναερόβια χώνευση του εκχυλισμένου σόργου έχει δοκιμαστεί από τους Poletti et al., (1996), κατά τους οποίους 1 kg bagasse περιέχει 156g διαθέσιμου οργανικού άνθρακα (οργανικός άνθρακας μείον λιγνίνη) και αποδίδει 101 λίτρα μεθανίου μειώνοντας ταυτόχρονα και το COD κατά 42 %. Στη Σουηδία (Trulsson, 1998) έχει χρησιμοποιηθεί η αναερόβια χώνευση για παραγωγή ενέργειας από άχυρα. Προηγείται τεμαχισμός σε μέγεθος mm και αραίωση σε 5 % κ.ο. στερεά. Με φόρτιση 2,1 kg TS m -3 d -1, η απόδοση μεθανίου ήταν 240 l/kg TS και η μείωση των στερεών έφτασε το 42 %. Προσθέτοντας όμως αλκαλικό διάλυμα, αυξήθηκε η παραγωγή CH 4 στα 280 l/kg TS και η μείωση των στερεών ανήλθε στο 53 %. Η ιλύς από τη χώνευση ήταν κατάλληλη για διάθεση προς λιπασματοποίηση. Με βάση τις δοκιμές, κατασκευάστηκε το 1997 ένα πλήρες εργοστάσιο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δυναμικότητας 2 MW. Το κόστος της kwh ανήλθε στα 4 cents. Στην Αυστρία, η ανάγκη για εφαρμογή νέων τεχνολογιών στο τομέα των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας με στόχο το περιβαλλοντικό, ενεργειακό και οικονομικό όφελος, οδήγησε σε μια εντυπωσιακή αύξηση του αριθμού των μονάδων παραγωγής βιοαερίου από ενεργειακές καλλιέργειες και αγροτικά στερεά απόβλητα (Laaber et al., 2006). Ως συνέπεια ήταν, από τις 119 μονάδες που υπήρχαν στα τέλη του 2003, να αυξηθούν στις 298 τον Ιούνιο του Συγκριτικά, στη Γερμανία 96

119 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας υπάρχουν περισσότερες από 3000 μονάδες παραγωγής βιοαερίου σε λειτουργία. Τόσο στη Γερμανία όσο και στην Αυστρία, στη πλειοψηφία τους οι μονάδες αναερόβιας χώνευσης χρησιμοποιούν κυρίως ενεργειακές καλλιέργειες. Λόγω των ιδιαίτερα ελκυστικών τιμών χρέωσης του ηλεκτρικού ρεύματος που προέρχεται από τη παραγωγή του βιοαερίου στην Αυστρία (από 10,3-16,5 cents/kwh el ανάλογα το μέγεθος της μονάδας παραγωγής) και ταυτόχρονα την εγγύηση χαμηλών τιμολογίων για τα επόμενα 13 χρόνια (BGB1, 2002), οι μονάδες αναερόβιας χώνευσης ενεργειακών φυτών που υπάρχουν στη χώρα στοχεύουν κυρίως στη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Από έρευνα που έγινε σε 41 μονάδες παραγωγής βιοαερίου της χώρας, ηλεκτρικής δυναμικότητας από 18 έως 1672 kw, το 85 % των μονάδων χρησιμοποιεί διβάθμια συστήματα αντιδραστήρων. Tο ~80 % του συνόλου των μονάδων λειτουργούν σε μεσόφιλες θερμοκρασίες, με πιο συνήθεις χρόνους παραμονής τις ημέρες. Ο ρυθμός οργανικής φόρτισης κυμαίνεται για το 30 % των μονάδων από 1,5-3 kg VSS m -3 reactor d -1, ενώ για το άλλο 30 % μεταξύ των 3-4 kg VSS m -3 reactor d -1 και για τις υπόλοιπες μονάδες από 5-8 kg VSS m -3 reactor d -1. Η παραγωγή βιοαερίου από τις μικρότερες στις μεγαλύτερες μονάδες κυμαίνεται από 0,24 έως 2,3 m 3 m -3 reactor d -1, κατ` αντιστοιχία η απόδοση σε βιοαέριο είναι μεταξύ 0,42 και 1 m 3 /kg VSS, με ποσοστό σε μεθάνιο που ανέρχεται έως και το 67 %. Τέλος, η ηλεκτρική απόδοση στις μονάδες με πρότυπη λειτουργία ανέρχεται στο 38 % καθώς και ο βαθμός χρήσης της παραγόμενης ενέργειας από τη θερμότητα ξεπερνάει το 40%. Παράδειγμα μιας πρότυπης μονάδας αναερόβιας χώνευσης για παραγωγή βιοαερίου από ενεργειακά φυτά, με στόχο τη μετατροπή του σε ηλεκτρική ενέργεια, είναι η μονάδα Rohkraft στο Reidling της Αυστρίας, ηλεκτρικής και θερμικής δυναμικότητας 1 MW και 1034 kw αντίστοιχα (AAT, 2006). Το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται αποτελείται κατά 70 % από αραβόσιτο και κατά 30 % από κοπριά χοίρων και προέρχεται από τη τοπική αγροτική κοινότητα. Η διβάθμια μονάδα όγκου 4000 m 3, λειτουργεί σε μεσόφιλη θερμοκρασία 39 ο C, με υδραυλικό χρόνο παραμονής 77 ημερών και ρυθμό οργανικής φόρτισης 4,4 kg VS m -3 d -1, ενώ η τροφοδοσία γίνεται ανά ώρα (renet, 2006). Το υγρό κλάσμα (leachate) που συλλέγεται από τα σιλό αποθήκευσης του υποστρώματος τροφοδοτείται παράλληλα με τη κοπριά. Τα αποτελέσματα της απόδοσης της μονάδας παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα

120 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Πίνακας 4.7 Απόδοση της Μονάδας Αναερόβιας Χώνευσης Παραγωγής Βιοαερίου του Reidling, για το Έτος 2005 (8030 ώρες ετήσιας λειτουργίας) Τροφοδοσία από ενεργειακά φυτά Τροφοδοσία από κοπριά και leachate Παραγωγή βιοαερίου Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Παραγωγή θερμικής ενέργειας Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας (για λειτουργία της μονάδας) Κατανάλωση θερμικής ενέργειας (για λειτουργία της μονάδας) Θερμική κατανάλωση για την εκτροφή των γουρουνιών τόνους/έτος 7300 τόνους/έτος 4,02 εκατομμύρια m 3 /έτος 8030 MWh/έτος 8223 MWh/έτος 562 MWh/έτος 50 MWh/έτος 1000 MWh/έτος Πηγή: Laaber et al., Εξαιτίας της πολύ καλής ρύθμισης της διεργασίας, η μονάδα αποδίδει το 98 % της θεωρητικής θερμικής δυναμικότητας και ισχύς της. Οι πωλήσεις ηλεκτρικής ενέργειας για το έτος 2005 ανήλθαν στις 7468 MWh και αντίστοιχα της θερμικής ενέργειας έφτασαν τις 1600 MWh (Pfiel, 2006). Οι πωλήσεις θερμικής ενέργειας διαρκώς αυξάνονται, καθώς ολοένα και περισσότεροι κάτοικοι των γειτονικών περιοχών ζητούν να εγγραφούν στο δίκτυο παροχής της υπηρεσίας. Το ενεργειακό κόστος παραγωγής ανέρχεται στα 6-8 cents/kwh για τα πρώτα χρόνια, οπότε το κέρδος της μονάδας είναι 6-7 cents ανά παραγόμενη kwh. Οι Palmowski and Muller εξέτασαν την επίδραση της άλεσης στην απόδοση της αναερόβιας χώνευσης διαφόρων οργανικών φυτικών υλών, όπως σπόρων, φύλλων και άχυρων. Η άλεση είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου χώνευσης στο μισό ενώ για τα άχυρα στο 1/3, με ταυτόχρονη αύξηση στο παραγόμενο βιοαέριο που κυμάνθηκε μεταξύ %. Περιβαλλοντικά Οφέλη Η εφαρμογή της αναερόβιας χώνευσης συμβάλει στο περιορισμό της αύξησης της θερμότητας του πλανήτη. Το CH 4 και το CO 2 είναι αέρια τα οποία συμβάλουν στη δημιουργία και την επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου καθώς η παρουσία τους στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας εμποδίζει τη διαφυγή της θερμικής 98

121 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας ακτινοβολίας της επιφάνειας της γης, εγκλωβίζοντας ενεργά τη θερμότητα προκαλώντας δραματικές κλιματολογικές αλλαγές. Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης συνδράμει θετικά στο πρόβλημα με εξής τρόπους (Wilkie, 2005): Το CO 2 που εκλύεται από τη καύση του βιοαερίου, προέρχεται από τον άνθρακα του οργανικού αποβλήτου ο οποίος προήλθε από δέσμευση του ατμοσφαιρικού CO 2 Έτσι, ικανοποιώντας το κλειστό κύκλο του άνθρακα δεν υπάρχει συνεισφορά στην αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, όπως αντίστοιχα συμβαίνει και στη διεργασία της καύσης της φυτικής βιομάζας. Στην ελεγχόμενη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης το βιοαέριο συλλέγεται και χρησιμοποιείται, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η εκπομπή μεθανίου στην ατμόσφαιρα που σε αντίθετη περίπτωση θα προκαλούνταν από τη μη ελεγχόμενη διάθεση στο περιβάλλον ανεπεξέργαστων αποβλήτων οργανικής προέλευσης. Επιπλέον, η αναερόβια διεργασία πλεονεκτεί και ως προς τις εκπομπές των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC), σε σχέση με άλλες αερόβιες μεθόδους επεξεργασίας, όπως είναι το composting (ενδεικτικά εκλύονται 588 g VOC/ton αερόβια και μόλις 3 g VOC/ton αναερόβια). Επεξεργασία και Διάθεση Στερεών Υπολειμμάτων Αναερόβιας Χώνευσης Σχόλιο [ΓΛ4]: Αμφιβάλλω αν είναι έτσι πλέον! Καμμία αναφορά δεν θα έβλαπτε Τα στερεά υπολείμματα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης μπορούν περαιτέρω να υποστούν επεξεργασία και να μετατραπούν σε χρήσιμο προς διάθεση υλικό με τη χρήση της διεργασίας της λιπασματοποίησης. Η λιπασματοποίηση (Smith, 1997), είναι μια αερόβια μικροβιακή διεργασία, όπου τα στερεά οργανικά απόβλητα μετατρέπονται σε σταθεροποιημένο φουσκί και εδαφοβελτιωτικό, καταλαμβάνοντας λιγότερο όγκο και το οποίο στη συνέχεια διατίθεται στο περιβάλλον χωρίς να εγκυμονεί κίνδυνο για την δημόσια υγεία. Κατ ουσία είναι μια διεργασία ζύμωσης στερεού υποστρώματος με χαμηλά ποσοστά υγρασίας. Προκειμένου η διεργασία να είναι αποδοτική χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα στερεά οργανικά απόβλητα τα οποία αποσυντίθενται εύκολα. Η διεργασία της λιπασματοποίησης είναι αναγνωρισμένη όχι μόνο για την ασφαλή επεξεργασία των οργανικών στερεών αποβλήτων που προσφέρει, αλλά και ως μέθοδος ανακύκλωσης της οργανικής ύλης, τόσο των οικιακών αποβλήτων, όσο και των αγροτικών και των αντίστοιχων της βιομηχανίας τροφίμων. Έντονο ενδιαφέρον ως προς τη διεργασία αυτή πηγάζει και λόγω περιβαλλοντικών προβλημάτων που προκύπτουν από την εφαρμογή διαφόρων μεθόδων 99

122 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας επεξεργασίας των στερεών οργανικών αποβλήτων, όπως είναι η αποτέφρωση και η υγειονομική ταφή. Για τη λιπασματοποίηση, η στερεά οργανική ύλη συγκεντρώνεται σε στατικούς ή αεριζόμενους σωρούς, σε κλειστά τούνελ ή σε περιστροφικούς αντιδραστήρες. Οι αεριζόμενοι σωροί τοποθετούνται σε ειδικά κλειστούς χώρους, όπου αερίζονται μηχανικά και ανακατεύονται τακτικά. Σε τέτοιου είδους μεγάλης κλίμακας συστήματα, η δυναμικότητα ξεπερνάει τους τόνους/χρόνο. Τα ειδικά κλειστά τούνελ έχουν μήκος 30-50m και διάμετρο 4-6m και η δυναμικότητα τους φτάνει μέχρι και τους τόνους/χρόνο. Κυρίως χρησιμοποιούνται για αστικά λύματα ή οικιακά απόβλητα. Οι περιστροφικοί αντιδραστήρες (κάδοι ή κύλινδροι) διατίθενται σε διάφορα μεγέθη, είτε μεγάλης κλίμακας είτε οικιακής χρήσης (για τη λιπασματοποίηση οικιακών αποβλήτων). Πριν τη λιπασματοποίηση πιθανόν να προηγηθεί ένα στάδιο προεπεξεργασίας του αποβλήτου όπως τεμαχισμός ή άλεση. Στη συνέχεια η διεργασία ξεκινάει με την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή των προϋπαρχόντων στο στερεό οργανικό απόβλητο μικροοργανισμών. Οι βασικές βιολογικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της λιπασματοποίησης είναι η οξείδωση του μίγματος του οργανικού υποστρώματος με το οξυγόνο για τη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα, νερού και άλλων οργανικών υποπροϊόντων. Μετά τη λιπασματοποίηση, το τελικό προϊόν παραμένει για κάποιο χρονικό διάστημα προκειμένου να σταθεροποιηθεί, πριν την αποθήκευση του. Η συγκεκριμένη διαδικασία της ζύμωσης είναι ένα παράδειγμα της μικροβιακής οικολογίας σε δράση. Ο μεγάλος όγκος των αποβλήτων λειτουργεί από μόνος του ως μόνωση, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία που αναπτύσσεται λόγω των μικροβιακών αντιδράσεων να ανεβάζει τη θερμοκρασία του συστήματος. Η απόδοση της διεργασίας συνδέεται άμεσα με τις συνθήκες ανάπτυξης των μικροοργανισμών, όπου η θερμοκρασία δεν πρέπει να ξεπερνά τους 55 o C και τα όρια της υγρασίας του συστήματος να κυμαίνονται μεταξύ του 45-60%. Επίσης, τα υψηλά ποσοστά λιγνίνης ορισμένων αποβλήτων δρουν παρεμποδιστικά στην διαδικασία της διάσπασης τους. Ένα βασικό πρόβλημα της λιπασματοποίησης είναι η οσμή που δημιουργείται από τη παραγωγή αερίων, όπως του θείου και του αζώτου και το οποίο αντιμετωπίζεται με τη χρήση φίλτρων και άλλων τεχνικών μέσων, καθώς η περιβαλλοντική νομοθεσία είναι πολύ αυστηρή και μπορεί να οδηγήσει ακόμα και στο κλείσιμο της μονάδας. Γενικά όμως, η λιπασματοποίηση αποτελεί μια από τις βασικές στρατηγικές επεξεργασίας και ανακύκλωσης των στερεών αποβλήτων με ευρύ φάσμα εφαρμογών. Διαγράφηκε: Η Διαγράφηκε: λόγο Διαγράφηκε: Διαγράφηκε: βασικότερες Σχόλιο [ΓΛ5]: Πάρε και χρησιμοποίησε ό,τι θέλεις από το άρθρο μου που επισυνάπτω χωριστά Ακόμη κάτι πρέπει να πεις και για την καύση, που είναι η άλλη κύρια εναλλακτική τεχνολογία για απορρίμματα (επισυνάπτω πρόσφατο μου άρθρο στο «εν αιθρία» Σχόλιο [ΓΛ6]: Και το υπόλοιπο αυτού του κεφαλαίου θα μπορούσε να σπάσει σε δύο Βιομάζα και ενέργεια γενικά, όπου καλύπτεις και την καύση γενικά, αλλά αναφέρεσαι και σε άλλες επιλογές όπως βιοαιθανόλη, βιοντήζελ, βιουδρογόνο κλπ και αναερόβια χώνευση χωριστά. 100

123 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας 4.4 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ Η επιλογή και ο σχεδιασμός κατάλληλων διατάξεων και βιοαντιδραστήρων είναι καθοριστική στην αποτελεσματική λειτουργία της αναερόβιας διεργασίας. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί διάφοροι τύποι χωνευτήρων και διατάξεων αναερόβιας επεξεργασίας βιολογικής λάσπης και αποβλήτων. Η τελική επιλογή του συστήματος με το οποίο θα γίνει η επεξεργασία ενός συγκεκριμένου αποβλήτου είναι συνάρτηση οικονομικών παραγόντων (κόστος κατασκευής και λειτουργίας), αλλά εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά του αποβλήτου (οργανικό φορτίο, συγκέντρωση στερεών, παρουσία τοξικών ουσιών). Ο Lettinga, (1995), προσδιόρισε τις εξής πέντε συνθήκες που πρέπει να πληροί ένα αποδοτικό αναερόβιο σύστημα: Υψηλή κατακράτηση βιομάζας στον αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια λειτουργίας του Μεγάλη (επαρκής) επαφή μεταξύ βιομάζας και υποστρώματος (αποβλήτου) Υψηλοί ρυθμοί αντίδρασης και έλλειψη περιορισμών από φαινόμενα μεταφοράς Ικανότητα εγκλιματισμού της βιομάζας σε διάφορους τύπους αποβλήτων Επικράτηση ευνοϊκών περιβαλλοντικών παραγόντων για όλους τους μικροοργανισμούς στις διάφορες λειτουργικές συνθήκες Οι υπάρχουσες διατάξεις αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων μπορούν να χωριστούν σε δύο ευρείες κατηγορίες τις συμβατικές, στις οποίες εφαρμόζονται υψηλοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής και τις ταχύρρυθμες, όπου ο υδραυλικός χρόνος παραμονής είναι σχετικά μικρός. Οι συμβατικοί αναερόβιοι χωνευτήρες είναι από κατασκευαστική άποψη οι πιο απλοί τύποι βιοαντιδραστήρων. Χρησιμοποιούνται κυρίως για ρεύματα στερεών αποβλήτων που απαιτούν μεγάλες χρονικές περιόδους αναερόβιας χώνευσης προκειμένου η αποδόμηση τους να είναι ικανοποιητική. Σε αυτά τα συστήματα ο χρόνος παραμονής στερεών είναι ίδιος με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής, Παραδείγματα συμβατικών διατάξεων είναι ο CSTR, η διάταξη τύπου αυλωτού αντιδραστήρα (plug-flow digester), τα συστήματα διαλείποντος έργου (batch) και συσσώρευσης (AC systems). 101

124 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Οι χωνευτήρες ταχύρρυθμης αναερόβιας επεξεργασίας επιτυγχάνουν υψηλό ρυθμό αποδόμησης υποστρώματος ανά μονάδα όγκου και χρησιμοποιούνται κυρίως για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Είναι εφοδιασμένοι με συστήματα κατακράτησης των αιωρούμενων στερεών, ανάδευσης και ανακυκλοφορίας της λάσπης. Έτσι, στα ταχύρρυθμα συστήματα ο χρόνος παραμονής της λάσπης είναι πολύ μεγαλύτερος από τον υδραυλικό χρόνο παραμονής. Τα ταχύρρυθμα αναερόβια συστήματα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 1. Συστήματα όπου η λειτουργία τους βασίζεται στην ανάπτυξη αιωρούμενων σε υγρό μέσο μικροοργανισμών, όπου η συγκράτηση τους στο σύστημα γίνεται με εσωτερική ή εξωτερική καθίζηση 2. Συστήματα που βασίζονται στην ανάπτυξη προσκολλημένων σε στερεά επιφάνεια μικροοργανισμών Αντιπροσωπευτικοί αντιδραστήρες της πρώτης κατηγορίας είναι ο UASB και ο αναερόβιος αντιδραστήρας εναλλασσόμενης καθοδικής και ανοδικής ροής (anaerobic baffled reactor, ABR), ενώ ταχύρρυθμα συστήματα της δεύτερης κατηγορίας είναι το αναερόβιο φίλτρο (AF) και η αναερόβια διάταξη ρευστοστερεάς κλίνης. Σχόλιο [ΓΛ7]: Εδώ βέβαια πρέπει να ανφερθεί και ο PABR Τα υβριδικά συστήματα χώνευσης προκύπτουν από τις κύριες διατάξεις που προαναφέρθηκαν με σκοπό να συνδυάσουν χαρακτηριστικά διαφόρων συστημάτων, προκειμένου να βελτιώσουν τα αδύνατα σημεία τους και να διατηρήσουν τα θετικά τους στοιχεία. Για παράδειγμα η χρήση ενός αναερόβιου φίλτρου σε ένα σύστημα UASB αποτρέπει το ξέπλυμα της βιομάζας που μπορεί να συμβεί κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας του συστήματος, κατακρατώντας τη βιομάζα και βελτιώνοντας ταυτόχρονα την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης. 102

125 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Συστήματα Επεξεργασίας Στερεών Αποβλήτων Τα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούνται για την χώνευση των στερεών αποβλήτων διαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το ποσοστό των ολικών στερεών του ρεύματος τροφοδοσίας (De Mes et al., 2003): Υγρά συστήματα, για αναερόβια χώνευση χαμηλής περιεκτικότητας σε στερεά έως 15-20%, τυπικά 10% Ξηρά συστήματα, για αναερόβια χώνευση υψηλής περιεκτικότητας σε στερεά >20%, τυπικά 30% Οι περισσότεροι χωνευτήρες αποτελούνται από έναν απλό αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου), αλλά είναι επίσης πιθανό η μικροβιακή χώνευση να διαχωρίζεται σε δύο στάδια, οπότε λειτουργούν δύο χωριστοί αντιδραστήρες. Αρκετοί τύποι αντιδραστήρων έχουν αναπτυχθεί με βάση τις διεργασίες που περιγράφηκαν παραπάνω για την επεξεργασία των διαφορετικών τύπων αποβλήτων. Στη συνέχεια περιγράφονται οι αρχές των υγρών και ξηρών συστημάτων και οι βασικές τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούνται. Υγρά Συστήματα: Η πιο συχνά απαντώμενη μορφή αντιδραστήρα συστήματος χαμηλής περιεκτικότητας στερεών είναι ο CSTR. Η τροφοδοσία εισάγεται στον αντιδραστήρα, ο οποίος αναδεύεται συνεχώς, εξασφαλίζοντας πλήρη ανάμιξη του περιεχομένου του. Στον ίδιο χρόνο ίση ποσότητα απορροής απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα. Ο χρόνος παραμονής του αντιδραστήρα ποικίλει ανάλογα με την φύση της πρώτης ύλης και τη θερμοκρασία της διεργασίας, τυπικά κυμαίνεται μεταξύ 2-4 εβδομάδων. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από χαμηλές λειτουργικές δαπάνες. Γενικά, ο CSTR χρησιμοποιείται για την επεξεργασία αποβλήτων με ολικά στερεά γύρω στο 2-10 %. Το εύρος όπου κυμαίνεται η συγκέντρωση των στερεών της τροφοδοσίας καθορίζεται από: την απόδοση του αερίου σε σχέση με τις ενεργειακές απαιτήσεις για θέρμανση την δυνατότητα ανάμιξης του περιεχομένου του αντιδραστήρα Τα συστήματα CSTR βρίσκουν πρακτική εφαρμογή στην επεξεργασία αστικών, οικιακών, αγροτικών αποβλήτων κ.α. ή σε μίγματα τέτοιου είδους αποβλήτων. Η ανάμιξη δημιουργεί ένα ομογενές υπόστρωμα, αποτρέποντας την στρωματοποίηση 103

126 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας και τον σχηματισμό επιφανειακής κρούστας, εξασφαλίζοντας ότι τα στερεά διαρκώς παραμένουν σε αιώρηση. Κατά συνέπεια, τα βακτήρια, το υπόστρωμα και το υγρό έχουν τον ίδιο χρόνο παραμονής με αποτέλεσμα ο SRT να είναι όμοιος με τον HRT, οπότε δεν υπάρχει η δυνατότητα επιβολής υψηλών ρυθμών αραίωσης. Για την αποφυγή απομάκρυνσης βιομάζας από τον αντιδραστήρα, προτείνεται σύστημα με ανακυκλοφορία της λάσπης (σχήμα 4.7). Ο όγκος του χωνευτήρα κυμαίνεται από 100 m 3 περίπου, μέχρι μερικές χιλιάδες κυβικά μέτρα, με συνήθεις χρόνους παραμονής ημέρες και ημερήσια χωρητικότητα από 6 m m 3 (Waybright, 1991). Παραδείγματα χωνευτήρων CSTR με διαφορετικά συστήματα ανάμιξης παρουσιάζονται στο σχήμα 4.6. (α) βιοαέριο (β) Ανακυκλοφορία βιοαερίου εκροή εκροή τροφοδοσία τροφοδοσία Πηγή: Bruce, Σχήμα 4.6 Διάταξη Αναερόβιου Συστήματος CSTR (α) με Μηχανική Ανάδευση και (β) με Ανάδευση με Ανακυκλοφορία Βιοαερίου βιοαέριο τροφοδοσία απαεριοποιητής διαχωριστής στερεών με καθίζηση εκροή Πηγή: De Mes et al., Ανακυκλοφορία λάσπης Σχήμα 4.7 Διάταξη Αναερόβιου Συστήματος CSTR με Ανακυκλοφορία Λάσπης 104

127 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Οι χωνευτήρες τύπου αυλωτού αντιδραστήρα (plug-flow digester) χρησιμοποιούν απόβλητα, π.χ. κοπριά, τα οποία έχουν ολικά αιωρούμενα στερεά % (Hayes, 1979). Ο αυλωτός χωνευτήρας αποτελείται από έναν μακρύ οριζόντιο κύλινδρο (σχήμα 4.8), ο οποίος συνήθως τοποθετείται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και διαθέτει ένα αεροστεγές αλλά επιμηκυνόμενο κάλυμμα. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις ολικών στερεών, μπορεί να εμφανιστούν προβλήματα επίπλευσης και καθίζησης των στρωμάτων, τα οποία επιλύονται με τη χρήση κατακόρυφης ανάμιξης στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Στον αυλωτό χωνευτήρα, τα αναερόβια στάδια της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης διαχωρίζονται κατά μήκος του κυλίνδρου. Έτσι, στην αρχή πραγματοποιείται κυρίως η υδρόλυση, ενώ στη συνέχεια λαμβάνει χώρα σε πλήρη εξέλιξη η μεθανογένεση. Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, ομοίως ο SRT είναι ίδιος με τον HRT. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται και για την επεξεργασία αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών, όπου η υδρόλυσή τους είναι το περιοριστικό βήμα της διεργασίας, και ως εκ τούτου απαιτούνται χαμηλοί ρυθμοί φόρτισης. τροφοδοσία εκροή Σχήμα 4.8 Αναερόβιος Χωνευτήρας Τύπου Αυλωτού Αντιδραστήρα (plug-flow digester) Πηγή: De Mes et al., Σε ένα σύστημα διαλείποντος έργου (σχήμα 4.9), η πλήρωση του χωνευτήρα γίνεται στην έναρξη της διεργασίας και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του δεν υπάρχει μεταφορά μάζας. Έτσι, η σύστασή του μεταβάλλεται χρονικά και τα προϊόντα συλλέγονται αφού ολοκληρωθεί η αντίδραση (Λυμπεράτος, 1998). Ένα μειονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι απαιτείται δεξαμενή τροφοδοσίας και δεξαμενή απορροής. Όπως ισχύει και στα συνεχή συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά, έτσι και στα συστήματα διαλείποντος έργου ο SRT είναι ίδιος με τον HRT. Στα συστήματα αυτά, τα διαφορετικά στάδια της αναερόβιας χώνευσης όπως είναι η υδρόλυση, η οξεογένεση και η μεθανογένεση δεν πραγματοποιούνται με τον ίδιο ρυθμό. Αρχικά, απαιτείται χρόνος προκειμένου τα αιωρούμενα στερεά να μετατραπούν σε μια πιο διαλυτή μορφή και στην συνέχεια σε μεθάνιο. Η ισορροπία ανάμεσα στα διάφορα στάδια κατά την έναρξη της διεργασίας 105

128 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας εξαρτάται από το είδος της μαγιάς που χρησιμοποιείται. Προκειμένου να διασφαλιστεί η ύπαρξη επαρκούς επαφής ανάμεσα στη βακτηριακή βιομάζα και στο στερεό υπόστρωμα εφαρμόζεται είτε μηχανική ανάδευση, είτε ανάδευση με ανακυκλοφορία του βιοαερίου του χωνευτήρα. Ανακυκλοφορία βιοαερίου βιοαέριο Πηγή: De Mes et al., Αναερόβια μαγιά (~10-15%) Σχήμα 4.9 Διάταξη Αναερόβιου Χωνευτήρα Διαλείποντος Έργου Εναλλακτικά, αντί της ξεχωριστής δεξαμενής για την απορροή, μπορεί να υπάρξει ένας συνδυασμός χώνευσης και ταυτόχρονης αποθήκευσης σε ένα βιοαντιδραστήρα, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα συσσώρευσης (accumulation system, AS) το οποίο τροφοδοτείται συνεχώς και ο όγκος του αντιδρώντος διαλύματος στο χωνευτήρα αυξάνει με το χρόνο. Αρχικά, ο αντιδραστήρας είναι σχεδόν άδειος περιέχοντας μόνο τη μαγιά η οποία καταλαμβάνει το 10-15% του λειτουργικού του όγκου. Το σύστημα αυτό είναι το απλούστερο που εφαρμόζεται σε μικρές μονάδες (on-site) χώνευσης στερεών αποβλήτων. Η χρήση συστημάτων συσσώρευσης είναι κατάλληλη όταν απαιτείται αποθήκευση μεγάλης διάρκειας. Τέτοιου τύπου συστήματα χρησιμοποιούνται σε φάρμες για την αποθήκευση και χώνευση της κοπριάς και επίσης εφαρμόζονται σε μεγάλες αστικές ή εμπορικές κτηριακές εγκαταστάσεις για τη χώνευση των ανθρωπίνων περιττωμάτων και ουρίας (Zeeman, 2000). Τα υγρά συστήματα χώνευσης μελετώνται και εφαρμόζονται τόσο σε μονάδες πιλοτικής όσο και εμπορικής κλίμακας, όπως είναι: AVECON - The Waasa process, (Braber, 1995) VAGRO, (Vagron, 2000) Bigadan process, (Hjort-Gregersen, 2000; Cadett, 2000) 106

129 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Ξηρά Συστήματα: Σε σχέση με τα υγρά συστήματα χώνευσης στερεών, στα ξηρά συστήματα η συγκέντρωση των ολικών στερεών του αντιδραστήρα μπορεί να κυμανθεί από 20-40% (Oleszkiewicz and Poggi-Varaldo, 1997). Η πρόκληση στο τομέα των ξηρών συστημάτων δεν είναι η επίτευξη της διατήρησης των βιοχημικών αντιδράσεων σε υψηλές συγκεντρώσεις TS, αλλά η διαχείριση των στερεών τόσο στις μεθόδους μεταφοράς και προ-επεξεργασίας τους, όσο και στις αντλίες και τα συστήματα ανάμιξης που χρησιμοποιούνται. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν μικρότερους σε μέγεθος αντιδραστήρες αλλά υψηλότερης τεχνολογίας, απαιτούν λιγότερο νερό κατά την διεργασία και μικρότερο κόστος θέρμανσης. Συστήματα αναερόβιας χώνευσης υψηλής περιεκτικότητας σε στερεά έχουν αναπτυχθεί για χώνευση κυρίως αστικών στερεών αποβλήτων περιεκτικότητας σε στερεά μεγαλύτερη του 30 %. Ένας σημαντικός αριθμός μονάδων εμπορικής και πιλοτικής κλίμακας έχουν αναπτυχθεί όπως: Valorga process (Saint-Joly et al., 2000) Dranco process (Baere, 2000) Kompogas process (Kompogas, 2006) Biocel process (Brummeler-ten, 2000) (α) (β) (γ) Ανακυκλοφορία Ανακυκλοφορία βιοαερίου τροφοδοσία Χωνευμένο υπόλειμμα Χωνευμένο υπόλειμμα τροφοδοσία τροφοδοσία Χωνευμένο υπόλειμμα Πηγή: Vandeviviere et al, Σχήμα 4.10 Ξηρά Συστήματα Αναερόβιας Χώνευσης (α) τύπου Valorga, (β) τύπου Dranco και (γ) τύπου Kompogas 107

