Lab-scale studies for defining best pilot plant operation strategies

LIFE8 ENV/GR/578 INTEGRASTE «Development of integrated agroindustrial waste management politics maximizing materials recovery and energy exploitation» Lab-scale studies for defining best pilot plant operation strategies Author: Dr. Aikaterini Vavouraki Scientific Responsible for the project : Assist. Professor Michael Kornaros Responsible Partner: University of Patras PATRAS, DECEMBER 211

LIFE8 ENV/GR/578 INTEGRASTE «Ανάπτυξη ολοκληρωμένης πολιτικής για τη διαχείριση αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με στόχο τη μεγιστοποίηση της ανάκτησης υλικών και ενέργειας» Εργαστηριακές μελέτες για τον καθορισμό της καλύτερης λειτουργίας της Πιλοτικής μονάδας Συντάκτης: Dr. Αικατερίνη Ι. Βαβουράκη Επιστημονικός Υπεύθυνος Εργου : Επίκ. Καθηγητής Μιχάλης Κορνάρος Υπεύθυνος δικαιούχος: Πανεπιστήμιο Πατρών ΠΑΤΡΑ, ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 211

LIFE PROJECT NAME INTEGRASTE Project location Data Project Patras, Greece Project start date: 1/1/21 Project end date: 31/12/212 Total Project duration (in months) 36 months Total budget 1.156.325 Eligible 1.87.325 EC contribution: 543.662 (%) of total costs 47 (%) of eligible costs 5 Name Beneficiary Data Beneficiary University of Patras Contact person Dr. Michael Kornaros Postal address 1 Karatheodori Str., 265, Patras, GR Visit address 1 Karatheodori Str., 265, Patras, GR Telephone 3 261 997418 Fax: 3 261 969556 E-mail Project Website kornaros@chemeng.upatras.gr http://www.achaia.gr/integraste/index.php

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 2 Χαρακτηρισμός, ενσίρωση και χημική προεπεξεργασία γλυκού σόργου (Sorghum Bicolor (L.) Moench) για την παραγωγή βιοαερίου 1 Περίληψη 1 Εισαγωγή 2 Πειραματικό μέρος 3 Αποτελέσματα 5 Συμπεράσματα 1 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 11 3 Επίδραση του ph στην παραγωγή βιο-υδρογόνου κατά την οξεογένεση μίγματος αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων 13 Περίληψη 13 Εισαγωγή 14 Υλικά και στάδια του πειράματος 15 Χαρακτηρισμός 15 Μελέτη επίδρασης του ph 16 Μελέτη επίδρασης του ph σε αντιδραστήρες τύπου CSTR 16 Μελέτη επίδρασης του ph σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch) 16 Πειραματική διάταξη 17 Αντιδραστήρες τύπου CSTR 17 Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch) 18 Αναλυτικές μέθοδοι 21 Αποτελέσματα χαρακτηρισμού 21 Αποτελέσματα πειραμάτων σε αντιδραστήρες τύπου CSTR 23 Χωρίς ρύθμιση του ph 23 Οξεογόνος αντιδραστήρας με HRT= 1 ημέρα (1d) 23 Οξεογόνος αντιδραστήρας με HRT= 3 ημέρες (3d) 3 Με ρύθμιση του ph 36 Οξεογόνος αντιδραστήρας με HRT 1 ημέρα (1d) 37

Οξεογόνος αντιδραστήρας με HRT 3 ημερών (3d) 44 Αποτελέσματα πειραμάτων διαλείποντος έργου (batch) 51 ph= 4.5 52 ph= 5 56 ph= 5.5 6 ph= 6 64 ph= 6.5 68 ph= 7 72 ph= 7.5 76 Γλυκόζη 8 Ελαιοτριβείο 84 Τυροκομείο 87 Βουστάσιο 9 Σύνοψη των αποτελεσμάτων 94 Συμπεράσματα 98 Βιβλιογραφία 98 4 Αναερόβια συγχώνευση αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων και γλυκού σόργου 12 Περίληψη 12 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 14 1. Εισαγωγή 14 1.1 Το γλυκό σόργο 14 1.1.1 Ενσίρωση 17 1.1.1.1 Διαδικασία της ενσίρωσης 18 1.1.1.2 Πλεονεκτήματα ενσιρώματος 18 1.1.2 Παραγωγή βιοκαυσίμων από γλυκό σόργο 19 1.2 Τα αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα 11 1.2.1 Απόβλητα τυροκομείου 11 1.2.1.1 Το τυρόγαλο ως ρυπαντής 11 1.2.1.2 Βασικές πηγές παραγωγής αποβλήτων σε τυροκομικές μονάδες 111 1.2.1.3 Διαχείριση αποβλήτων τυροκομείου 112 1.2.2 Απόβλητα βουστασίου 113 1.2.2.1 Χαρακτηριστικά αποβλήτων βουστασίου 114 1.2.2.2 Διαχείριση αποβλήτων βουστασίου 115

1.2.3 Το πρόβλημα των αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων 115 1.3 Αναερόβια χώνευση 116 1.3.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης 117 1.3.2 Στάδια αναερόβιας χώνευσης 118 1.3.3 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση 12 1.3.4 Συστήματα αναερόβιας χώνευσης 125 1.3.5 Μικροβιολογία της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης 127 1.3.5.1 Μη μεθανογόνοι μικροοργανισμοί στην αναερόβια χώνευση 127 1.3.5.2 Μεταβολισμός μη μεθανογόνων μικροοργανισμών 128 1.3.5.3 Μικροβιολογία μεθανογόνων μικροοργανισμών 129 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 131 2.1 Υλικά και μέθοδοι 131 2.2 Αναλυτικές μέθοδοι 132 2.3 Μελέτη της παραγωγής υδρογόνου στο στάδιο της οξεογένεσης 136 2.3.1 Πειραματική διάταξη των αντιδραστήρων διαλείποντος έργου στο 137 στάδιο της οξεογένεσης 2.4 Μελέτη της παραγωγής μεθανίου στο στάδιο της μεθανογένεσης 137 2.4.1 Πειραματική διάταξη των αντιδραστήρων διαλείποντος έργου στο 138 στάδιο της μεθανογένεσης 2.4.2 Πειραματική διάταξη του αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας στο 139 στάδιο της μεθανογένεσης 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 141 3.1 Χαρακτηρισμός αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και γλυκού 141 σόργου 3.2 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια συγχώνευση 143 αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και γλυκού σόργου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 3.2.1 Μελέτη επίδρασης του ph 143 3.2.1.1 Πείραμα διαλείποντος έργου σε ph= 5 143 3.2.1.2 Πείραμα διαλείποντος έργου σε ph= 5.5 147 3.2.1.3 Πείραμα διαλείποντος έργου σε ph= 6 15 3.2.1.4 Πείραμα διαλείποντος έργου σε ph= 6.5 153 3.2.1.5 Ανάλυση αποτελεσμάτων 156 3.2.2 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια χώνευση καθαρής 157

γλυκόζης για το στάδιο της βελτιστοποίησης του ph 3.2.3 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια χώνευση μεμονωμένων αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων τυροκομείου και βουστασίου και φρέσκου σόργου 3.2.3.1 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια χώνευση αποβλήτων τυροκομείου 3.2.3.2 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια χώνευση αποβλήτων βουστασίου 3.2.3.3 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια χώνευση αποβλήτων τυροκομείου 3.2.3.4 Ανάλυση αποτελεσμάτων 17 3.2.4 Μελέτη επίδρασης διαφορετικής αρχικής οργανικής φόρτισης υποστρώματος στη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια συγχώνευση αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και φρέσκου σόργου 3.2.4.1 Ανάλυση αποτελεσμάτων 175 3.2.5 Μελέτη επίδρασης μαγιάς προερχόμενης από Η 2 -CSTR και θερμικά 18 προεπεξεργασμένης, στη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με αναερόβια συγχώνευση αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και φρέσκου σόργου 3.2.5.1 Ανάλυση αποτελεσμάτων 18 3.2.6 Μελέτη ζυμωτικής παραγωγής υδρογόνου με αναερόβια συγχώνευση αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και ενσιρωμένου σόργου 3.2.6.1 Ανάλυση αποτελεσμάτων 186 3.2.7 Πειράματα μελέτης κατανάλωσης υδρογόνου στο στάδιο της οξεογένεσης 3.3 Μελέτη επίδρασης διαφορετικής οργανικής φόρτισης υποστρώματος στο στάδιο της μεθανογένεσης για αναερόβια συγχώνευση αποβλήτων τυροκομείου, βουστασίου και φρέσκου σόργου σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου 3.3.1 Πείραμα μεθανογένεσης για πλήρη αρχική οργανική φόρτιση υποστρώματος 3.3.2 Πείραμα μεθανογένεσης για μισή αρχική οργανική φόρτιση υποστρώματος 159 16 164 166 171 181 186 188 3.3.3 Ανάλυση αποτελεσμάτων 196 19 193