130 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Συστήματα Δύο Σταδίων: Η ιδέα στην οποία στηρίζονται τα συστήματα δύο ή περισσοτέρων σταδίων είναι η διεργασία ολικής μετατροπής του ρεύματος των αποβλήτων σε βιοαέριο, διαμέσου μιας ακολουθίας βιοχημικών αντιδράσεων οι οποίες δεν είναι απαραίτητο να μοιράζονται τις ίδιες βέλτιστες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η βασική αρχή προϋποθέτει το διαχωρισμό των σταδίων της χώνευσης, στο στάδιο της υδρόλυσης και της οξεογένεσης όπου το περιοριστικό βήμα είναι η υδρόλυση των στερεών και στο στάδιο της οξικογένεσης και της μεθανογένεσης όπου το περιοριστικό βήμα είναι ο αργός ρυθμός μικροβιακής ανάπτυξης (Liu and Ghosh, 1997). Βελτιστοποιώντας τις βιοχημικές αυτές αντιδράσεις χωριστά για κάθε στάδιο ή αντιδραστήρα, επιτυγχάνεται βελτίωση του συνολικού ρυθμού αντίδρασης και της απόδοσης του βιοαερίου και καλύτερος έλεγχος της διεργασίας (Ghosh et al., 2000). Κατ εξαίρεση τα συμπυκνωμένα στερεά με υψηλή συγκέντρωση λιπιδίων, είναι προτιμότερο η επεξεργασία τους να γίνεται σε σύστημα ενός σταδίου για δύο βασικούς λόγους. Πρώτον, τα λιπίδια δεν μπορούν να υδρολυθούν απουσία μεθανογόνους δραστηριότητας και δεύτερον, η πιθανή μείωση της διεπιφάνειας λιπιδίου-υγρού στο πρώτο στάδιο ενός συστήματος δύο σταδίων μπορεί να επιφέρει μεγαλύτερο SRT κατά το δεύτερο στάδιο (Zeeman, 2001). Υπάρχουν δύο κύρια είδη διβάθμιων συστημάτων που χρησιμοποιούνται σε μονάδες αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων για παραγωγή βιοαερίου. Στο πρώτο είδος, τα διάφορα στάδια διαχωρίζονται με βάση τα υγρά συστήματα χώνευσης και στο άλλο με βάση τα ξηρά, όπου στη τελευταία περίπτωση μόνο το διήθημα υποβάλλεται στο δεύτερο στάδιο της μεθανογένεσης. Σε αντίθεση με τα συμβατικά συστήματα αναερόβιας χώνευσης χαμηλής συγκέντρωσης στερεών, τα οποία λειτουργούν με τη χρήση ενός αντιδραστήρα, τα υγρά συστήματα χώνευσης πολλαπλών σταδίων διαχωρίζουν την διεργασία χώνευσης σε δύο ή περισσότερα στάδια, κάθε ένα εκ των οποίον λαμβάνει χώρα σε διαφορετικό αντιδραστήρα. Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν διεργασίες, όπως: ΒΤΑ process (BTA, 2006) BRV system Ένα ακόμα σύστημα είναι και αυτό, το οποίο αποτελείται από ένα στάδιο ξηρής χώνευσης ακολουθούμενο από ένα στάδιο υγρής μεθανογένεσης. Με βάση το σύστημα αυτό έχει αναπτυχθεί ένας αριθμός διαφόρων διατάξεων, όπου το υψηλής 108

131 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας συγκέντρωσης σε στερεά απόβλητο τροφοδοτείται στον πρώτο αντιδραστήρα και έπειτα μετά το στάδιο της υδρόλυσης το υγρό κλάσμα του (χαμηλής περιεκτικότητας σε αιωρούμενα στερεά) μεταφέρεται σε ένα μεθανογόνο αντιδραστήρα. Η εκροή του μεθανογόνου χωνευτήρα επανακυκλοφορεί στον υδρολυτικό χωνευτήρα για να συμπληρώσει το υγρό που αντλήθηκε και να παράγει περαιτέρω διήθημα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το σύστημα: Biothane-AN system (Biothane, 2006) Ανάλογα με τις διβάθμιες διατάξεις που χρησιμοποιούνται, διακρίνουμε τις εξής κατηγορίες διεργασιών (Henze και Harremoes, 1983): 1. Τις παράλληλες διεργασίες, οι οποίες περιλαμβάνουν δύο ή και περισσότερους αναερόβιους χωνευτήρες οι οποίοι λειτουργούν εν παραλλήλω αφού γίνει διαχωρισμός υγρών - στερεών με βάση την καθίζηση (σχήμα 4.11) 2. Τις διεργασίες δύο ή περισσότερων σταδίων, οι οποίες περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερους αναερόβιους χωνευτήρες αντίστοιχα, οι οποίοι είναι διατεταγμένοι σε σειρά (σχήμα 4.12) 3. Τις διεργασίες δύο φάσεων κατά τη διάρκεια των οποίων η οξεογένεση και η μεθανογένεση συντελούνται σε δύο χωριστούς αντιδραστήρες (σχήμα 4.13) Διαγράφηκε: τις Διαγράφηκε: τις Διαγράφηκε: τις Σχόλιο [ΓΛ8]: Εδώ συχνά έχεις και ανακυκλοφορία. Πρέπει νομίζω να γίνει και ανφορά στα πιο πρόσφατα συστήματα. 109

132 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας βιοαέριο υπερκείμενο ή διήθημα χωνευμένο υγρό υπόλειμμα Χωνευτήρας 2 διαχωριστής τροφοδοσία βιοαέριο χωνευμένο στερεό υπόλειμμα στερεό Χωνευτήρας 1 Σχήμα 4.11 Παράλληλη Διεργασία Αναερόβιας Χώνευσης βιοαέριο βιοαέριο χωνευμένο υπόλειμμα τροφοδοσία Στάδιο 1 Στάδιο 2 Σχήμα 4.12 Διεργασία Δύο Σταδίων Αναερόβιας Χώνευσης βιοαέριο χωνευμένο υπόλειμμα τροφοδοσία Φάση 1 Φάση 2 Υδρόλυση Οξεογένεση Οξικογένεση Μεθανογένεση Σχήμα 4.13 Διεργασία Δύο Φάσεων Αναερόβιας Χώνευσης 110

133 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας Συστήματα Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων Οι ταχύρρυθμοι χωνευτήρες δεν είναι κατάλληλοι για την αναερόβια χώνευση στερεών αποβλήτων, είναι όμως κατάλληλοι για την αναερόβια επεξεργασία αραιών και συμπυκνωμένων υγρών αποβλήτων με μικρή συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών και μπορούν να αποτελέσουν μέρος ενός συστήματος πολλαπλών σταδίων. Η λάσπη συγκρατείται στον αντιδραστήρα με τη χρήση εσωτερικών συστημάτων καθίζησης ή εξωτερικών συστημάτων με ταυτόχρονη ανακυκλοφορία της λάσπης ή με δέσμευση της βιομάζας σε υλικά υποστήριξης, με αποτέλεσμα ο χρόνος συγκράτησης της λάσπης να είναι μεγαλύτερος από τον υδραυλικό χρόνο παραμονής. Στα ταχύρρυθμα συστήματα ενός σταδίου, όλα τα αναερόβια στάδια συμβαίνουν ταυτόχρονα. Για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων εφαρμόζονται σε παγκόσμια κλίμακα διάφοροι τύποι ταχύρρυθμων χωνευτήρων (Frankin, 2001), όπως: διεργασία αναερόβιας επαφής (contact process) αντιδραστήρας ανοδικής ροής μέσα από κλίνη λάσπης (UASB) αντιδραστήρας διασταλμένης κλίνης κοκκώδους ιλύος (expanded granular sludge bed, EGSB) σύστημα ρευστοστερεάς κλίνης (fixed film fluidized bed system) αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες (anaerobic baffled reactor, ABR) αναερόβια φίλτρα (anaerobic filters, AF) υβριδικά συστήματα (hybrid systems) Η ιδέα του αντιδραστήρα ανοδικής ροής μέσα από κλίνη λάσπης (UASB), αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960 στο πανεπιστήμιο του Wageningen της Ολλανδίας (Lettinga et al., 1980). Η Ολλανδική βιομηχανική μονάδα ζαχαρότευτλου, CSM, προώθησε τη βασική τεχνολογία για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων σε διάφορα εργοστάσια ζάχαρης. Εταιρίες όπως η Paques και η Biothane στη συνέχεια εξέλιξαν το σύστημα αυτό δίνοντας του εμπορικό χαρακτήρα. Το κλειδί στην εμπορική του επιτυχία, ήταν η απλότητα τόσο στο σχεδιασμό όσο και από μηχανικής άποψης, όπου αποτελεσματικά μπορούσε να απαεριοποιεί τη βιομάζα και να διασφαλίζει τη συγκράτηση της στον χωνευτήρα. Το υγρό απόβλητο τροφοδοτείται από το κάτω μέρος του χωνευτήρα και ανεβαίνει προς τα πάνω διερχόμενο μέσα από παχύ στρώμα 111

134 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας αναερόβιας λάσπης (σχήμα 4.14). Κατά τη διαδικασία αυτή το διαλυτό COD μετατρέπεται σε βιοαέριο πλούσιο σε μεθάνιο. Το ειδικά διαμορφωμένο τμήμα στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα, αποτελείται από ένα διαχωριστή τριών φάσεων ικανό να διαχωρίσει με αποτελεσματικότητα κάτω από ποικίλες συνθήκες το βιοαέριο, το επεξεργασμένο υγρό κλάσμα και τη κοκκώδη βιομάζα η οποία παρασύρεται από της φυσαλίδες του βιοαερίου. Μετά το διαχωρισμό των τριών φάσεων η βιομάζα καθιζάνει προς το πυθμένα του αντιδραστήρα. Η διάταξη του UASB επιτρέπει τη λειτουργία του σε υψηλούς ρυθμούς οργανικής φόρτισης (χαμηλό υδραυλικό χρόνο παραμονής). βιοαέριο Πηγή: Paques, χωνευμένο υγρό υπόλειμμα τροφοδοσία θόλοι συλλογής βιοαερίου παραγόμενο βιοαέριο παχύ στρώμα αναερόβιας λάσπης σύστημα διανομής τροφοδοσίας Σχήμα 4.14 Διάταξη Αντιδραστήρα Ανοδικής Ροής Μέσα από Κλίνη Λάσπης (UASB) Παρόμοια συστήματα βασισμένα στη διάταξη UASB με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, έχουν μελετηθεί και εφαρμοστεί όπως είναι ο αντιδραστήρας εσωτερικής ανακυκλοφορίας (internal circulation, IC) (Driessen and Yspeert, 1999) και ο αντιδραστήρας διασταλμένης κλίνης κοκκώδους ιλύος, EGSB, (Kato et al., 1994). Στην ίδια αρχή λειτουργίας με τον UASB, δηλαδή στη κατακράτηση της βιομάζας, στηρίζεται και ο αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες (ABR), ο οποίος είναι μια ορθογώνια κατασκευή (σχήμα 4.15) που χρησιμοποιεί μια σειρά από κατακόρυφα χωρίσματα (ανακλαστήρες) για να εξαναγκάσει το απόβλητο να ρέει διαδοχικά πάνω και κάτω από αυτά καθώς κατευθύνεται από την είσοδο στην έξοδο του χωνευτήρα (McCarty and Bachmann, 1992). Η αναερόβια μαγιά συσσωρεύεται στο 112

135 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας πυθμένα του χωνευτήρα και ανάλογα με τη υδραυλική παροχή και το ρυθμό παραγωγής του βιοαερίου έχει τη δυνατότητα να ανυψώνεται και να καθιζάνει χωρίς να συμπαρασέρνεται προς την έξοδο. Έτσι, η ιδιαίτερη αυτή λειτουργία του ABR φέρνει το απόβλητο σε επαφή με μεγάλη ποσότητα δραστικής αναερόβιας λάσπης καθώς διαρρέει τον αντιδραστήρα. Η κατασκευή του είναι απλή χωρίς κινητά μέρη και χαρακτηρίζεται από χαμηλό λειτουργικό κόστος. Παράλληλα δίνει καλές αποδόσεις σε μικρούς χρόνους παραμονής και είναι ένα εξαιρετικά ευσταθές σύστημα κατά τη διάρκεια οργανικών και υδραυλικών αιφνίδιων μεταβολών (Barber and Stuckey, 1999). Υπό προϋποθέσεις ο ABR θα μπορούσε να περιγραφεί από έναν αριθμό χωνευτήρων UASB σε σειρά. τροφοδοσία αναρτημένος ανακλαστήρας ανακλαστήρας βάσης βιοαέριο στάθμη υγρού του χωνευτήρα Α ν ο δ ι κ ή ρ ο ή κ α θ ο δ ι κ ή ρ ο ή χωνευμένο υγρό υπόλειμμα ροή υγρού Πηγή: Foxon et al., στρώμα αναερόβιας λάσπης Σχήμα 4.15 Διάταξη Αναερόβιου Αντιδραστήρα με Ανακλαστήρες (ABR) Ένας άλλος νέος τύπος βιοαντιδραστήρα, βασισμένος στο σχεδιασμό του αντιδραστήρα με ανακλαστήρες (ABR), αναπτύχθηκε από τους Skiadas and Lyberatos, (1998), και ονομάζεται περιοδικός αναερόβιος χωνευτήρας με ανακλαστήρες (periodic anaerobic baffled reactor, PABR). Ο PABR μοιάζει με έναν ABR διατεταγμένο με κυκλικό τρόπο. Στον αντιδραστήρα αυτό, αλλάζουν διαδοχικά τα σημεία εισροής και εκροής αντίστοιχα με συγκεκριμένο τρόπο κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος (περιόδου), έτσι ώστε να δίνεται η ευελιξία στο σύστημα να προσαρμόζει το χρόνο έκθεσης της βιομάζας που αναπτύσσεται σε ένα διαμέρισμα με το απόβλητο που εισέρχεται σε αυτό, προκειμένου να ελαχιστοποιούνται οι δυσάρεστες συνέπειες που επιφέρει η απότομη υπερφόρτωση του συστήματος. Όταν η συχνότητα εναλλαγής των 113

136 Κεφάλαιο 4 - Αναερόβια Χώνευση Στερεών Αποβλήτων και Φυτικής Βιομάζας σημείων εισροής και εκροής αντίστοιχα είναι μηδενική, τότε ο PABR ταυτίζεται με έναν ABR, ενώ όταν προσεγγίζει το άλλο άκρο (άπειρη συχνότητα εναλλαγής) τότε ο PABR πλησιάζει κατά πολύ τη λειτουργία ενός UASB. Η ευελιξία που προσφέρει η δυνατότητα εναλλαγής της τροφοδοσίας αποτελεί το κύριο πλεονέκτημα του PABR. Ένα ταχύρρυθμο σύστημα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων είναι και το αναερόβιο φίλτρο (AF). Το αναερόβιο φίλτρο είναι μια μορφή αναερόβιου χωνευτήρα (σχήμα 4.16), ο οποίος περιέχει ένα μίγμα βακτηριακού πληθυσμού ακινητοποιημένο στις επιφάνειες του μέσου υποστήριξης (φίλτρο). Το υλικό πλήρωσης του φίλτρου μπορεί να αποτελείται είτε από χαλίκια ή πλαστικά ή πέτρες ή άλλα υλικά, αρκεί να παρέχει μεγάλο κενό χώρο προς αποφυγή φραξίματος (>50%) και μεγάλη ειδική επιφάνεια (Jewell, 1987). Το υγρό απόβλητο περνάει ανοδικά διαμέσου του AF και χωνεύεται παράγοντας βιοαέριο. Η διεργασία είναι ιδιαίτερα αποδοτική για υγρά απόβλητα πλούσια σε υδατάνθρακες (Sahm, 1984). Για ισχυρά απόβλητα εφαρμόζεται ανακυκλοφορία της απορροής του χωνευτήρα προκειμένου το COD στην είσοδο του φίλτρου να διατηρείται μεταξύ 8-12 g/l. Το πρόβλημα που δημιουργείται στα συστήματα αυτά είναι η παρουσία νεκρών ζωνών και η δημιουργία καναλιών (channeling) στα κατώτερα στρώματα του φίλτρου. Tα αναερόβια φίλτρα πολλές φορές συνδυάζονται με αντιδραστήρες διάταξης UASB προκειμένου να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα του ξεπλύματος της βιομάζας του UASBR όταν το υγρό απόβλητο περιέχει μεγάλο όγκο αιωρούμενων στερεών, συγκρατώντας τα στερεά και συμβάλλοντας ταυτόχρονα στη περαιτέρω μείωση του COD και στη βελτίωση της συνολικής απόδοσης του συστήματος. βιοαέριο χωνευμένο υγρό υπόλειμμα Ανακυκλοφορία τροφοδοσία Πηγή: Jewell, Σχήμα 4.16 Διάταξη Αναερόβιου Φίλτρου με Ανακυκλοφορία 114

137 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 5 Υ Λ Ι Κ Α κ Μ Ε Θ Ο Δ Ο Ι 115

138 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι 116

139 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς όλες οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επίσης, παρουσιάζονται οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον εγκλιματισμό των αναερόβιων μικτών καλλιεργειών καθώς και των αναερόβιων συστημάτων χώνευσης ενός και δύο σταδίων. 5.2 ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Στην εργασία αυτή έγιναν χημικοί προσδιορισμοί ολικού και διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, ολικού αζώτου κατά Kjeldahl και αμμωνιακού αζώτου, ολικού φωσφόρου, πτητικών λιπαρών οξέων, υδατανθράκων, συγκέντρωσης ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, παροχής και σύστασης βιοαερίου σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Πραγματοποιήθηκαν ακόμα μετρήσεις ph, αλκαλικότητας, συγκέντρωσης ολικών και πτητικών στερεών. Οι ποσοτικοί προσδιορισμοί των ολικών και πτητικών στερεών, κατ αντιστοιχία και των αιωρούμενων στερεών, καθώς και του ph, της αλκαλικότητας και του ολικού φωσφόρου και αζώτου γίνονταν σε δείγμα που λαμβανόταν από το αναερόβιο σύστημα χωρίς να υποστεί καμία διεργασία προηγουμένως. Ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι που αφορούν το χαρακτηρισμό και τις μετρήσεις της υγρής φάσης, όπως ο ποσοτικός προσδιορισμός της συγκέντρωσης του διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, των πτητικών λιπαρών οξέων και των διαλυτών υδατανθράκων, γίνονταν στο διήθημα του υπερκείμενου της φυγοκέντρισης των δειγμάτων. Η φυγοκέντριση γινόταν σε 4000 rpm για 10 λεπτά, ενώ η διήθηση γινόταν υπό κενό μέσω ηθμών ινών υάλου (Whatman GF/C, με διάμετρο πόρων 1,2 μm). Στη συνέχεια ακολουθεί η περιγραφή της κάθε μεθόδου χωριστά. Μέτρηση ph Η μέτρηση του ph γινόταν εμβαπτίζοντας το ηλεκτρόδιο και τον αισθητήρα της θερμοκρασίας του ηλεκτρονικού φορητού πεχαμέτρου HI 8424 της Hanna σε δείγμα ml. Η μέτρηση της τιμής του ph του δείγματος έπρεπε να γίνεται αμέσως μετά τη συλλογή του δείγματος, διότι η τιμή του ph μεταβαλλόταν με τη θερμοκρασία. 117

140 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Προσδιορισμός της Αλκαλικότητας Ως αλκαλικότητα ορίζεται η ικανότητα ενός διαλύματος να εξουδετερώνει οξέα και αντιπροσωπεύει το άθροισμα όλων των βασικών ενώσεων σε αυτό. Συνήθως το μεγαλύτερο ποσοστό της αλκαλικότητας ενός αποβλήτου οφείλεται στα ανθρακικά (CO 2-3 ), όξινα ανθρακικά (HCO - 3 ) και στα ιόντα υδροξυλίου (OH - ). Άλλες ενώσεις οι οποίες συνεισφέρουν στην αύξηση της αλκαλικότητας είναι τα βορικά, φωσφορικά και πυριτικά ιόντα. Ο προσδιορισμός της αλκαλικότητας έγινε με τιτλοδότηση γνωστού όγκου δείγματος με πρότυπο διάλυμα θειικού οξέος έως τελική τιμή ph=4,5, όπως περιγράφεται στο Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, (Greenberg, 1995). Το αποτέλεσμα δίνεται έπειτα από τους απαραίτητους υπολογισμούς, σε μονάδες συγκέντρωσης ανθρακικού ασβεστίου (CaCO 3 ). αλκαλικότητα (mg CaCO3/l) = A N ml δείγματος όπου Α: ml πρότυπου διαλύματος οξέος που χρησιμοποιήθηκε Ν: κανονικότητα πρότυπου διαλύματος οξέος Προσδιορισμός Ολικών και Πτητικών Αιωρούμενων Στερεών, ΟΑΣ (TSS) - ΠΑΣ (VSS) Ο προσδιορισμός των ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών γινόταν σύμφωνα με τις μεθόδους που περιγράφονται στο εγχειρίδιο "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater", (1995). Για τον προσδιορισμό των ολικών αιωρούμενων στερεών (μη διηθούμενα στερεά), γνωστή ποσότητα καλά αναμεμειγμένου δείγματος διηθούταν σε προζυγισμένο (μετά από ξήρανση) ηθμό ινών υάλου. Το υλικό που κατακρατούταν στον ηθμό ξηραινόταν μέχρι σταθερού βάρους σε φούρνο στους ο C. Η αύξηση του βάρους του ηθμού αντιπροσώπευε τα ολικά αιωρούμενα στερεά. Η συγκέντρωση των ολικών αιωρούμενων στερεών υπολογιζόταν βάσει του τύπου: 118

141 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι (A - B) 1000 ΟΑΣ (mg/l) = V όπου Α: βάρος ηθμού με το δείγμα μετά τη ξήρανση (mg) Β: βάρος ηθμού πριν τη διήθηση (mg) V: όγκος δείγματος που διηθείται (ml) Τα πτητικά αιωρούμενα στερεά αποτελούν το κλάσμα των ολικών στερεών που εξαερώνεται στους 550 o C. Για τον προσδιορισμό τους ο ηθμός στον οποίο είχαν κατακρατηθεί τα ολικά αιωρούμενα στερεά πυρακτωνόταν μέχρι σταθερού βάρους σε πυραντήριο στους 550 o C. Η μείωση του βάρους του ηθμού αντιστοιχούσε στα πτητικά αιωρούμενα στερεά. Η συγκέντρωση των πτητικών αιωρούμενων στερεών υπολογιζόταν βάσει του τύπου: (A - B) 1000 ΠΑΣ (mg/l) = V όπου Α: βάρος ηθμού με το δείγμα πριν τους 550 ο C (mg) Β: βάρος ηθμού (τελικό) μετά τους 550 ο C (mg) V: όγκος δείγματος που διηθείται (ml) Προσδιορισμός Ολικών και Πτητικών Στερεών, ΟΣ (TS) - ΠΣ (VS) Η μέθοδος αυτή είναι πανομοιότυπη στην εκτέλεση με αυτή των ολικών και των πτητικών αιωρούμενων στερεών. Η μόνη διαφορά που παρουσιάζει είναι το γεγονός ότι το δείγμα δεν διηθείται αλλά μια ποσότητά του τοποθετείται ως έχει σε προζυγισμένη πορσελάνινη κάψα. Η υπόλοιπη διαδικασία που ακολουθείται περιγράφεται στην προηγούμενη μέθοδο, ενώ και οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς εμφανίζουν την ίδια μορφή με μόνη διαφορά ότι ο παρονομαστής τους μπορεί να αναφέρεται είτε σε όγκο (ml) είτε σε μάζα (g) δείγματος. 119

142 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Προσδιορισμός Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου, ΧΑΟ (COD) Ως χημικά απαιτούμενο οξυγόνο ορίζεται η ισοδύναμη ποσότητα οξυγόνου, που απαιτείται για την οξείδωση των συστατικών ενός μίγματος οργανικών ενώσεων από ισχυρό οξειδωτικό μέσο και αντιπροσωπεύει την οργανική ισχύ ενός αποβλήτου. Ο προσδιορισμός του βασίζεται στο γεγονός ότι η πλειονότητα των ενώσεων αυτών οξειδώνονται από ισχυρά οξειδωτικά (Sawyer et al., 1994). Για το σκοπό αυτό, τα διαλύματα των οργανικών ενώσεων, που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις, θερμαίνονται σε ισχυρά όξινες συνθήκες (παρουσία θειικού οξέος) και περίσσεια οξειδωτικού μέσου. Ως καταλληλότερο οξειδωτικό έχει επιλεγεί το διχρωμικό κάλιο (K 2 Cr 2 O 7 ), καθώς έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να οξειδώνει πλήρως τις περισσότερες από τις οργανικές ενώσεις, ενώ ως καταλύτης για την οξείδωση των αλειφατικών ενώσεων χρησιμοποιούταν θειικός άργυρος (AgSO 4 ). Για την αποφυγή της δέσμευσης των ιόντων αργύρου από χλωριούχα, βρωμιούχα και ιωδιούχα ιόντα τα οποία συνήθως υπάρχουν στα απόβλητα, γινόταν προσθήκη ιόντων υδραργύρου με τη μορφή θειικού υδραργύρου (HgSO 4 ) τα οποία συμπλοκοποιούνται με τα ανιόντα αλογόνων, προκαλώντας τους ιζηματοποίηση. Η αντίδραση οξείδωσης του οργανικού υλικού από τα διχρωμικά ιόντα περιγράφεται γενικά από την εξίσωση: CnHaOb + ccr 2 O cH + nco 2 + (a + 8c)/2 H 2 O + 2Cr 3+ όπου c = (2/3)n + (a/6) (b/3) Για τη μέτρηση του ΧΑΟ χρησιμοποιήθηκαν δύο μέθοδοι, οι οποίες είχαν να κάνουν με τη φύση των μετρούμενων δειγμάτων: α) η μέθοδος κλειστής επαναρροής με φωτομέτρηση και β) η μέθοδος ανοικτής επαναρροής με τιτλοδότηση. Η επαναρροή είναι απαραίτητη εξαιτίας της ύπαρξης πτητικών οργανικών ενώσεων, οι οποίες υπό συνθήκες θέρμανσης μπορούν να διαφύγουν. Οι παραπάνω μέθοδοι περιγράφονται αναλυτικά στο Standard Methods, (1995). Φωτομετρική μέθοδος κλειστής επαναρροής: Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη φωτομέτρηση των ιόντων Cr 3+ τα οποία προκύπτουν έπειτα από την οξείδωση του οργανικού υλικού και χρησιμοποιήθηκε για μετρήσεις διαλυτού και ολικού ΧΑΟ σε δείγματα με μικρή συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών. Για το ολικό ΧΑΟ το δείγμα 120

143 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι λαμβανόταν ως είχε, χωρίς καμία άλλη επεξεργασία, ενώ για το διαλυτό ΧΑΟ το δείγμα διηθούταν σε ηθμό ινών υάλου και οι μετρήσεις γίνονταν στο συλλεγόμενο διήθημα. Το εύρος των μετρούμενων τιμών ΧΑΟ της μεθόδου κυμαίνεται από 50 έως 900 mg O 2 /l, και για το λόγο αυτό πραγματοποιούνταν κατάλληλες αραιώσεις, ούτως ώστε τα μετρούμενα δείγματα να βρίσκονται μεταξύ των παραπάνω ορίων. Αρχικά, σε γυάλινο σωλήνα χωρητικότητας 10 ml, μεταφέρονταν 2 ml διηθούμενου δείγματος και διαδοχικά προσθέτονταν 1,2 ml πρότυπο διάλυμα διχρωμικού καλίου και 2,8 ml αντιδραστηρίου θειικού οξέος και AgSO 4. Έπειτα ο σωλήνας σφραγιζόταν με βιδωτό πώμα από Teflon, ανακινούταν καλά και τοποθετούταν σε ειδικό φούρνο χώνευσης του μίγματος για 2 ώρες στους 150 ο C. Όταν τα γυάλινα φιαλίδια επανερχόντουσαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, φωτομετρούνταν σε μήκος κύματος 600 nm. Τέλος η συγκέντρωση του ΧΑΟ, προέκυπτε από τη καμπύλη βαθμονόμησης με το πρότυπο διαλύμα όξινου φθαλικού καλίου. Μέθοδος ανοικτής επαναρροής με τιτλοδότηση: Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση ολικού ΧΑΟ σε αμιγώς στερεά δείγματα ή δειγμάτων με μεγάλη συγκέντρωση σε αιωρούμενα στερεά. Η μέθοδος εκτελείται σε ειδική συσκευή επαναρροής, η οποία αποτελείται από ηλεκτρικούς μανδύες θέρμανσης, φιάλες και ψυκτήρες για την επαναρροή των ατμών. Αρχικά, τοποθετούνταν στις φιάλες 20 ml δείγματος με κατάλληλες αραιώσεις, ώστε τα μετρούμενα δείγματα να βρίσκονται μεταξύ των ορίων της μεθόδου (από 50 έως 900 mg O 2 /l). Όσον αφορά τα στερεά δείγματα, αφού ζυγίζονταν επί ξηρού βάρους, τοποθετούνταν στις φιάλες και στη συνέχεια προσετίθεντο ο αντίστοιχος όγκος Η 2 Ο (20 ml). Στη συνέχεια, στη φιάλη, προσετίθεντο 0,5 g HgSO 4 και 5 ml αντιδραστηρίου H 2 SO 4. Η ανάμιξη των αντιδραστηρίων γινόταν με ανακίνηση της φιάλης για να επιτευχθεί διάλυση του θειικού υδραργύρου, με ταυτόχρονη ψύξη για να αποφευχθεί η διαφυγή των πτητικών ενώσεων. Κατόπιν, στην φιάλη προσετίθεντο 10 ml διαλύματος K 2 Cr 2 O 7 0,0417 Μ και μερικές πέτρες βρασμού. Έπειτα, η φιάλη τοποθετούταν στη συσκευή επαναρροής, όπου από το πάνω μέρος του ψυκτήρα προσετίθεντο άλλα 25 ml αντιδραστηρίου H 2 SO 4 επιπλέον. Η χώνευση του τελικού μίγματος, είχε διάρκεια 2 ωρών. Στη συνέχεια, μετά την ψύξη του το μίγμα αραιωνόταν στο διπλάσιο περίπου του όγκου του και προσετίθεντο σε αυτό 2-3 σταγόνες φεροϊνικού δείκτη πριν τιτλοδοτηθεί με διάλυμα θειικού αμμωνίου του σιδήρου (FAS) 0,25 M. Η 121

144 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι μοριακότητα του FAS ελεγχόταν κάθε φορά με τιτλοδότηση διαλύματος αραιωμένου K 2 Cr 2 O 7 και H 2 SO 4, στο οποίο είχαν προστεθεί 2-3 σταγόνες φεροϊνικού δείκτη και υπολογιζόταν από τον τύπο: μοριακότητα FAS = Όγκος K 2 Cr O 2 7 που τιτλοδοτήθηκε, (ml) Όγκος FAS που χρησιμοποιήθηκε, (ml) 0,25 Το ΧΑΟ του μετρούμενου δείγματος υπολογιζόταν από τον τύπο: (A - B) M 8000 ΧΑΟ σε mgo2/l = ml δείγματος όπου Α: ml FAS που χρησιμοποιήθηκαν για το τυφλό Β: ml FAS που χρησιμοποιήθηκαν για το δείγμα Μ: μοριακότητα του FAS Προσδιορισμός Ολικού Αζώτου κατά Kjeldahl και Αμμωνιακού Αζώτου Ο προσδιορισμός του ολικού αζώτου (οργανικού αζώτου και αμμωνίας) έγινε με την μέθοδο Kjeldahl σύμφωνα με τις οδηγίες οι οποίες περιλαμβάνονται στο εγχειρίδιο Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, (1995), χρησιμοποιώντας συσκευή micro-kjeldahl με φιάλες χωρητικότητας 100 ml. Η βασική αρχή προσδιορισμού είναι η εξής: Παρουσία θειικού οξέος (H 2 SO 4 ), θειικού καλίου (K 2 SO 4 ) και θειικού υδραργύρου (HgSO 4 ) και κάτω από θερμοκρασία βρασμού του θειικού οξέος (340 ο C), το οργανικό άζωτο και η ελεύθερη αμμωνία μετατρέπονται σε αμμωνιακό άλας (NH 4 HSO 4 ) αφού προηγηθεί χώνευση του οργανικού υλικού. Ως παράδειγμα της αντίδρασης που λαμβάνει χώρα, είναι η οξείδωση της αλανίνης η οποία περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση (Sawyer et al., 1994): CH 3 CHNH 2 COOH + 7H 2 SO 4 3CO 2 + 6SO 2 + 8H 2 O + NH 4 HSO 4 Μετά το τέλος της χώνευσης προσετίθεντο υδροξειδίο του νατρίου για την αύξηση της τιμής του ph και θειοθειϊκό νάτριο (Na 2 S 2 O 3 5H 2 O) για την διάσπαση των συμπλόκων του υδραργύρου με τα αμμωνιόντα και ακολουθούσε απόσταξη. Η αποσταχθείσα αμμωνία κατακρατούταν από διάλυμα βορικού οξέος και δείκτη. Η 122

145 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι ποσότητα της αμμωνίας προσδιοριζόταν με τιτλοδότηση με πρότυπο διάλυμα θειικού οξέος. Όσον αφορά τον προσδιορισμό του αμμωνιακού αζώτου, η μόνη διαφορά με την παραπάνω μέθοδο είναι η παράλειψη της χώνευσης του δείγματος για τη μετατροπή των αζωτούχων ενώσεων σε αμμωνία. Η ποσότητα του ολικού αζώτου κατά Kjeldahl ή του αμμωνιακού αζώτου υπολογιζόταν από τις παρακάτω σχέσεις: (A - B) 280 Ν (mg/l) = ml δείγματος D για υγρά δείγματα (A - B) 280 Ν (mg/kg) = g ξηρού δείγματος D για στερεά δείγματα όπου Α = όγκος Η 2 SO 4 που χρησιμοποιήθηκε για το δείγμα (ml) Β = όγκος Η 2 SO 4 που χρησιμοποιήθηκε για το τυφλό δείγμα (ml) D = αρχική αραίωση του δείγματος (αν έχει γίνει) Προσδιορισμός Ολικού Φωσφόρου Ο φώσφορος στα φυτικής προέλευσης υλικά βρίσκεται με τη μορφή είτε ορθοφωσφορικών ιόντων (PO 3-4, HPO 2-4, H 2 PO 4- ), είτε πολυφωσφορικών ιόντων [(PO 3 ) 3-6, (P 3 O 10 ) 5-, (P 2 O 7 ) 4- ] είτε εμπεριέχεται σε οργανικές ενώσεις. Για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του ολικού φωσφόρου σε ένα δείγμα πρέπει να προηγηθεί μετατροπή όλων των μορφών του σε ορθοφωσφορικά ιόντα. Για την μετατροπή των πολυφωσφορικών ιόντων αρκεί η υδρόλυσή τους σε όξινες συνθήκες και σε θερμοκρασία 100 ο C. Όμως, η μετατροπή του οργανικού φωσφόρου σε ορθοφωσφορικά ιόντα απαιτεί οξείδωση (χώνευση) του οργανικού υλικού. Η μέθοδος χώνευσης, η οποία χρησιμοποιήθηκε βασίστηκε στις οξειδωτικές ιδιότητες των υπερθειϊκών ιόντων και έγινε σύμφωνα με τις οδηγίες του εγχειριδίου Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, (1995). Στο προς ανάλυση δείγμα προσετίθετο διάλυμα θειικού οξέος και αντιδραστήριο υπερθειικού αμμωνίου [(NH 4 ) 2 S 2 O 8 ] και ακολουθούσε θέρμανση για 30 λεπτά σε κλίβανο. Στη συνέχεια το χαμηλό ph των δειγμάτων εξουδετερωνόταν με διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου. 123

146 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Ο προσδιορισμός των ορθοφωσφορικών ιόντων έγινε σύμφωνα με την μέθοδο του ασκορβικού οξέος (ascorbic acid) όπως περιγράφεται στο «Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater», (1995). Το μολυβδαινικό αμμώνιο [(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ] και το τρυγικό-αντιμονιακό κάλιο [K(SbO)C 4 H 4 O 6 1/2H 2 O] αντιδρούσαν κάτω από όξινες συνθήκες με τα ορθοφωσφορικά ιόντα και σχημάτιζαν φωσφομολυβδαινικό οξύ [(NH 4 ) 3 PO 4 12MoO 3 ], το οποίο αναγόταν από το ασκορβικό οξύ, παράγοντας μία έγχρωμη ένωση που είχε μέγιστο απορρόφησης στα 880 nm. Ο χημικός τύπος αυτής της ένωσης, η οποία αναφέρεται ως βαναδομολυβδαινικό σύμπλοκο είναι άγνωστος. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης των ορθοφωσφορικών ιόντων και συνεπώς της συγκέντρωσης του ολικού φωσφόρου στο δείγμα γινόταν με καμπύλη βαθμονόμησης η οποία προέκυπτε από την απορρόφηση πρότυπων διαλυμάτων δισόξινου φωσφορικού καλίου (KH 2 PO 4 ). Προσδιορισμός Πτητικών Λιπαρών Οξέων, ΠΛΟ (VFA) Πτητικά λιπαρά οξέα ονομάζονται τα λιπαρά οξέα, τα οποία είναι διαλυτά στο νερό και μπορούν να αποσταχθούν σε ατμοσφαιρική πίεση. Τη συμπεριφορά αυτή παρουσιάζουν τα λιπαρά οξέα που έχουν έως έξι άτομα άνθρακα. Τα οξέα αυτά συναποστάζονται με το νερό και έτσι είναι δυνατή η απομάκρυνσή τους από υδατικά διαλύματα, παρά το υψηλό σημείο βρασμού τους. Τα πτητικά λιπαρά οξέα (οξικό, προπιονικό, βουτυρικό, ισοβουτυρικό, βαλερικό και ισοβαλερικό) προσδιορίστηκαν σε χρωματογράφο αερίων (Varian GC 3600) με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας (FID). Τα διηθημένα δείγματα οξινίζονταν με προσθήκη διαλύματος οξαλικού οξέος (10%), έτσι ώστε τα πτητικά λιπαρά οξέα να μετατρέπονται ση μη ιονισμένη μορφή τους. Στη συνέχεια 0,5 μl οξινισμένου δείγματος εγχεόταν με μικροσύριγγα (Hamilton 7001 BDZ) σε εγχυτήρα θερμοκρασίας 250 ο C. Το φέρον αέριο (He) προωθούσε το δείγμα (σε αέρια μορφή) μέσα σε τριχοειδή στήλη μήκους 30 m και εσωτερικής διαμέτρου 0,53 mm και πάχους στάσιμης φάσης (αποτελούμενης 100% από διμέθυλο-πολυσιλιξόνη) 5 μm. Η θερμοκρασία της στήλης αυξανόταν σταδιακά από τους 95 o C στους 250 ο C σε χρονικό διάστημα 5 λεπτών. Με την χρήση πρότυπων διαλυμάτων για κάθε οξύ, κατασκευάστηκαν καμπύλες ποιοτικού και ποσοτικού προσδιορισμού των πτητικών λιπαρών οξέων στα μετρούμενα δείγματα. 124

147 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Μέτρηση Παραγωγής Βιοαερίου Οι μετρήσεις του ρυθμού παραγωγής βιοαερίου διεξάχθηκαν με δύο τρόπους κατά περίσταση: α) με φιάλες οξυνισμένου νερού και β) με τη χρήση ενός συστήματος κλικογράφου (Σκιαδάς, 1998). Και οι δύο μέθοδοι βασίζονται στη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται, ώστε το παραγόμενο βιοαέριο να εκτοπίσει συγκεκριμένο όγκο κάποιου υγρού. Στη συνέχεια περιγράφονται αναλυτικότερα κάθε μία από τις μεθόδους αυτές. Μέτρηση με φιάλες οξυνισμένου νερού: Ο όγκος του παραγόμενου βιοαερίου προσδιοριζόταν από τη διοχέτευση του σε γυάλινη φιάλη, η οποία ήταν γεμάτη με οξινισμένο υδατικό διάλυμα ph<3 (προκειμένου να αποτραπεί η διαλυτοποίηση του βιοαερίου στο νερό) και πωματισμένη αεροστεγώς με ελαστικό πώμα το οποίο έφερε δύο ανοίγματα, ένα για το εισερχόμενο βιοαέριο και ένα για το εκτοπιζόμενο υγρό. Ο όγκος του παραγόμενου βιοαερίου ήταν ίσος με τον όγκο του εκτοπιζόμενου υδατικού διαλύματος. Ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου, υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο: V Ρυθμός βιοαερίου =, όπου V: όγκος εκτοπιζόμενου υγρού (l) t t: χρονικό διάστημα που απαιτήθηκε (ημέρες) Μέτρηση με κλικογράφο: Για τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιήθηκε η συσκευή που φαίνεται στο σχήμα 5.1. Αυτή αποτελείται από μία τρίοδη ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (Ι), έναν κατακόρυφο γυάλινο σωλήνα σχήματος U (ΙΙ), διαμέτρου 30 mm και με σκέλη ύψους 200 mm το καθένα, που περιέχουν ορυκτέλαιο μέχρι τη μέση του ύψους τους, έναν διακόπτη τύπου πλωτήρα (ΙΙΙ), έναν χρονοδιακόπτη ακριβείας δευτερολέπτου (IV), έναν ηλεκτρονόμο δύο επαφών τύπου λυχνίας (V), μία κάρτα ανάγνωσης ψηφιακών σημάτων (digital I/O interface board) (VI) κι έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή (IBM compatible AT) (VII). Το βιοαέριο διοχετεύεται μέσω της τρίοδης βαλβίδας στο αριστερό σκέλος του σωλήνα, το οποίο είναι κλεισμένο αεροστεγώς με ελαστικό πώμα. Η διαφορά πίεσης που ασκείται στο αριστερό σκέλος ωθεί το ορυκτέλαιο προς τα κάτω και η ελεύθερη επιφάνειά του πλησιάζει των πλωτήρα στο δεξί σκέλος. Όταν το ορυκτέλαιο αγγίζει τον πλωτήρα, ο διακόπτης του κλείνει, κι έτσι ενεργοποιείται ο χρονοδιακόπτης, ο οποίος θέτει σε λειτουργία τον ηλεκτρονόμο. 125

148 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Τότε, για τρία δευτερόλεπτα οι επαφές (1) και (2) κλείνουν, με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του οπλισμού της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και την δημιουργία ψηφιακού σήματος προς την κάρτα. Η ενεργοποίηση της βαλβίδας επιτρέπει την εκτόνωση του συσσωρευμένου βιοαερίου προς την ατμόσφαιρα και την επιστροφή του ορυκτέλαιου στο σημείο ισορροπίας του. Το ψηφιακό σήμα αναγνωρίζεται από την κάρτα και καταγράφεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τέλος, ο υπολογιστής, έχοντας στη μνήμη του τον όγκο του παραγόμενου βιοαερίου (σταθερός και ίσος με τον όγκο του εκτοπιζόμενου υγρού) μεταξύ δύο σημάτων και το αντίστοιχο χρονικό διάστημα που μεσολάβησε, υπολογίζει το ρυθμό παραγωγής βιοαερίου. Πηγή: Σκιαδάς, Σχήμα 5.1 Συσκευή Μέτρησης Ρυθμού Παραγωγής Βιοαερίου με τη Χρήση Η/Υ Μέτρηση Σύστασης Βιοαερίου Το βιοαέριο που παράγεται κατά την αναερόβια χώνευση υγρών αποβλήτων περιέχει κυρίως μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, αλλά και ίχνη άλλων αερίων όπως υδρογόνου, υδρόθειου, αζώτου. Κάτω από συνθήκες ομαλής λειτουργίας μπορούμε να θεωρήσουμε χωρίς σημαντικό σφάλμα ότι το βιοαέριο αποτελείται μόνο από μεθάνιο και 126

149 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι διοξείδιο του άνθρακα. Με αυτή λοιπόν την θεώρηση αρκεί να προσδιοριστεί η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε ένα από τα δύο αυτά αέρια για να γνωρίζουμε τη σύστασή του. Για την μέτρηση της σύστασης του βιοαερίου χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές μέθοδοι: α) μια ειδική συσκευή, η οποία χρησιμοποιεί ισχυρά αλκαλικό διάλυμα καυστικού καλίου (ΚΟΗ) και β) ένας χρωματογράφος αερίων (GC). Η λήψη του δείγματος βιοαερίου γίνεται απ ευθείας από την αέρια φάση του χωνευτήρα. Μέτρηση με χρήση πυκνού διαλύματος ΚΟΗ: Η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο, μπορεί εύκολα να μετρηθεί, αν διοχετευθεί συγκεκριμένος όγκος αερίου μέσα από ισχυρά αλκαλικό διάλυμα ΚΟΗ (ph 14), ώστε να εξουδετερωθεί το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και να μετρηθεί ο εναπομένων όγκος αερίου που αντιστοιχεί στο μεθάνιο (Sawyer et al., 1994). Η εξουδετέρωση του CO 2 με το υδροξείδιο του καλίου πραγματοποιείται σύμφωνα με την ακόλουθη αντίδραση: CO 2 + 2KOH K 2 CO 3 + H 2 O Στην παραπάνω αρχή στηρίζεται η λειτουργία της συσκευής προσδιορισμού σύστασης βιοαερίου (Σκιαδάς, 1998), η οποία παρουσιάζεται στο σχήμα 5.2. Η συσκευή αποτελείται από έναν κατακόρυφο γυάλινο σωλήνα (Ι) ύψους 1,5 m και διαμέτρου 3 mm, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στην επιφάνεια ξύλινου κανόνα μήκους 1 m με διαγραμμίσεις ανά 1 mm. Ο σωλήνας συνδέεται με γυάλινο δοχείο χωρητικότητας περίπου 100 ml. Tο δοχείο έχει σχήμα κυλινδρικό, στην κορυφή του καταλήγει σε κώνο και φέρει τέσσερα ανοίγματα: τρία στη κυλινδρική του πλευρά και ένα στην κορυφή του κώνου. Τα ανοίγματα (ΙΙ) και (ΙΙΙ) προεκτείνονται σε κατακόρυφους σωλήνες διαμέτρου 5 mm με πλαστικές στρόφιγγες (Teflon). Ο σωλήνας (ΙΙΙ) μετά τη στρόφιγγα καταλήγει σε χοάνη. Το άνοιγμα (IV) προεκτείνεται σε οριζόντιο προεξέχοντα κύλινδρο διαμέτρου 12 mm, με κοχλιωτό εξωτερικό τοίχωμα, πάνω στο οποίο βιδώνεται πλαστικό καπάκι με κυκλικό άνοιγμα 8 mm στην εξωτερική του πλευρά. Ανάμεσα στο καπάκι και στα χείλη του οριζόντιου προεξέχοντα κυλίνδρου παρεμβάλλεται πλαστικό δισκίο σιλικόνης, πάχους 2 mm και διαμέτρου 12 mm (septum). Το γυάλινο δοχείο είναι βυθισμένο σε λουτρό θερμοκρασίας 50 ο C, ούτως ώστε να μεγιστοποιηθεί η εξουδετέρωση του CO 2 από το KOH και να ελαχιστοποιηθεί διαλυτότητα των υπολοίπων αερίων στο διάλυμα. 127

150 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Πηγή: Σκιαδάς, Σχήμα 5.2 Συσκευή Προσδιορισμού της Περιεκτικότητας του Βιοαερίου σε Μεθάνιο Η πλήρωση της συσκευής με διάλυμα πυκνού ΚΟΗ γίνεται μέσω της χοάνης, ενώ οι παγιδευμένες φυσαλίδες αέρα στο δοχείο, απομακρύνονται από της δύο στρόφιγγες. Η στάθμη του υγρού στο σωλήνα (Ι) αφήνεται να σταθεροποιηθεί και έπειτα ρυθμίζεται μέχρι την ένδειξη 0 του κανόνα. Στη συνέχεια εισάγονται 8 ml από το δείγμα βιοαερίου στο δοχείο, μέσω του δισκίου σιλικόνης χρησιμοποιώντας ειδική σύριγγα (Hamilton 1010 GTS) χωρητικότητας 10 ml. Το διοξείδιο του άνθρακα 128

151 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι απομακρύνεται από την αέρια φάση ακολουθώντας την αντίδραση εξουδετέρωσης, ενώ το μεθάνιο παγιδεύεται στην κορυφή του κώνου κάτω από τη στρόφιγγα. Ο όγκος του παγιδευμένου μεθανίου εκτοπίζει ίσο όγκο διαλύματος ΚΟΗ, κάνοντας τη στάθμη του σωλήνα (Ι) να ανέλθει. Για την μέτρηση νέου δείγματος, ανοίγεται η στρόφιγγα του σωλήνα (ΙΙ) ώστε το παγιδευμένο μεθάνιο να διαφύγει στην ατμόσφαιρα και η συσκευή επαναρυθμίζεται σύμφωνα με τα παραπάνω. Η βαθμονόμηση της συσκευής γίνεται με ενέσεις καθαρού μεθανίου (99,9%), ακέραιων όγκων από 1 έως 8 ml, όπου το 1 ml καθαρού μεθανίου αντιστοιχεί σε 8 ml δείγματος βιοαερίου περιεκτικότητας 1/8 ή 12,5% σε μεθάνιο, ενώ τα 8 ml καθαρού μεθανίου αντιστοιχούν σε 8 ml δείγματος βιοαερίου περιεκτικότητας 8/8 ή 100% σε μεθάνιο. Με την μέθοδο που αναλύσαμε παραπάνω, γίνεται η αντιστοίχηση των συγκεντρώσεων με τα αντίστοιχα ύψη που καταγράφονται κάθε φορά στον κανόνα. Με τον τρόπο αυτό κατασκευάζεται η καμπύλη βαθμονόμησης, η οποία είναι ευθεία γραμμή (Σκιαδάς, 1998). Μέτρηση με χρήση χρωματογράφου αερίων: Η μέθοδος αυτή παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια από την πρώτη, γιατί επιτρέπει την ανίχνευση των περισσοτέρων συστατικών του βιοαερίου, έστω κι αν αυτά εμφανίζονται σε ίχνη. Η σύσταση του βιοαερίου προσδιοριζόταν σε χρωματογράφο αερίων (Shimadzu GC9A με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας - TCD) με δυνατότητα ανίχνευσης αζώτου, μεθανίου, διοξειδίου και μονοξειδίου του άνθρακα. Συγκεκριμένα, 1 ml δείγματος βιοαερίου εγχέεται με σύριγγα (Precision Sampling Corp.) χωρητικότητας 1 ml σε εγχυτήρα θερμοκρασίας 250 ο C. Το φέρον αέριο (He) προωθεί το αέριο δείγμα μέσα σε τριχοειδή στήλη τύπου carboxen 1000 από ανοξείδωτο χάλυβα μήκους 4,572 m (15 ft) και εσωτερικής διαμέτρου 3,175 mm (1/8 in). Ο διαχωρισμός των αερίων γινόταν σε ισοθερμοκρασιακό πρόγραμμα από τους 180 έως τους 230 ο C και είχε διάρκεια 12 λεπτά. Τα αποτελέσματα λαμβάνονται σε μορφή εμβαδών των κορυφών που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, όπου η χρονική στιγμή που αντιστοιχεί σε κάθε κορυφή, αντιπροσωπεύει τα αντίστοιχα ανιχνεύσιμα συστατικά. Με τη χρήση πρότυπων καμπυλών για κάθε αέριο συστατικό, τα μετρούμενα εμβαδά μετατρέπονται σε συγκεντρώσεις επί τις εκατό κ.β. 129

152 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Προσδιορισμός Υδατανθράκων Ο καθορισμός του συνολικού ποσού των υδατανθράκων στα υγρά απόβλητα βασίζεται στο σχηματισμό έντονα χρωματισμένων ουσιών λόγω της αντίδρασης μεταξύ των όξινα αποδομημένων προϊόντων και των πολυαρωματικών ενώσεων. Το διάλυμα του αντιδραστηρίου της L-τρυπτοφάνης με θειικό οξύ παρουσία βορικού οξέος φαίνεται να είναι ιδανικό, αφού κατά την αντίδραση με τους υδρογονάνθρακες όλοι οι μονοσακχαρίτες δίνουν ιώδες χρώμα της ίδιας περίπου έντασης απορρόφησης. Ο προσδιορισμός των υδατανθράκων έγινε σύμφωνα με τη μέθοδο η οποία περιγράφεται από τον Josefsson, (1983) και περιλαμβάνει αντίδραση των υδατανθράκων με το διάλυμα του αντιδραστηρίου της L-τρυπτοφάνης για 20 λεπτά μέσα σε υδατόλουτρο που βράζει και φωτομέτρηση στα 520 nm. Η μικρότερη ποσότητα υδατανθράκων που μπορεί να προσδιοριστεί με την παραπάνω μέθοδο είναι 0,1 mg/l. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης των υδατανθράκων γίνεται με την χρήση πρότυπης καμπύλης οπτικής απορρόφησης συναρτήσει της συγκέντρωσης πρότυπων διαλυμάτων D-γλυκόζης. 130

153 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι 5.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ Στη παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τη χρήση διαφόρων διατάξεων σε αναερόβια συστήματα ενός και δύο σταδίων τα οποία περιλάμβαναν αντιδραστήρες τύπου CSTR, αλλά και το ταχύρρυθμο καινοτόμο μεθανογόνο αντιδραστήρα PABR. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των πειραματικών διατάξεων. Εγκλιματισμός Αναερόβιων Μικτών Καλλιεργειών Η διάταξη η οποία χρησιμοποιήθηκε για τον εγκλιματισμό των αναερόβιων μικτών καλλιεργειών (σχήμα 5.3 και φωτογραφία 5.1), αποτελούταν από μία μεταλλική δεξαμενή ορθογωνίου σχήματος (1m x 1m x 0,5m), η οποία περιείχε νερό θερμοκρασίας 35 ο C, ηλεκτρική αντίσταση (1000 W) και ένα θερμοζεύγος. Η αντίσταση βρισκόταν μόνιμα εμβαπτισμένη στο κέντρο του λουτρού, ενώ η ανάδευση του νερού (για επίτευξη ομοιόμορφης θερμοκρασίας) γινόταν μέσω φυγοκεντρικής αντλίας. Η αντίσταση, το θερμοζεύγος και η αντλία ήταν συνδεδεμένα με ηλεκτρικό κουτί, έτσι ώστε σε περίπτωση πτώσης της θερμοκρασίας του υδατόλουτρου, ενεργοποιούταν η αντίσταση και η αντλία, ανεβάζοντας την θερμοκρασία του λουτρού στους 35 ο C. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλιζόταν σταθερή θερμοκρασία στο λουτρό με απόκλιση ±0,2 ο C. Οι φιάλες στις οποίες πραγματοποιήθηκε ο εγκλιματισμός των αναερόβιων μικτών καλλιεργειών ήταν σφαιρικές, όγκου 15 λίτρων. Κάθε φιάλη πωματιζόταν αεροστεγώς με ελαστικό πώμα, μέσα από το οποίο ήταν περασμένα δύο μεταλλικά σωληνάκια διαμέτρου 7 mm. Στο επάνω μέρος αυτών ήταν προσαρμοσμένα λαστιχένια σωληνάκια (από PVC) τα οποία χρησίμευαν για την τροφοδοσία και απορροή της αναερόβιας καλλιέργειας, αλλά και την απομάκρυνση του παραγόμενου βιοαερίου. Το λαστιχένιο σωληνάριο που εξυπηρετούσε την φυσική ροή του βιοαερίου συνδεόταν με έναν πλαστικό συνδετήρα σχήματος (Y) με τον οποίο συνδέονταν επιπλέον δύο λαστιχένια σωληνάκια: η ελεύθερη άκρη του ενός κατέληγε μέσα σε δοχείο με νερό, ενώ του δεύτερου συνδεόταν με πλαστική σαμπρέλα. Η σαμπρέλα, η οποία αρχικά δεν περιείχε καθόλου αέρα (είχε αφαιρεθεί υπό κενό), αλλά πολύ γρήγορα γέμιζε με το παραγόμενο βιοαέριο, εξυπηρετούσε διπλό σκοπό: παρείχε ασφάλεια σε περίπτωση ψύξης του λουτρού, οπότε και πιθανή αναρρόφηση του νερού στο εσωτερικό της φιάλης (λόγω δημιουργίας υποπίεσης) και αναπλήρωνε τον όγκο του υγρού ο οποίος απομακρυνόταν κατά την καθημερινή τροφοδοσία και τις διάφορες δειγματοληψίες. 131

154 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι βιοαέριο σωληνάκια δειγματοληψίας σφαιρική φιάλη υπερκείμενο υγρό σαμπρέλα θερμοστοιχείο κ αντίσταση μονάδα ελέγχου θερμοκρασίας υδατόλουτρο αναερόβια μαγιά δοχείο νερού φυγοκεντρική αντλία Σχήμα 5.3 Διάταξη Εγκλιματισμού Αναερόβιων Μικτών Καλλιεργειών Φωτογραφία 5.1 Εγκλιματισμός Αναερόβιων Μικτών Καλλιεργειών 132

155 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Διάταξη Συστήματος Ενός Σταδίου Αναερόβιας Χώνευσης Για το αναερόβιο σύστημα του ενός σταδίου, δοκιμάστηκε η καταλληλότητα ενός διπλότοιχου κυλινδρικού σωλήνα από Plexiglas για να λειτουργήσει ως CSTR στον οποίο θα επιτυγχάνεται η υδρόλυση των στερεών και η οξεογένεση (σχήμα 5.4). Ο όγκος του σωλήνα είναι 19 λίτρα, ενώ το ύψος του 101 cm και η διάμετρός του 15,5 cm. Ο εξωτερικός μανδύας του αντιδραστήρα τροφοδοτείται με νερό που διατηρείται σε θερμοκρασία 35 C. Λόγω του μεγάλου ύψους του κυλίνδρου, δεν ήταν δυνατή η ανάδευση του με μηχανικό σύστημα. Γι αυτό χρησιμοποιήθηκε η ανακυκλοφορία του υγρού ως μέσο ανάδευσης. Λόγω όμως της ύπαρξης πολλών στερεών του μίγματος που είχαν την ιδιότητα να καθιζάνουν με ταχύτητα, τα στερεά έφραζαν τα σημεία ροής του μεικτού υγρού του αντιδραστήρα και η ανακυκλοφορία διακοπτόταν. Τελικά, ως μέσο ανάδευσης, χρησιμοποιήθηκε η ανακυκλοφορία του παραγόμενου βιοαερίου ενώ στο πυθμένα του αντιδραστήρα προστέθηκε ένα λεπτό στρώμα από χαλίκια (5 cm) για να αποτρέπει τα στερεά να φράζουν τους σωλήνες ανακυκλοφορίας του βιοαερίου που ήταν προσαρμοσμένοι στο σημείο αυτό. Το βιοαέριο ανακυκλοφορούταν από την κορυφή του αντιδραστήρα προς το πυθμένα του. Procede Software Ltd Σχήμα 5.4 Διάγραμμα Ροών Αναερόβιου Συστήματος Χώνευσης Ενός Σταδίου 133

156 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Διάταξη Υδρολυτικού Αναερόβιου Αντιδραστήρα Τύπου CSTR Ο αντιδραστήρας αποτελούταν από ένα κυλινδρικό δοχείο από Plexiglas, χωρητικότητας 15 λίτρων (σχήμα 5.5 και φωτογραφία 5.2). Στο επάνω μέρος έφερε καπάκι από Plexiglas και στο ενδιάμεσο τμήμα υπήρχε λάστιχο που εξασφάλιζε τη πλήρη στεγανότητα του. Στο καπάκι προσαρμόστηκε, με ειδική κατασκευή, ηλεκτρικό μοτέρ με ρυθμιζόμενη ταχύτητα περιστροφής στο οποίο προσαρτήθηκε άξονας με ελικοειδή πτερύγια ανάδευσης (τύπου προπέλα) από ανοξείδωτο ατσάλι. Η στεγανοποίηση του αντιδραστήρα, όσον αφορά τα σημεία επαφής με το μοτέρ και τον άξονα ανάδευσης, έγινε με τη χρήση ελαστικών φλαντζών και ειδικούς δακτυλίους (orings). Ο αντιδραστήρας σχεδιάστηκε με βάση τα πρότυπα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται στη κατασκευή διατάξεων τύπου CSTR (Rushton et al., 1950), όπως φαίνεται στο σχήμα 5.5. Στο κυλινδρικό τμήμα του χωνευτήρα υπήρχαν τρία σημεία δειγματοληψίας και απορροής, σε διαφορετικά ύψη το καθένα (πάνω, μέση και πυθμένα). Ενώ το καπάκι του χωνευτήρα έφερε τέσσερα ανοίγματα: για τη τροφοδοσία των στερεών, για το ρεύμα της ανακυκλοφορίας της απορροής του PABR, για την απομάκρυνση του διαλυτού οργανικού κλάσματος από το χωνευτήρα προς τον PABR και για τη συλλογή του παραγόμενου βιοαερίου. Η στάθμη του αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ήταν προκαθορισμένη και διατηρούταν σταθερή με τη χρήση ενός ηλεκτρικού συστήματος ρύθμισης στάθμης που αποτελούταν από έναν αισθητήρα στάθμης (τύπου φλοτέρ), έναν αυτόματο διακόπτη (ρελέ) και μια ηλεκτροβάνα, έτσι ώστε ο λειτουργικός όγκος του αντιδραστήρα να είναι 10 λίτρα. Η ηλεκτροβάνα ήταν τοποθετημένη μετά το δοχείο επαναρροής του PABR και άνοιγε, για να συμπληρώσει μέχρι τον απαιτούμενο όγκο, όταν έπεφτε η στάθμη στον υδρολυτικό αντιδραστήρα λόγω της συνεχούς άντλησης του υγρού κλάσματος που τροφοδοτούνταν στον PABR. Στο εσωτερικό μέρος του αντιδραστήρα (πλησίον των τοιχωμάτων) υπήρχαν αντιδιαμετρικά τέσσερις ανακλαστήρες, προκειμένου με την ανάδευση να επιτυγχάνεται ένα πλήρες ομογενές υγρό-στερεό μίγμα. Η τροφοδοσία του χωνευτήρα γινόταν από το πάνω μέρος, μέσο ενός ειδικά διαμορφωμένου θαλάμου ο οποίος κατά το ένα τρίτο του μήκους του ήταν διαρκώς βυθισμένος μέσα στο υγρό μίγμα. Έτσι, κατά τη διάρκεια της τροφοδοσίας οι αναερόβιες συνθήκες του χωνευτήρα διατηρούνταν, καθώς μόνο μια μικρή επιφάνεια του υγρού έρχονταν σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον και επιπλέον δεν μπορούσε να εισέλθει 134