3.4 Παραγωγή μεθανίου από μίγμα αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων 196 και γλυκού σόργου σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας CSTR Συμπεράσματα 2 Βιβλιογραφία 24 5 Μελέτη λιπασματοποίησης αγροκτηνοτροφικών υπολειμμάτων και ιλύων με χρήση γαιοσκωλήκων (vermicomposting) 21 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 212 1.1 Γενικά 212 1.1 Βουστάσιο και στερεά απόβλητα βουστασίου 212 1.1.1 Απόβλητα βουστασίου 212 1.1.2 Χαρακτηριστικά αποβλήτων βουστασίου 212 1.1.3 Διαχείριση αποβλήτων βουστασίου 213 1.2 Βιολογικός σταθμός και αναερόβια λάσπη βιολογικού σταθμού 213 1.2.1 Λάσπη βιολογικού σταθμού 213 1.2.2 Χαρακτηρισμός ιλύος βιολογικού σταθμού 214 1.2.2.1 Ποιοτικά χαρακτηριστικά αστικών υγρών λυμάτων 214 1.2.2.2 Φυσικά χαρακτηριστικά 214 1.2.2.3 Χημικά χαρακτηριστικά 215 1.2.2.4 Βιολογικά χαρακτηριστικά 216 1.2.3 Τύποι επεξεργασίας ιλύος για διάθεση 217 1.3 Αναερόβια χώνευση 217 1.3.1 Εισαγωγή 217 1.3.2 Στάδια αναερόβιας χώνευσης 218 1.3.3 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση 219 1.4 Βιολογική επεξεργασία απορριμμάτων 219 1.4.1 Βιοσταθεροποίηση οργανικού κλάσματος απορριμάτων 219 1.4.2 Αερόβια βιοσταθεροποίηση 219 1.4.2.1 Παράγοντες που επηρεάζουν την διαδικασία της κομποστοποίησης 221 1.4.2.2 Διαδικασία κομποστοποίησης 224 1.4.2.3 Μέθοδοι κομποστοποίησης 225 1.4.2.4 Πλεονεκτήματα κομποστοποίησης 227 1.5 Vermicomposting 227

1.5.1 Εισαγωγή 227 1.5.2 Κατάλληλα είδη υποστρωμάτων 23 1.5.3 Συνθήκες διαβίωσης 232 1.5.4 Διαδικασία και συστήματα 234 1.5.5 Κατάλληλα είδη γαιοσκωλήκων για vermicomposting 236 1.6 Βιολογία γαιοσκωλήκων 237 1.6.1 Εξωτερική μορφολογία 237 1.6.2 Αναπνευστικό σύστημα 239 1.6.3 Πεπτικό σύστημα 239 1.6.4 Γεννητικό σύστημα 241 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 244 2. Υλικά και Μέθοδοι 244 2.1 Υλικά 244 2.1.1 Στερεά απόβλητα βουστασίου (Β) 244 2.1.2 Αναερόβια λάσπη βιολογικού καθαρισμού (ΛΑ) 244 2.1.3 Αναερόβια λάσπη από αντιδραστήρα μεθανογέννεσης CSTR (ΛΒ) 244 2.1.4 Χαρακτηρισμός αποβλήτων 245 2.2 Πειραματική διάταξη 247 3. Αποτελέσματα και Συζήτηση 249 3.1 Αποτελέσματα μιγμάτων 251 3.1.1 Μίγμα 1% Βουστάσιο χωρίς γαιοσκώληκες 251 3.1.2 Μίγμα 1% Βουστάσιο με χρήση 5 γαιοσκωλήκων 253 3.1.3 Μίγμα 1% Βουστάσιο με χρήση 1 γαιοσκωλήκων 256 3.1.4 Μίγμα 1% Βουστάσιο με χρήση 2 γαιοσκωλήκων 259 3.1.5 Μίγμα 9% Βουστάσιο-1% Λάσπη Α με χρήση 5 γαιοσκωλήκων 262 3.1.6 Μίγμα 9% Βουστάσιο-1% Λάσπη Β με χρήση 5 γαιοσκωλήκων 265 3.1.7 Μίγμα 9% Βουστάσιο-1% Λάσπη Α με χρήση 1 γαιοσκωλήκων 267 3.1.8 Μίγμα 9% Βουστάσιο-1% Λάσπη Β με χρήση 1 γαιοσκωλήκων 269 3.1.9 Μίγμα 85% Βουστάσιο-15% Λάσπη Α με χρήση 2 γαιοσκωλήκων 263 3.1.1 Μίγμα 85% Βουστάσιο-15% Λάσπη Β με χρήση 2 γαιοσκωλήκων 276 3.1.11 Μίγμα 8% Βουστάσιο-2% Λάσπη Α με χρήση 2 γαιοσκωλήκων 279 3.1.12 Μίγμα 8% Βουστάσιο-2%Λάσπη Β με χρήση 2 γαιοσκωλήκων 272 3.2 Συγκριτικά αποτελέσματα 285 3.2.1 Συγκριτικά αποτελέσματα vermicompost για μίγματα βουστασίου και 287

αναερόβιας λάσπης (ΛΑ και ΛΒ) με προσθήκη 5 και 1 γαιοσκωλήκων Eisenia foetida 3.2.2 Συγκριτικά αποτελέσματα vermicompost για τα διάφορα μίγματα αναερόβιας λάσπης (ΛΑ και ΛΒ) με προσθήκη 2 γαιοσκωλήκων Eisenia foetida 291 Συμπεράσματα 294 Βιβλιογραφία 296 6 Προσαρμογή του μαθηματικού μοντέλου ADM1 σε πειραματικά δεδομένα εργαστηριακής κλίμακας και χρήση αυτού για τον σχεδιασμό της βέλτιστης λειτουργίας του πιλότου 31 Εισαγωγή 31 Η δομή του ADM1 31 Το λογισμικό του ADM1 31 Παράμετροι σύστασης αποβλήτων 311 Μελέτη μίγματος αποβλήτων 55% αποβλήτων ελαιοτριβείου, 4% 312 τυροκομείου και 5% βουστασίου Βιβλιογραφία 316

1. Εισαγωγή. Οι εργαστηριακές μελέτες της Δράσης 1.3 «Εργαστηριακές μελέτες για τον καθορισμό της καλύτερης λειτουργίας της Πιλοτικής μονάδας» που διεξήχθησαν στο εργαστήριο Βιοχημικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, αποτελούνται από πέντε θεματολογίες. 2. Χαρακτηρισμός, ενσίρωση και χημική προεπεξεργασία γλυκού σόργου (Sorghum Bicolor (L.) Moench) για την παραγωγή βιοαερίου Περίληψη. Το γλυκό σόργο (Sorghum bicolor (L.) Moench var. Keller) είναι ένα μονοετές λιγνοκυτταρινούχο φυτό μεγάλης φωτοσυνθετικής ικανότητας. Χαρακτηρίζεται ως ενεργειακό φυτό λόγω των υψηλών αποδόσεων του σε βιομάζα και του υψηλού ποσοστού διαλυτών σακχάρων (γλυκόζης, σακχαρόζης). Τα διαλυτά σάκχαρα εύκολα ζυμώνονται σε υγρά (βιοαιθανόλη) και αέρια βιοκαύσιμα (υδρογόνο, μεθάνιο), ενώ η λιγνοκυτταρίνη παραμένει ανεκμετάλλευτη. Εντούτοις η προεπεξεργασία της λιγνοκυτταρίνης (πολυσακχαρίτες) του γλυκού σόργου συντελεί στην περαιτέρω αξιοποίηση του υλικού για τη μετατροπή του σε βιοκαύσιμα. Στόχος της χημικής προεπεξεργασίας του φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου ήταν η υδρόλυση της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας σε μονομερή σάκχαρα (όπως γλυκόζη, ξυλόζη, κ.ά). Τα χημικά διαλύματα οξέων (HCl, H 2 SO 4 ) και βάσης (NaOH) θεωρούνται τα πιο συνήθη για την υδρόλυση της λιγνοκυτταρίνης. Η εφαρμογή χημικών διαλυμάτων διάφορων συγκεντρώσεων (.5 1.5%) πραγματοποιήθηκε σε διαφορετικούς χρόνους (3 min 48 h) και διαφορετικές θερμοκρασίες (25 8 ο C). Με χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) μετρήθηκαν αναλυτικά οι παραγόμενοι μονοσακχαρίτες. Η χημική προεπεξεργασία του φρέσκου σόργου σε διάλυμα.5% H 2 SO 4 (για T= 35 ο C και t= 2 h) επέφερε αύξηση των διαλυτών σακχάρων κατά 25%, ενώ η χρήση διαλύματος.5% NaOH (για T= 25 ο C και t= 24 h) είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση των διαλυτών σακχάρων του ενσιρωμένου σόργου κατά 84%. Τέλος μελετήθηκε εργαστηριακά η διαδικασία της ενσίρωσης φρεσκοτεμαχισμένου γλυκού σόργου (<7 µm) σε ελεγχόμενες, αναερόβιες συνθήκες (απουσία αέρα) και σε θερμοκρασία (2 ο C) για χρονικό διάστημα δύο μηνών. Το χρονικό διάστημα των 3 ημερών ήταν αρκετό ώστε να επιτευχθεί η ενσίρωση του φρέσκου σόργου, με ταυτόχρονη παραγωγή 23 ml βιοαερίου. 1

Εισαγωγή. Είναι γνωστό ότι οι φυσικές πηγές ορυκτών καυσίμων εξαντλούνται ενώ ταυτόχρονα καταγράφονται σημαντικές διακυμάνσεις στις τιμές αυτών. Μία από τις εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θεωρείται η παραγωγή βιοκαυσίμων όπως της βιοαιθανόλης, βιοαερίου κ.ά. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας αγροτοβιομηχανικών υπολλειμμάτων όπως της φυτικής, ζωικής και δασικής παραγωγής καθώς επίσης και των ενεργειακών φυτών συντελεί στην παραγωγή βιοκαυσίμων μέσω θερμοχημικών και βιολογικών διεργασιών. Η βιοαποικοδόμηση της βιομάζας μέσω ζυμώσεων των διαλυτών σακχάρων οδηγεί στην παραγωγή βιοαιθανόλης ή/ και βιοαερίου [1,2]. Η αναερόβια συγχώνευση αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων όπως τα απόβλητα ελαιοτριβείου, τυροκομείου και βουστασίου, αποτελεί λύση βιολογικής τους επεξεργασίας/αξιοποίησης με άμεσο στόχο την παραγωγή βιοαερίου [3,4]. Πηγή υδατανθράκων, άρα και σακχάρων είναι τα λιγνοκυτταρινούχα υλικά όπως το γλυκό σόργο. Η λιγνοκυτταρίνη είναι πολυσακχαρίτης αποτελούμενος από αδιάλυτους υδατάνθρακες (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη) και λιγνίνη. Η κρυσταλλική κυτταρίνη είναι πολυσακχαρίτης μορίων γλυκόζης ενώ ο άμορφος πολυσακχαρίτης της ημικυτταρίνης αποτελείται από μονοσάκχαρα όπως γλυκόζη, ξυλόζη, μαννόζη, γαλακτόζη, ραμνόζη και αραβινόζη (D-πεντόζες). Η λιγνίνη είναι πολύπλοκο αρωματικό πολυμερές και τα βασικά δομικά συστατικά του είναι π-κουμαρικό οξύ, φερουλικό οξύ και συριγγιλική αλκοόλη. Η αξιοποίηση της βιομάζας του γλυκού σόργου μέσω αναερόβιας ζύμωσης συντελεί στην παραγωγή βιοκαυσίμων όπως μεθάνιο και υδρογόνο [5,6]. Πρόσφατες μελέτες επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση των συνθηκών αναερόβιας συγχώνευσης των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με ταυτόχρονη χρήση λιγνοκυτταρινούχων υλικών [7,8]. Η φυσικοχημική προκατεργασία της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας προκαλεί διάσπαση της δομής της λιγνοκυτταρίνης βελτιώνοντας τη διεργασία χώνευσης του υλικού με ταυτόχρονη αύξηση της απόδοσης παραγωγής βιοκαυσίμων όπως βιοαιθανόλης [9]. Το γλυκό σόργο θεωρείται ενεργειακό φυτό υψηλών αποδόσεων βιομάζας καθώς εμπεριέχει υψηλή περιεκτικότητα διαλυτών σακχάρων. Σε αντίθεση με άλλα ενεργειακά φυτά όπως είναι τα ζαχαρότευτλα, το γλυκό σόργο αποθηκεύει διαλυτά σάκχαρα κατά μήκος των στελεχών του. Το ποσοστό περιεκτικότητας σε διαλυτά σάκχαρα (π.χ. γλυκόζη, φρουκτόζη, σακχαρόζη) ποικίλει ανάλογα με τη χρονική περίοδο συγκομιδής του [1]. Οι χαμηλές απαιτήσεις της καλλιέργειάς του σε άρδευση και λίπανση καθώς και η εύκολη προσαρμοστικότητα του σε διάφορα είδη εδαφών και σε ποικίλες κλιματικές συνθήκες το καθιστούν πολλά υποσχόμενο καλλιεργήσιμο φυτό στην Ελληνική γη. Η συντήρηση του γλυκού σόργου επιτυγχάνεται είτε με την άμεση αποθήκευση του σε χαμηλή θερμοκρασία ( 18 ο C) είτε με ενσίρωση. Καθώς η χρήση ψυκτικών θαλάμων είναι ενεργοβόρος και άρα απαγορευτική, λόγω κόστους και περιβαλλοντικών επιπτώσεων, διαδικασία η διατήρηση των 2

θρεπτικών συστατικών του σόργου για περαιτέρω χρήση επιδιώκεται μέσω της διαδικασίας της ενσίρωσης. Η ενσίρωση περιλαμβάνει την αποθήκευση του γλυκού σόργου απουσία αέρα με σκοπό να λάβει χώρα η αναερόβια ζύμωσή του. Το όξινο περιβάλλονπου αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της ζύμωσης συντελεί στη συντήρηση του [11]. Η περαιτέρω ενεργειακή αξιοποίηση του ενσιρωμένου γλυκού σόργου μπορεί να επιτευχθεί μέσω θερμοχημικών και βιοχημικών (ενζυματικών και μικροβιακών) διεργασιών [12,13,14]. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν αρχικά ο πλήρης χαρακτηρισμός του φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου στον οποίο περιλαμβάνεται ο προσδιορισμός της λιγνοκυτταρίνης (κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης) του υλικού. Κατόπιν πραγματοποιήθηκαν πειράματα χημικής προεπεξεργασίας του φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου με διάφορα χημικά διαλύματα, για διάφορες τιμές θερμοκρασίας, συγκέντρωσης διαλυμάτων και χρόνου παραμονής. Προσδιορίστηκε η συνολική απόδοση της διεργασίας καθώς και τα διαλυτά σάκχαρα. Τέλος πραγματοποιήθηκε εργαστηριακή μελέτη ενσίρωσης φρέσκου γλυκού σόργου και μέτρηση των κύριων προϊόντων της διεργασίας αυτής. Πειραματικό μέρος. Γλυκό σόργο τύπου Sorghum bicolor L. Moench καλλιεργήθηκε στο Πανεπιστήμιο Πατρών σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Κανονισμό EC 292/91 [15]. Η προμήθεια του ενσιρωμένου γλυκού σόργου προήλθε από παραγωγό της ευρύτερης περιοχής της Αιτωλοακαρνανίας. Η συγκομιδή του φρέσκου γλυκού σόργου πραγματοποιήθηκε σε δύο χρονικές περιόδους: αρχές Νοέμβρη 29 (φρέσκο γλυκό σόργο FS1) και αρχές Οκτώβρη 21 (φρέσκο γλυκό σόργο FS2). Κατά τη συγκομιδή της βιομάζας του ενεργειακού φυτού συμπεριελήφθηκε το στέλεχος, η ψίχα και ο φλοιός. Η διαδικασία της ενσίρωσης που ακολουθήθηκε περιελάμβανε τον τεμαχισμό της χλωρής νομής με ειδικό σιροκοπτικό μηχάνημα και εναπόθεσής του σόργου σε σιρούς. Κατόπιν η βιομάζα του γλυκού σόργου συμπιέστηκε και καλύφθηκε με πλαστικό κάλυμμα ώστε να καταστεί εφικτή η μέγιστη, κατά το δυνατόν, απομάκρυνση του αέρα. Η ενσίρωση αποτελεί μία μέθοδο διατήρησης του χλωρού υποστρώματος του σόργου σε αναερόβιες συνθήκες (απουσία αέρα). Σε κάθε περίπτωση η κοκκομετρία της βιομάζας, μετά τον αρχικό τεμαχισμό, ήταν 2-3 cm. Για τον χαρακτηρισμό και τα πειράματα της χημικής προκατεργασίας το σόργο τεμαχίστηκε περαιτέρω (315-7 μm) με χρήση εργαστηριακού κοπτικού μηχανήματος (Sorvall) και αποθηκεύτηκε σε κατάψυξη (-18 ο C). Για την ενσίρωση χρησιμοποιήθηκε απευθείας φρέσκο γλυκό σόργο (2-3 cm). Ο χαρακτηρισμός του φρέσκου και ενσιρωμένου σόργου έγινε σύμφωνα με πρότυπες μεθόδους [16], τα ολικά σάκχαρα μετρήθηκαν με τη μέθοδο τρυπτοφάνης [17] και ο προσδιορισμός της λιγνοκυτταρίνης σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες [18,19]. 3