157 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αέρας. Μετά το τέλος της τροφοδοσίας το άνοιγμα σφραγιζόταν με ελαστικό πώμα. Για τη συνεχή απομάκρυνση του υγρού κλάσματος από το υψηλής συγκέντρωσης σε στερεά μίγμα του αντιδραστήρα, κατά τη διάρκεια της πλήρης λειτουργίας του, χρησιμοποιήθηκε ένα απλό αλλά καινοτόμο σύστημα διαχωρισμού της υγρής φάσης από τα στερεά (σχήμα 5.6). Το σύστημα αυτό αποτελούταν από ένα κυλινδρικό διάτρητο δοχείο, προσαρμοσμένο πάνω στον άξονα του αναδευτήρα. Εξωτερικά στο δοχείο, ήταν προσαρτημένο διπλό στρώμα υφασμάτινου πλέγματος. Ο διαχωριστής βρισκόταν κατά τα δύο τρίτα βυθισμένος στο υγρό-στερεό μίγμα του χωνευτήρα, όπου κατά τη περιστροφή του αναδευτήρα στο εσωτερικό του διαχωριστή εισέρχονταν μόνο το υγρό κλάσμα ενώ τα στερεά απωθούνταν λόγω της περιστροφής του. Το διαχωρισμένο υγρό κλάσμα απομακρυνόταν με τη χρήση μιας περισταλτικής αντλίας, η οποία το τροφοδοτούσε στον PABR. Μεταξύ της αντλίας και του διαχωριστή υπήρχε ένα κωνικό δοχείο καταβύθισης των αιωρούμενων στερεών που πέρναγαν από τον περιστροφικό διαχωριστή (κυρίως αναερόβια λάσπη) και τα οποία επέστρεφαν πάλι πίσω στον χωνευτήρα. Ο αντιδραστήρας ήταν τοποθετημένος σε υδατόλουτρο (φωτογραφία 5.2), που διατηρούταν σε σταθερή θερμοκρασία (55 ο C) με τη χρήση μιας αντίστασης και ενός θερμοστοιχείου με θερμοστάτη, έτσι ώστε να λειτουργεί υπό θερμόφιλες συνθήκες. Ο υδρολυτικός αυτός αντιδραστήρας χρησιμοποιήθηκε ως το πρώτο στάδιο ενός αναερόβιου διβάθμιου συστήματος χώνευσης με ανακυκλοφορία για την παραγωγή βιοαερίου από φυτική βιομάζα, όπου συζεύχθηκε με έναν μεθανογόνο αντιδραστήρα PABR, η κατασκευή και η λειτουργία του οποίου περιγράφεται αναλυτικά στη συνέχεια. Το συζευγμένο αυτό σύστημα φαίνεται στη φωτογραφία

158 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Σχήμα 5.5 Διάταξη Υδρολυτικού Αναερόβιου Χωνευτήρα (Procede Flowsheet) 136

159 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι κυλινδρικό διάτρητο δοχείο Plexiglas προσαρτημένη σήτα εξωτερικά του δοχείου Σχήμα 5.6 Περιστροφικός Διαχωριστής Υγρού-Στερεού Κλάσματος Φωτογραφία 5.2 Υδρολυτικός Αναερόβιος Χωνευτήρας 137

160 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Διάταξη Περιοδικού Αναερόβιου Αντιδραστήρα με Ανακλαστήρες (PABR) Ο περιοδικός αναερόβιος χωνευτήρας εναλλασσόμενης καθοδικής και ανοδικής ροής (PABR), σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε από τους Skiadas and Lyberatos, (1998) και αποτελείται από δύο ομόκεντρους κυλίνδρους, όπου ο χώρος ανάμεσα τους είναι χωρισμένος με κατακόρυφους ανακλαστήρες σε διαμερίσματα, τα οποία επικοινωνούν μεταξύ τους στο κάτω μέρος, αλλά και μέσω των σωληνώσεων που συνδέουν το πάνω μέρος (σχήμα 5.7 και 5.8). Έτσι, ο PARB με τον τρόπο αυτό προσομοιώνει τη λειτουργία ενός ABR του οποίου τα διαμερίσματα είναι διατεταγμένα κυκλικά. Ο σχεδιασμός αυτός, παρέχει επιπλέον τη δυνατότητα της περιοδικής εναλλαγής των σημείων τροφοδοσίας και εκροής. Η εναλλαγή αυτή γίνεται με το κατάλληλο χειρισμό των βαλβίδων των εξωτερικών σωληνώσεων, όπου όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα εναλλαγής των βαλβίδων (σημεία εισόδου και εξόδου) τόσο περισσότερο πλησιάζει στο να προσομοιάζει ο PABR τη συμπεριφορά ενός αντιδραστήρα UASB. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας PABR τεσσάρων διαμερισμάτων, εργαστηριακής κλίμακας (φωτογραφία 5.3), ωφέλιμου όγκου 15 λίτρων και επιφάνειας 0,0314 m 2. Ο όγκος της αέριας φάσης ήταν 2 λίτρα. Ο αντιδραστήρας ήταν κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα και οι εξωτερικές σωληνώσεις αποτελούνταν από τμήματα σκληρού PVC (Φ 1/2") συνδεδεμένα με ηλεκτροκίνητες σφαιρικές βαλβίδες (ball valves). Οι βαλβίδες αυτές, όταν ήταν αναγκαίο, μπορούσαν να μετατραπούν σε χειροκίνητες με ένα διακόπτη χειρισμού (manual auto). Ο χειρισμός των βαλβίδων (για τη θέση auto) γινόταν μέσω ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή στον οποίο είχε ενσωματωθεί ειδική προγραμματιζόμενη κάρτα επικοινωνίας. Το πρόγραμμα χειρισμού, γραμμένο σε Quick Basic (Σκιαδάς, 1998), έδινε τη δυνατότητα της ρύθμισης της περιόδου λειτουργίας του αντιδραστήρα και του τρόπου εναλλαγής των βαλβίδων (δεξιόστροφα, αριστερόστροφα ή αντιδιαμετρικά). Η ροή του υγρού από διαμέρισμα σε διαμέρισμα είχε δεξιόστροφη φορά (π.χ. Α-Β-Γ-Δ, σχήμα 5.8). Ο αντιδραστήρας ήταν τοποθετημένος σε υδατόλουτρο σταθερής θερμοκρασίας 35 o C. Δειγματοληπτικοί σωλήνες (ένας για κάθε διαμέρισμα) ήταν τοποθετημένοι στην οροφή του PABR και εκτείνονταν ~10 cm κάτω από τη στάθμη του μεικτού υγρού του αντιδραστήρα. Επίσης, υπήρχαν δύο σωλήνες στην οροφή του αντιδραστήρα από τους οποίους συλλέγονταν το βιοαέριο. 138

161 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι ανακλαστήρες καθοδική ροή ανοδική ροή Σχήμα 5.7 Διάταξη Περιοδικού Αναερόβιου Αντιδραστήρα με Ανακλαστήρες (PABR) Σχήμα 5.8 Κάτοψη Διάγραμμα Ροής ενός PABR Τεσσάρων Διαμερισμάτων 139

162 Κεφάλαιο 5 - Υλικά κ Μέθοδοι Φωτογραφία 5.3 Περιοδικός Αναερόβιος Αντιδραστήρας με Ανακλαστήρες (PABR) Φωτογραφία 5.4 Διβάθμιο Σύστημα Αναερόβιας Χώνευσης 140

163 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 6 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΟΡΓΟΥ - ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ 141

164 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 142

165 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Η βιωσιμότητα της παραγωγής βιοαιθανόλης από γλυκό σόργο και άλλες ενεργειακές καλλιέργειες, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ικανότητα για περαιτέρω αξιοποίηση των υπολειμμάτων. Δεδομένου ότι τα υπολείμματα έχουν μεγάλη περιεκτικότητα σε οργανικά, μία ιδιαίτερα υποσχόμενη διεργασία είναι η αναερόβια χώνευση των υπολειμμάτων με στόχο την παραγωγή βιοαερίου. Για να μελετήσουμε την αποτελεσματικότητα της αναερόβιας χώνευσης στα υπολείμματα της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου, αφού πρώτα έχει απομακρυνθεί η αιθανόλη με απόσταξη, έγινε μια σειρά πειραμάτων με στόχο την ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνογνωσίας και την βελτιστοποίηση της παραγωγής του βιοαερίου (CH 4 και H 2 ). Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφονται τα πειράματα που έγιναν προκειμένου να μελετηθεί καταρχάς, η δυνατότητα για ταυτόχρονη υδρόλυση και χώνευση του συνόλου των υπολειμμάτων του γλυκού σόργου σε σύστημα ενός σταδίου. Προέλευση και Χαρακτηρισμός Αποβλήτου Τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του γλυκού σόργου παραλήφθηκαν από τη Σχολή Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου σε 4 δόσεις (1 δόση των 20 λίτρων, 2 δόσεις των 15 λίτρων έκαστη και 1 δόση των 25 λίτρων). Η απόσταξη της βιοαιθανόλης του υγρού μέρους του υπολείμματος έγινε στο χημικό εργαστήριο της Β.Γ. Σπηλιόπουλος ΑΒΕΕ στην Πάτρα με τη χρήση αποστακτικής συσκευή ENOSPEED του ιταλικού οίκου Laboratorio Enochimiko. Η απόσταξη γινόταν σε ποσότητες των 500 ml σε σφαιρική φιάλη απόσταξης των 1000 ml. Η συγκέντρωση του αποστάγματος που παραλαμβανόταν σε αιθανόλη είναι ίδια με αυτή του αποσταζόμενου υγρού. Στην πρώτη δόση η συγκέντρωση αιθανόλης ήταν 4.5 % v/v ενώ στις επόμενες 6%. Στη συνέχεια, το απόσταγμα επαναποσταζόταν στην ίδια συσκευή αλλά το παραλαμβανόμενο απόσταγμα διαχωριζόταν σε κλάσματα. Το πρώτο κλάσμα (67,2% v/v) λαμβανόταν με χρόνο απόσταξης 0,5 min. Το δεύτερο κλάσμα (21% v/v) λαμβανόταν με χρόνο απόσταξης από 0,5 μέχρι 2 min. Το τρίτο κλάσμα για μεγαλύτερους χρόνους απόσταξης απορριπτόταν. Τα υπολείμματα από την αλκοολική ζύμωση του σόργου αποτέλεσαν ένα απόβλητο με υψηλό οργανικό φορτίο, σημαντικό μέρος του οποίου, μέσω της βιολογικής διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, μπορούσε να μετατραπεί σε βιοαέριο. Το απόβλητο αυτό είχε υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά οργανική ύλη (σόργο που δεν έχει υποστεί αλκοολική ζύμωση και μικροοργανισμούς). Το υγρό μέρος του αποβλήτου ήταν 143

166 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου επίσης πλούσιο σε οργανικό φορτίο και αποδομούταν ευκολότερα απ ότι η οργανική ύλη που βρισκόταν σε στερεά μορφή. Για την αναερόβια χώνευση, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός του ρεύματος του αποβλήτου, όπως ερχόταν κατά δόσεις από τα πειράματα σακχαροποίησης/ζύμωσης της βιομάζας (μετά και το στάδιο της απόσταξης) συνολικά, καθώς και των δύο κλασμάτων (στερεού και υγρού αντίστοιχα), έτσι όπως προέκυπταν μετά από διαχωρισμό με κόσκινο (~0,5 mm). Για το λόγο αυτό στους παρακάτω πίνακες , δίνονται οι μέσες τιμές των χαρακτηριστικών του αποβλήτου και οι τυπικές αποκλίσεις. Πίνακας 6.1 Χαρακτηριστικά Αποβλήτου Βιοαιθανόλης (συνολικά στερεό & υγρό κλάσμα) Παράμετρος Μέση τιμή ± τυπική απόκλιση TS 80,21 ± 11,13 g/l VS 72,41 ± 8,47 g/l ph 3,78 ± 0,49 Ολικό ΧΑΟ 113,2 ± 2,3 g O 2 /l απβ Ολικό Άζωτο 1,177 ± 0,065 g N/l απβ Ολικός Φώσφορος 1,835 ± 0,332 g P/l απβ Ολικοί Υδατ/C 51,02 g gl/l απβ Πίνακας 6.2 Χαρακτηριστικά Στερεού Κλάσματος Αποβλήτου Βιοαιθανόλης Παράμετρος Μέση τιμή ± τυπική απόκλιση TS 24,00 ± 1,85 % w/w VS 93,31 ± 1,91 % w/w Υγρασία 76,00 ± 1,85 % w/w Ολικό ΧΑΟ 85,00 ± 12,01 g O 2 /l απβ Ολικό Άζωτο 0,639 ± 0,194 g N/l απβ Ολικός Φώσφορος 0,706 g P/l απβ Ολικοί Υδατ/C 48,1 g gl/l απβ 144

167 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Πίνακας 6.3 Χαρακτηριστικά Υγρού Κλάσματος Αποβλήτου Βιοαιθανόλης Παράμετρος Μέση τιμή ± τυπική απόκλιση TSS 7,49 ± 3,19 g/l VSS 6,10 ± 3,26 g/l ph 3,78 ± 0,49 Ολικό ΧΑΟ 27,17 ± 12,62 g O 2 /l απβ Διαλυτό ΧΑΟ 28,73 ± 11,01 g O 2 /l Ολικό Άζωτο 0,573 ± 0,227 g N/l απβ Ολικός Φώσφορος 1,364 g P/l απβ Ολικοί Υδατ/C 2,92 g gl/l απβ Αποτελέσματα Χρησιμοποιώντας τον αναερόβιο αντιδραστήρα του σχήματος 5.4 πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα διαλείποντος έργου με διαφορετικές οργανικές φορτίσεις αποβλήτου, προκειμένου να αξιολογηθεί η βιοαποδομησιμότητα του. Ο λειτουργικός όγκος του αντιδραστήρα ήταν 16 λίτρα και αρχικά περιείχε μαγιά με 7,373 g/l πτητικά στερεά που προήλθε από το βιολογικό σταθμό επεξεργασίας λυμάτων του Πανεπιστημίου Πατρών. Δείγματα λαμβάνονταν από τα σημεία δειγματοληψίας πάνω και κάτω, ώστε να διαπιστώνεται αν επικρατούν ομογενείς συνθήκες στον αντιδραστήρα και να λαμβάνεται μια μέση τιμή των παραμέτρων που μετρούνταν. Στο πρώτο πείραμα προστέθηκε 1 λίτρο αποβλήτου με τα χαρακτηριστικά που αναφέρονται στο πίνακα 6.1. Η οργανική φόρτιση που προέκυψε ήταν 9,266 g ΧΑΟ/l αντιδραστήρα. Το χαμηλό ph του αποβλήτου μετά τη τροφοδοσία του στο χωνευτήρα, άρχισε να ρίχνει το ph του χωνευτήρα. Προκειμένου να αυξηθεί το ph του αντιδραστήρα στην περιοχή 6,6-7,2, όπου είναι εφικτή η μεθανογένεση, τη πέμπτη ημέρα προστέθηκαν 20 g όξινου ανθρακικού νατρίου (NaHCO 3 ). Στα διαγράμματα που ακολουθούν δίνεται η εξέλιξη των τιμών των παραμέτρων που μετρήθηκαν κατά την διάρκεια του πειράματος. 145

168 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 3000 Συγκέντρωση διαλυτού ΧΑΟ (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.1 Συγκέντρωση Διαλυτού ΧΑΟ Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 9,0 8,5 πάνω κάτω μέσος όρος 8,0 7,5 ph 7,0 6,5 6,0 5,5 5, Χρόνος (d) Σχήμα 6.2 ph Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 146

169 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 2000 Συγκέντρωση οξικού οξέος (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.3 Συγκέντρωση Οξικού Οξέος Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση προπιονικού οξέος (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.4 Συγκέντρωση Προπιονικού Οξέος Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 147

170 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Στα σχήματα απεικονίζονται τα χαρακτηριστικά των παραμέτρων που αφορούν την υγρή φάση του αντιδραστήρα. Η μεγάλη τιμή του διαλυτού ΧΑΟ κατά τις πρώτες 6 ημέρες οφειλόταν στις χαμηλές τιμές του ph. Όταν το ph επανήλθε (μετά τη προσθήκη NaHCO 3 ) προσεγγίζοντας την περιοχή ανάπτυξης των μεθανογόνων, το XAO μειώθηκε. Αντίστοιχη ήταν και η απόκριση των πτητικών λιπαρών οξέων, κυρίως του οξικού και του προπιονικού οξέος. Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ (g/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.5 Συγκέντρωση Ολικού ΧΑΟ Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 148

171 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 15 Συγκέντρωση στερεών (g/l) ΟΣ πάνω, κάτω, μέσος όρος ΠΣ πάνω, κάτω, μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.6 Συγκέντρωση Ολικών και Πτητικών Στερεών Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ ~9g ΧΑΟ/l) Στα σχήματα 6.5 και 6.6, παρουσιάζονται οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη στερεά φάση του αντιδραστήρα: η συγκέντρωση του ολικού ΧΑΟ (μέρος του οποίου οφείλεται στην παρουσία των στερεών) και των στερεών (ολικών και πτητικών). Στα στερεά, εκτός από το αδιάλυτο κλάσμα του αποβλήτου, συμπεριλαμβάνεται και η ποσότητα των μικροοργανισμών (βιομάζα). Επειδή, τα στερεά του αποβλήτου παρουσίαζαν την τάση να καθιζάνουν πολύ εύκολα και να φράσσουν τις οπές απ όπου γινόταν οι δειγματοληψία, ήταν δύσκολο να ληφθεί ομοιογενές δείγμα που να αντιπροσωπεύει την κατάσταση του αντιδραστήρα. 149

172 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Συνολικός όγκος βιοαερίου (l) Συνολικός όγκος βιοαερίου Ρυθμός παραγωγής 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) 0 0, Χρόνος (d) Σχήμα 6.7 Συνολικός Όγκος του Παραγόμενου Βιοαερίου και ο Ρυθμός Παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) Συνολικός όγκος μεθανίου (l) Συνολικός όγκος μεθανίου Ρυθμός παραγωγής 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Ρυθμός παραγωγής μεθανίου (l/l/d) 0 0, Χρόνος (d) Σχήμα 6.8 Συνολικός Όγκος του Παραγόμενου Μεθανίου και ο Ρυθμός Παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~9g ΧΑΟ/l) 150

173 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Το βιοαέριο και ειδικότερα το μεθάνιο αρχικά παραγόταν σε μικρές ποσότητες (σχήμα 6.7 και 6.8). Στη συνέχεια όμως, αυξήθηκε και μετά την 30η ημέρα σταθεροποιήθηκε. Σε εκείνη την περίοδο παραγόταν βιοαέριο, πλούσιο σε μεθάνιο, ενώ η συγκέντρωση του διαλυτού ΧΑΟ ήταν πολύ μικρή, γεγονός που υποδηλώνει ότι ελάμβανε χώρα η υδρόλυση των στερεών, αφού δεν υπήρχε άλλη πηγή οργανικού φορτίου. Το γεγονός ότι ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου άρχισε να μειώνεται και να φτάνει σε πολύ μικρά επίπεδα, σήμανε και τον τερματισμό του πειράματος. Στο δεύτερο πείραμα διαλείποντος έργου προστέθηκαν 4 λίτρα αποβλήτου σε 12 λίτρα μαγιάς που προερχόταν από το προηγούμενο πείραμα. Η οργανική φόρτιση που προέκυψε ήταν 36,905 g ΧΑΟ/l αντιδραστήρα (έναντι 9,266 g ΧΑΟ/l αντιδραστήρα που ήταν στο πρώτο πείραμα). Όπως και στο προηγούμενο πείραμα μετά τη προσθήκη του αποβλήτου στο χωνευτήρα η τιμή του ph έπεσε κάτω από το 6. Έτσι, τη τρίτη ημέρα προστέθηκαν 85 g NaHCO 3 ώστε να αυξηθεί το ph του αντιδραστήρα στην περιοχή 6,6-7,2, στην οποία είναι εφικτή η μεθανογένεση. Το πείραμα διήρκησε περίπου 80 ημέρες. Στα ακόλουθα διαγράμματα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του πειράματος Συγκέντρωση διαλυτού ΧΑΟ (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος ΠΛΟ (mg ΧΑΟ/l) Χρόνος (d) Σχήμα 6.9 Συγκέντρωση Διαλυτού ΧΑΟ Δειγμάτων και Συγκέντρωση Πτητικών Λιπαρών Οξέων(ΠΛΟ) που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) 151

174 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 9,0 8,5 πάνω κάτω μέσος όρος 8,0 7,5 ph 7,0 6,5 6,0 5,5 5, Χρόνος (d) Σχήμα 6.10 ph Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Στα σχήματα 6.9 και 6.10 δίνεται η μείωση του διαλυτού ΧΑΟ κατά την διάρκεια του πειράματος καθώς και οι τιμές του ph αντίστοιχα. Όπως φαίνεται, το ph του χωνευτήρα αμέσως μετά τη τροφοδοσία του αποβλήτου ήταν πολύ χαμηλό. Με προσθήκη NaHCO 3 (την 3η ημέρα), το ph διορθώθηκε κοντά στην τιμή 7 και παρέμεινε σταθερό μέχρι το τέλος του πειράματος χωρίς άλλη διόρθωση. Στη μείωση του διαλυτού ΧΑΟ διακρίνονται δύο φάσεις: η πρώτη φάση από την ημέρα 0 έως 25, όπου παρατηρείται και η μεγαλύτερη μείωση και η οποία οφείλεται πιθανόν στην ύπαρξη εύκολα βιοαποδομήσιμης οργανικής ύλης, και η δεύτερη φάση (από την ημέρα 25 έως το τέλος του πειράματος) όπου η μείωση είναι μικρότερη και πιο αργή. Στο διάγραμμα αυτό φαίνεται επίσης και το ΧΑΟ που οφείλεται στην ύπαρξη των πτητικών λιπαρών οξέων (ΠΛΟ). Η σταθερή διαφορά των δύο καμπύλων εκφράζει τη συγκέντρωση της οργανικής ύλης που δεν είναι ΠΛΟ και είναι δύσκολο να αποδομηθεί περαιτέρω. Στα παρακάτω σχήματα 6.11, 6.12 φαίνονται αναλυτικά οι συγκεντρώσεις των δύο κύριων πτητικών λιπαρών οξέων: του οξικού και προπιονικού. 152

175 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου 5000 Συγκέντρωση οξικού οξέος (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.11 Συγκέντρωση Οξικού Οξέος Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση προπιονικού οξέος (mg/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.12 Συγκέντρωση Προπιονικού Οξέος Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) 153

176 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Το οξικό οξύ μειώθηκε γρηγορότερα απ ότι το προπιονικό οξύ αφού η αποδόμηση του δεύτερου μπορεί να παρεμποδιστεί από θερμοδυναμικούς περιορισμούς (η παραγωγή του υδρογόνου από την αποδόμηση του προπιονικού είναι θερμοδυναμικά μη εφικτή). Η συγκέντρωση του προπιονικού οξέος μειώνεται μετά τις 25 ημέρες και αυτό συμπίπτει με τη δεύτερη φάση μείωσης του ΧΑΟ. Η μείωση του διαλυτού ΧΑΟ συνοδεύεται από αύξηση στη παραγωγή του βιοαερίου (σχήμα 6.13), όπου διακρίνονται επίσης δύο φάσεις στην παραγωγή του βιοαερίου κατά αντιστοιχία της μείωσης του ΧΑΟ. Στο τέλος του πειράματος ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου μειώνεται πρακτικά στο μηδέν, γεγονός που σημαίνει ότι η διαλυτή οργανική ύλη αποδομείται με αμελητέους ρυθμούς Συνολικός όγκος βιοαερίου Ρυθμός παραγωγής 2,0 1,8 Συνολικός όγκος βιοαερίου (l) ,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Χρόνος (d) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) Σχήμα 6.13 Συνολικός Όγκος του Παραγόμενου Βιοαερίου και ο Ρυθμός Παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) 154

177 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Συνολικός όγκος μεθανίου Ρυθμός παραγωγής 2,0 1,8 Συνολικός όγκος μεθανίου (l) ,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Χρόνος (d) Ρυθμός παραγωγής μεθανίου (l/l/d) Σχήμα 6.14 Συνολικός Όγκος του Παραγόμενου Μεθανίου, και ο Ρυθμός Παραγωγής του (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Στα επόμενα διαγράμματα 6.15 και 6.16, φαίνονται οι μειώσεις του ολικού ΧΑΟ και των ολικών και πτητικών στερεών. Λόγω της ευαισθησίας της μέτρησης από τη δειγματοληψία και το βαθμό ανάμειξης, οι τιμές των παραμέτρων έχουν σημαντική διακύμανση. Εξαιτίας της μη ικανοποιητικής ανάμειξης με την ανακυκλοφορία του βιοαερίου, κρίθηκε προτιμότερη η χρήση βιοαντιδραστήρα με μηχανική ανάδευση για τα επόμενα πειράματα. Μπορεί όμως να συμπεράνει κανείς ότι η μείωση των στερεών δεν ήταν μεγάλη, γεγονός που επιβεβαιώνει το συμπέρασμα που διατυπώθηκε για το προηγούμενο πείραμα, ότι η υδρόλυση των στερεών είναι πολύ αργή διεργασία και περιορίζει το συνολικό ρυθμό. 155

178 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Συγκέντρωση ολικού ΧΑΟ (g/l) πάνω κάτω μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.15 Συγκέντρωση Ολικού ΧΑΟ Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) Συγκέντρωση στερεών (g/l) ΟΣ πάνω, κάτω, μέσος όρος ΠΣ πάνω, κάτω, μέσος όρος Χρόνος (d) Σχήμα 6.16 Συγκέντρωση Ολικών & Πτητικών Στερεών Δειγμάτων που Ελήφθησαν από τα Δύο Δειγματοληπτικά Σημεία του Αντιδραστήρα (σύστημα ενός σταδίου, ο.φ. ~36g ΧΑΟ/l) 156

179 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου Όπως φαίνεται από τον πίνακα 6.4 στα πειράματα που έγιναν η συγκέντρωση των πτητικών στερεών μειώθηκε μόνο κατά ένα ποσοστό μικρότερο του 35%, ενώ η μείωση της συγκέντρωσης του διαλυτού ΧΑΟ ξεπέρασε το 75%. Η απόδοση σε βιοαέριο κρίθηκε ικανοποιητική φτάνοντας τα 0,29 l/l αντιδραστήρα/d για το πείραμα με τη μεγαλύτερη οργανική φόρτιση, ενώ όπως φαίνεται ο χρόνος παραμονής των στερεών ήταν ιδιαίτερα μεγάλος. Το ποσοστό του μεθανίου ανήλθε και στις δύο περιπτώσεις στο 65-70%. Πίνακας 6.4 Αποδόσεις Πειραμάτων Διαλείποντος Έργου που Πραγματοποιήθηκαν σε Αντιδραστήρα με Ανακυκλοφορία Βιοαερίου Οργανική φόρτιση 9,226 g ΧΑΟ/l 36,905 g ΧΑΟ/l Διάρκεια 40 ημέρες 79 ημέρες Μείωση διαλυτού ΧΑΟ 90 % 78 % Μείωση πτητικών στερεών 32 % 19 % Μέσος ρυθμός παραγωγής βιοαερίου 0,0922 l/l/d 0,2905 l/l/d Ποσοστό μεθανίου 66 % 67 % Συμπεράσματα Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των δύο πειραμάτων συμπεραίνουμε ότι η συνολική απόδοση του βιοαερίου ήταν ανάλογη με τη συνολική οργανική φόρτιση (120 l έναντι 30 l για οργανική φόρτιση 36g/l έναντι οργανικής φόρτισης 9 g/l αντίστοιχα). Στο σύστημα με τη μεγαλύτερη φόρτιση ο ρυθμός παραγωγής του μεθανίου ήταν ικανοποιητικός, σε αντίθεση με το σύστημα χαμηλής φόρτισης. Σε κάθε περίπτωση όμως απαιτήθηκε μεγάλος χρόνος παραμονής ο οποίος δεν κρίθηκε ικανοποιητικός. Όπως προκύπτει και στις δύο περιπτώσεις, η παραγωγή βιοαερίου παρουσιάζει δύο μέγιστα. Το πρώτο αποδίδεται στην μεθανογένεση των εύκολα αποδομήσιμων οργανικών, και συμπίπτει με τη στιγμή της μεγαλύτερης μείωσης της συγκέντρωσης του διαλυτού ΧΑΟ και το δεύτερο πολύ αργότερα, αποδίδεται στα οργανικά που προέκυψαν από την υδρόλυση των στερεών. Ο συνολικός χρόνος παραμονής θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά αν χρησιμοποιούταν ένα σύστημα δύο σταδίων, όπου στο πρώτο στάδιο θα επιτυγχάνεται κυρίως η υδρόλυση του στερεού κλάσματος των υπολειμμάτων (κυρίως λιγνοκυτταρινούχα) και στο δεύτερο κυρίως η μεθανογένεση. Επίσης παρατηρείται ότι 157

180 Κεφάλαιο 6 - Αναερόβια Χώνευση των Υπολειμμάτων της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου - Σύστημα Ενός Σταδίου για τη μεγαλύτερη φόρτιση στερεών, η μείωση του διαλυτού ΧΑΟ και των πτητικών στερεών ήταν μικρότερη. Έτσι φαίνεται από τα αποτελέσματα ότι το περιοριστικό βήμα της διεργασίας ήταν η υδρόλυση των στερεών. Τέλος, περίπου το μισό από το συνολικά παραγόμενο μεθάνιο αποδίδεται στην μετατροπή του στερεού κλάσματος και το υπόλοιπο στην (ταχύτερη) μετατροπή του υγρού κλάσματος. 158

181 Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 7 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ ΦΑΣΕΩΝ

182

183 Προκειμένου να μπορέσουμε να βελτιστοποιήσουμε διακριτά τη χώνευση του στερεού κλάσματος των υπολειμμάτων, η οποία περιορίζεται από το ρυθμό υδρόλυσης, και του υγρού κλάσματος, η οποία περιορίζεται από τον ρυθμό μεθανογένεσης, αποφασίστηκε να γίνει διαχωρισμός των δύο κλασμάτων ακολουθούμενος από χωριστή χώνευση. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκε μια νέα σειρά πειραμάτων όπου διαχωρίζονταν η στερεά από την υγρή φάση και στη συνέχεια ακολουθούσε η υδρόλυση του στερεού κλάσματος και η επεξεργασία του υγρού κλάσματος (μαζί με την υγρή απορροή από το στάδιο της υδρόλυσης του στερεού) σε μια ταχύρρυθμη διαδικασία χώνευσης, όπως περιγράφεται στο σχήμα 7.1. ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΥΓΡΟ ΡΕΥΜΑ ΤΑΧΥΡΡΥΘΜΗ ΧΩΝΕΥΣΗ ΥΓΡΗ ΑΠΟΡΡΟΗ ΑΠΟΒΛΗΤΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΗΣ ΣΤΕΡΕΗΣ-ΥΓΡΗΣ ΦΑΣΗΣ ΥΓΡΗ ΑΠΟΡΡΟΗ ΡΕΥΜΑ ΣΤΕΡΕΩΝ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΥΔΡΟΛΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ Σχήμα 7.1 Εναλλακτική Επεξεργασία των Υπολειμμάτων από τη Παραγωγή Βιοαιθανόλης, με Βάση το Διαχωρισμό του Στερεού Υγρού Κλάσματος του Αποβλήτου Έτσι, πραγματοποιήθηκαν χωριστά πειράματα με τα διαχωρισμένα μέσω ψιλού κόσκινου (~0,5 mm) στερεά και υγρά κλάσματα. Τα χαρακτηριστικά των δύο νέων αυτών ρευμάτων (στερεού και υγρού) αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 6 (πίνακας 6.2 και 6.3). Αποτελέσματα Στερεού Μέρους του Αποβλήτου Ο στόχος των πειραμάτων αυτών είναι η μελέτη του ρυθμού υδρόλυσης των στερεών. Έτσι, πειράματα διαλείποντος έργου με το στερεό μέρος του αποβλήτου (ΟΣ = 22,5%, ΠΣ = 91,1% των ΟΣ, ΧΑΟ = 1,24 g/g ξηρού βάρους),

184 πραγματοποιήθηκαν στους 35 και 55 C, σε τρεις διαφορετικές φορτίσεις για κάθε θερμοκρασία και σε φιάλες ωφέλιμου όγκου 0,5 λίτρων. Στα παρακάτω διαγράμματα δίνονται τα αποτελέσματα εκφρασμένα ως ποσοστό του αρχικού ΧΑΟ που μετατρέπεται. Για κάθε φόρτιση στερεών παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τόσο για τη μεσόφιλη όσο και για τη θερμόφιλη θερμοκρασία αντίστοιχα. Φόρτιση: 41,09 g ΠΣ/l χωνευτήρα Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) o C Μετατροπή ΠΣ = 48,7% Παραγωγή μεθανίου = 0,276 L μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) 55 o C Μετατροπή ΠΣ = 45,0% Παραγωγή μεθανίου = 0,203 L μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) Μεθάνιο ΠΛΟ διαλυτό ΧΑΟ που δεν οφείλεται στα ΠΛΟ συνολικό ΧΑΟ που έχει μετατραπεί

185 Σχήμα 7.2 Αναερόβια Χώνευση Στερεού Μέρους του Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου (φόρτιση ΠΣ= 41,09 g/l χωνευτήρα) Φόρτιση: 65,77 g ΠΣ/l χωνευτήρα Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) o C Μετατροπή ΠΣ = 42,0% Παραγωγή μεθανίου = 0,198 l μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) 55 o C Μετατροπή ΠΣ = 39,6% Παραγωγή μεθανίου = 0,218 l μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) Μεθάνιο ΠΛΟ διαλυτό ΧΑΟ που δεν οφείλεται στα ΠΛΟ συνολικό ΧΑΟ που έχει μετατραπεί Σχήμα 7.3 Αναερόβια Χώνευση Στερεού Μέρους του Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου (φόρτιση ΠΣ= 65,77 g/l χωνευτήρα)

186 Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) Ποσοστό αρχικού ΧΑΟ (%) Φόρτιση: 73,97 g ΠΣ/l χωνευτήρα 35 o C Μετατροπή ΠΣ = 42,4% Παραγωγή μεθανίου = 0,182 l μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) 55 o C Μετατροπή ΠΣ = 41,54% Παραγωγή μεθανίου = 0,192 L μεθανίου/g προστ. ΠΣ Χρόνος (d) Μεθάνιο ΠΛΟ διαλυτό ΧΑΟ που δεν οφείλεται στα ΠΛΟ συνολικό ΧΑΟ που έχει μετατραπεί Σχήμα 7.4 Αναερόβια Χώνευση Στερεού Μέρους του Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου (φόρτιση ΠΣ= 73,97 g/l χωνευτήρα)

187 Από τα διαγράμματα αυτά είναι προφανής η γρηγορότερη διαλυτοποίηση του ΧΑΟ στους 55 C απ ό,τι στους 35 C. Καθώς ο στόχος του πρώτου σταδίου (για το σχεδιασμό του οποίου έγιναν αυτά τα πειράματα) είναι η αύξηση του ρυθμού υδρόλυσης οξεογένεσης, αυτό φαίνεται ότι επιτυγχάνεται μέσα στις 5 πρώτες ημέρες (για τους 55 C). Όμως στο διάστημα αυτό μόνο το 18% περίπου του αρχικού ΧΑΟ έχει μετατραπεί, ενώ μπορεί να μετατραπεί ακόμα μέχρι το 45%. Αυτό υποδεικνύει ότι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής πρέπει να είναι σημαντικά μικρότερος από το χρόνο παραμονής των στερεών και ο οποίος μπορεί να αυξηθεί με ανακυκλοφορία των στερεών στο πρώτο στάδιο. Οι τελικές αποδόσεις (μετά από χώνευση 45 ημερών) είναι περίπου ίδιες ανεξάρτητα από τη φόρτιση των στερεών και τη θερμοκρασία (μετατροπή ΠΣ = 43,4% ± 3,5 και παραγωγή μεθανίου 0,21 l CH 4 /g ΠΣ ± 0,037). Επίσης, στην αρχή των πειραμάτων παρατηρείται συσσώρευση των πτητικών λιπαρών οξέων, ενώ τα υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης του ΧΑΟ εμφανίζονται αργότερα. Έτσι, για τη συλλογή ενός υγρού πλούσιου σε οξέα, θα πρέπει το υγρό μέρος των αντιδραστήρων να απομακρύνεται με ρυθμό γρηγορότερο απ ότι των στερεών.