Η χημική προεπεξεργασία του φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου πραγματοποιήθηκε με εμβάπτιση της στερεής λεπτοτεμαχισμένης βιομάζας σε διαλύματα HCl, H 2 SO 4 και NaOH.5% και 1.5% για εύρος τιμών θερμοκρασίας (25-1 ο C) και χρόνων παραμονής στα διαλύματα (3 min- 2 days). Η αναλογία στερεού/διαλύματος ήταν 1:1 (1% ξηρής μάζας). Η απόδοση της χημικής προκατεργασίας του φρέσκου και ξηρού σόργου προσδιορίστηκε από την απευθείας μέτρηση διαλυτών σακχάρων. Για τη διαδικασία της ενσίρωσης 2 g φρεσκοτεμαχισμένο σόργο (2-3 cm) τοποθετήθηκε σε φιαλίδια (συνολικά 1) στο εσωτερικό των οποίων διαβιβάστηκε ποσότητα αερίου αζώτου, ώστε να διασφαλιστούν αναερόβιες συνθήκες, και στη συνέχεια σφραγίστηκαν. Η διαδικασία της ενσίρωσης διήρκεσε 6 ημέρες. Σε καθορισμένα τακτά χρονικά διαστήματα γινόταν ανάλυση των δειγμάτων. Για το στερεό κλάσμα οι αναλύσεις περιελάμβαναν τον προσδιορισμό ph, υγρασίας, υπολειπόμενης στάχτης, ολικών στερεών και πτητικών στερεών [16]. Επίσης προσδιορίστηκαν τα παραγόμενα προϊόντα όπως των ολικών και διαλυτών σακχάρων [17], ολικού και διαλυτού οργανικού άνθρακα, πτητικών λιπαρών οξέων (οξικό, προπιονικό, ισοβουτυρικό, βουτυρικό, ισοβαλερικό, βαλερικό), γαλακτικού οξέος και αιθανόλης. Επίσης μετρήθηκε ο όγκος του παραγόμενου βιοαέριο και τα ποσοστά Η 2 και CO 2 σε αυτό. Κατά τον χαρακτηρισμό και την προεπεξεργασία του φρέσκου και ενσιρωμένου σόργου πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις σακχάρων [17]. Η ταυτοποίηση των διαλυτών δισακχαριτών (π.χ. σακχαρόζη) και μονοσακχαριτών (όπως γλυκόζη, φρουκτόζη) πραγματοποιήθηκε με χρήση Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Απόδοσης (HPLC, Agilent Technologies 12 series). Για τη βαθμονόμηση παρασκευάστηκαν πρότυπα διαλύματα γλυκόζης, φρουκτόζης, αραβινόζης, ξυλόζης, σακχαρόζης, και ραμνόζης. Αναλυτικά, χρησιμοποιήθηκε στήλη διαχωρισμού (REZEX ROA - Organic Acid 3 x 7.8 mm I.D., 8 μm) και προστήλη (REZEX ROA - Organic Acid 5 x 7.8 mm I.D., 8 μm). Η θερμοκρασία των στηλών ήταν 6 ο C. Η ροή της κινητής φάσης του απιονισμένου νερού (18.2 MΩ.cm, Millipore) ήταν.6 ml/ min. Οι συνθήκες μετρήσεων για τον Εξατμιστικό Ανιχνευτή Σκέδασης Ακτινοβολίας (ELSD, Agilent 12 Series) περιλαμβάνουν σταθερή θερμοκρασία στους 6 ο C, υπό συνθήκες Gain= 7 και Filter= 1 s. Η εισαγωγή του δείγματος επιτυγχανόταν με τη χρήση βρόγχου (loop) 2 ml. Κατά τη μελέτη της διαδικασίας ενσίρωσης του φρέσκου σόργου πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός του ολικού οργανικού άνθρακα με χρήση αναλυτή TOC Shimadzu (SSM- 5A). Για τον προσδιορισμό του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιήθηκε η Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης (HPLC, Agilent Technologies). Χρησιμοποιήθηκαν η ίδια στήλη και προστήλη με τον προσδιορισμό σακχάρων, ενώ η θερμοκρασία των στηλών ρυθμίστηκε στους 4 ο C. Η κινητή φάση ήταν.5 N Η 2 SΟ 4 με ροή.9 ml/ min. Το μήκος κύματος για τον ανιχνευτή UV (Agilent 12 Series, Diode Array and Multiple Wavelength 4

Detector SL) ήταν 21 nm. Η εισαγωγή του δείγματος επιτυγχανόταν με τη χρήση βρόγχου (loop) 2 ml. Με χρήση αέριου χρωματογράφου (Agilent Technologies 789A) προσδιορίστηκαν οι τιμές των συγκεντρώσεων πτητικών λιπαρών οξέων, αιθανόλης, καθώς και η σύσταση του παραγόμενου βιοαερίου (H 2 / CO 2 ). Η προετοιμασία του δείγματος πριν την ανάλυση περιελάμβανε τη ρύθμιση της οξύτητάς του διαλύματος (με αναλογία 2% H 2 SO 4 προς δείγμα 3:1), τη φυγοκέντρηση (49 rpm για 12 min) καθώς και την περαιτέρω διήθηση (.22 μm Whatman). Για το διαχωρισμό των πτητικών λιπαρών οξέων (π.χ. οξικό, προπιονικό, ισοβουτυρικό, βουτυρικό, ισοβαλερικό, βαλερικό οξύ) χρησιμοποιήθηκε τριχοειδής στήλη (DB FFAP, 3 m in length,.25 mm I.D. and.25 μm film) συνδεδεμένη με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας (FID) με φέρον αέριο ήλιο. Η θερμοκρασία του φούρνου αρχικά ρυθμίστηκε στους 11 C για 5 min και μετά αυξανόταν στους 25 C με 15 C/min για 6 min. Η θερμοκρασία του εισαγωγέα ήταν 25 C, ενώ η θερμοκρασία του ανιχνευτή ήταν ρυθμισμένη στους 3 C. Για τον προσδιορισμό των αλκοολών χρησιμοποιήθηκε η ίδια στήλη και ανιχνευτής. Η έναρξη της θερμοκρασίας του φούρνου ήταν στους 35 C για 4 min, κατόπιν αυξανόταν στους 12 C με 1 C/min και τέλος παρέμενε στους 24 C με 27 C/min για 7 min ώστε να επιτευχθεί ο καθαρισμός της στήλης. Η θερμοκρασία του εισαγωγέα ήταν 175 C ενώ η θερμοκρασία του ανιχνευτή ήταν 25 C. Τέλος για τον προσδιορισμό της σύστασης του βιοαερίου (Η 2 / CO 2 ) χρησιμοποιήθηκε τριχοειδής στήλη (HP-PLOT/Q, 3 m in length,.53 mm I.D. and 4 μm packing film) συνδεδεμένη με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD) με φέρον αέριο άζωτο. Ο όγκος του δείγματος ισοδυναμούσε με.3 ml. Η θερμοκρασία έναρξης λειτουργίας του φούρνου ήταν στους 4 C για 5 min και στη συνέχεια αυξήθηκε στους 2 C με ρυθμό 5 C/ min όπου και παρέμεινε για 1 min. Ο εισαγωγέας και ο ανιχνευτής βρίσκονταν σε θερμοκρασία 25 C. Αποτελέσματα. Πριν από την χημική προεπεξεργασία του φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου και τη μελέτη της ενσίρωσης φρεσκοκομμένου γλυκού σόργου προηγήθηκε ο χαρακτηρισμός των υλικών. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα της φυσικοχημικής σύστασης της βιομάζας του φρέσκου (FS1 και FS2) και ενσιρωμένου (EN) γλυκού σόργου. Σημαντικές διαφορές παρατηρούνται στο ποσοστό των ολικών και διαλυτών σακχάρων. Πιο συγκεκριμένα το FS2 εμφανίζει αυξημένα ποσοστά ολικών σακχάρων σε σύγκριση με το FS1 και αυτό οφείλεται στη διαφορά της χρονικής περιόδου συγκομιδής τους (αρχές Οκτώβρη και Νοέμβρη για το FS2 και FS1, αντίστοιχα). Παρατηρείται επίσης μείωση των διαλυτών σακχάρων για το FS1 (28%) σε σύγκριση με το FS2 (49%). Έχει παρατηρηθεί ότι η καθυστερημένη συγκομιδή του γλυκού σόργου μετά το μήνα Νοέμβρη συντελεί στη μείωση των σακχάρων στο στέλεχος του φυτού [2]. Το μικρό 5

ποσοστό διαλυτών σακχάρων του ενσιρωμένου γλυκού σόργου (ΕN) οφείλεται στο γεγονός ότι το γλυκό σόργο έχει υποστεί ενσίρωση. Πίνακας 1: Χαρακτηρισμός φρέσκου (FS1, FS2) και ενσιρωμένου (ΕN) γλυκού σόργου. Parameter a FS1 EN FS2 ph 5.4 4.5 5.6 humidity 74% 77% 77% Total solids 26% 23% 23% Total volatile solids 96% 96% 95% Ash 3.8% 5.3% 5.5% Total organic carbon 57% 52% 6% Total carbohydrates b 58% 56% 81% Soluble carbohydrates b 28% 2.5% 49% Total Kjeldahl nitrogen (TKN).2%.5%.1% Proteins 1.1% 3.3%.7% Cellulose 22% 33% 23% Hemicellulose 12% 18% 11% Lignin 9% 15% 8% a Ολες οι μετρήσεις αναφέρονται σε ξηρή μάζα γλυξού σόργου(φρέσκου ή ενσιρωμένου) στους 55 ο C b επί τις εκατό ποσοστό ολικών και διαλυτών υδατανθράκων που αντιστοιχούν σε ισοδύναμα g γλυκόζης ανά 1 g ξηρή μάζας βιομάζας σόργου. Η μέση τιμή απόκλισης των μετρήσεων ισούται με 5% Ακολουθούν τα εργαστηριακά πειράματα προκατεργασίας φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου. Αρχικά διερευνήθηκαν ήπιες θερμοκρασιακές τιμές (25 37 o C) για χρονικό διάστημα 1-2 μέρες σε χημικά διαλύματα (.5 και 1.5% HCl, H 2 SO 4, NaOH) γνωστά για την αποτελεσματικότητά τους στη διάσπαση κυτταρινούχων υλικών [9] αλλά και στο γλυκό σόργο [21,22]. Παραθέτουμε τμήμα των αποτελεσμάτων των ποσοστών των διαλυτών σακχάρων τόσο του φρέσκου, όσο και του ενσιρωμένου γλυκού σόργου για το μέγιστο χρόνο 6

εμβάπτισης 2 ημερών για θερμοκρασία εμβάπτισης 25 ο C και για 12 min για τις θερμοκρασίες 37, 5, 8, 1 ο C (Σχήμα 1). Αναλυτικά η αύξηση των διαλυτών σακχάρων για το φρέσκο γλυκό σόργο ήταν μόλις 5% για ήπιες θερμοκρασίες. Για το ενσιρωμένο γλυκό σόργο στους 25 ο C για χρονικό διάστημα 2 ημερών η αύξηση των διαλυτών σακχάρων ήταν 18%, ενώ στους 37 ο C η αύξηση των διαλυτών σακχάρων ήταν 25% σε όξινα διαλύματα και 18% σε διάλυμα ΝaΟΗ (για το μέγιστο χρόνο παραμονής 12 min). Σε υψηλότερες θερμοκρασίες (θ 5 o C) η απόδοση των σακχάρων ήταν αυξημένη με εξαίρεση την εμβάπτιση του φρέσκου γλυκού σόργου σε διαλύματα NaOH όπου παρατηρήθηκε μείωση του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων. Η προεπεξεργασία του φρέσκου γλυκού σόργου σε διάλυμα NaOH έδειξε χαμηλότερα επίπεδα σακχάρων [23]. Για το ενσιρωμένο γλυκό σόργο σε διαλύματα ΝaΟΗ, για θ 5 ο C παρατηρήθηκε αύξηση των διαλυτών σακχάρων κατά 15%. Εντούτοις παρουσία όξινων διαλυμάτων η αύξηση των διαλυτών σακχάρων ήταν 5%. Για σταθερή θερμοκρασία 5 ο C παρατηρείται αύξηση του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων και για τους δύο τύπους σόργου με αύξηση του χρόνου παραμονής από 3 σε 12 min στα εξεταζόμενα χημικά διαλύματα (Σχήμα 2). Ωστόσο δεν παρατηρήθηκε μεταβολή του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων με αύξηση της συγκέντρωσης των χημικών διαλυμάτων από.5 σε 1.5%. Τα κύρια διαλυτά σάκχαρα που ανιχνεύτηκαν περιορίστηκαν στους μονοσακχαρίτες (π.χ. γλυκόζη, φρουκτόζη, αραβινόζη, ξυλόζη) και στον δισακχαρίτη της σακχαρόζης (Σχήμα 3). Η χημική προκατεργασία του γλυκού σόργου έχει ως αποτέλεσμα τη διάσπαση της κυτταρίνης και ημικυτταρίνης σε μονοσάκχαρα [9] ενώ η απολιγνοποίηση του υλικού επιτυγχάνεται κυρίως με χρήση διαλύματος NaOH [24]. Κατόπιν προεπεξεργασίας του φρέσκου γλυκού σόργου με όξινα διαλύματα (σε θερμοκρασία 5 ο C και για μέγιστο χρόνο παραμονής) αναλύθηκαν η συγκέντρωση γλυκόζης στο διαλυτό μέρος, η οποία παρέμεινε αμετάβλητη ενώ αντίθετα παρατηρήθηκε αύξηση της συγκέντρωσης φρουκτόζης. Για την προεπεξεργασία του με H 2 SO 4 παρατηρήθηκε αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης (αύξηση 5% στα πλαίσια πειραματικού σφάλματος) και αύξηση φρουκτόζης (35%). Σε διάλυμα.5% NaOH προέκυψε η ταυτοποίηση αραβινόζης και ξυλόζης τα οποία είναι τα κύρια προϊόντα διάσπασης της ημικυτταρίνης (Σχήμα 3α). Οι συγκρίσεις των συγκεντρώσεων των διαλυτών σακχάρων (στο διάλυμα) επιτυγχάνονται με αυτές της προεπεξεργασία του λιγνοκυτταρινούχου υλικού με νερό. Σημαντική διαφορά για τις αναλύσεις των διαλυτών σακχάρων μεταξύ του φρέσκου και ενσιρωμένου σόργου αποτελεί το γεγονός των διαφορετικών σακχάρων που ταυτοποιούνται. Για το ενσιρωμένο γλυκό σόργο τα διαλυτά σάκχαρα που ταυτοποιήθηκαν ήταν η γλυκόζη, φρουκτόζη, ξυλόζη, αραβινόζη και δισακχαρίτες (Σχήμα 3β). Για την προεπεξεργασία του με H 2 SO 4 παρατηρήθηκε αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης και φρουκτόζης σε σύγκριση με το 7

μη προεπεξεργασμένο γλυκό σόργο καθώς ταυτοποιήθηκε αραβινόζη (45%). Στους 8 C τα επίπεδα συγκέντρωσης φρουκτόζης ήταν 77% και 84%, κατόπιν επεξεργασίας με χημικά διαλύματα H 2 SO 4 και HCl, αντίστοιχα. Για την ίδια προεπεξεργασία τα επίπεδα συγκέντρωσης της αραβινόσης αυξήθηκαν κατά 127% και 14% καθώς προσδιορίστηκε ξυλόζη (~9 mg/ L). Για την προεπεξεργασία του ενσιρωμένου γλυκού σόργου με ΝaΟΗ παρατηρήθηκε αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης στους 5 και 8 C (14% και 18%, αντίστοιχα). Επίσης παρατηρηθηκε αύξηση της φρουκτόζης σε 55% και 75% στους 5 και 8 C, αντίστοιχα. Επίσης προσδιορίστηκαν υψηλά επίπεδα δισακχαριτών (DP2, 36% και 38% στους 5 και 8 C, αντίστοιχα). 5 25 % soluble sugars (g/ g dry sweet sorghum) 45 4 35 3 25.5%_H 2 SO 4.5%_HCl.5%_NaOH % soluble sugars (g/ g dry sweet sorghum) 2 15 1 5.5%_H 2 SO 4.5%_HCl.5%_NaOH 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 T ( o C ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 T ( o C ) (α) (β) Σχήμα 1: Γραφική απεικόνιση του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων του (α) φρέσκου (FS1) και (β) ενσιρωμένου (EN) γλυκού σόργου για το μέγιστο χρόνο εμβάπτισης (t= 2 μέρες για θ= 25 ο C και t= 12 min για θ= 37, 5, 8, 1 ο C). Η διακεκομμένη γραμμή αναφέρεται στο ποσοστό των διαλυτών σακχάρων κατόπιν χαρακτηρισμού του. 8

5 T = 5 ο C 25 T = 5 ο C % soluble sugars (g/ g dry sweet sorghum) 4 3 2 1 % soluble sugars (g/ g dry sweet sorghum) 2 15 1 5 H2O FHS3 FHS12 FHC3 FHC12 FNa3 FNa12 H2O EHS3 EHS12 EHC3 EHC12 ENa3 ENa12 (α) (β) Σχήμα 2: Γραφική απεικόνιση του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων του (α) φρέσκου (FS1) και (β) ενσιρωμένου γλυκού σόργου (ΕN) σε χημικά διαλύματα.5% H 2 SO 4 (HS) HCl (HC), NaOH (Na) για χρόνο εμβάπτισης t= 3 και 12 min, στους 5 ο C. sugars (mg/l) 5 45 4 35 3 25 2 15 Glucose Sucrose Fructose Xylose H 2 O H 2 SO 4.5%_t= 12min HCl NaOH sugars (mg/l) 1 9 8 7 6 5 4 3 Glucose.5%_t= 12min Fructose Arabinose Xylose DP2 H 2 O H 2 SO 4 HCl NaOH 1 2 5 1 F 5C 8C 5C 8C 5C 8C E 5C 8C 5C 8C 5C 8C (α) (β) Σχήμα 3: Γραφική απεικόνιση του ποσοστού των διαλυτών σακχάρων του (α) φρέσκου (FS1) και (β) ενσιρωμένου γλυκού σόργου (Ε) σε χημικά διαλύματα.5% H 2 SO 4 (HS) HCl (HC), NaOH (Na) για μέγιστο χρόνο εμβάπτισης 12 min και θερμοκρασία 5 ο C. Στο Σχήμα 4 παραθέτονται τα κύρια προϊόντα της ενσίρωσης του φρέσκου γλυκού σόργου (FS2) καθόλη τη διάρκεια της ενσίρωσης. Παρατηρείται μείωση των ολικών σακχάρων και πιο συγκεκριμένα μείωση των διαλυτών σακχάρων στο στερεό υπόλλειμμα του γλυκού σόργου (Σχήμα 4α). Μέρος των διαλυτών σακχάρων μετατρέπονται κυρίως σε αιθανόλη και γαλακτικό οξύ. Επίσης μετρήθηκαν μικρές ποσότητες πτητικών οξέων οξικού, βαλερικού, βουτυρικού και προπιονικού (Σχήμα 4β). Η παρουσία γαλακτικού οξέος στο ενσίρωμα του γλυκού σόργου προκαλεί μείωση της τιμής ph= 4.6 όπου και περιορίζεται η μικροβιακή δράση. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η συντήρηση του γλυκού σόργου για περαιτέρω 9

χρήση του [25]. Επιπλέον προσδιορίστηκε το παραγόμενο βιοαέριο δηλαδή Η 2 / CO 2 (Σχήμα 4γ). Η παραγωγή βιοαερίου σταθεροποιείται μετά από χρονικό διάστημα 3 ημερών και ισούται με 23 ml. Συμπεράσματα. Για την προεπεξεργασία του φρέσκου γλυκού σόργου (FS1) σε όξινα διαλύματα η απόδοση των διαλυτών σακχάρων ήταν αυξημένη για θ 5 o C. Πιο συγκεκριμένα υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης φρουκτόζης προσδιορίστηκαν για την προεπεξεργασία με διάλυμα H 2 SO 4. Για την προεπεξεργασία του ενσιρωμένου γλυκού σόργου (ΕN) σε διάλυμα NaOH η απόδοση των διαλυτών σακχάρων ήταν αυξημένη για θ 5 o C. Εντούτοις η ταυτοποίηση των επιμέρους διαλυτών σακχάρων δεν επιβεβαιώνει την αυξημένη παρουσία διαλυτών σακχάρων γεγονός που χρήζει περαιτέρω διερεύνησης. Σε κάθε περίπτωση αυξημένα ποσοστά σακχάρων παρατηρήθηκαν κατά την προεπεξεργασία φρέσκου και ενσιρωμένου γλυκού σόργου με διάλυμα H 2 SO 4. Η μελέτη της διαδικασίας της ενσίρωσης έδειξε ότι η υψηλή συγκέντρωση γαλακτικού οξέος στο στερεό υπόλλειμμα συντηρεί το γλυκό σόργο. Το απαιτούμενο χρονικό διάστημα ενσίρωσης ήταν 3 ημέρες. sugars (mg/ g dry sweet sorghum) 1 8 6 4 2 total sugars soluble insoluble fermentation products (mg/ g dry sweet sorghum) 1 8 6 4 2 12 8 4 ethanol lactic acid acetic valeric butyric propionic 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 time (days) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 time (days) (α) (β) Biogas (ml) 25 2 Biogas 15 CO 2 1 H 2 5 24 21 18 15 12 9 6 3 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 time (days) (γ) 1