188 Αποτελέσματα Υγρού Μέρους του Αποβλήτου Προκειμένου να εκτιμηθεί η μεθανογόνος απόδοση του υγρού μέρους του αποβλήτου, πραγματοποιήθηκε ένα αναερόβιο συνεχές πείραμα, το οποίο σχεδιάστηκε ώστε η λειτουργία του συστήματος αυτού να προσεγγίζει τους ταχύρρυθμους αντιδραστήρες με διαμερίσματα, όπου το υπερκείμενο του μεικτού υγρού ρέει από διαμέρισμα σε διαμέρισμα μέχρι την εκροή, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.5. Το πείραμα έγινε σε ένα σύστημα δύο αναδευόμενων κωνικών φιαλών σε σειρά με συνολικό ωφέλιμο όγκο 760 ml, στους 35 o C και με υδραυλικό χρόνο παραμονής 15 ημέρες. Ο ρυθμός οργανικής φόρτισης ήταν 1,8 g ΧΑΟ/l χωνευτήρα/d. Ένα παρόμοιο σύστημα επρόκειτο να χρησιμοποιηθεί και για την αποδόμηση του υγρού μέρους του αποβλήτου ταυτόχρονα με την υγρή απορροή από το πρώτο στάδιο της διεργασίας (της υδρόλυσης των στερεών). Το υγρό απόβλητο που χρησιμοποιήθηκε περιείχε 5,86 g/l ± 0,62 ολικά αιωρούμενα στερεά, από τα οποία 4,38 g/l ± 0,25 ήταν τα πτητικά, το διαλυτό ΧΑΟ ήταν 22,53 g/l ± 1,74 ενώ το ολικό ΧΑΟ ήταν 27,14 g/l ± 0,25 και το ph ήταν 3,6. Τα αποτελέσματα του πειράματος αυτού παρουσιάζονται στα διαγράμματα των σχημάτων τροφοδοσία βιοαέριο βιοαέριο απορροή Κωνικές φιάλες 1 2 Μαγνητικοί αναδευτήρες Λουτρό νερού 35 o C Σχήμα 7.5 Αναερόβιο Σύστημα που Χρησιμοποιήθηκε για την Επεξεργασία του Υγρού Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου

189

190 Κεφάλαιο 7 - Διεργασία Χώνευσης Υπολειμμάτων Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου με Διαχωρισμό Φάσεων Συνολικός όγκος μεθανίου (l) διαμέρισμα 1 διαμέρισμα Χρόνος (d) Σχήμα 7.8 Αναερόβια Χώνευση του Υγρού Μέρους από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου. Παραγωγή Μεθανίου των Διαμερισμάτων 1 & 2 Ρυθμός παραγωγής μεθανίου (l/l/d) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Χρόνος (d) διαμέρισμα 1 διαμέρισμα 2 Σχήμα 7.9 Αναερόβια Χώνευση του Υγρού Μέρους από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου. Ρυθμός Παραγωγής Μεθανίου των Διαμερισμάτων 1 & 2 159

191 Κεφάλαιο 7 - Διεργασία Χώνευσης Υπολειμμάτων Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου με Διαχωρισμό Φάσεων Όπως φαίνεται από τα παραπάνω διαγράμματα η μείωση του ολικού ΧΑΟ έφτασε στο 90% του αρχικού και περίπου 97% ήταν η μείωση στο διαλυτό ΧΑΟ, από αυτά τα ποσοστά μείωσης το 75% και το 84%, αντίστοιχα, επιτεύχθηκαν στο πρώτο διαμέρισμα. Από τα αποτελέσματα παρατηρείται, ότι σχεδόν όλο το ΧΑΟ αποδίδεται στα πτητικά λιπαρά οξέα. Το ph του συστήματος διατηρήθηκε μεταξύ του 7 και του 7,5. Ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου στο διαμέρισμα 1 έφτασε το 1,3 l CH 4 /l αντιδραστήρα/d τη πέμπτη ημέρα και έπειτα παρέμεινε σταθερός μεταξύ του 0,8 και 0,9 l/l αντιδραστήρα/d. Στο δεύτερο διαμέρισμα η υψηλότερη τιμή του ρυθμού παραγωγής μεθανίου ήταν 0,4 l CH 4 /l αντιδραστήρα/d επίσης την πέμπτη ημέρα και έπειτα μειώθηκε παραμένοντας σταθερή στα 0,2 l CH 4 /l αντιδραστήρα/d. Η απόδοση του συστήματος ήταν 0,3 l CH 4 /g XAO που τροφοδοτήθηκε. Συμπεράσματα Στα πειράματα όπου χρησιμοποιήθηκε μόνο η στερεά φάση του αποβλήτου, η μετατροπή των πτητικών στερεών, για κάθε φόρτιση σε πτητικά στερεά, ήταν περίπου 40 με 45%. Απομακρύνοντας το υγρό μέρος από τον αντιδραστήρα με ρυθμό μεγαλύτερο από ότι τα στερεά, θα είχε ως αποτέλεσμα τη συλλογή ενός υγρού πλούσιου σε οξέα. Όπως φάνηκε η διαλυτοποίηση του ΧΑΟ ήταν γρηγορότερη στους 55 o C από ότι στους 35 o C. Η αναερόβια επεξεργασία της υγρής φάσης του αποβλήτου ήταν πολύ αποτελεσματική καθώς επιτεύχθηκε μείωση 90% στο ολικό ΧΑΟ και περίπου 97% στο διαλυτό ΧΑΟ. Με βάση τις αποδόσεις σε μεθάνιο για το στερεό και το υγρό μέρος του αποβλήτου, εκτιμήθηκε ότι η απόδοση της αναερόβιας επεξεργασίας του αποβλήτου (συνολικά) σε μεθάνιο ήταν 18,3 l μεθανίου/l αποβλήτου. Καταλήγοντας, η αποδοτική επεξεργασία του αποβλήτου απαιτεί το διαχωρισμό της στερεάς από την υγρή φάση του, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης για κάθε φάση χωριστά, μεγιστοποιώντας τους διαφορετικούς ρυθμούς υδρόλυσης και αποδόμησης της οργανικής ύλης του στερεού και του υγρού μέρους του αποβλήτου. Η διεργασία της αναερόβιας επεξεργασίας των υπολειμμάτων της αλκοολικής ζύμωσης του σόργου, απαιτεί επίσης το σχεδιασμό μιας νέας και περισσότερο αποδοτικής διάταξης. Η ανάπτυξη μίας τέτοιας διάταξης παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο

192 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 8 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΒΑΘΜΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΤΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΣΟΡΓΟΥ 171

193 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου 172

194 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Από τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τα πειράματα που έγιναν σε συστήματα αναερόβιας χώνευσης ενός σταδίου (κεφάλαιο 6), καθώς και από τα πειράματα όπου μελετήθηκε η απόδοση σε βιοαέριο καθενός από τα δύο κλάσματα του αποβλήτου χωριστά (κεφάλαιο 7), θεωρήθηκε σκόπιμο να αναπτυχθεί ένα διβάθμιο αναερόβιο σύστημα εργαστηριακής κλίμακας, το οποίο θα συνδυάζει θερμοφιλική υδρόλυση του στερεού κλάσματος και ταχύρρυθμη χώνευση του υδρολύματος σε συνδυασμό με το υγρό κλάσμα. Η πειραματική διάταξη η οποία αναπτύχθηκε και περιγράφεται στη συνέχεια, αποτελεί πρότυπο σύστημα αναερόβιας χώνευσης αποβλήτων με μεγάλη περιεκτικότητα σε στερεά. Λειτουργία Διβάθμιας Αναερόβιας Πειραματικής Διάταξης Τα χαρακτηριστικά του διαχωρισμένου σε δύο κλάσματα απόβλητου του σόργου (στερεό και υγρό), που χρησιμοποιήθηκε για τη τροφοδοσία του συστήματος των δύο βιοαντιδραστήρων, συνοψίζονται στον πίνακα 8.1. Πίνακας 8.1 Χαρακτηριστικά του Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου TS (%) VS (%TS) TSS (g/l) VSS (%TSS) Ολικό ΧΑΟ (g/l) Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) ph Συνολικό απόβλητο Στερεό κλάσμα Υγρό κλάσμα 7, Για το διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης χρησιμοποιήθηκε η πειραματική διάταξη του σχήματος 8.1. Αναλυτικότερα περιγράφεται στο κεφάλαιο 5.3, οπού διαφοροποιείται μόνο ως προς το σύστημα άντλησης της απορροής του υδρολυτικού αντιδραστήρα και το αυτοματοποιημένο σύστημα επαναροής (με φλοτέρ) από τον PABR στον υδρολυτικό αντιδραστήρα. Στο πρώτο στάδιο, για να αυξηθεί η υδρόλυση των στερεών και να παρεμποδιστεί η μεθανογένεση, ο βιοαντιδραστήρας τύπου CSTR, όγκου 10 λίτρων, λειτουργούσε σε υψηλό χρόνο παραμονής στερεών (SRT) και χαμηλό υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT), σε θερμοκρασία 55ºC. Ο υψηλός SRT επιτυγχανόταν με ανακυκλοφορία του στερεού κλάσματος της εκροής του πρώτου σταδίου (μετά από το διαχωρισμό της 173

195 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου στερεής-υγρής φάσης), ενώ ο χαμηλός HRT επιτυγχανόταν με ανακυκλοφορία μέρους της απορροής του δεύτερου σταδίου στο πρώτο. Με τον τρόπο αυτό, το οργανικό φορτίο που ελευθερωνόταν στην υγρή φάση από την υδρόλυση των στερεών, απομακρυνόταν με γρήγορο ρυθμό (όπως καθοριζόταν από τον HRT του CSTR) και κατευθυνόταν στο στάδιο της μεθανογένεσης, ενώ ταυτόχρονα ο υγρός όγκος που απομακρυνόταν, αναπληρωνόταν με ισοδύναμο όγκο από την εκροή του σταδίου της μεθανογένεσης, που περιείχε χαμηλό οργανικό φορτίο. Η απορροή του υδρολυτικού χωνευτήρα λαμβάνονταν χειροκίνητα μία φορά την ημέρα, αφαιρώντας καθορισμένη, ομογενή (όσο αυτό ήταν δυνατόν) ποσότητα υγρούστερεού μίγματος από τα σημεία δειγματοληψίας, η οποία διαχωρίζονταν σε στερεό και υγρό κλάσμα. Ο διαχωρισμός γινόταν ακολουθώντας αρχικά τη διαδικασία της καθίζησης, στη συνέχεια το μίγμα των δύο διαχωρισμένων φάσεων διηθούνταν μέσα από ψιλή σήτα (τούλι) και έπειτα το διαχωρισμένο πλέον στερεό τυλιγμένο με το τούλι στυβόταν για περαιτέρω απομάκρυνση της υγρής φάσης. Το στερεό κλάσμα αμέσως μετά το διαχωρισμό, ανακυκλοφορούνταν πάλι πίσω στον υδρολυτικό χωνευτήρα, ενώ το υγρό κλάσμα συντροφοδοτούνταν με το υγρό μέρος του αποβλήτου στον PABR μέσο περισταλτικής αντλίας. Το δεύτερο στάδιο (μεθανογένεση) λάμβανε χώρα σε έναν ταχύρρυθμο αντιδραστήρα, τον περιοδικό αναερόβιο αντιδραστήρα με ανακλαστήρες (PABR), όγκου 15 λίτρων, ο οποίος λειτουργούσε σε μεσόφιλη θερμοκρασία 35 ºC. Η τροφοδοσία του PABR αποτελούταν από το υγρό μέρος της εκροής του υδρολυτικού CSTR και από το υγρό κλάσμα του αποβλήτου. Με τον τρόπο αυτό, το απόβλητο μετατρεπόταν σε βιοαέριο σε δύο στάδια: αφού είχε υδρολυθεί πρώτα το στερεό του μέρος στον αντιδραστήρα CSTR, στη συνέχεια ενώνοντας το ρεύμα των προϊόντων της υδρόλυσης με το ρεύμα του υγρού κλάσματος του αποβλήτου, λάμβανε χώρα η μεθανογένεση στον αντιδραστήρα PABR. Η υγρή απορροή του PABR συλλέγονταν σε ένα αναδευόμενο δοχείο απορροής, όπου μέρος της ανακυκλοφορούνταν χειροκίνητα στον υδρολυτικό χωνευτήρα. 174

196 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Απόβλητο (Υπόλειμμα αλκοολικής ζύμωσης γλυκού σόργου) Στερεή φάση αποβλήτου Ανακυκλοφορία στερεών Εκροή στερεών Υγρή φάση αποβλήτου 1 ο στάδιο (CSTR) Υδρόλυση Οξεογένεση Στερεό κλάσμα Διαχωρισμός εκροής Υγρό κλάσμα Ανακυκλοφορία απορροής 2 ο Στάδιο (PABR) Μεθανογένεση Απορροή υγρού Σχήμα 8.1 Πειραματική Διάταξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Αποβλήτου από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Αποτελέσματα Για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, εξετάστηκαν διάφορες συνθήκες λειτουργίας του διβάθμιου συστήματος. Αυξάνοντας το ρυθμό φόρτισης σε στερεά και μειώνοντας τον υδραυλικό χρόνο παραμονής, μεταβάλλονταν η οργανική φόρτιση τόσο στο συνολικό σύστημα όσο και χωριστά στα δύο στάδια του συστήματος. Έτσι, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες και εκτιμήθηκε η μέγιστη επιτρεπτή τιμή της οργανικής φόρτισης. Στα σχήματα 8.2 και 8.3 φαίνεται ο υδραυλικός χρόνος παραμονής και ο ρυθμός φόρτισης στερεών στο πρώτο στάδιο του συστήματος της αναερόβιας χώνευσης. Από τα σχήματα αυτά καθορίζονται οι χρονικές περίοδοι στις οποίες οι συνθήκες λειτουργίας ήταν σταθερές. Έτσι στα επόμενα σχήματα που αφορούν την απόδοση του CSTR, η 175

197 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου χρονική διάρκεια του πειράματος χωρίζεται σε ζώνες που αντιστοιχούν σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Οι μικροδιακυμάνσεις στον HRT οφείλονταν σε πειραματικό σφάλμα που προέρχονταν εξαιτίας της χειροκίνητης διαδικασίας που ακολουθούνταν για τη λήψη της εκροής του υδρολυτικού αντιδραστήρα. Τα ινώδη αιωρούμενα στερεά του αποβλήτου πολλές φορές έφραζαν τα σημεία δειγματοληψίας απ όπου λαμβάνονταν η απορροή, με αποτέλεσμα το μίγμα της απορροής να μην είναι ομογενές. Όταν αυτό συνέβαινε, είχε ως αποτέλεσμα ο όγκος του διαχωρισμένου υγρού κλάσματος να είναι είτε μεγαλύτερος, είτε μικρότερος από το προβλεπόμενο όγκο που καθόριζε τον HRT. Με τη πάροδο του χρόνου και την ταυτόχρονη αύξηση της συγκέντρωσης των στερεών στο χωνευτήρα, το πρόβλημα της ομογενούς απορροής γινόταν εντονότερο. Τις τελευταίες ημέρες του πειράματος ο CSTR, από κατασκευαστική άποψη, έφτασε στα όρια του καθώς η υψηλή συγκέντρωση των στερεών (~40 g VS/l) δημιούργησε πολλά λειτουργικά και τεχνικά προβλήματα, όπως περιορισμένη, μη ομογενή ανάδευση, δυσκολίες στη δειγματοληψία και συνεπώς στην απορροή του CSTR. Προκειμένου να αποτραπούν τα χειρότερα, όπως θραύση του Plexiglas του χωνευτήρα ή καταστροφής του μοτέρ ανάδευσης κ.α., και ταυτόχρονα να σταθεροποιηθεί κάπως το σύστημα σε μια νέα λειτουργική κατάσταση έγινε προσπάθεια να μειωθεί ο ρυθμός φόρτισης των στερεών και να αυξηθεί ο υδραυλικός χρόνος παραμονής. Τελικά όμως, το μοτέρ της ανάδευσης κρίθηκε ανεπαρκές και τέθηκε εκτός λειτουργίας λόγω βλάβης, αφού το φορτίο που δέχονταν ήταν μεγάλο. Στο σημείο αυτό σήμανε και η λήξη της συγκεκριμένης σειράς πειραμάτων. 176

198 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου 5,5 Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής, HRT (d) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 5 CSTR Χ ρόνος (d) Σχήμα 8.2 Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής στον Υδρολυτικό CSTR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 10 Ρυθμός Φόρτισης Στερεών (g VS/l/d) CSTR Χ ρόνος (d) Σχήμα 8.3 Ρυθμός Φόρτισης Στερεών στον CSTR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 177

199 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Κατά την εκκίνηση, η συγκέντρωση των στερεών στον αντιδραστήρα ήταν πολύ χαμηλή και αντιστοιχούσε στη βιομάζα του εμβολίου. Για να αυξηθεί η συγκέντρωση των στερεών του υδρολυτικού αντιδραστήρα δεν απομακρύνονταν στερεά από την εκροή, κι έτσι όλη η μάζα τους επέστρεφε στον αντιδραστήρα. Στο σχήμα 8.4, φαίνεται η συσσώρευση των πτητικών στερεών μέσα στον αντιδραστήρα μέχρι μια συγκέντρωση (~35-37 g/l), η οποία θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως η μέγιστη επιτρεπτή ώστε να μη δημιουργούνται προβλήματα στη λειτουργία του χωνευτήρα. Επίσης, στο σχήμα 8.5, παρουσιάζεται η συγκέντρωση του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (ΧΑΟ) τόσο του ολικού όσο και του διαλυτού. Από το σχήμα 8.6 φαίνεται ότι ο ειδικός ρυθμός υδρόλυσης των πτητικών στερεών και ο ειδικός ρυθμός απελευθέρωσης του ΧΑΟ από τη στερεά στην υγρή φάση, αυξάνεται, μειωμένου του υδραυλικού χρόνου παραμονής και αυξανομένου του ρυθμού φόρτισης των στερεών. Οι συνθήκες στις οποίες οι ρυθμοί υδρόλυσης και απελευθέρωσης του ΧΑΟ ήταν μέγιστοι, χωρίς να παρουσιάζονται λειτουργικά (τεχνικά) προβλήματα, ήταν για HRT 2.5 d και ρυθμό φόρτισης στερεών 3.67 g VS/l/d. 50 Συγκέντρωση Π.Σ. (g/l) d 1.52 gvs/l/d 3.33 d 3.05 gvs/l/d 3.33 d 3.37 gvs/l/d 2.5 d 3.67 gvs/l/d 2.3 d 9.18 gvs/l/d 10 0 CSTR Χρόνος (d) Σχήμα 8.4 Συγκέντρωση Πτητικών Στερεών στον CSTR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 178

200 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου 20 5 d 1.52 gvs/l/d 3.33 d 3.37 gvs/l/d 2.3 d 9.18 gvs/l/d Συγκέντρωση ΧΑΟ (g/l) d 3.05 gvs/l/d 2.5 d 3.67 gvs/l/d CSTR 0 ολικό ΧΑΟ διαλυτό ΧΑΟ Χρόνος (d) Σχήμα 8.5 Συγκέντρωση ΧΑΟ στον CSTR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Ειδικός Ρυθμός Υδρόλυσης (g/l/d) d 1.52 gvs/l/d 3.33 d 3.05 gvs/l/d 3.33 d 3.37 gvs/l/d μείωση πτητικών στερεών 2.5 d 3.67 gvs/l/d 2.3 d 9.18 gvs/l/d απελευθέρωση διαλυτού ΧΑΟ CSTR Χρόνος (d) Σχήμα 8.6 Ειδικός Ρυθμός Υδρόλυσης των Πτητικών Στερεών και Απελευθέρωσης του ΧΑΟ από τη Στερεά στην Υγρή Φάση στον CSTR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 179

201 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Στο δεύτερο στάδιο του συστήματος (PABR), ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) και ο ρυθμός οργανικής φόρτισης (OLR) που επιλέχτηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος, φαίνεται στα σχήματα 8.7 και 8.8 αντίστοιχα. Πρέπει να σημειωθεί ότι η τροφοδοσία του PABR επηρεαζόταν από την παροχή των δύο ρευμάτων τροφοδοσίας του (το ένα από τον CSTR και το άλλο από το υγρό κλάσμα του αποβλήτου). Έτσι στα παρακάτω σχήματα, εκτός από τις τελικές τιμές του HRT και του OLR, φαίνεται και η συνεισφορά των δύο ρευμάτων στις δύο αυτές παραμέτρους. Οι τιμές των παραμέτρων αυτών καθόρισαν και το διαχωρισμό της απόκρισης του αντιδραστήρα σε ζώνες, όπου οι λειτουργικές συνθήκες είναι σταθερές (Πίνακας 8.2). Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής (d) Συνολικά PABR υγρό κλάσμα αποβλήτου εκροή CSTR Χρόνος (d) Σχήμα 8.7 Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής στον PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 180

202 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Ρυθμός Οργανικής Φόρτισης (g ολ.χαο/l/d) PABR Συνολικά υγρό κλάσμα απόβλητου εκροή CSTR Χρόνος (d) Σχήμα 8.8 Ρυθμός Οργανικής Φόρτισης στον PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Πίνακας 8.2 Συνθήκες Λειτουργίας του PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Χρόνος (d) HRT (d) OLR (g ΧΑΟ/l/d) ,7 0, ,8 0, ,5 1, ,2 2, ,2 2, ,6 4, ,4 6,55 Στο σχήμα 8.9 και 8.10 φαίνεται η συγκέντρωση του ολικού και διαλυτού ΧΑΟ στην τροφοδοσία και στην εκροή του PABR. Γενικά, αυξανομένου του ρυθμού οργανικής φόρτισης, το ΧΑΟ της εκροής αυξήθηκε λίγο με αποτέλεσμα η απόδοση του PABR να κρατηθεί σε ικανοποιητικά επίπεδα (μείωση ~75% ολικό ΧΑΟ και ~85% διαλυτό ΧΑΟ). 181

203 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Ολικό ΧΑΟ (g/l) τροφοδοσία εκροή Ποσοστό Mείωσης Ολικού ΧΑΟ (%) 0 PABR Χρόνος (d) Σχήμα 8.9 Συγκέντρωση Ολικού ΧΑΟ στον PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) PABR τροφοδοσία εκροή Ποσοστό Mείωσης Διαλυτου ΧΑΟ (%) Χρόνος (d) 0 Σχήμα 8.10 Συγκέντρωση Διαλυτού ΧΑΟ στον PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 182

204 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Η συγκέντρωση του ΧΑΟ στην εκροή του PABR έφτασε περίπου τα 2,5 g/l και δε μπορούσε να διασπαστεί περαιτέρω, πιθανότατα λόγω κάποιων ιδιαίτερων χαρακτηριστικών στη δομή των προϊόντων που απελευθερωνόντουσαν από τη διάσπαση της λιγνίνης. Επίσης, στο σχήμα 8.11 φαίνεται η συγκέντρωση των πτητικών αιωρούμενων στερεών στην τροφοδοσία και την εκροή του PABR. Η συγκέντρωση των ΠΑΣ στην εκροή αυξάνεται ελαφρά με την αύξηση του ρυθμού οργανικής φόρτισης Συγκέντρωση Π.Α.Σ. (g/l) PABR τροφοδοσία εκροή Ποσοστό απομάκρυνσης (%) Χρόνος (d) Σχήμα 8.11 Συγκέντρωση Πτητικών Αιωρούμενων Στερεών στον PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Στο σχήμα 8.12 φαίνεται η διακύμανση του ph κατά τη διάρκεια του πειράματος τόσο στον CSTR όσο και στον PABR. Πρέπει να τονιστεί ότι δεν έγινε καμιά προσθήκη χημικής ένωσης για ρύθμιση του ph, αφού ήταν εφικτή η αυτορύθμιση του συστήματος λόγω της αυξημένης αλκαλικότητας. Η παραγωγή μεθανίου κατά το μεγαλύτερο μέρος, λάμβανε χώρα στον PABR όπως φαίνεται στο σχήμα Όπως αναμενόταν, ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου αυξανόταν όταν αυξανόταν ο ρυθμός οργανικής φόρτισης. Η μέση περιεκτικότητα του μεθανίου στο βιοαέριο ήταν 65-70%. Η διατήρηση του υψηλού ποσοστού μετατροπής του ΧΑΟ (~85-90%) οδήγησε σε υψηλή παραγωγή μεθανίου (~1,6 l CH 4 /l/d). 183

205 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου 9,0 8,5 8,0 7,5 ph 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 CSTR PABR Χρόνος (d) Σχήμα 8.12 ph στον CSTR και PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Ρυθμός Παραγωγής Μεθανίου (l CH 4 /l/d) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, d 0.67 gxao/l/d 5 d 1.52 gvs/l/d 5.80 d 0.97 gxao/l/d 3.33 d 3.05 gvs/l/d 5.50 d 1.67 gxao/l/d 5.22 d 2.24 gxao/l/d 3.33 d 3.37 gvs/l/d 4.23 d 2.85 gxao/l/d 3.60 d 4.82 gxao/l/d 2.5 d 3.67 gvs/l/d 3.36 d 6.55 gxao/l/d 2.3 d 9.18 gvs/l/d Χρόνος (d) CSTR PABR Σχήμα 8.13 Ρυθμός Παραγωγής Μεθανίου στον CSTR και PABR κατά τη Διάρκεια του Διβάθμιου Πειράματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου 184

206 Κεφάλαιο 8 - Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Εφαρμογή του στα Υπολείμματα της Αλκοολικής Ζύμωσης του Σόργου Με βάση ότι ο όγκος του συστήματος είναι 25 λίτρα συνολικά, υπολογίστηκε ο υδραυλικός χρόνος παραμονής του συστήματος κατά τη διάρκεια του πειράματος και η απόδοση του συστήματος εκφρασμένη σε όγκο μεθανίου που παράχθηκε ανά λίτρο αποβλήτου που χρησιμοποιήθηκε (πίνακας 8.3). Πίνακας 8.3 Απόδοση Διβάθμιου Συστήματος με τα Υπολείμματα από την Αλκοολική Ζύμωση του Σόργου Χρονική περίοδος HRT (d) Απόδοση CH 4 (l CH 4 )/(l απβ) d d d 12,00 ± 0, d 12,51 ± 0, d 13,73 ± 0, d 15,93 ± 0, d 22,95 ± 2,18 Η απόδοση του συστήματος κατά τις τελευταίες μέρες λειτουργίας του είναι συγκρίσιμη με την απόδοση σε μεθάνιο που καταγράφηκε στα ξεχωριστά πειράματα που έλαβαν χώρα για το στερεό και υγρό κλάσμα του αποβλήτου όπου ήταν 18,28 l CH 4 /l αποβλήτου. Συμπεράσματα Το αναερόβιο σύστημα δύο σταδίων αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην επεξεργασία των υπολειμμάτων του σόργου, όπου ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου έφτασε τα 16 l CH 4 /l αποβλήτου με συνολικό υδραυλικό χρόνο παραμονής 19 d στο τέλος του πειράματος. Η περιεκτικότητα σε στερεά στον υδρολυτικό αντιδραστήρα έφτασε στο μέγιστο επίπεδο των 40 g/l πριν παρουσιαστούν τεχνικά και λειτουργικά προβλήματα στο σύστημα και κυρίως στον CSTR εξαιτίας της υψηλής φόρτισης σε στερεά. Παράλληλα η μετατροπή του ΧΑΟ στον PABR κυμάνθηκε στο 90%. Το σύστημα κατά την διάρκεια της εκκίνησης, δεν αντιμετώπισε ιδιαίτερα προβλήματα λειτουργίας. Με τα παραπάνω πειράματα αποδεικνύεται η καταλληλότητα της λειτουργίας του διβάθμιου συστήματος βιοαντιδραστήρων που αναπτύχθηκε, για την αναερόβια χώνευση αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση στερεών, όπως είναι τα υπολείμματα της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου μετά το στάδιο της απόσταξης. 185