Σχήμα 4: Γραφική απεικόνιση της συγκέντρωσης (α) των ολικών (διαλυτών και αδιάλυτων) σακχάρων, (β) της αιθανόλης, γαλακτικού οξέος και πτητικών οξέων, και (γ) του παραγόμενου βιοαερίου (H 2 / CO 2 ) καθόλη τη διάρκεια της ενσίρωσης. Βιβλιογραφία [1] Gunaseelan V.N.I., Biomass and Bioenergy 13:83 (1997). [2] Ward A.J., Hobbs P.J., Holliman P.J., Jones D.L., Biores. Technol. 99:7928 (28). [3] Dareioti M.A., Dokianakis S.N., Stamatelatou K., Zafiri C., Κornaros M., Desalination 248:891 (29). [4] Dareioti M.A., Dokianakis S.N., Stamatelatou K., Zafiri C., Κornaros M., Waste Management 3:1841 (21). [5] Stamatelatou Κ., Dravillas Κ., Lyberatos G., Water Sci. Technol. 48:235 (23). [6] Antonopoulou G., Gavala H.N., Skiadas I.V., Angelopoulos K., Lyberatos G., Biores. Technol. 99:11 (28). [7] Hendriks A.T.W.M., Zeeman G., Biores. Technol. 1:1 (29). [8] Pérez J., Muñoz-Dorado J., de la Rubia T., Martinez J., Int. Microbiol. 5:53 (22). [9] Mosier N., Wyman C., Dale B., Elander R., Lee Y.Y., Holtzapple M., Ladisch M., Biores. Technol. 96:673 (25). [1] Sipos B., Réczey J., Somorai Z., Kádár Z., Dienes D., Réczey Κ., Appl. Biochem. Biotechnol. 153:151 (29). [11] Linden J.C.,. Henk L.L, Murphy V.G., Smith D.H., Gabrielsen B.C., Tengerdy R.P., Czako L., Biotechnol. Bioengin. 3:86 (1987). [12] Shi X.-X., Song H.-C., Wang C.R., Tang R.-S., Huang Z.-X., Gao T.-R., Xie J., Int. J. Energy Res. 34:662 (29). [13] Corredor D.Y., Salazar J.M., Hohn K.L., Bean S., Bean B., Wang D, Appl. Biochem. Biotechnol. 158:164 (29). [14] Gao C., Zhai Y., Ding Y., Wu Q., Appl. Energy 87:756 (21). [15] Αντωνοπούλου Γ.Α., Διδακτορική Διατριβή τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών σελ. 96 (26). 11

[16] APHA, AWWA, WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 19 th ed. Washington DC, USA: American Public Health Association, (1995). [17] Josefsson Β.Ο., Anal. Chim. Acta 19 [18] Sloneker J.H., Anal. Biochem. 43:539 (1971). [19] Shi X.-X., Song H.-C., Wang C.R., Tang R.-S., Huang Z.-X., Gao T.-R., Xie J., Int. J. Energy Res. 34:662 (29). [2] Sipos B., Réczey J., Somorai Z., Kádár Z., Dienes D., Réczey K., Appl. Biochem. Biotechnol. 153:151 (29). [21] Mehmood S., Gulfraz M., Rana N.F., Ahmad A., Ahring B.K., Minhas N., Malik M.F., African J. Biotechnol. 8:2857 (29). [22] Panagiotopoulos I.A., Bakker R.R., de Vrije T., Koukios E.G., Claassen P.A.M., Ιnt. J. Hydrogen Energy 35:7738 (21). [23] Pirt S.J., Whelan W.J., J. Sci. Food Agric. 2:226 (1951). [24] McIntosh S., Vancov T., Biores. Technol. 11:6718 (21). [25] Miron J., Zuckerman E., Sadeh D., Adin G., Nikbachat M., Yosef E., Ben-Ghedalia D., Carmi A., Kipnis T., Solomon R., Anim. Feed Sci. Technol. 12:17 (25). 12

3. Επίδραση του ph στην παραγωγή βιο-υδρογόνου κατά την οξεογένεση μίγματος αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων Περίληψη Τα υγρά απόβλητα των αγροτοβιομηχανικών μονάδων στο σύνολο τους, αποτελούν για δεκαετίες πρόβλημα σε ολόκληρη την Ευρώπη και κυρίως στις Μεσογειακές χώρες. Η επεξεργασία των αποβλήτων αυτών είναι πολύπλοκη και συνδυάζει κοινωνικούς, οικονομικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η αναερόβια συγχώνευση των οργανικών αποβλήτων είναι μια διεργασία που εφαρμόζεται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια για την ταυτόχρονη αντιμετώπιση και παράλληλα αξιοποίηση των υγρών αποβλήτων και στερεών υπολειμμάτων που παράγουν οι αγροτοβιομηχανικές μονάδες. Κύρια προϊόντα της διεργασίας αυτής θεωρούνται το παραγόμενο βιοαέριο (CH 4 ή/και H 2 και CO 2 ) καθώς και η χωνευμένη απορροή (στερεό και υγρό κλάσμα), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό ή/ και καλής ποιότητας οργανικό λίπασμα. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αναερόβια συγχώνευση μίγματος αγροτοκτηνοτροφικών υγρών αποβλήτων (περιεκτικότητας 55% ελαιοτριβείου, 4% τυροκομείου και 5% βουστασίου) κατά το στάδιο της οξεογένεσης. Πιο συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου για την μελέτη της επίδρασης του ph στην παραγωγή υδρογόνου και πτητικών λιπαρών οξέων υπό σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας (35 oc) για εύρος τιμών ph= 4.5 7.5. Τα κύρια προϊόντα της διεργασίας ήταν πτητικά λιπαρά οξέα (οξικό, βουτυρικό, προπιονικό οξύ), αιθανόλη και γαλακτικό οξύ. Η μέγιστη παραγωγή του υδρογόνου παρατηρήθηκε για ph= 6, ενώ η μέγιστη συγκέντρωση πτητικών οξέων προσδιορίστηκε για ph= 6.5. Και στις δύο περιπτώσεις οι τιμές συγκεντρώσεων του οξικού και βουτυρικού οξέος ήταν παραπλήσιες ενώ παρατηρήθηκε αύξηση των τιμών συγκέντρωσης του προπιονικού οξέος με ταυτόχρονη αύξηση της τιμής του ph. 13

Εισαγωγή. Οι περισσότερες Μεσογειακές χώρες, υφίστανται τα τελευταία χρόνια σημαντικές περιβαλλοντικές πιέσεις από την ανεξέλεγκτη διάθεση των ανεπεξέργαστων ή μερικώς επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων από ποικίλες αγροτικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες (π.χ. ελαιοτριβεία, τυροκομεία, χοιροστάσια κ.ά.). Ο εκσυγχρονισμός των αγροτοκτηνοτροφικών μονάδων και η αύξηση της παραγωγής τους είχε σαν συνέπεια την αυξημένη σε όγκο παραγωγή υγρών αποβλήτων. Η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου και η δυνατότητα καλύτερης πληροφόρησης του αγροτικού πληθυσμού με χρήση των Μέσων Ενημέρωσης, οδήγησαν σε αυξημένες απαιτήσεις για καλύτερες συνθήκες διαβίωσης και αυξημένη ευαισθησία για την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος. Είναι λοιπόν φανερό ότι η Πολιτεία σε συνεργασία με τους παραγωγούς των γεωργικών και κτηνοτροφικών προϊόντων οφείλουν να κινηθούν προς την κατεύθυνση της αντιμετώπισης του προβλήματος της διαχείρισης των αποβλήτων. Ο όγκος των υγρών αποβλήτων των περισσότερων αγροτοκτηνοτροφικών μονάδων είναι σχετικά μικρός και εποχιακής φύσης, συγκριτικά με εκείνον των αστικών λυμάτων, με εξαίρεση τις μονάδες των χοιροστασίων και βουστασίων οι οποίες λειτουργούν καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Παρόλ αυτά η μακροχρόνια διάθεση των αποβλήτων αυτών στην ευρύτερη περιοχή των μονάδων προκαλεί σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα. Για παράδειγμα, τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείων εμφανίζουν υψηλό οργανικό φορτίο, πολυφαινόλες και ταννίνες. Η συνολική συγκέντρωση φαινολών που συμβάλλει στην υψηλή τοξικότητα και αντιβακτηριακή δραστηριότητα μπορεί να ανέρχεται μέχρι και στα 1 g/l (Tsonis S.,1988). Τα υγρά απόβλητα τυροκομείων περιέχουν κατά κύριο λόγο τυρόγαλο (παραπροϊόν της τυροκόμισης) με συνέπεια να παρουσιάζουν υψηλές τιμές οργανικού φορτίου (έως 7 g COD/L) με χαμηλή αλκαλικότητα και υψηλή συγκέντρωση υδατανθράκων (Mawson A.J., 1994). Τα απόβλητα βουστασίων υφίστανται σε υγρή και ημι-στερεή μορφή ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη ποσότητα νερού για τις καθημερινές εργασίες και χαρακτηρίζονται από υψηλό οργανικό φορτίο και υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο (Alvarez J.M, Mace S., Labres P., 2). Οι περισσότερες αγροτοβιομηχανίες, όπως π.χ. τα ελαιοτριβεία και τα τυροκομεία, λειτουργούν σε περιοδική βάση αφού τα προϊόντα τους είναι εποχιακά. Πέρα από την περιορισμένη δυναμικότητα των μονάδων σημαντικό θέμα αποτελεί η χωρική διασπορά και η απόσταση μεταξύ αυτών, ανά περιοχή. Παρόλη την ανάπτυξη επιστημονικά τεκμηριωμένων μεθόδων διαχείρισης των αποβλήτων αυτών η εφαρμογή τους σε κάθε μονάδα ξεχωριστά είναι οικονομικά ασύμφορη και απαγορευτική. Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης προτείνεται ως η πλέον ενδεδειγμένη και ταυτόχρονα με ελάχιστο τεχνολογικό ρίσκο μέθοδος επεξεργασίας για απόβλητα με υψηλό οργανικό φορτίο, όπως είναι τα αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα. Ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, όπως το υδρογόνο και το μεθάνιο, είναι προϊόντα υψηλής ενεργειακής αξίας τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων της μονάδας παρέχοντας 14

ταυτόχρονα σημαντικό πλεόνασμα ενέργειας για περαιτέρω αξιοποίηση. Περισσότεροι από 36 αναερόβιοι χωνευτήρες, βρίσκονται σήμερα σε λειτουργία, στην Ευρώπη, οι οποίοι επεξεργάζονται το 4-5% της λυματολάσπης που παράγεται σε μονάδες βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, ενώ το μεθάνιο που παράγεται σε ευρωπαϊκό επίπεδο, μπορεί να ξεπεράσει τα 15 εκατομμύρια m 3 / d (Tilche A. και Malaspina, 1998). Ειδικότερα η λειτουργία μιας κεντροβαρικής, ως προς τις εξυπηρετούμενες αγροτοκτηνοτροφικές εγκαταστάσεις, μονάδας αναερόβιας χώνευσης έχει ως πλεονεκτήματα την πιο αποτελεσματική χρήση του κόστους εξοπλισμού και την επεξεργασία πολλών αποβλήτων σε μία μόνο εγκατάσταση. Ταυτόχρονα διασφαλίζεται η σταθερότητα της λειτουργίας της κεντρικής μονάδας εφόσον η ανάμιξη των αποβλήτων μπορεί να συνεισφέρει στη δημιουργία ενός πιο «εξισορροπημένου» μίγματος κατάλληλου για χώνευση χωρίς την προσθήκη θρεπτικών ουσιών, όπως χημικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο και φώσφορο. Υλικά και στάδια του πειράματος. Σαν πρώτη ύλη στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκαν υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου, τυροκομείου και βουστασίου. Και τα τρία απόβλητα συλλέχθηκαν από μικρές τοπικές μονάδες στην περιοχή της Πάτρας. Το απόβλητο ελαιοτριβείου προήλθε από ελαιοτριβείο τριφασικής φυγοκέντρισης ενώ το δεύτερο από μονάδα που παράγει κυρίως τυρί φέτα με ημερήσια παραγωγή 3 m 3 σε υγρά απόβλητα. Τέλος το απόβλητο βουστασίου συλλέχθηκε από μία φάρμα η οποία εκτρέφει 8 αγελάδες για γαλακτοπαραγωγή. Η εγκατάσταση αυτή είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και τα παραγόμενα απόβλητα συλλέγονται αφού φυγοκεντριθούν για να διαχωριστούν τα υγρά απόβλητα από την στερεή κοπριά της αγελάδας. Μετά την συλλογή τους τα απόβλητα αποθηκεύτηκαν στους -18 C. Το μίγμα αποβλήτων που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων ήταν: 55% ελαιοτριβείο, 4% τυροκομείο και 5% βουστάσιο. Η συγκεκριμένη αναλογία έχει αποδειχθεί από προηγούμενη μελέτη ότι παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση παραγωγής βιοαερίου κατά την αναερόβια συγχώνευση του μίγματος των αποβλήτων αυτών (Dareioti M. et al., 29). Αρχικά, έγινε ο χαρακτηρισμός των αποβλήτων του ελαιοτριβείου, του τυροκομείου και του βουστασίου που συλλέχτηκαν, καθώς και του μίγματος (55% ελαιοτριβείο, 4% τυροκομείο και 5% βουστάσιο). Έπειτα έγινε μελέτη της επίδρασης του ph στην οξεογένεση του παραπάνω μίγματος σε αντιδραστήρες τύπου CSTR καθώς και σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch). Χαρακτηρισμός. Κατά τη διαδικασία χαρακτηρισμού του μίγματος των αποβλήτων, καθώς και του κάθε αποβλήτου ξεχωριστά, προσδιορίστηκαν οι εξής παράμετροι: ph, ολικά και πτητικά στερεά (TS, VS), αιωρούμενα ολικά και πτητικά στερεά (TSS, VSS), φαινολικά, υδατάνθρακες, λίπη και έλαια,ολικός οργανικός άνθρακας (TOC), βιοχημικά απαιτούμενο 15

οξυγόνο (BOD), διαλυτό χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD), άζωτο, φώσφορος, αλκαλικότητα, ολικά πτητικά λιπαρά οξέα. Μελέτη επίδρασης του ph. Η μελέτη επίδρασης του ph πραγματοποιήθηκε αρχικά σε αντιδραστήρες τύπου CSTR και έπειτα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch). Μελέτη επίδρασης του ph σε αντιδραστήρες τύπου CSTR. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, πραγματοποιήθηκαν χημικοί προσδιορισμοί διαφόρων παραμέτρων, με σκοπό να υπάρχει μία ολοκληρωμένη εικόνα της πορείας της αναερόβιας διεργασίας των αποβλήτων. Έγινε μελέτη της αναερόβιας συγχώνευσης του μίγματος των αποβλήτων σε αναερόβιους οξεογόνους αντιδραστήρες τύπου CSTR. Στα αντιπροσωπευτικά δείγματα, που λαμβάνονταν μετά από πολύ καλή ανάδευση, προσδιορίζονταν οι εξής παράμετροι: ph, ολικά και πτητικά στερεά (TS-VS), διαλυτό χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) και πτητικά λιπαρά οξέα (VFA s). Επίσης, λάμβαναν χώρα συστηματικές μετρήσεις του παραγόμενου βιοαερίου, καθώς και της σύστασης του σε υδρογόνο. Τέλος, προσδιορίστηκαν οι φαινολικές ενώσεις, οι ολικοί και διαλυτοί υδατάνθρακες και ο ολικός οργανικός άνθρακας. Να σημειωθεί ακόμη ότι κατά την εκτέλεση όλων των πειραμάτων λαμβάνονταν δείγματα και από τις τροφοδοσίες, στα οποία γίνονταν οι ίδιες μετρήσεις όπως και στα δείγματα από τον αντιδραστήρα. Μελέτη επίδρασης του ph σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch). Στη συνέχεια, για την πραγματοποίηση των πειραμάτων διαλείποντος έργου (batch) χρησιμοποιήθηκε η εγκλιματισμένη αναερόβια καλλιέργεια η οποία συλλέχθηκε από τον εργαστηριακό αναερόβιο οξεογόνο αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας. Πριν τη χρήση της στα πειράματα διαλείποντος έργου η καλλιέργεια ξεπλύθηκε δύο φορές με νερό βρύσης και φυγοκεντρήθηκε για να απομακρυνθεί το διαλυτό μέρος της απορροής. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε πείραμα διαλείποντος έργου για έλεγχο και μέτρηση της ενεργότητας της αναερόβιας καλλιέργειας με προσθήκη γλυκόζης, ως μοναδική πηγή οργανικού άνθρακα, στην καλλιέργεια στο βέλτιστο ph, όπως αυτό προσδιορίστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Στο πείραμα αυτό προσδιορίστηκε ο ρυθμός κατανάλωσης της γλυκόζης από τους οξεογόνους μικροοργανισμούς και η μετατροπή της σε προϊόντα, όπως πτητικά οξέα και αιθανόλη. Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για τα υγρά απόβλητα του ελαιοτριβείου, του τυροκομείου και του βουστασίου. Στα αντιπροσωπευτικά δείγματα, που λαμβάνονταν μετά από πολύ καλή ανάδευση, προσδιορίζονταν οι εξής παράμετροι: ph, TS, VS, TSS, VSS, φαινολικά, υδατάνθρακες, 16