207 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 9 Α Ν Α Ε Ρ Ο Β Ι Α Ε Π Ε Ξ Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α Τ Ο Υ Γ Λ Υ Κ Ο Υ Σ Ο Ρ Γ Ο Υ 187

208 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου 188

209 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Το γλυκό σόργο, ως ενεργειακό φυτό, κάτω από συγκεκριμένες βιολογικές διαδικασίες μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις ενέργειας, υπό μορφή βιοαερίου (CH 4 και CO 2 ). Έχοντας αναπτύξει σε προηγούμενο κεφάλαιο ένα σύστημα για την αναερόβια χώνευση αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση στερεών, το επόμενο βήμα ήταν η μελέτη της δυνατότητας χρήσης του γλυκού σόργου αυτού καθ αυτού για παραγωγή βιοαερίου, χωρίς δηλαδή την πρότερη παραγωγή βιοαιθανόλης. Μια και το γλυκό σόργο είναι μία ενεργειακή καλλιέργεια και αποτελεί στερεό υπόστρωμα, η μελέτη που περιγράφεται στο παρόν κεφάλαιο, έδωσε τη δυνατότητα αξιοποίησης του συστήματος που αναπτύχθηκε για παραγωγή βιοαερίου από ενεργειακές καλλιέργειες ή/και στερεά απόβλητα γενικότερα. Στα πειράματα που περιγράφονται στη συνέχεια το γλυκό σόργο χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα, σε σύστημα αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων, για την παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου (CH 4 και CO 2 ). Προκειμένου να εφαρμοστεί το διβάθμιο σύστημα το οποίο αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 8, βασική προεπεξεργασία του στερεού υποστρώματος είναι η αιώρησή του σε νερό και ο εν συνεχεία διαχωρισμός υγρού και στερεού κλάσματος. Εξυπακούεται ότι η προεπεξεργασία αυτή οδηγεί σε εκχύλιση σημαντικού μέρους (του πιο ευδιάλυτου) του οργανικού κλάσματος του αποβλήτου από την στερεά στην υγρή φάση. Ιδιαίτερα στην περίπτωση του γλυκού σόργου, ένα μεγάλο μέρος των υδατανθράκων του διαλυτοποιείται εύκολα και επομένως καταλήγει στο υγρό κλάσμα προς απ ευθείας τροφοδότηση στον ταχύρρυθμο χωνευτήρα. Η προηγούμενη εμπειρία με το διβάθμιο σύστημα που περιγράφηκε στο όγδοο κεφάλαιο οδήγησε σε σημαντικές βελτιώσεις/τροποποιήσεις του συστήματος συζευγμένων αντιδραστήρων, προκειμένου να διασφαλιστεί η απρόσκοπτη λειτουργία του συστήματος χωρίς προβλήματα. Ακατέργαστο Γλυκό Σόργο και Διαδικασία Μετατροπής του σε Κατάλληλο Υπόστρωμα Το τελικό υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα της αναερόβιας χώνευσης, προέρχονταν από τη συγκομιδή της ετήσιας καλλιέργειας της ποικιλίας του γλυκού σόργου Keller, όταν το φυτό απέδιδε τη μέγιστη τιμή σακχάρων στο στέλεχος του (φωτογραφία 9.1). Η σπορά, η καλλιέργεια και η παρακολούθηση των ιδιοτήτων του φυτού μέχρι τη συγκομιδή του έγινε από το τμήμα της Βιολογίας του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Επίκουρου Καθηγητή κυρίου Κώστα Αγγελόπουλου. Στη 189

210 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου συνέχεια μετά τη συγκομιδή του ακατέργαστου γλυκού σόργου, ακολούθησε μια σειρά διαδοχικών διεργασιών για την μετατροπή του σε κατάλληλο υπόστρωμα για τη περαιτέρω επεξεργασία του μέσω της διαδικασίας της αναερόβιας χώνευσης σε σύστημα δύο σταδίων. Έτσι, αφού συγκεντρώθηκαν οι απαιτούμενες για τα πειράματα ποσότητες σόργου, απομακρύνθηκαν τα φύλλα από τα κοτσάνια, και στη συνέχεια το φυτό τεμαχίστηκε σε μέγεθος στερεών της τάξεως του 1-5 mm με τη χρήση ενός κλαδοτεμαχιστή (φωτογραφία 9.2), αφού προηγουμένως το φυτό είχε καταψυχθεί. Αμέσως μετά τον τεμαχισμό όλης της ποσότητας του σόργου, το τριμμένο σόργο ομογενοποιήθηκε και στη συνέχεια εκχυλίστηκε υδατικά σε συγκέντρωση 5 % κ.ο., υπό ανάδευση για 1 ώρα στους 30 C (φωτογραφία 9.3). Οι συγκεκριμένες συνθήκες υδατικής εκχύλισης, έπειτα από μία σειρά δοκιμών που έγιναν υπό διαφορετικές συνθήκες κάθε φορά (με μεταβλητές παραμέτρους τη συγκέντρωση των στερεών, το χρόνο, τη θερμοκρασία, την ανάδευση και τη διαδικασία διαχωρισμού), επιλέχτηκαν ως βέλτιστες με βάση το ποσοστό διαλυτοποίησης του στερεού μέρους στο υγρό και την τιμή του ph. Η ποσότητα του νερού που χρησιμοποιήθηκε για τη διεργασία της εκχύλισης, ήταν η ελάχιστη δυνατή, με την οποία όμως εξασφαλιζόταν η πλήρης εκχύλιση των διαλυτών υδατανθράκων. Το υδατικά εκχυλισμένο στερεό/υγρό μίγμα, διαχωρίστηκε με στύψιμο μέσα από ψιλή σήτα (~0,5 mm), πολλαπλών στρωμάτων. Το υγρό μέρος του εκχυλισμένου σόργου αποθηκεύτηκε σε πλαστικές φιάλες και μαζί με το στερεό υπόλειμμα καταψύχθηκαν στους -30 o C. 190

211 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Φωτογραφία 9.1 Ετήσια Καλλιέργεια της Ποικιλίας του Γλυκού Σόργου Keller 191

212 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Φωτογραφία 9.2 Τεμαχισμός Γλυκού Σόργου σε Μέγεθος Στερεών 1-5 mm Φωτογραφία 9.3 Υδατική Εκχύλιση Σόργου (5 % κ.ο., υπό ανάδευση για 1h στους 30 C) 192

213 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Τα χαρακτηριστικά του εκχύλισμένου και διαχωρισμένου γλυκού σόργου που χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα, περιγράφονται στους πίνακες 9.1 και 9.2. Πίνακας 9.1 Χαρακτηριστικά Στερεής Φάσης Εκχυλισμένου Σόργου Ολικό COD 1,16 1,24 g/g VS Ολικά Στερεά (TS) % Υγρασία % Πτητικά Στερεά (VS) % of TS Πίνακας 9.2 Χαρακτηριστικά Υγρής Φάσης Εκχυλισμένου Σόργου ph 5,5 7 Διαλυτό COD g/l Ολικό COD g/l Ολικά Αιωρούμενα Στερεά (TSS) 1,35 2,85 g/l Πτητικά Αιωρούμενα Στερεά (VSS) 1,30 2, g/l % of TSS Οι τιμές στους πίνακες 9.1 και 9.2 είναι οι μέσες τιμές από την ανάλυση δειγμάτων της στερεάς και υγρής φάσης του εκχυλισμένου σόργου, που ελήφθησαν κατά διαστήματα στη διάρκεια των πειραμάτων. Συνολικά ελήφθησαν περισσότερα από 30 δείγματα. Πειραματική Διάταξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης Η διβάθμια διάταξη του συστήματος που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου (σχήμα 9.1), ήταν σχεδόν όμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα με τα υπολείμματα από τη αλκοολική ζύμωση του σόργου (σχήμα 8.1), με τη διαφορά ότι είχαν βελτιωθεί ορισμένα σημεία της και ξεπεράστηκαν τα όποια τεχνικά και λειτουργικά προβλήματα είχαν παρουσιαστεί στην προηγούμενη εργασία. Έτσι, η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου αποτελούταν από έναν υδρολυτικό αντιδραστήρα 10 λίτρων (HR: hydrolytic reactor) με μηχανική ανάδευση ο οποίος λειτούργησε ως στάδιο υδρόλυσης του στερεού υπολείμματος του 193

214 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου σόργου καθώς και ως στάδιο οξεογένεσης, σε θερμοκρασίες o C και από ένα ταχύρρυθμο μεθανογόνο αντιδραστήρα 15 λίτρων (PABR) στους 35 o C, που τροφοδοτούταν με το διαχωρισμένο υγρό μέρος της υδατικής εκχύλισης του σόργου και με την υγρή απορροή του HR. Ο PABR χρησιμοποιήθηκε για την μετατροπή της διαλυτής οργανικής ύλης σε βιοαέριο από μεθανογόνους μικροοργανισμούς. Η σημαντική τροποποίηση/καινοτομία που εισήχθηκε αφορά το σύστημα άντλησης της απορροής του υδρολυτικού αντιδραστήρα (βλέπε κεφάλαιο 5.3) και περιγράφεται στη συνέχεια. Στο εσωτερικό του υδρολυτικού αντιδραστήρα τοποθετήθηκε ένας κυλινδρικός, διάτρητος διαχωριστής στερεών-υγρών από Plexiglas, προσαρμοσμένος στον άξονα της ανάδευσης του αντιδραστήρα. Ο κυλινδρικός διαχωριστής ήταν κλειστός στο κάτω μέρος του και ανοικτός επάνω, ενώ περιμετρικά ήταν διάτρητος καθ όλο το ύψος του και καλυμμένος με διπλή σήτα πορώδους <0,5 mm. Έτσι τα μεγάλα στερεά (>0,5 mm) λόγω της σήτας και της περιστροφής του διαχωριστή μέσα στο στερεό-υγρό μίγμα μαγιάς-σόργου παρέμεναν από την έξω μεριά του διαχωριστή, ενώ το υγρό και κάποια στερεά (<0,5 mm) περνούσαν στο εσωτερικό του διαχωριστή, όπου λόγω φυγοκεντρικών δυνάμεων μέρος τους κατακρατούνταν στα τοιχώματα του. Έτσι, το υγρό που υπήρχε στο διαχωριστή, με ολικά αιωρούμενα στερεά <1 g/l απομακρύνονταν μέσω μιας περισταλτικής αντλίας και τροφοδοτούταν στον PABR, αφού πρώτα γινόταν περαιτέρω απομάκρυνση των εναπομεινάντων αιωρούμενων στερεών με καθίζηση, όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο 5.3. Το στερεό μέρος του HR απομακρύνοταν μόνο από τα σημεία δειγματοληψίας του αντιδραστήρα, έτσι ώστε η συγκέντρωση των στερεών στον αντιδραστήρα να μπορεί να διατηρείται σταθερή. Επίσης, μέρος της απορροής του PABR ανακυκλοφορούταν πίσω στον HR, μέσω ενός αυτοματοποιημένου συστήματος επαναροής με πλωτήρα (κεφάλαιο 5.3), έτσι ώστε να διατηρείται σταθερός ο όγκος του χωνευτήρα HR και να επιτευχθεί χαμηλός υδραυλικός χρόνος παραμονής. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα το πρώτο στάδιο της διεργασίας να λειτουργήσει σε υψηλούς χρόνους παραμονής στερεών (>40d), αλλά χαμηλούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής (<3,5d). 194

215 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Στερεή τροφοδοσία Υγρή τροφοδοσία 1 ο Στάδιο 2 ο Στάδιο Διαχωριστής στερεού-υγρού Απορροή HR Στερεό απόβλητο HR PABR Ανακυκλοφορία υγρού Υγρό απόβλητο Σχήμα 9.1 Πειραματική Διάταξη Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου Αποτελέσματα Ο υδρολυτικός αντιδραστήρας λειτούργησε σε υψηλούς χρόνους παραμονής στερεών (SRT), καθώς η υδρόλυση ήταν το κινητικά περιοριστικό βήμα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης των στερεών (Mata-Alvarez et al., 2000). Ο χαμηλός υδραυλικός χρόνος παραμονής στον υδρολυτικό αντιδραστήρα απέτρεπε τη συσσώρευση των πτητικών λιπαρών οξέων και την πτώση του ph, παράγοντες που θα μπορούσαν να παρεμποδίσουν την διεργασία της υδρόλυσης (Ghosh,1984; Arntz et al., 1985). Η απόδοση του συστήματος του βιοαντιδραστήρα εξετάστηκε κάτω από διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης στερεών (SLR) και HRT. Παράμετροι όπως τα πτητικά στερεά και ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου μετριόντουσαν διαρκώς προκειμένου να υπολογιστούν οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες όπως παρουσιάζονται στους πίνακες 9.3 και 9.4. Η πορεία των πειραμάτων όσον αφορά την απόδοση του υδρολυτικού αντιδραστήρα (HR) και του μεθανογόνου (PABR) φαίνεται στα παρακάτω σχήματα. 195

216 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 HRsolids 20 gvs/l HRT 3.33 d SLR 1.53 gvs/l/d HRsolids 32 gvs/l HRT 2 d SLR 3.05 gvs/l/d HRsolids 42 gvs/l HRsolids 35 gvs/l HRsolids 37 gvs/l HRsolids 32 gvs/l HRT 2 d SLR SLR 4.68 gvs/l/d 3.05 gvs/l/d ph 6,5 6,0 5,5 Αγελ/κοπριά 65 o C 5,0 4,5 4,0 ΗR 3,5 3, Χρόνος (d) Σχήμα 9.2 ph Απορροής Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 9,0 8,5 8,0 HRT 5 d OLR 0.2 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 2.25 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 2.5 gχαο/l/d HRT 2.3 d OLR 3 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 1.3 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 1.75 gχαο/l/d 7,5 7,0 6,5 ph 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 PABR 3,5 3, Χρόνος (d) Σχήμα 9.3 ph Απορροής Μεθανογόνου Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 196

217 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Συνολικά VS που τροφοδοτήθηκαν στον HR Συνολικά VS που αφαιρέθηκαν από τον HR Στερεά (g VS/l αντιδραστήρα) ΗR Χρόνος (d) Σχήμα 9.4 Συνολικά Πτητικά Στερεά που Τροφοδοτήθηκαν και Αφαιρέθηκαν στον Υδρολυτικό Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου Στερεά (g VS/l αντιδραστήρα) ΗR Χρόνος (d) Σχήμα 9.5 Πτητικά Στερεά Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 197

218 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου VSS % of TSS 4 ΗR Στερεά (g VSS/l) Χρόνος (d) Σχήμα 9.6 Στερεά Απορροής Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 5 4 HRsolids 20gVS/l HRT 3.33 d SLR 1.53 gvs/l/d HRsolids 32gVS/l HRT 2 d SLR 3.05 gvs/l/d HRsolids 42gVS/l HRsolids 35gVS/l SLR 4.68 gvs/l/d HRsolids 37gVS/l HRT 2 d HRsolids 32gVS/l SLR 3.05 gvs/l/d Διαλυτό XAO (g/l) 3 2 ΗR Αγελ/κοπριά 65 o C Χρόνος (d) Σχήμα 9.7 Διαλυτό ΧΑΟ Απορροής Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 198

219 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου HRT 5 d OLR 0.2 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.25 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.5 gxao/l/d HRT 2.3 d OLR 3 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 1.3 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 1.75 gxao/l/d 7 PABR Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Συνολικά: απορροή HR + υγρή τροφ/σία Χρόνος (d) Σχήμα 9.8 Διαλυτό ΧΑΟ Τροφοδοσίας Μεθανογόνου Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 5,0 HRT HRT 2.3 d HRT 2.5 d OLR 2.5 d OLR 4,5 3 gxao/l/d OLR 1.75 gxao/l/d 4,0 HRT 5 d OLR 0.2 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.25 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.5 gxao/l/d 1.3 gxao/l/d Διαλυτό XAO (g/l) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 PABR Χρόνος (d) Σχήμα 9.9 Διαλυτό ΧΑΟ Απορροής Μεθανογόνου Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 199

220 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου 2,50 2,25 2,00 HRsolids 20 gvs/l HRT 3.33 d SLR 1.53 gvs/l/d HRsolids 32 gvs/l HRT 2 d SLR 3.05 gvs/l/d HRsolids 42 gvs/l HRsolids 35 gvs/l HRT 2 d SLR 4.68 gvs/l/d HRsolids 37 gvs/l HRsolids 32 gvs/l SLR 3.05 gvs/l/d Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου (l/l/d) 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 ΗR Αγελ/κοπριά 65 o C 0,25 0, Χρόνος (d) Σχήμα 9.10 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 2,50 2,25 2,00 HRT 5 d OLR 0.2 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 2.25 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR HRT 2.3 d OLR 3 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 2.5 gχαο/l/d 1.3 gχαο/l/d HRT 2.5 d OLR 1.75 gχαο/l/d Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου (l/l/d) 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 PABR 0,25 0, Χρόνος (d) Σχήμα 9.11 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου Μεθανογόνου Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 200

221 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου HRsolids 20 gvs/l HRT 3.33 d SLR 1.53 gvs/l/d HRsolids 32 gvs/l HRsolids 42 gvs/l HRT 2 d SLR 3.05 gvs/l/d HRsolids HRsolids 35 gvs/l 37 gvs/l HRT 2 d SLR 4.68 gvs/l/d HRsolids 32 gvs/l SLR 3.05 gvs/l/d Συσσωρευμένο Βιοαέριο (l) ΗR Αγελ/κοπριά 65 o C Χρόνος (d) Σχήμα 9.12 Συσσωρευμένο Βιοαέριο Υδρολυτικού Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου HRT 5 d OLR 0.2 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.25 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 2.5 gxao/l/d HRT 2.3 d OLR 3 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 1.3 gxao/l/d HRT 2.5 d OLR 1.75 g COD/l/d Συσσωρεύμενο Βιοαέριο (l) PABR Χρόνος (d) Σχήμα 9.13 Συσσωρευμένο Βιοαέριο Μεθανογόνου Αντιδραστήρα Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου 201

222 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα και τους πίνακες 9.3 και 9.4, στα πειράματα αυτά το αναερόβιο διβάθμιο σύστημα μελετήθηκε σε έξη διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες: Η πρώτη περίοδος λειτουργίας ήταν κατά τη διάρκεια της εκκίνησης του συστήματος, όπου οι λειτουργικές συνθήκες επιλέχτηκαν έτσι ώστε να επιτευχθεί μια ήπια προσαρμογή του συζευγμένου συστήματος βιοαντιδραστήρων καθώς και μια βάση σύγκρισης για τις επόμενες μόνιμες καταστάσεις. Κατά τη τέταρτη περίοδο λειτουργίας το σύστημα έφτασε στο όριο του, με αποτέλεσμα να οδηγηθεί σε μια ασταθή και κρίσιμη κατάσταση. Στην περίοδο αυτή, η βιομάζα του PABR ξίνισε λόγω του υψηλού ρυθμού οργανικής φόρτισης του 3 g ΧΑΟ/lαντιδραστήρα/d, της μείωσης του υδραυλικού χρόνου παραμονής του συστήματος σε 14 d και τη συσσώρευση οξέων όπου το ph έπεσε κάτω από 5. Οι λειτουργικές παράμετροι που μεταβάλλονταν στις λειτουργικές περιόδους 2, 3 και 5 ήταν η συγκέντρωση των στερεών στον υδρολυτικό αντιδραστήρα και ο ρυθμός οργανικής φόρτισης του μεθανογόνου αντιδραστήρα. Η συγκέντρωση των στερεών στον υδρολυτικό αντιδραστήρα ρυθμίζονταν λαμβάνοντας αρχικά όσο το δυνατόν πιο ομογενές δείγμα από το εσωτερικό του και στη συνέχεια, ανάλογα της μετρούμενης τιμής των TS, υπολογίζονταν η ποσότητα στερεού που έπρεπε να αφαιρεθεί από το χωνευτήρα, ώστε τα στερεά του χωνευτήρα να κυμαίνονται, κάθε φορά, γύρω από την προκαθορισμένη τιμή. Όταν επρόκειτο να αυξήσουμε τη συγκέντρωση των στερεών στο χωνευτήρα για την επίτευξη νέας συνθήκης λειτουργίας, κατά τη δειγματοληψία δεν αφαιρούνταν στερεά οπότε με τη καθημερινή τροφοδοσία εκχυλισμένου στερεού σόργου ο χωνευτήρας έφτανε στην επιθυμητή συγκέντρωση. Ακριβής υπολογισμός των στερεών του χωνευτήρα ήταν σχεδόν αδύνατον να επιτευχθεί λόγω πειραματικού σφάλματος που υπήρχε κατά τη δειγματοληψία, το οποίο σε ορισμένες περιπτώσεις έφτανε το 15%, εξαιτίας της υψηλής συγκέντρωσης των στερεών και άλλων λειτουργικών, σχεδιαστικών και τεχνικών περιορισμών του συστήματος. Ο ρυθμός οργανικής φόρτισης (OLR) του PABR ήταν σε άμεση εξάρτηση με τη συγκέντρωση των στερεών στον υδρολυτικό αντιδραστήρα και καθορίζονταν από το ρυθμό υδρόλυσης των στερεών του HR. Οι τιμές του OLR στο πίνακα 9.3 αναφέρονται σε κατάσταση ισορροπίας του συστήματος. Η έκτη κατάσταση ισορροπίας επιτεύχθηκε μετά τον εμπλουτισμό του υδρολυτικού αντιδραστήρα με εγκλιματισμένη μικροβιακή βιομάζα αγελαδοκοπριάς και λειτουργικές συνθήκες όμοιες με αυτές της δεύτερης λειτουργικής περιόδου. Ο 202

223 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου υδραυλικός χρόνος παραμονής του συστήματος, εκτός από τη περίοδο εκκίνησης του συστήματος και τη τέταρτη περίοδο, διατηρήθηκε στις 22 d. Η διάρκεια της κάθε μιας από τις έξη περιόδους εξαρτήθηκε από την προσαρμοστική ικανότητα του συστήματος στις νέες λειτουργικές συνθήκες. Κατά τη διάρκεια της τρίτης περιόδου λειτουργίας, η υψηλή συγκέντρωση των στερεών (42 g VS/l αντιδραστήρα) στον υδρολυτικό χωνευτήρα, δημιούργησε κάποια τεχνικά και λειτουργικά προβλήματα, όπως τη προβληματική λειτουργία του φλοτέρ του χωνευτήρα που είχε ως αποτέλεσμα την αυξομείωση της στάθμης του υγρού μίγματος του χωνευτήρα με αποτέλεσμα τις όποιες μικροδιακυμάνσεις στον HRT. Οι αυστηρά αναερόβιες συνθήκες του συστήματος δεν επέτρεπαν το άνοιγμα του αντιδραστήρα για τον απεγκλωβισμό του φλοτέρ από τα στερεά και έτσι έπρεπε μόνο του το σύστημα να επανέλθει στις προκαθορισμένες λειτουργικές συνθήκες. Επίσης, σε αυτή την υψηλή συγκέντρωση των στερεών παρουσιάστηκαν οριακά προβλήματα στη δειγματοληψία και την ανάδευση του HR, αλλά και στον περιστροφικό διαχωριστή υγρού-στερεού κλάσματος καθώς τα στερεά έφραζαν τους πόρους της προσαρτημένης σήτας με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η διέλευση του υγρού στο εσωτερικό του και να μην είναι εφικτή η επίτευξη χαμηλών υδραυλικών χρόνων παραμονής. Τέλος, προβλήματα λόγω της υψηλής συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών που πέρναγαν από το διαχωριστή και είχαν ως αποτέλεσμα το φράξιμο της περισταλτικής αντλίας και των σωληνώσεων του συστήματος, ξεπεράστηκαν με τη χρήση ενός συστήματος καθίζησης των αιωρούμενων στερεών, όπως προαναφέρθηκε. 203

224 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Πίνακας 9.3 Συνθήκες Λειτουργίας Διβάθμιου Συστήματος Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου Περίοδοι Λειτουργίας ΗR HRT 3, ημέρες SLR 1,53 3,05 3,05 4,68 3,05 3,05 g VS/l reactor /d Τροφοδοσία g wet/d Στερεά g VS/l reactor αντιδραστήρα Θερμοκρασία o C PABR HRT 5 2,5 2,5 2,3 2,5 2,5 ημέρες OLR 0,2 2,25 2,5 3 1,3 1,75 g ΧΑΟ/l reactor /d Τροφοδοσία , litres/d Θερμοκρασία 35 o C o C ΣΥΣΤΗΜΑ HRT ημέρες Διάρκεια ημέρες Πίνακας 9.4 Αποτελέσματα Αναερόβιας Χώνευσης του Γλυκού Σόργου με τη Χρήση Διβάθμιου Συστήματος ΗR Ρυθμός υδρόλυσης στερεών Υδρόλυση πτητικών στερεών τροφοδοσίας Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου Ποσοστό Περίοδοι Λειτουργίας ,33 ± 0,13 87 ± 9 0,72 ± 0,07 μεθανίου PABR Απομάκρυνση ΧΑΟ 58 ± 6 Ρυθμός παραγωγής 2,52 ± 0,27 82 ± 10 0,77 ± 0,09-42 ± 3 0,12 ± 0,04 91 ± 3 1,23 ± 0,15 2,40 ± 0,35 79 ± 11 0,32 ± 0,06 4 ± 2 88 ± 2 1,38 ± 0,14 1,55 ± 0,25 2,05 ± 0, ± 10 0,16 ± 0,03 0,23 ± 0, ± ± 3 0,63 ± 0,07 1,64 ± 0,25 2,25 ± 0,07 g VS/l reactor /d 74 ± 6 VS % 1,17 ± 0,11 l/l reactor /d 39 ± 2 % 82 ± 2 % 1,41 ± 0,08 l/l reactor /d βιοαερίου Ποσοστό μεθανίου ± 2 ± 3 ± 3 ± 2 % ΣΥΣΤΗΜΑ Ρυθμός παραγωγής μεθανίου - 0,52 0,46 0,23 0,63 0,63 l/l reactor /d * Όλες οι τιμές που παρουσιάζονται στο πίνακα 9.4, προέρχονται από τη μέση τιμή των δειγμάτων (~15 δείγματα) της κάθε περιόδου όταν το σύστημα βρισκόταν σε κατάσταση ισορροπίας. 204

225 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Ο υψηλότερος ρυθμός υδρόλυσης των στερεών (2,52 g VS/l αντιδραστήρα/d) μετρήθηκε στη δεύτερη περίοδο, όπου η συγκέντρωση των στερεών ήταν 32 g VS/l αντιδραστήρα και ο ρυθμός φόρτισης των στερεών ήταν 3,05 g VS/l αντιδραστήρα/d. Στην τρίτη περίοδο, η υψηλή συγκέντρωση των στερεών 42 g VS/lαντιδραστήρα, φαίνεται να παρεμποδίζει τους μεθανογόνους στον υδρολυτικό αντιδραστήρα καθώς το ποσοστό του μεθανίου ήταν μόλις το 4% του παραγόμενου βιοαερίου, χωρίς όμως να δρα ανασταλτικά στην υδρολυτική δραστηριότητα του HR, η οποία κυμάνθηκε στα 2,4 g VS/l αντιδραστήρα/d. Ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου και το ποσοστό μεθανίου του PABR έφτασαν τη μέγιστη τιμή τους 1,64 l/l αντιδραστήρα/d και 60% του βιοαερίου αντίστοιχα, στη πέμπτη περίοδο, όπου ο ρυθμός οργανικής φόρτισης ήταν μόλις 1,3 g ΧΑΟ/l αντιδραστήρα/d, ενώ η συγκέντρωση των στερεών στον υδρολυτικό ήταν 37 g VS/l αντιδραστήρα και ο ρυθμός υδρόλυσης των στερεών ήταν περίπου 2 g VS/l αντιδραστήρα/d. Στην έκτη περίοδο, όπου η μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα εμπλουτίστηκε με τη προσθήκη εμβολίου προσαρμοσμένης μαγιάς από αγελαδοκοπριά, η παραγωγή του βιοαερίου του υδρολυτικού αντιδραστήρα ήταν η υψηλότερη που επιτεύχθηκε από τις έξη περιόδους, φτάνοντας τα 1,17 l/l αντιδραστήρα/d χωρίς να παρεμποδίζει το ρυθμό υδρόλυσης των στερεών ο οποίος κυμάνθηκε στα 2,25 g VS/l αντιδραστήρα/d, γεγονός που αποδεικνύει τη συνύπαρξη υδρολυτικών και μεθανογόνων μικροοργανισμών στο εμβόλιο της αγελαδοκοπριάς. Το είδος της συνύπαρξης αυτής φαίνεται να οδηγεί το σύστημα σε μείωση της παραγωγής του μεθανίου, αφού το στάδιο της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης δεν μπορούν να βελτιστοποιηθούν χωριστά το καθένα. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι το προτεινόμενο διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου συνολικού όγκου 25 λίτρων λειτούργησε αποτελεσματικά, χωρίς να παρουσιαστούν λειτουργικά προβλήματα κατά την εκκίνηση του πειράματος και τη μετάβαση από τη μια λειτουργική κατάσταση στην άλλη μέσα στα πλαίσια των ορίων του συστήματος. Έτσι, η απόδοση του συστήματος έφτασε τα 0,63 l/l αντιδραστήρα/d σε μεθάνιο, με υδραυλικό χρόνο παραμονής 22 d και την υδρόλυση των στερεών να φτάνει το ποσοστό της τάξεως του 70-80%. 205

226 Κεφάλαιο 9 - Αναερόβια Επεξεργασία του Γλυκού Σόργου Συμπεράσματα Σύμφωνα με τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύεται ότι η χρήση ενός διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης στην επεξεργασία οργανικών υλικών με υψηλές συγκεντρώσεις στερεών, όπως είναι το γλυκό σόργο, λειτουργεί αποτελεσματικά και με ικανοποιητικές αποδόσεις, όσον αφορά την υδρόλυση των στερεών και την παραγωγή βιοαερίου και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη παραγωγή ενέργειας από βιομάζα (ενεργειακά φυτά). Η απόδοση του συστήματος των δύο βιοντιδραστήρων έφτασε σε ποσοστό υδρόλυσης των στερεών το %, ενώ ταυτόχρονα υψηλή ήταν και η παραγωγή μεθανίου η οποία έφτασε τα 0,63 l/l αντιδραστήρα/d με υδραυλικό χρόνο παραμονής 22 ημέρες. Οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες επιτεύχθηκαν κατά τη διάρκεια της δεύτερης και της έκτης περιόδου, όπου τα στερεά στον υδρολυτικό αντιδραστήρα ήταν 32 g VS/l αντιδραστήρα και ο ρυθμός οργανικής φόρτισης στο PABR ήταν μεγαλύτερος από 1,5 αλλά χαμηλότερος από 2,5 g XAO/l αντιδραστήρα/d. Η χρήση εμβολίου αγελαδοκοπριάς στην έκτη περίοδο κατόρθωσε να μειώσει το χρόνο μετάβασης του συστήματος σε κατάσταση ισορροπίας κατά 2/3 σε σχέση με τις άλλες περιόδους, πετυχαίνοντας επίσης υψηλές αποδόσεις. Το σύστημα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του ήταν πολύ σταθερό και μπορούσε να αντέχει σε απότομες μεταβολές και να ανακτά τις ιδιότητες του. Οι μικρές μεταβολές επηρέασαν το σύστημα μόνο όταν είχαν μεγάλη χρονική διάρκεια. Οι λειτουργικοί περιορισμοί του συστήματος προέρχονταν κυρίως από τα στερεά του υδρολυτικού αντιδραστήρα, το ρυθμό οργανικής φόρτισης του μεθανογόνου αντιδραστήρα και τον υδραυλικό χρόνο παραμονής του συστήματος. Στα πειράματα αυτά, το σύστημα πέρασε σε μια ασταθή και κρίσιμη κατάσταση λειτουργίας όπου ξίνισε η βιομάζα του PABR εξαιτίας του υψηλού ρυθμού οργανικής φόρτισης (3 g ΧΑΟ/l αντιδραστήρα/d), του χαμηλού υδραυλικού χρόνου παραμονής του συστήματος (14 d) και τη συσσώρευση οξέων (ph κάτω του 5). Επίσης, παρουσιάστηκαν κάποια τεχνικά προβλήματα στη λειτουργία και τη δειγματοληψία του HR εξαιτίας της υψηλής συγκέντρωσης στερεών 42 g VS/l. 206

227 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 10 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΥΔΡΟΛΥΣΗΣ ΤΟΥ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ ΜΕ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ 207

228 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση 208

229 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Παράλληλα με τα πειράματα αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου που έγιναν με τη χρήση του διβάθμιου συστήματος, πραγματοποιήθηκαν και ανεξάρτητα πειράματα αναερόβιας χώνευσης μικρότερης κλίμακας, χρησιμοποιώντας διαφορετικά είδη μαγιών και λειτουργικών συνθηκών προκειμένου να επιλεγεί μια μαγιά με τα καλύτερα χαρακτηριστικά με στόχο τη βελτιστοποίηση των συνθηκών μικροβιακής υδρόλυσης και γενικότερα του συστήματος αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων. Έτσι, μελετήθηκε η μεγιστοποίηση του ρυθμού υδρόλυσης σε κάθε περίπτωση, συναρτήσει διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων όπως της θερμοκρασίας, της συγκέντρωσης του σόργου, του χρόνου παραμονής, της μαγιάς, του ph, της αλκαλικότητας και της απομάκρυνσης διαλυτού οργανικού φορτίου. Η μελέτη αυτή έλαβε χώρα σε τέσσερεις διαφορετικές, αλλά αλληλένδετες, σειρές πειραμάτων αναερόβιας χώνευσης διαλείποντος έργου και τα αποτελέσματα παραθέτονται στη συνέχεια στα παρακάτω σχήματα και πίνακες. Στόχος της πρώτης σειράς πειραμάτων ήταν η παρατήρηση της συμπεριφοράς των χωνευτήρων με διαφορετικές μαγιές και συγκεντρώσεις υποστρώματος σε μια σχετικά μεγάλη χρονική περίοδο και η καταγραφή των μέγιστων ποσοστών υδρόλυσης και αποδόσεων όσο αφορά την απελευθέρωση διαλυτού ΧΑΟ και παραγωγής μεθανίου, απ όπου εντέλει επιλέγεται η καταλληλότερη συγκέντρωση του γλυκού σόργου και προσδιορίζονται ενδεικτικά οι χρόνοι παραμονής. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων αναερόβιας χώνευσης στόχευε στη μελέτη της υδρόλυσης του γλυκού σόργου κατά το διάστημα των πέντε πρώτων ημερών, με ταυτόχρονη ρύθμιση του ph γύρω από μια περιοχή όπου ευνοείται το στάδιο της υδρόλυσης των στερεών. Στη τρίτη σειρά πειραμάτων ο στόχος ήταν η απομάκρυνση των διαλυτών οργανικών ενώσεων από τους χωνευτήρες πριν αυτές μετατραπούν σε βιοαέριο, ώστε οι συνθήκες του υδρολυτικού χωνευτήρα να παραμείνουν αμετάβλητες και να μην παρεμποδιστεί η υδρόλυση από μεθανογόνο δράση. Η τελευταία σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε για την επιλογή της αποδοτικότερης μαγιάς, με βάση τις καταλληλότερες συνθήκες λειτουργίας που επιλέχθηκαν στις προηγούμενες σειρές πειραμάτων. Στη σειρά αυτή κατά τη διάρκεια της χώνευσης των στερεών οι χωνευτήρες βρίσκονταν υπό πλήρη και συνεχή ανάδευση. 209

230 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Αποτελέσματα Πειραμάτων Επιλογής Καταλληλότερης Συγκέντρωσης Γλυκού Σόργου και Ενδεικτικού Προσδιορισμού του Χρόνου Παραμονής Στη πρώτη σειρά πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα διαφορετικά μίγματα μαγιών και τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις γλυκού σόργου για τη κάθε μαγιά. Οι συγκεντρώσεις του σόργου που χρησιμοποιήθηκαν ήταν 14, 28 και 42 g TS/l και οι μαγιές προέρχονταν: α) από την ίδια προσαρμοσμένη μαγιά που χρησιμοποιήθηκε και στον υδρολυτικό αντιδραστήρα HR του διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου (κεφάλαιο 9) και που από δω και στο εξής για λόγους συντομίας θα αποκαλείται μαγιά HR ή υδρολυτικού αντιδραστήρα, β) από μαγιά από το βιολογικό σταθμό του Πανεπιστημίου Πατρών, γ) από μίγμα μαγιάς (1:1) από το στομάχι αγελάδας και της μαγιάς HR και τέλος δ) από μίγμα μαγιάς (1:1) HR και αγελαδοκοπριά. Η πειραματική διάταξη αποτελούταν από τέσσερα υδατόλουτρα σε θερμοκρασία 55 ο C. Σε κάθε υδατόλουτρο τοποθετήθηκαν τέσσερις κωνικές φιάλες του 1 λίτρου με ωφέλιμο όγκο 700 ml, όπου κάθε φιάλη περιείχε την ίδια μαγιά με διαφορετική συγκέντρωση σόργου, ενώ η μια από τις φιάλες χρησιμοποιήθηκε ως τυφλό (μόνο με μαγιά). Τα ολικά στερεά (TS) του εκχυλισμένου σόργου που χρησιμοποιήθηκε ήταν της τάξεως του 23%, με τα πτητικά στερεά να αποτελούν το 98% των TS. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων οι φιάλες αναδεύονταν περιοδικά και δεν γινόταν καμία ρύθμιση στο ph. Η διάρκεια του πρώτου πειράματος ήταν 63 ημέρες. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα. Στα σχήματα 10.1 και 10.2 φαίνονται τα στερεά που υδρολύθηκαν και αντίστοιχα το ποσοστό μείωσης των πτητικών στερεών συναρτήσει της συγκέντρωσης του σόργου για κάθε είδος μαγιάς που χρησιμοποιήθηκε, σε κάθε αντιδραστήρα. Οι αρχικές τιμές των πτητικών στερεών που τροφοδοτήθηκαν σε κάθε χωνευτήρα ήταν 9,60, 19,21 και 28,81 g VS κατ αντιστοιχία των συγκεντρώσεων 14, 28 και 42 g TS/l. Όπως φαίνεται τα μεγαλύτερα ποσοστά υδρόλυσης των πτητικών στερεών επιτεύχθηκαν χρησιμοποιώντας μαγιά αγελαδοκοπριάς, ενώ γενικότερα παρατηρήθηκε ότι οι χωνευτήρες με τη χαμηλότερη συγκέντρωση σόργου έδωσαν υψηλά ποσοστά υδρόλυσης. Στο ποσοστό της υδρόλυσης των στερεών, ένα μέρος του προέρχεται από τη διαλυτοποίηση του σόργου μετά τη τροφοδοσία του στον χωνευτήρα. 210

231 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Υδρόλυση Στερεών (g VS που υδρολύθηκαν) HR 9.60 g VS fed g VS fed g VS fed Βιολογικός Στομάχι Συγκέντρωση Σόργου (g TS/l) 42 Αγελαδοκοπριά Σχήμα 10.1 Υδρόλυση Στερεών Συναρτήσει της Συγκέντρωσης του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε για κάθε Είδος Μαγιάς που Χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Υδρόλυση Στερεών (% VS που υδρολύθηκαν) HR Βιολογικός Στομάχι Αγελαδοκοπριά Συγκέντρωση Σόργου (g TS/l) Σχήμα 10.2 Ποσοστό Υδρόλυσης Στερεών Συναρτήσει της Συγκέντρωσης του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε για κάθε Είδος Μαγιάς που Χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 211

232 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Όπως παρατηρούμε από το σχήμα 10.3, στους αντιδραστήρες με τη μαγιά από τον HR καθώς και το μίγμα με τη μαγιά από το στομάχι της αγελάδας, η απόδοση σε μεθάνιο είναι αμελητέα, καθώς η προσαρμοσμένη μαγιά του HR αποτελείται κυρίως από υδρολυτικά βακτήρια. Αντίθετα, αξιοσημείωτη είναι η απόδοση σε μεθάνιο στους αντιδραστήρες με μαγιά από το βιολογικό σταθμό και το μίγμα με την αγελαδοκοπριά, με ποσοστά που ξεπερνούν το 70% της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης. Όπως φαίνεται η μαγιά από το βιολογικό σταθμό και το μίγμα με την αγελαδοκοπριά αποδίδουν τα μεγαλύτερα ποσοστά σε μεθάνιο, προδίδοντας έτσι τη μεθανογόνο δράση τους και ιδιότητες τους, ενώ παράλληλα στη περίπτωση του μίγματος με την αγελαδοκοπριά συνδυάζεται με αξιόλογη απόδοση και στην υδρόλυση των στερεών. 0,60 0,55 HR Βιολογικός Στομάχι Αγελαδοκοπριά Απόδοση (l CH 4 / g VS που υδρολύθηκε) 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 94 % Μέγιστη θεωρητική απόδοση 71 % 73 % 69 % 52 % 4 % 0 % 2 % 0 % 0 % 0 % 1 % Συγκέντρωση Σόργου (g TS/l) Σχήμα 10.3 Απόδοση σε Μεθάνιο Συναρτήσει της Συγκέντρωσης του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε για κάθε Είδος Μαγιάς που Χρησιμοποιήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Στα σχήματα 10.4 έως 10.7 παρουσιάζεται ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου του κάθε χωνευτήρα χωριστά, καθ όλη τη διάρκεια της πρώτης σειράς πειραμάτων. 212

233 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/εβδομάδα) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μαγιά HR Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.4 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/εβδομάδα) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.5 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 213

234 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/εβδομάδα) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.6 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/εβδομάδα) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Mίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.7 Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 214

235 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ανάλογος με την απόδοση του μεθανίου ήταν και ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου. Σε όλες τις περιπτώσεις οι μέγιστες τιμές λαμβάνονται τη πρώτη εβδομάδα και έπειτα αρχίζουν να μειώνονται, όπου μετά τη 30 η ημέρα είναι σχεδόν μηδενικές με εξαίρεση τη συγκέντρωση των 28 g TS/l στη μαγιά του βιολογικού σταθμού και του μίγματος με τη μαγιά της αγελαδοκοπριάς. Στις δύο αυτές περιπτώσεις ο ρυθμός παραγωγής του βιοαερίου στη μεν μαγιά του βιολογικού αρχίζει να αυξάνεται πάλι μετά τη 30 η ημέρα, στο δε μίγμα μαγιάς με την αγελαδοκοπριά να πετυχαίνει τη μεγαλύτερη τιμή του από όλες τις μαγιές και συγκεντρώσεις, ξεπερνώντας τα 3,5 l/l/εβδομάδα τη δεύτερη εβδομάδα του πειράματος, ενώ μηδενίζεται μετά τη 45 η ημέρα διατηρώντας όλο αυτό το διάστημα την υπεροχή. Από το σχήματα παρατηρούμε ότι στους χωνευτήρες με τη μαγιά του βιολογικού σταθμού, αρχικά τις 30 πρώτες ημέρες το ποσοστό μεθανίου κυμαίνεται μεταξύ 40 και 70% και στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται, ενώ στον αντιδραστήρα με συγκέντρωση σόργου 28 g TS/l το ποσοστό σε μεθάνιο αυξάνεται μετά τη 30 η ημέρα και φτάνοντας στο 90%. Αντίστοιχα, οι αντιδραστήρες με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς τις τριάντα πρώτες ημέρες εμφανίζουν τα μεγαλύτερα ποσοστά μεθανίου (60-80%), με εξαίρεση τη συγκέντρωση σόργου των 42 g TS/l όπου κυμαίνεται σε χαμηλά ποσοστά μεθανίου μεταξύ 10 και 20%. Προφανώς, η υψηλή συγκέντρωση των στερεών πρέπει να δρα παρεμποδιστικά στους μεθανογόνους μικροοργανισμούς που περιέχει η αγελαδοκοπριά. Η απόδοση σε βιοαέριο, από την αναερόβια χώνευση του σόργου σε συγκέντρωση 28 g TS/l, με τη χρήση μαγιάς του βιολογικού σταθμού και του μίγματος μαγιάς ΗR και αγελαδοκοπριάς, επιβεβαιώνεται από τα σχήματα του συσσωρευμένου αερίου. 215

236 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά HR Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.8 Ποσοστό Μεθανίου για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά Bιολογικού σταθμού Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα 10.9 Ποσοστό Μεθανίου για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 216

237 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ποσοστό Μεθανίου (%) Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ποσοστό Μεθανίου για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μίγμα Μαγιάς ΗR και Αγελαδοκοπριά Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ποσοστό Μεθανίου για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριά, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 217

238 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο βιοαέριο (l) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μαγιά HR Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Βιοαέριο για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο (l) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Βιοαέριο για το Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 218

239 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο βιοαέριο (l) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Βιοαέριο για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο βιοαέριο (l) 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Βιοαέριο για το Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 219

240 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Το ph στους χωνευτήρες με την μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα και την μαγιά από το μίγμα HR και στομάχι αγελάδας (σχήματα και 10.18), πέφτει από τη πρώτη κιόλας εβδομάδα και σταθεροποιείται σε τιμές κάτω του 5. Αντιθέτως στους χωνευτήρες με μαγιά από τον βιολογικό σταθμό και μαγιά από το μίγμα HR και αγελαδοκοπριάς (σχήματα και 10.19), με εξαίρεση τη συγκέντρωση των 42 g TS/l, ενώ την πρώτη εβδομάδα πέφτει στη συνέχεια, στη συνέχεια αυξάνεται και σταθεροποιείται μεταξύ των τιμών 6,5 και 7,5. Στις δύο τελευταίες περιπτώσεις η υψηλή συγκέντρωση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα στους αντιδραστήρες με συγκέντρωση στερεών 42 g TS/l, φαίνεται ότι ρίχνει την αλκαλικότητα (βλέπε αναφορές κεφάλαιο 4.1) και κατά συνέπεια το ph. ph 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Τυφλό Σχήμα ph του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 220

241 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση ph 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα ph του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) ph 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 Mίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα ph του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 221

242 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση ph 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα ph του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Από τα παρακάτω σχήματα που απεικονίζουν το διαλυτό ΧΑΟ για κάθε περίπτωση, φαίνεται ότι τη στιγμή της τροφοδοσίας των στερεών στους χωνευτήρες, ένα μέρος τους διαλυτοποιείται άμεσα με αποτέλεσμα την αύξηση του διαλυτού ΧΑΟ. Για τη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα, το διαλυτό ΧΑΟ αυξάνεται την πρώτη εβδομάδα και στη συνέχεια παραμένει σταθερό. Στη μαγιά του βιολογικού σταθμού, η συγκέντρωση του διαλυτού ΧΑΟ αυξάνεται τις δύο πρώτες εβδομάδες και στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται. Για την περίπτωση του μίγματος μαγιάς ΗR με αγελαδοκοπριά, η μείωση αυτή ξεκινάει από τη πρώτη κιόλας στιγμή, καθώς το διαλυτό ΧΑΟ μετατρέπεται άμεσα σε βιοαέριο. Όσο για τη συγκέντρωση των 42 g TS/l το διαλυτό ΧΑΟ αυξάνεται και στη συνέχεια σταθεροποιείται, αφού η μετατροπή του σε βιοαέριο είναι μικρή. 222

243 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μαγιά HR Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μαγιά Bιολογικού σταθμού Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 223

244 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Mίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Mίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Τυφλό Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς, για κάθε Συγκέντρωση του Σόργου που Τροφοδοτήθηκε (1 η σειρά πειραμάτων) 224

245 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Όπως, φαίνεται από τα παραπάνω αποτελέσματα ιδιαίτερο ενδιαφέρον για περαιτέρω μελέτη παρουσιάζει το διάστημα της 1 ης εβδομάδας, όσον αφορά τη διαλυτοποίηση και υδρόλυση των στερεών, τη παραγωγή και συσσώρευση του διαλυτού ΧΑΟ, τη πτώση του ph και τη παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων, αλλά και το ρυθμό παραγωγής βιοαερίου. Αποτελέσματα Πειραμάτων Μικρής Διάρκειας, με Ρύθμιση ph Στη δεύτερη σειρά πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες μαγιές, ενώ επιλέχτηκε με βάση τα αποτελέσματα της πρώτης σειράς, η συγκέντρωση του υποστρώματος στα 28 g TS/l. Η θερμοκρασία παρέμεινε σταθερή στους 55 ο C. Στο υδατόλουτρο τοποθετήθηκαν κωνικές φιάλες με λειτουργικό όγκο 100 ml, όπου για κάθε μαγιά αντιστοιχούσαν 5 φιάλες. Το πείραμα είχε διάρκεια 5 ημερών και κάθε μέρα ανοίγονταν και από μια φιάλη από το κάθε είδος μαγιάς, προκειμένου να γίνονται οι αντίστοιχες μετρήσεις και αναλύσεις. Η ανάδευση των φιαλών γινόταν περιοδικά και το ph ρυθμίζονταν με τη προσθήκη H 2 SO 4 και NaOH 1 ή 0,2 Ν, προκειμένου να διατηρηθεί μεταξύ 5,5-6,0. Στα σχήματα έως και στο πίνακα 10.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του πειράματος. Όπως παρατηρούμε στα ακόλουθα σχήματα, η υδρόλυση στα πειράματα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς έφτασε το 23% των πτητικών στερεών, ενώ το αμέσως επόμενο υψηλό ποσοστό υδρόλυσης κυμάνθηκε στο 9% με τη χρήση της προσαρμοσμένης μαγιάς του HR. Είναι εμφανές ότι το μίγμα με τη μαγιά αγελαδοκοπριάς όπως και στο πρώτο πείραμα ευνοεί την υδρόλυση των στερεών σε σχέση με τις υπόλοιπες μαγιές. Το ποσοστό διαλυτοποίησης σε όλες τις περιπτώσεις ήταν μεταξύ 9 και 12 %. 225

246 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Υδρόλυση στερεών (g VS που υδρολύθηκαν) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Αρχικά 2.79 g VS Από διαλυτοποίηση HR Αρχικά 3.41 g VS Από διαλυτοποίηση Βιολογικός Αρχικά 3.30 g VS Από διαλυτοποίηση Στομάχι Αρχικά 2.79 g VS Από διαλυτοποίηση Αγελαδοκοπριά Σχήμα Υδρόλυση Στερεών για κάθε Είδος Μαγιάς που Χρησιμοποιήθηκε (2 η σειρά πειραμάτων) Υδρόλυση στερεών (% VS που υδρολύθηκαν) Διαλυτοποίηση 12 Υδρόλυση 9 HR Ολική Μείωση Στερεών 21 Διαλυτοποίηση Υδρόλυση 4 11 Ολική Μείωση Στερεών 15 Βιολογικός Διαλυτοποίηση Υδρόλυση 1 10 Στομάχι Ολική Μείωση Στερεών 11 Διαλυτοποίηση 9 Υδρόλυση 23 Ολική Μείωση Στερεών 32 Αγελαδοκοπριά Σχήμα Ποσοστό Υδρόλυσης Στερεών για κάθε Είδος Μαγιάς που Χρησιμοποιήθηκε (2 η σειρά πειραμάτων) 226

247 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (2 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού (2 η σειρά πειραμάτων) 227

248 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας (2 η σειρά πειραμάτων) Ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (l/l/d) 1,50 1,35 1,20 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0,15 0,00 Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Ρυθμός Παραγωγής Βιοαερίου του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (2 η σειρά πειραμάτων) 228

249 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Από τα παραπάνω σχήματα παρατηρούμε ότι ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου μετά τη πρώτη ημέρα μειώνεται φτάνοντας σε τιμές μικρότερες του 0,10 l/l/d. Η μεγαλύτερη τιμή βιοαερίου ~1,30 l/l/d επιτεύχθηκε με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, ενώ οι υπόλοιπες μαγιές δεν ξεπέρασαν τα 0,65 l/l/d. Το ποσοστό μεθανίου σε όλες τις περιπτώσεις, με εξαίρεση τη μαγιά του βιολογικού σταθμού, κυμάνθηκε μεταξύ του 55 και 70%. Η μαγιά του βιολογικού σταθμού έδωσε τα μεγαλύτερα ποσοστά μεθανίου, όπως και στο πρώτο πείραμα φτάνοντας το 85%. Το ph στους αντιδραστήρες κρατήθηκε μεταξύ 6,0 και 6,5 με προσθήκη ρυθμιστικού μέσου ΝαΟΗ. Μόνο στη περίπτωση του μίγματος μαγιάς HR και στομάχι αγελάδας το ph έπεσε στο 4,5 τη πρώτη ημέρα και μετά από διόρθωση ανέβηκε από τη 4 η ημέρα και έπειτα πάνω από τη τιμή 5. Η αλκαλικότητα των χωνευτήρων κυμάνθηκε γύρω στα 1500 mg CaCO 3 /l, με εξαίρεση τους χωνευτήρες με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς όπου κρατήθηκε στα 2500 mg CaCO 3 /l. Στα παρακάτω σχήματα διακρίνεται το διαλυτό ΧΑΟ που οφείλεται στη διαλυτοποίηση του στερεού σόργου τη στιγμή της τροφοδοσίας του (ημέρα 0). Στη συνέχεια μέχρι τη 3 η ημέρα παρατηρείται αύξηση του διαλυτού ΧΑΟ. Το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς και η μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα HR, όπως φαίνεται από τις τιμές του διαλυτού ΧΑΟ σε συνδυασμό με αυτό που ήδη έχει μετατραπεί σε βιοαέριο, έδωσαν καλές αποδόσεις απελευθέρωσης διαλυτού ΧΑΟ, οι οποίες αντικατοπτρίζονται στις τιμές της υδρόλυση των στερεών. Από τις μετρήσεις που έγιναν στον αντιδραστήρα με τη μαγιά του μίγματος HR και στομάχι αγελάδας, δεν ήταν εφικτή η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων λόγω της υψηλής αρχικής τιμής διαλυτού ΧΑΟ της μαγιάς (18 g/l). 229

250 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (2 η σειρά πειραμάτων) Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μαγιά Bιολογικού σταθμού Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού (2 η σειρά πειραμάτων) 230

251 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας (2 η σειρά πειραμάτων) Διαλυτό ΧΑΟ (g/l) Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Διαλυτό ΧΑΟ του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (2 η σειρά πειραμάτων) 231

252 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Από το πίνακα 10.1 διακρίνουμε το ποσοστό των πτητικών λιπαρών οξέων ΠΛΟ στο διαλυτό ΧΑΟ. Όπως φαίνεται στα πειράματα με τη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα και τη μαγιά του βιολογικού σταθμού από τη 3 η μέρα και έπειτα το ποσοστό των ΠΛΟ στο διαλυτό ΧΑΟ ξεπέρασε το 85%. Αντίστοιχα υψηλά κυμάνθηκε και στο πείραμα με το μίγμα μαγιάς του HR και της αγελαδοκοπριάς, φτάνοντας τη μέγιστη τιμή του (~95%) τη 2 η και 3 η ημέρα, ενώ τις επόμενες ημέρες το ποσοστό των ΠΛΟ στο διαλυτό ΧΑΟ ελαττωνόταν. Στη συσσώρευση των ΠΛΟ, οφείλεται πιθανών και η πτώση του ph με αποτέλεσμα τη συνολική παρεμπόδιση του συστήματος. Σε διαφορετική περίπτωση τα ΠΛΟ μπορεί να αρχίζουν να καταναλώνονται από πιθανά μεθανογόνα βακτήρια τα οποία στη συνέχεια μπορεί να αλλάξουν τη λειτουργία και τις αποδόσεις της διαδικασίας της υδρόλυσης. Η μαγιά του μίγματος HR και αγελαδοκοπριάς πετυχαίνει την πιο γρήγορη μετατροπή του διαλυτού ΧΑΟ σε ΠΛΟ σε σχέση με τις υπόλοιπες μαγιές. Το μεγαλύτερο μέρος των πτητικών λιπαρών οξέων ήταν οξικό οξύ και ακολουθούσαν το προπιονικό και το βουτυρικό. Η χρήση ενός συστήματος στο οποίο θα αφαιρείται μια ποσότητα υγρού καθημερινά και θα συμπληρώνεται με νερό, φαίνεται ότι είναι απαραίτητη προκειμένου να απομακρύνεται μέρος του υγρού του χωνευτήρα πριν αρχίσει η συσσώρευση του διαλυτού ΧΑΟ και των πτητικών λιπαρών οξέων. Ένα τέτοιο σύστημα θα βελτίωνε τις συνθήκες μικροβιακής υδρόλυσης και την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης του γλυκού σόργου. Πίνακας 10.1 Ποσοστό Πτητικών Λιπαρών Οξέων στο Διαλυτό ΧΑΟ (2 η σειρά πειραμάτων) Ημέρα Υδρολυτικός Βιολογικός HR και Στομάχι HR και αντιδραστήρας σταθμός αγελάδας αγελαδοκοπριά Μαγιά

253 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Αποτελέσματα Πειραμάτων με Περιοδική Αφαίρεση Υγρού από τους Χωνευτήρες Η τρίτη σειρά πειραμάτων σε σχέση με τη δεύτερη σειρά διαφοροποιείται μόνο στο ότι από τους χωνευτήρες αφαιρούνταν καθημερινά μια ποσότητα υγρού (50 ml) και η οποία αντικαθίστανται με ίση ποσότητα νερού. Η διαδικασία αυτή είχε ως στόχο την απομάκρυνση του πλούσιου σε διαλυτή οργανική ύλη, λόγω διαλυτοποίησης ή υδρόλυσης του σόργου, υγρού μέρους του χωνευτήρα. Επίσης, στα πειράματα αυτά το σόργο τοποθετήθηκε μέσα σε ειδικά σχεδιασμένη υφασμάτινη πορώδη σήτα και έπειτα τοποθετήθηκε μέσα στη κωνική φιάλη με τη μαγιά, έτσι ώστε το στερεό μέρος να είναι σε άμεση επαφή με τη μαγιά αλλά να παραμένει διαχωρισμένο από το υγρό μέρος του χωνευτήρα, αποτρέποντας έτσι πολλά λειτουργικά προβλήματα. Τα αποτελέσματα της τρίτης σειράς πειραμάτων παρουσιάζονται στο παρακάτω πίνακα και τα σχήματα που ακολουθούν. Όπως φαίνεται από τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα του πίνακα 10.2, οι χωνευτήρες με την μαγιά του μίγματος HR και αγελαδοκοπριάς στην περίοδο των 5 ημερών έδωσαν ικανοποιητικές τιμές υδρόλυσης στερεών φτάνοντας στο 23% μείωση των VS. Αντίθετα, η υδρόλυση των πτητικών στερεών στον χωνευτήρα με τη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα, ανήλθε μόλις στο 12%, ενώ οι χωνευτήρες με τις υπόλοιπες μαγιές δεν ξεπέρασαν το 8%. Το ποσοστό διαλυτοποίησης του στερεού σόργου τη στιγμή της τροφοδοσίας του στους χωνευτήρες κυμάνθηκε μεταξύ 5 και 9%. Η εξέλιξη της μείωσης των στερεών κατά την διάρκεια του πειράματος παρουσιάζεται στα σχήματα

254 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Πίνακας 10.2 Συνοπτικά Αποτελέσματα της 3 ης Σειράς Πειραμάτων Μαγιά Υδρολυτικού αντιδραστήρα Βιολογικού σταθμού HR και Στομάχι αγελάδας HR και Αγελαδοκοπριάς Ολική μείωση στερεών 21% των VS 16% των VS 14% των VS 28% των VS Διαλυτοποίηση στερεών 9% των VS 8% των VS 9% των VS 5% των VS Υδρόλυση στερεών 12% των VS 8% των VS 5% των VS 23% των VS Διαλυτό ΧΑΟ που απελευθερώθηκε 0,70 g 0,53 g 0,46 g 0,96 g Παραγόμενο ΧΑΟ λόγω διαλυτοποίησης 42% 49% 62% 18% Παραγόμενο ΧΑΟ λόγω υδρόλυσης 58% 51% 38% 82% % μετατροπής VS σε ΧΑΟ που δεν έγινε CH 4 52% 55% 20% 45% % μετατροπής VS σε CH 4 48% 45% 80% 55% Συσσωρευμένο βιοαέριο 0,221 l 0,158 l 0,229 l 0,268 l Σύσταση βιοαερίου σε CH 4 μεταξύ της 3 ης και 5 ης ημέρας 65-69% 52-57% 52-55% 70-76% 234

255 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων) Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) 235

256 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Mίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων) Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Mίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) 236

257 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Από τα 1,235 g ΧΑΟ/g VS (3,384 g ΧΑΟ συνολικά) που τροφοδοτήθηκαν σε κάθε χωνευτήρα, ο χωνευτήρας με τη μαγιά του μίγματος HR και αγελαδοκοπριάς έδωσε όπως ήταν αναμενόμενο, λόγω του υψηλού ποσοστού υδρόλυσης των στερεών, τη μεγαλύτερη τιμή (0,96 g) απελευθέρωσης ΧΑΟ, από την οποία το 82% προερχόταν από την υδρόλυση των στερεών. Παράλληλα το ποσοστό μετατροπής των πτητικών στερεών σε ΧΑΟ που παρέμεινε στο χωνευτήρα και δεν έγινε μεθάνιο, τόσο του χωνευτήρα με τη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα όσο και του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, κυμάνθηκε περίπου στο 50%, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό μετατράπηκε σε μεθάνιο. Από τα αποτελέσματα του πίνακα 10.2 καθώς και από τα σχήματα έως 10.45, παρατηρούμε ότι η μεγαλύτερη παραγωγή μεθανίου επιτεύχθηκε από τον χωνευτήρα με τη μαγιά του HR και την αγελαδοκοπριά, όπου η συνολική παραγωγή βιοαερίου έφτασε τα 268 λίτρα με το ποσοστό μεθανίου να αγγίζει το 76%. Αντίστοιχα υψηλά κυμάνθηκε και η παραγωγή μεθανίου (~125 l συνολικά) στο μίγμα μαγιών HR και στομάχι αγελάδας αφού η μετατροπή των VS σε μεθάνιο ήταν 80%. Η μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα παρήγαγε λιγότερο βιοαέριο μόλις 221 λίτρα με σχετικά υψηλό ποσοστό μεθανίου, καθώς είναι προσαρμοσμένη μαγιά και περιέχει κυρίως υδρολυτικούς και οξεογόνους μικροοργανισμούς. Τέλος, ο αντιδραστήρας με μαγιά από τον βιολογικό σταθμό παρήγαγε μόνο 81 λίτρα μεθανίου, καθώς υδρολύθηκε μόλις το 8% των VS και το ποσοστό μετατροπής του σε μεθάνιο ανήλθε στο 45%. Ενδεικτικά, η σύσταση του βιοαερίου σε μεθάνιο σε όλες τις περιπτώσεις, έφτασε τη μέγιστη τιμή της, τη 3 η με 5 η ημέρα. 237

258 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο Μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο Μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Μαγιά Bιολογικού σταθμού Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) 238

259 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο Μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Mίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι αγελάδας Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων) Συσσωρευμένο Μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Mίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) 239

260 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά Υδρολυτικού αντιδραστήρα Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (3 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά Bιολογικού σταθμού Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Βιολογικού Σταθμού (3 η σειρά πειραμάτων) 240