πτητικά λιπαρά οξέα, αιθανόλη, γαλακτικό οξύ, ολικός και διαλυτός οργανικός άνθρακας, το παραγόμενο βιοαέριο καθώς και η σύσταση του σε H 2. Πειραματική διάταξη. Ακολουθεί λεπτομερής περιγραφή των πειραματικών διατάξεων, που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία για την εκτέλεση όλων των πειραμάτων που έλαβαν χώρα. Αντιδραστήρες τύπου CSTR. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, χρησιμοποιήθηκαν δύο οξεογόνοι αντιδραστήρες τύπου CSTR, κατασκευασμένοι από ανοξείδωτο χάλυβα, με συνολικό όγκο 1 λίτρο και ενεργό όγκο,5 λίτρα. Στο σχήμα 1 που ακολουθεί παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη των αντιδραστήρων. Ο ένας αντιδραστήρας λειτούργησε με υδραυλικό χρόνο παραμονής 1 ημέρα, (HRT= 1 d) (Α) και ο άλλος 3 ημέρες, (HRT= 3 d) (Β). Οι αντιδραστήρες είναι κυλινδρικοί και έχουν διπλότοιχα τοιχώματα, στο εσωτερικό των οποίων ρέει ζεστό νερό θερμοκρασίας 35 o C, το οποίο προέρχεται από υδατόλουτρο με ανακυκλοφορία (Ε). Εξωτερικά υπάρχει λεπτό θερμομονωτικό υλικό, για να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες θερμότητας του ζεστού νερού με το περιβάλλον. Η ανάδευση γίνεται με την βοήθεια μηχανικού αναδευτήρα, ο οποίος βρίσκεται στο επάνω μέρος του αντιδραστήρα και είναι συνδεδεμένος με τροφοδοτικό (Ζ). Επιπλέον, στο επάνω μέρος του αντιδραστήρα υπάρχουν τέσσερις έξοδοι (τέσσερα λεπτά, ανοξείδωτα σωληνάκια μικρού μήκους). Το ένα σωληνάκι είναι βυθισμένο στον ενεργό όγκο του αντιδραστήρα για την λήψη δειγμάτων από το εσωτερικό του CSTR. Τα υπόλοιπα τρία σωληνάκια υπάρχουν σε περίπτωση που θελήσουμε να τροφοδοτούμε τον αντιδραστήρα ή για την απομάκρυνση του βιοαερίου από την πάνω επιφάνεια του. Επίσης υπάρχουν και κάποιοι επιπλέον έξοδοι στα πλαϊνά του αντιδραστήρα για την δυνατότητα αλλαγής του ενεργού όγκου. Από αυτά τα ανοξείδωτα σωληνάκια στα πλαϊνά γίνεται η τροφοδοσία και η απορροή του χωνευτήρα. Στα πειράματα που έγιναν, η απορροή του χωνευτήρα έγινε από το σωληνάκι που βρίσκεται ακριβώς στην επιφάνεια των,5 λίτρων του ενεργού όγκου του χωνευτήρα, στην οποία υπάρχει προσαρμοσμένος, πλαστικός, λεπτός σωλήνας που καταλήγει στο δοχείο απορροής του CSTR (Η). Εδώ αξίζει να τονιστεί ότι η απορροή του χωνευτήρα πραγματοποιείται με φυσική ροή του υπερκείμενου όγκου των,5 λίτρων (χωρίς αντλία), λόγω της αύξησης της πίεσης στο εσωτερικό από την παραγωγή του βιοαερίου. Το δοχείο απορροής είναι μία απλή, γυάλινη, κωνική φιάλη όγκου 2 λίτρων, η οποία πωματίζεται αεροστεγώς με ελαστικό πώμα, μέσα στο οποίο είναι περασμένα 2 λεπτά μεταλλικά σωληνάκια. Το ένα συνδέεται με το σωληνάκι της απορροής του CSTR και το άλλο είναι προσαρμοσμένο σε κατάλληλο σύστημα μέτρησης του παραγόμενου βιοαερίου (Γ). Η τροφοδοσία του αντιδραστήρα γίνεται με την βοήθεια περισταλτικής αντλίας (SEKO PR PPR7A1), η οποία είναι συνδεδεμένη με χρονοδιακόπτη (ΣΤ). Το ένα 17

άκρο της αντλίας συνδέεται με το σωληνάκι του αντιδραστήρα, που καταλήγει μέσα στον ενεργό όγκο του, ενώ το άλλο συνδέεται με το ποτήρι τροφοδοσίας του χωνευτήρα (Δ). Το ποτήρι τροφοδοσίας είναι ένα κυλινδρικό, γυάλινο δοχείο, το οποίο βρίσκεται υπό ανάδευση μέσα σε ψυγείο για την διατήρηση του αποβλήτου. Να σημειωθεί ότι πριν τεθεί σε λειτουργία ο αντιδραστήρας, πραγματοποιήθηκε έλεγχος για τυχόν υγρές ή αέριες διαρροές, ενώ και σε περίοδο λειτουργίας αυτού γίνονταν περιοδικά έλεγχοι. Σχήμα 1: Εργαστηριακοί αναερόβιοι οξεογόνοι χωνευτήρες. Α: αντιδραστήρας με HRT 1d, Β: αντιδραστήρας με HRT 3d, Γ: κλικογράφοι, Δ: τροφοδοσίες αντιδραστήρων, Η: απορροές αντιδραστήρων, Ε: υδατόλουτρο με ανακυκλοφορία, ΣΤ: χρονοδιακόπτης ρύθμισης της λειτουργίας της αντλίας τροφοδοσίας, Ζ: τροφοδοτικό για ανάδευση. Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch). Για την μελέτη της επίδρασης του ph στην οξεογένεση και αντίστοιχα στην παραγωγή υδρογόνου πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου σε ph από 4.5 μέχρι 7.5 ανά τιμή.5 (Σχήμα 2). Τα πειράματα διεξήχθησαν σε 1-L κωνικές φιάλες (Α) με τελικό λειτουργικό όγκο 4 ml. Η ποσότητα της αναερόβιας λάσπης ήταν 6 ml και το υπόλοιπο αποτελούνταν από το μίγμα αποβλήτων. Το αρχικό ph του μίγματος ήταν 5.5. Η ρύθμιση των τιμών ph πραγματοποιήθηκε στην καθεμία κωνική ξεχωριστά με κατάλληλη προσθήκη μικρής ποσότητας διαλυμάτων HCl ή NaOH 6N. Για να εξασφαλιστούν οι αναερόβιες συνθήκες προστέθηκε αέριο N 2 στις κωνικές φιάλες και τοποθετήθηκαν σε υδατόλουτρο (Ε) ρυθμισμένο στους 35 o C. Στην κάτω έξοδο (Β) της κωνικής φιάλης είναι εφαρμοσμένο ένα σωληνάκι για την εξαγωγή δείγματος. Στην πάνω 18

έξοδο (Γ) βρίσκεται ακροφύσιο, στην άκρη του οποίου βρίσκεται σύριγγα (Δ) για τη μέτρηση της ποσότητας του παραγόμενου αερίου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε πείραμα διαλείποντος έργου για έλεγχο και μέτρηση της ενεργότητας της αναερόβιας καλλιέργειας πραγματοποιώντας προσθήκη γλυκόζης, ως μοναδική πηγή οργανικού άνθρακα, στην καλλιέργεια στις συνθήκες του βέλτιστου ph, όπως αυτές προσδιορίστηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Στις συνθήκες αυτές προσδιορίστηκε ο ρυθμός κατανάλωσης της γλυκόζης από τους οξεογόνους μικροοργανισμούς και η μετατροπής της σε προϊόντα, όπως πτητικά οξέα και αιθανόλη. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου ξεχωριστά στα απόβλητα του ελαιοτριβείου, του τυροκομείου και του βουστασίου. 19

(α) (β) Σχήμα 2: Πειραματική διάταξη πειραμάτων κινητικής Α: κωνική φιάλη, Β,Γ: έξοδοι κωνικής, Δ: σύριγγα, Ε: υδατόλουτρο. 2

Αναλυτικές μέθοδοι. Οι παράμετροι που μετρήθηκανκατά τη διάρκεια του πειράματος σε οξεογόνους αντιδραστήρες CSTR, καθώς και σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch) ήταν η μέτρηση ph, ολικών και πτητικών στερεών (TS-VS), του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, ΧΑΟ (COD), η συγκέντρωση ολικών φαινολικών, ολικού φωσφόρου, διαλυτού φωσφόρου (PO -3 4 ), ολικών και διαλυτών υδατανθράκων, ολικής αλκαλικότητας, των πτητικών λιπαρών οξέων (VFA s), των αλκοολών, γαλακτικού οξέος, παραγόμενου βιοαερίου και σύστασης σε υδρογόνο του παραγόμενου βιοαερίου, του αμμωνιακού αζώτου (NH 3 -N) και ολικού αζώτου κατά Kjeldahl (TKN) καθώς και μέτρηση ολικού οργανικού άνθρακα (TOC). Αποτελέσματα χαρακτηρισμού. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διαδικασία του χαρακτηρισμού των αποβλήτων του ελαιοτριβείου, του τυροκομείου και του βουστασίου, καθώς και του μίγματος (55% ελαιοτριβείο, 4% τυροκομείο και 5% βουστάσιο) που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Το απόβλητο του ελαιοτριβείου χαρακτηρίζεται από υψηλό οργανικό φορτίο και υψηλή συγκέντρωση στερεών. Περιέχει φαινόλες (τοξικότητα) και έχει μικρή περιεκτικότητα σε άζωτο. Στο απόβλητο τυροκομείου παρατηρούμε υψηλό οργανικό φορτίο το οποίο οφείλεται κυρίως στους υδατάνθρακες, ενώ το απόβλητο βουστασίου χαρακτηρίζεται από υψηλή συγκέντρωση πτητικών λιπαρών οξέων και αζώτου. 21