261 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιάς μίγμα HR & Στομάχι αγελάδας Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Στομάχι Αγελάδας (3 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Mίγμα Μαγιάς HR & Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (3 η σειρά πειραμάτων) 241

262 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Το ph των χωνευτήρων κυμάνθηκε μεταξύ 5,5 και 6,5 ρυθμίζοντας το με διάλυμα ΝαΟΗ αφού η αλκαλικότητα των χωνευτήρων από τη 1 η κιόλας ημέρα έπεσε κάτω από τα 1000 mg CaCO 3 /l, ενώ οι αρχικές τιμές των μαγιών ήταν περίπου στα 2000 mg CaCO 3 /l με τη μαγιά του μίγματος με την αγελαδοκοπριά να φτάνει τα 3500 mg CaCO 3 /l. Στο πίνακα 10.3 διακρίνεται το ποσοστό των πτητικών λιπαρών οξέων ΠΛΟ στο διαλυτό ΧΑΟ. Όπως φαίνεται στα πειράματα με την μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα, την 3 η και 4 η ημέρα το ποσοστό των ΠΛΟ στο διαλυτό ΧΑΟ ξεπέρασε το 80%. Στο πείραμα με τη μαγιά του βιολογικού σταθμού τα ΠΛΟ κρατήθηκαν σε ποσοστό κάτω του 76% του διαλυτού ΧΑΟ. Σε υψηλά ποσοστά κυμάνθηκε η περιεκτικότητα σε πτητικά λιπαρά οξέα στην περίπτωση με τα μίγματα μαγιάς από το στομάχι της αγελάδας και την αγελαδοκοπριά, με τιμή της τάξεως του 90% του διαλυτού ΧΑΟ. Στην περίπτωση με το μίγμα της αγελαδοκοπριάς έχουμε τη πιο γρήγορη μετατροπή διαλυτού ΧΑΟ σε ΠΛΟ σε σχέση με τις υπόλοιπες μαγιές, όπου από τη 1 η κιόλας ημέρα έφτασε τη μέγιστη τιμή και διατηρήθηκε για τρείς ημέρες πριν αρχίσει να μειώνεται. Το μεγαλύτερο μέρος των πτητικών λιπαρών οξέων ήταν οξικό οξύ και έπειτα ακολουθούσε το βουτυρικό. Πίνακας 10.3 Ποσοστό Πτητικών Λιπαρών Οξέων στο Διαλυτό ΧΑΟ (3 η σειρά πειραμάτων) Ημέρα Υδρολυτικού Βιολογικού HR και Στομάχι HR και αντιδραστήρα σταθμού αγελάδας αγελαδοκοπριάς Μαγιά

263 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Αποτελέσματα Πειραμάτων με Επιλεγμένες Μαγιές, υπό Ανάδευση, σε Θερμοκρασία 65 o C Στη τέταρτη και τελευταία από τη σειρά των πειραμάτων οι μαγιές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η μαγιά HR, το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς και μαγιά από σκέτη αγελαδοκοπριά. Για τα πειράματα αυτά χρησιμοποιήθηκε υδατόλουτρο με παλινδρομικό μηχανισμό για την ανάδευση των χωνευτήρων και επίσης η θερμοκρασία αυξήθηκε στους 65 o C. Η επιλογή της θερμοκρασίας αυτής έγινε καθώς ήταν η θερμοκρασία που είχε αναπτύξει η αγελαδοκοπριά στο λάκκο ταφής (χώνευσης) της κτηνοτροφικής μονάδας από όπου προήλθε. Επίσης, σε βιβλιογραφικές αναφορές όπως των El-Mashad et al., (2004), αποδεικνύεται ότι σε πολλές περιπτώσεις για θερμοκρασία μεγαλύτερη των 55 o C αυξάνεται η απόδοση της υδρόλυσης των στερεών και μειώνεται η παραγωγή του βιοαερίου. Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά παρέμειναν ίδια με αυτά της τρίτης σειράς πειραμάτων. Στο πίνακα 10.4 και στα σχήματα που παραθέτονται στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της τέταρτης και τελευταίας σειράς πειραμάτων. Όπως παρατηρούμε η συμπεριφορά και οι αποδόσεις των αντιδραστήρων με την μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα HR και με το μίγμα μαγιάς από τον HR και την αγελαδοκοπριά, δεν διαφοροποιούνται ιδιαίτερα σε σχέση με τη 3 η σειρά πειραμάτων. Η χρήση όμως μαγιάς μόνο από την αγελαδοκοπριά φαίνεται ότι ενισχύει τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης τόσο στο στάδιο της υδρόλυσης και οξεογένεσης, όσο και της μεθανογένεσης. Από το πίνακα 10.4 και τα σχήματα , φαίνεται ότι η μείωση των στερεών ήταν μεγαλύτερη στο πείραμα με τη μαγιά αγελαδοκοπριάς, όπου συνολικά σε διάστημα πέντε ημερών έφτασε το 37% των VS, με το ποσοστό διαλυτοποίησης του στερεού σόργου να μη ξεπερνάει το 7% των VS. 243

264 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Πίνακας 10.4 Συνοπτικά Αποτελέσματα της 4 ης Σειράς Πειραμάτων Μαγιά Υδρολυτικού αντιδραστήρα HR και Αγελαδοκοπριάς Αγελαδοκοπριάς Ολική μείωση στερεών 19% των VS 30% των VS 37% των VS Διαλυτοποίηση στερεών 9% των VS 5% των VS 7% των VS Υδρόλυση στερεών 10% των VS 25% των VS 30% των VS Διαλυτό ΧΑΟ που απελευθερώθηκε 0,64 g 1,00 g 1,26 g Παραγόμενο ΧΑΟ λόγω διαλυτοποίησης 50% 16% 19% Παραγόμενο ΧΑΟ λόγω υδρόλυσης 50% 84% 81% % μετατροπής VS σε ΧΑΟ που δεν έγινε CH 4 59% 47% 53% % μετατροπής VS σε CH 4 41% 53% 47% Συσσωρευμένο βιοαέριο 0,165 l 0,242 l 0,285 l Σύσταση βιοαερίου σε CH 4 μεταξύ της 3 ης και 5 ης ημέρας 62-67% 76-82% 74-79% 244

265 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων) Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Μίγμα Μαγιάς HR & Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) 245

266 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Στερεά (g VS) 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 Μαγιά Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Πορεία Στερεών του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Στην περίπτωση του διαλυτού ΧΑΟ που απελευθερώθηκε παρατηρούμε ότι η μαγιά από αγελαδοκοπριά απέδωσε 25% περισσότερο από το μίγμα (1:1) μαγιάς HR με αγελαδοκοπριά και 50% περισσότερο σε σχέση με τη προσαρμοσμένη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα HR, ενώ το παραγόμενο ΧΑΟ λόγω υδρόλυσης ανήλθε στο 81% του συνολικού. Το ποσοστό μετατροπής των VS σε ΧΑΟ που παρέμεινε στους χωνευτήρες κυμάνθηκε γύρω στο 50% ενώ το υπόλοιπο μετατράπηκε σε μεθάνιο, με εξαίρεση τον χωνευτήρα με τη μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα όπου το ποσοστό μετατροπής των VS σε ΧΑΟ που δεν έγινε μεθάνιο πλησίασε το 60%. Το βιοαέριο που παράχθηκε από την μαγιά της αγελαδοκοπριάς έφτασε τα 285 λίτρα συνολικά. Η σύσταση του, πλούσια σε μεθάνιο, ξεπέρασε το 70% καθ όλη τη διάρκεια του πειράματος. Η απόδοση σε μεθάνιο του χωνευτήρα με το μίγμα μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς, κρατήθηκε στα ίδια επίπεδα με τα αντίστοιχα της τρίτης σειράς πειραμάτων με 181 λίτρα CH 4 συνολικά. Τέλος, όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα 246

267 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση έως η μαγιά του υδρολυτικού αντιδραστήρα έδωσε τη χαμηλότερη απόδοση σε μεθάνιο. Συσσωρευμένο μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά HR Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά HR (4 η σειρά πειραμάτων) 247

268 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελaδoκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά μίγμα HR & Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με το Μίγμα Μαγιάς HR και Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) 248

269 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Συσσωρευμένο μεθάνιο (l) 0,250 0,225 0,200 0,175 0,150 0,125 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Μαγιά Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Συσσωρευμένο Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) Ποσοστό Μεθανίου (%) Μαγιά Αγελαδοκοπριάς Χρόνος (ημέρες) Σχήμα Σύσταση Βιοαερίου σε Μεθάνιο του Χωνευτήρα με τη Μαγιά Αγελαδοκοπριάς (4 η σειρά πειραμάτων) 249

270 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Το ph σε όλες τις περιπτώσεις κυμάνθηκε μεταξύ του 5,5 και του 7,0 με τη προσθήκη διαλύματος ΝαΟΗ, ενώ η αλκαλικότητα των χωνευτήρων μετά τη τροφοδοσία του στερεού γλυκού σόργου έπεσε κάτω από τα 1000 mg CaCO 3 /l. Από τον πίνακα 10.5 βλέπουμε ότι το ποσοστό των πτητικών λιπαρών οξέων στο διαλυτό ΧΑΟ των χωνευτήρων που περιείχαν αγελαδοκοπριά δεν ξεπέρασε το 50%. Είναι πολύ πιθανό στο αποτέλεσμα αυτό να συνέβαλε η αύξηση κατά 10 o C της θερμοκρασίας, η οποία μπορεί να παρεμπόδισε κάποιους οξεογόνους μικροοργανισμούς. Αντίστοιχα, με τη χρήση της μαγιάς του υδρολυτικού αντιδραστήρα, το ποσοστό των πτητικών λιπαρών οξέων στο διαλυτό ΧΑΟ τις τέσσερεις πρώτες ημέρες του πειράματος δεν ξεπέρασε το 70%. Τα πτητικά λιπαρά οξέα που παρήχθησαν σε όλους τους χωνευτήρες ήταν κυρίως οξικό οξύ σε ποσοστό μεγαλύτερο του 90%. Πίνακας 10.5 Ποσοστό Πτητικών Λιπαρών Οξέων στο Διαλυτό ΧΑΟ (4 η σειρά πειραμάτων) Ημέρα Υδρολυτικού HR και Αγελαδοκοπριάς αντιδραστήρα αγελαδοκοπριάς Μαγιά Συμπεράσματα Τα πειράματα αυτά έγιναν με στόχο τη βελτιστοποίηση των συνθηκών μικροβιακής υδρόλυσης του γλυκού σόργου, όπου τα αποτελέσματα της κάθε σειράς πειραμάτων αξιολογούνταν και στη συνέχεια εφαρμόζονταν τεχνικές και μέθοδοι βελτίωσης της διεργασίας. 250

271 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση Η συγκέντρωση τροφοδοσίας του σόργου στα παραπάνω πειράματα διαλείποντος έργου, επιλέχθηκε στα 28 g TS/l, καθώς στη συγκέντρωση αυτή η χώνευση των στερεών και γενικότερα η λειτουργία των χωνευτήρων ήταν πιο αποτελεσματική. Από το πρώτο πείραμα διάρκειας 60 ημερών καθώς και από τα υπόλοιπα πειράματα μικρότερης διάρκειας (5 ημερών), οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι για την υδρόλυση των στερεών απαιτούνται μικροί χρόνοι παραμονής τους στους χωνευτήρες καθώς και χαμηλοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής, προκειμένου η διεργασία να είναι αποδοτική και οι διαλυτές οργανικές ενώσεις να απομακρύνονται από τους χωνευτήρες πριν αυτές μετατραπούν σε βιοαέριο. Έτσι οι συνθήκες του υδρολυτικού χωνευτήρα παραμένουν αμετάβλητες και δεν παρεμποδίζεται η υδρόλυση από μεθανογόνο δράση. Το ph των χωνευτήρων μετά τη τροφοδοσία του στερεού γλυκού σόργου είχε τη τάση να πέφτει κάτω από 5,5, αρχικά λόγω διαλυτοποίησης των πτητικών στερεών και έπειτα λόγω παραγωγής πτητικών λιπαρών οξέων. Για ph μεταξύ 5,5 και 7, η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης λειτούργησε ικανοποιητικά. Το ποσοστό διαλυτοποίησης των στερεών τη στιγμή της τροφοδοσίας τους στο χωνευτήρα δεν ξεπέρασε το 10%. Στα πειράματα των 5 ημερών, το ποσοστό υδρόλυσης των πτητικών στερεών στη περίπτωση της προσαρμοσμένης μαγιάς HR έφτασε τη μέγιστη τιμή 12%, ενώ με τη χρήση του μίγματος μαγιάς HR και αγελαδοκοπριάς το ποσοστό αυτό διπλασιάστηκε φτάνοντας το 25%. Η επιλογή σκέτης μαγιάς από αγελαδοκοπριά έδωσε τη καλύτερη απόδοση στην υδρόλυση των στερεών αγγίζοντας το 30% των VS. Στην τέταρτη σειρά πειραμάτων, όπου επιλέγηκαν οι τρείς αποδοτικότερες μαγιές και κατάλληλες λειτουργικές συνθήκες των χωνευτήρων, τα πτητικά λιπαρά οξέα κυμάνθηκαν γύρω στο 45% του διαλυτού ΧΑΟ, ενώ σε ποσοστό περισσότερο του 90% των πτητικών λιπαρών οξέων ήταν οξικό οξύ. Το συσσωρευμένο μεθάνιο κυμάνθηκε στα ίδια επίπεδα μεταξύ των πειραμάτων 2 έως 4, ενώ στη μαγιά από καθαρή αγελαδοκοπριά η συνολική παραγωγή του μεθανίου ξεπέρασε τα 0,210 λίτρα. Από τις τέσσερεις σειρές πειραμάτων συμπεραίνουμε ότι η χρήση μαγιάς από αγελαδοκοπριά φέρει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του στερεού γλυκού σόργου. Η ταυτόχρονη συνύπαρξη υδρολυτικών και μεθανογόνων μικροοργανισμών σε συνδυασμό με τις πολύ καλές αποδόσεις τόσο στο ρυθμό υδρόλυσης των στερεών όσο και στη παραγωγή του μεθανίου, σε σχέση με τις άλλες μαγιές, δημιουργεί την πεποίθηση και τη προοπτική για μελέτη του μικροβιακού πληθυσμού της αγελαδοκοπριάς και του τρόπου συνύπαρξης των διαφόρων ειδών καθώς 251

272 Κεφάλαιο 10 - Βελτιστοποίηση Συνθηκών Μικροβιακής Υδρόλυσης του Γλυκού Σόργου με Αναερόβια Χώνευση και για περαιτέρω εξέταση των διεργασιών της αναερόβιας χώνευσης. Στο παράρτημα παρατίθενται φωτογραφίες και σχόλια από τη μικροσκοπική ανάλυση δειγμάτων που ελήφθησαν από τους χωνευτήρες και τις μαγιές. 252

273 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία Κ Ε Φ Α Λ Α Ι Ο 11 Γ Ε Ν Ι Κ Α Σ Υ Μ Π Ε Ρ Α Σ Μ Α Τ Α κ Μ Ε Λ Λ Ο Ν Τ Ι Κ Ε Σ Π Ρ Ο Τ Α Σ Ε Ι Σ 253

274 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία 254

275 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία Η εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής είχε ως στόχο την ανάπτυξη ενός καινοτόμου διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης στερεών/υγρών αποβλήτων, ικανού να διαχωρίσει τα στάδια της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης, προκειμένου να μελετηθούν χωριστά για κάθε στάδιο η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του και οι επιμέρους παράμετροι που επηρέαζαν τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, με απώτερο σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγή του βιοαερίου. Στα πειράματα που έγιναν χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα το στερεό/υγρό υπόλειμμα της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου και το αυτό καθ αυτό στερεό γλυκό σόργο ως ενεργειακό λιγνοκυτταρινούχο φυτό με υψηλά ποσοστά συγκέντρωσης σακχάρων. Ανακεφαλαιώνοντας τα κυριότερα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη ερευνητική αυτή μελέτη αναφέρονται τα εξής: Στα συστήματα ενός σταδίου που εφαρμόστηκαν σε κάθε περίπτωση απαιτήθηκε μεγάλος χρόνος παραμονής, ο οποίος δεν κρίθηκε ικανοποιητικός. Όπως προκύπτει, η παραγωγή βιοαερίου παρουσιάζει δύο μέγιστα. Το πρώτο αποδίδεται στη μεθανογένεση των εύκολα αποδομήσιμων οργανικών, και συμπίπτει με τη στιγμή της μεγαλύτερης μείωσης της συγκέντρωσης του διαλυτού ΧΑΟ και το δεύτερο πολύ αργότερα, αποδίδεται στα οργανικά που προέκυψαν από την υδρόλυση των στερεών. Η συνολική απόδοση σε παραγόμενο μεθάνιο οφείλονταν κατά το ήμισυ περίπου στην μετατροπή του στερεού κλάσματος και κατά το υπόλοιπο μισό στην (ταχύτερη) μετατροπή του υγρού κλάσματος. Το περιοριστικό βήμα της διεργασίας ήταν η υδρόλυση των στερεών. Η αποδοτική επεξεργασία του αποβλήτου (υπόλειμμα της αλκοολικής ζύμωσης του σόργου), απαιτεί το διαχωρισμό της στερεάς από την υγρή φάση του, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης για κάθε φάση χωριστά, μεγιστοποιώντας τους διαφορετικούς ρυθμούς υδρόλυσης και αποδόμησης της οργανικής ύλης του στερεού και του υγρού μέρους του αποβλήτου. Η καταλληλότητα της λειτουργίας του διβάθμιου συστήματος βιοαντιδραστήρων που αναπτύχθηκε για την αναερόβια χώνευση αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση στερεών, όπως είναι τα υπολείμματα της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου μετά το στάδιο της απόσταξης, αποδεικνύεται καθώς ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου έφτασε τα 16 l CH 4 /l αποβλήτου με συνολικό υδραυλικό χρόνο παραμονής του 255

276 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία συστήματος 19 d και παράλληλη μετατροπή του διαλυτού ΧΑΟ στον PABR που κυμάνθηκε στο 90%. Το σύστημα κατά την διάρκεια της εκκίνησης του, δεν αντιμετώπισε ιδιαίτερα προβλήματα λειτουργίας και αποδείχθηκε ιδιαίτερα σταθερό στις μεταβολές. Η μέγιστη συγκέντρωση στερεών που μπορούσε να διαχειριστεί ο υδρολυτικός αντιδραστήρας χωρίς να παρουσιαστούν τεχνικά και λειτουργικά προβλήματα ήταν περίπου 40 g VS/l. Επίσης, το διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης λειτούργησε το ίδιο αποτελεσματικά και στη περίπτωση του αυτού γλυκού σόργου ως υπoστρώματος, με ικανοποιητικές αποδόσεις όσον αφορά την υδρόλυση των στερεών και την παραγωγή βιοαερίου, αποδεικνύοντας έτσι και την ευρύτερη εφαρμογή του στο τομέα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα (ενεργειακά φυτά). Η απόδοση του συστήματος των δύο βιοντιδραστήρων έφτασε σε ποσοστό υδρόλυσης των στερεών του γλυκού σόργου το 70-80%, ενώ ταυτόχρονα υψηλή ήταν και η παραγωγή μεθανίου η οποία έφτασε τα 0,63 l/l αντιδραστήρα/d με υδραυλικό χρόνο παραμονής 22 ημέρες. Η βέλτιστη συγκέντρωση στερεών στον υδρολυτικό αντιδραστήρα ήταν 32 g VS/l και ο ρυθμός οργανικής φόρτισης του PABR ήταν μεταξύ του 1,5 και των 2,5 g XAO/l αντιδραστήρα/d. Για την υδρόλυση των στερεών απαιτούνται μικροί χρόνοι παραμονής τους στους χωνευτήρες καθώς και χαμηλοί υδραυλικοί χρόνοι παραμονής, προκειμένου η διεργασία να είναι αποδοτική και οι διαλυτές οργανικές ενώσεις να απομακρύνονται από τους χωνευτήρες πριν αυτές μετατραπούν σε βιοαέριο. Με τον τρόπο αυτό οι συνθήκες του υδρολυτικού χωνευτήρα παραμένουν αμετάβλητες και δεν παρεμποδίζεται η υδρόλυση από μεθανογόνο δράση. Για ph μεταξύ 5,5 και 7 η υδρόλυση των στερεών λειτούργησε ικανοποιητικά. Το ποσοστό διαλυτοποίησης των στερεών κατά τη τροφοδοσία τους στο χωνευτήρα δεν ξεπέρασε το 10%, ενώ όπως φάνηκε η διαλυτοποίηση του ΧΑΟ ήταν γρηγορότερη στους 55 o C από ότι στους 35 o C. Τα πτητικά λιπαρά οξέα ήταν στο μεγαλύτερο μέρος τους οξικό οξύ. Η χρήση εμβολίου αγελαδοκοπριάς κατόρθωσε να μειώσει το χρόνο μετάβασης του διβάθμιου συστήματος σε κατάσταση ισορροπίας κατά 2/3 σε σχέση με τη μαγιά χωρίς το εμβόλιο της αγελαδοκοπριάς, πετυχαίνοντας ταυτόχρονα ιδιαίτερα υψηλές αποδόσεις. 256

277 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της διδακτορικής αυτής διατριβής προτείνονται τα ακόλουθα θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση: Η χρήση μαγιάς από αγελαδοκοπριά φέρει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες ως προς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του στερεού γλυκού σόργου. Η ταυτόχρονη συνύπαρξη υδρολυτικών και μεθανογόνων μικροοργανισμών σε συνδυασμό με τις πολύ καλές αποδόσεις τόσο στο ρυθμό υδρόλυσης των στερεών όσο και στη παραγωγή του μεθανίου, σε σχέση με άλλες μαγιές, δημιουργεί την πεποίθηση και τη προοπτική για μελέτη του μικροβιακού πληθυσμού της αγελαδοκοπριάς και του τρόπου συνύπαρξης των διαφόρων ειδών καθώς και για περαιτέρω εξέταση των διεργασιών της αναερόβιας χώνευσης. Η εφαρμογή της διεργασίας θα πρέπει να εφαρμοστεί και σε πιλοτικής κλίμακας διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης, όπου θα μελετηθεί η λειτουργία των αντιδραστήρων και η συμπεριφορά των στερεών κυρίως στον υδρολυτικό αντιδραστήρα, θα καταγραφούν οι αποδόσεις και τα προβλήματα που θα παρουσιαστούν και θα γίνει σύγκριση με το εργαστηριακής κλίμακας σύστημα. Επίσης, για ένα τέτοιο πιλοτικό σύστημα θα απαιτηθεί και ένας ειδικά μελετημένος προγραμματισμός της παροχής του, που να εξασφαλίζει τη τακτική συντήρηση του αλλά και τη συνεχή λειτουργία του καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου, λαμβάνοντας υπόψη και άλλες παραμέτρους που αφορούν το υπόστρωμα, όπως είναι η καλλιέργεια, η συγκομιδή και η συντήρηση του αφού το γλυκό σόργο είναι εποχιακό φυτό. Στο προγραμματισμό θα πρέπει να συμπεριληφθεί και το σενάριο όπου για κάποιο χρονικό διάστημα του έτους το σύστημα να τροφοδοτείται, αντί του γλυκού σόργου, με απόβλητο προερχόμενο από διεργασίες αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου ή αντίστοιχων ενεργειακών λιγνοκυτταρινούχων φυτών (π.χ. ζαχαροκάλαμο). Η μαθηματική περιγραφή του διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης λιγνοκυτταρινούχων υποστρωμάτων, μέσο ενός μαθηματικού μοντέλου που να προσομοιώνει τη πλήρη λειτουργία της διεργασίας, θα ήταν πολύ χρήσιμη καθώς θα μπορούσε να διευρύνει την εφαρμογή του εργαστηριακής κλίμακας διβάθμιου συστήματος στο σχεδιασμό αρχικά μιας πιλοτικής και έπειτα μιας βιομηχανικής κλίμακας μονάδας, προβλέποντας κάθε φορά τις κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας που βελτιστοποιούν τις αποδόσεις. Ένα τέτοιο μαθηματικό μοντέλο αποτελεί εργαλείο 257

278 Κεφάλαιο 11 - Γενικά Συμπεράσματα κ Προτάσεις για Μελλοντική Εργασία μεταφοράς τεχνολογίας από το τομέα της εργαστηριακής έρευνας στο τομέα της βιομηχανίας. Ιδιαίτερα χρήσιμη θα ήταν η μελέτη τεχνοοικονομικών στοιχείων που να αποδεικνύουν τη δυνατότητα υλοποίησης και αξιοποίησης ενός τέτοιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης σε βιομηχανική κλίμακα είτε ως αυτόνομη μονάδα, είτε ως συμπλήρωμα ή αναβάθμιση σε ήδη υπάρχουσες μονάδες. Οι υψηλοί ρυθμοί οργανικής φόρτισης και φόρτισης σε στερεά και ταυτόχρονα η χαμηλή παραγωγή λάσπης είναι ανάμεσα στα πολλά πλεονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης σε σχέση με τις άλλες βιολογικές διεργασίες. Το κύριο όμως χαρακτηριστικό που ευθύνεται για τη συνεχή αύξηση των εφαρμογών των αναερόβιων διεργασιών είναι η παραγωγή ενέργειας. Η τεχνολογία αυτή όχι μόνο προσφέρει μια σημαντική παραγόμενη ποσότητα ενέργειας, αλλά το βιοαέριο που παράγεται μπορεί να αντικαταστήσει της πηγές ορυκτών καυσίμων και με αυτό το τρόπο να επιδράσει θετικά στη μείωση των αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η συνδρομή της αναερόβιας χώνευσης στους τομείς της παραγωγής ενέργειας και προστασίας του περιβάλλοντος είναι μεγάλη και για αυτό θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη επένδυση σε επιστημονικό, ερευνητικό και βιομηχανικό επίπεδο για το μέλλον. Μέσα από την ερευνητική αυτή εργασία πιστεύω ότι κατόρθωσα να συμβάλλω στη προσπάθεια που γίνεται για ένα πιο φιλικό περιβάλλον και έναν καλύτερο κόσμο. 258

279 Παράρτημα Π Α Ρ Α Ρ Τ Η Μ Α 259

280 Παράρτημα 260

281 Παράρτημα Μορφολογικός Χαρακτηρισμός Δειγμάτων από τα Αναερόβια Πειράματα Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του γλυκού σόργου ελήφθησαν δείγματα από τους χωνευτήρες και τις μαγιές προκειμένου να εξεταστεί η μορφολογία των στερεών με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM: Scanning Electron Microscopy) έτσι ώστε να έχουμε μια εικόνα και πρώτη επαφή για το μικρόκοσμο ο οποίος είναι υπεύθυνος για την μικροβιολογία των συγκεκριμένων πειραμάτων της αναερόβιας χώνευσης. Χρησιμοποιήθηκαν πέντε διαφορετικά δείγματα προερχόμενα από τον υδρολυτικό αντιδραστήρα HR στους 55 o C, τον PABR στους 35 o C, την μαγιά από αγελαδοκοπριά και τις εγκλιματιζόμενες μαγιές σε θερμοκρασία 35 o C και 55 o C με προέλευση το βιολογικό σταθμό του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι παρακάτω φωτογραφίες είναι ταξινομημένες ανά δείγμα. Η εξέταση των στερεών δειγμάτων με ηλεκτρονική μικροσκοπία έγιναν υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Κουτσούκου, σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης τύπου JEOL JSM 5200 εφοδιασμένο με μονάδα μικροανάλυσης (OXFORD link) και ανάλογο λογισμικό (INCA). Το μικροσκόπιο αυτό είναι εγκατεστημένο στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Μηχανικής και Διεργασιών Υψηλών Θερμοκρασιών (ΕΙΧΗΜΥΘ/ΙΤΕ). Στις φωτογραφίες Π1, με το δείγμα από τον υδρολυτικό αντιδραστήρα HR 55 o C, μπορούμε να παρατηρήσουμε τη διάσπαση και διάτρηση της στερεάς λιγνοκυτταρινούχας δομής του σόργου από τους διάφορους αναερόβιους μικροοργανισμούς. Όπως φαίνεται τα κύρια βακτήρια είναι υπό μορφή κόκκων. Επίσης, παρατηρούνται μικροοργανισμοί εν δράσει υπό μορφή δακτυλίων οι οποίοι φαίνεται να είναι μύκητες οι οποίοι ανήκουν στην κατηγορία των Arthrobotrys. Στις φωτογραφίες της σελίδας 265 παρατηρείται μια περιοχή εύκαμπτων και ασύμμετρων κυτταρινούχων πολυσακχαριτών, ενώ στη σελίδα 268 παρουσιάζεται ένα τμήμα αδιάσπαστου σόργου και προσκολλημένοι σε αυτό μικροοργανισμοί έτοιμοι να ξεκινήσουν τη διαδικασία της διάσπασης. Στο μεσόφιλο μεθανογόνο χωνευτήρα PABR, από τις φωτογραφίες Π2, παρατηρούνται κυρίως αρχαιοβακτήρια σχήματος ράβδου (κυλινδρικά με στρογγυλεμένες άκρες) και σχήματος κόκκου. Στις σελίδες 271 και 273 φαίνονται περιοχές με πυκνή ανάπτυξη των παραπάνω μικροοργανισμών. Επίσης, εμφανίζεται και κάποιο είδος ακτινικών κρυστάλλων με ακανόνιστο προσανατολισμό, το οποίο 261

282 Παράρτημα επαναλαμβάνεται και σε φωτογραφία με τη μαγιά των 35 o C, όπου στη περίπτωση της μαγιάς οι κρύσταλλοι ξεκινούν όλοι από κοινό σημείο (κέντρο) και έχουν καθορισμένο ακτινικό προσανατολισμό. Μικροοργανισμοί υπό μορφή δακτυλιδιών εμφανίζονται και σε αυτό το δείγμα. Στη περίπτωση της αγελαδοκοπριάς παρατηρούμε, από τη σειρά φωτογραφιών Π3, ότι αποτελείται από διάφορους μικροοργανισμούς, κυρίως όμως από μακριά νηματώδη (filaments) βακτήρια και μύκητες. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, στις φωτογραφίες Π4 που αφορούν τη μαγιά των 35 o C εμφανίζονται κρυσταλλικές δομές. Επίσης, παρατηρούνται κόκκοι και πυκνοί σχηματισμοί από νηματώδη βακτήρια σε κοιλότητες. Στη τελευταία σειρά φωτογραφιών Π5, από το δείγμα της μαγιά των 55 o C, συναντάμε πάλι μικροοργανισμούς σε μορφή δακτυλιδιών, αλλά και ποικιλία βακτηρίων και άλλων μικροοργανισμών. Ο μύκητας που απεικονίζεται στη τελευταία φωτογραφία ανήκει στο είδος Laccaria. Φωτογραφίες Π1 Μικροσκοπική Παρατήρηση Δείγματος Αναερόβιου Χωνευτήρα HR 55 o C με τη Χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) 262

283 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 263

284 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 264

285 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 265

286 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 266

287 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 267

288 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 268

289 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα Φωτογραφίες Π2 Μικροσκοπική Παρατήρηση Δείγματος Αναερόβιου Χωνευτήρα PABR 35 oc με τη Χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) 269

290 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 270

291 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 271

292 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 272

293 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 273

294 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα Φωτογραφίες Π3 Μικροσκοπική Παρατήρηση Δείγματος Αγελαδοκοπριάς με τη Χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) 274

295 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 275

296 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα Φωτογραφίες Π4 Μικροσκοπική Παρατήρηση Δείγματος Αναερόβιας Μαγιάς 35 oc με τη Χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) 276

297 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 277

298 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα Φωτογραφίες Π5 Μικροσκοπική Παρατήρηση Δείγματος Αναερόβιας Μαγιάς 55 oc με τη Χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) 278

299 Ανάπτυξη Διβάθμιου Συστήματος Παραγωγής Βιοαερίου από Στερεά Απόβλητα και Βιομάζα Παράρτημα 279