ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΛΑΙΟΤΡΙΒΕΙΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΕΡΙΟ ΙΚΟ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟ ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕ ΑΝΑΚΛΑΣΤΗΡΕΣ (PABR) ΚΑΙ ΚΛΑΣΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΚΡΟΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΛΑΙΟΤΡΙΒΕΙΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΕΡΙΟ ΙΚΟ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟ ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕ ΑΝΑΚΛΑΣΤΗΡΕΣ (PABR) ΚΑΙ ΚΛΑΣΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΚΡΟΩΝ ΚΟΨΑΧΕΙΛΗΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΥΜΠΕΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2009

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΛΑΙΟΤΡΙΒΕΙΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΕΡΙΟ ΙΚΟ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟ ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑ ΜΕ ΑΝΑΚΛΑΣΤΗΡΕΣ (PABR) ΚΑΙ ΚΛΑΣΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΚΡΟΩΝ ΚΟΨΑΧΕΙΛΗΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΥΜΠΕΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΚΟΡΝΑΡΟΣ ΜΙΧΑΛΗΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑ ΧΡΙΣΤΑΚΗΣ ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2009 2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα µεταπτυχιακή διατριβή πραγµατοποιήθηκε στο Εργαστήριο Βιοχηµικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος του τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών στα πλαίσια του.π.μ.σ στις Περιβαλλοντικές Επιστήµες. Θα ήθελα να ευχαριστήσω, τον διευθυντή του εργαστηρίου Βιοχηµικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και επιβλέποντα της εργασίας µου, Καθηγητή του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών, κ. Γεράσιµο Λυµπεράτο, για την ευκαιρία που µου παρείχε να δουλέψω στο εργαστήριο αυτό και βέβαια για την συνεχή επιστηµονική καθοδήγηση του. Τον Επίκουρο Καθηγητή του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών, κ. Χριστάκη Παρασκευά, που µε τις ουσιαστικές υποδείξεις του και τη πολύτιµη βοήθειά του, κατέστησαν δυνατά τα πειράµατα διαχωρισµού. Τον Επίκουρο Καθηγητή του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών, κ. Μιχάλη Κορνάρο, για την ευγένεια και την προθυµία του να συµµετάσχει στην Εξεταστική Επιτροπή. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στη διδάκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών κ. Κατερίνα Σταµατελάτου, η οποία µε την άρτια επιστηµονική της κατάρτιση, έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη περάτωση αυτής της εργασίας. Θέλω επίσης να ευχαριστήσω όλους τους ερευνητές και ερευνήτριες του Εργαστηρίου Βιοχηµικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος του τµήµατος Χηµικών Μηχανικών Νίκο, Θεόφιλο, Νάντια, Εύη, Χρήστο, Μίνα, Γεωργία και Ιωάννα, µε τους οποίους ανέπτυξα µια όµορφη και δηµιουργική φιλία. Ξεχωριστά θέλω να ευχαριστήσω τη Νάντια ελή καθώς επίσης και τη φίλη Σοφία Μοσχοπούλου. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς µου Παναγή και Ρεγγίνα και τον αδελφό µου το Νίκο για την αµέριστη στήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια αφιερώνοντάς τους τη δουλειά αυτή. 3

Περιεχόµενα 1. Υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου 1 1.1 Εισαγωγή 1 1.2 Ο ελαιόκαρπος 2 1.3 Παραγωγή του ελαιολάδου και τύποι ελαιουργείων 2 1.3.1. Αποφυλλωτήριο πλυντήριο 3 1.3.2. Σπαστήρας µαλακτήρας 3 1.3.3.1. Κλασική µέθοδος 3 1.3.3.2 Φυγοκεντρικά συστήµατα 4 1.3.3.2.1 Φυγοκεντρικού τύπου τριών φάσεων 4 1.3.3.2.2 Φυγοκεντρικού τύπου δύο φάσεων 4 1.4 Χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου 6 1.5 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 9 1.5.1 Φαινολικές ενώσεις 10 1.6 Τεχνολογίες για τη διαχείριση αποβλήτων ελαιοτριβείου 12 1.6.1 Φυσικοχηµικές µέθοδοι 13 1.6.2 Βιολογικές µέθοδοι 13 2. Αναερόβια χώνευση 15 2.1 Εισαγωγή 15 2.2 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της αναερόβιας χώνευσης 15 2.3 Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης 16 2.3.1 Μικροβιολογία της µη µεθανογόνου φάσης 18 2.3.1.1 Υδρολυση 18 2.3.1.2 Οξεόγενεση 20 2.3.1.3 Οξικογένεση 20 2.3.2 Μικροβιολογία της µεθανογόνου φάσης 21 2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση 23 2.4.1 Θερµοκρασία 23 2.4.2 ph 25 2.4.3 Χηµική σύσταση του υποστρώµατος 26 2.4.4 Οργανική φόρτιση και υδραυλικός χρόνος παραµονής 27 2.4.5 Τοξικότητα και παρεµπόδιση 27 4

2.4.5.1 Οξυγόνο 28 2.4.5.2 Αµµωνία 28 2.4.5.3 Θειούχα και θειικά ανιόντα 28 2.4.5.4 Βαρέα µέταλλα 28 2.4.5.5 Χλωριωµένοι υδρογονάνθρακες 28 2.4.5.6 Φορµαλδεΰδη 29 2.4.5.7 Αρωµατικές ενώσεις 29 2.4.5.8 Ανόργανα στοιχειά 29 2.4.5.9 Ανώτερα λιπαρά οξέα και πτητικά λιπαρά οξέα 29 2.5 Συστήµατα αναερόβιας χώνευσης 29 2.5.1 Συµβατική αναερόβια χώνευση 30 2.5.2 Συµβατική αναερόβια χώνευση δύο σταδίων 31 2.5.3 Ταχύρρυθµες και υβριδικές διατάξεις αναερόβιας χώνευσης 33 2.5.3.1 Αναερόβια φίλτρα 33 2.5.3.2 ιαστελλόµενες και ρευστοποιηµένες κλίνες 35 2.5.3.3 Καλυµµένη αναερόβια λεκάνη 36 2.5.3.4 Xωνευτήρας ανοδικής ροής µέσω στρώµατος λάσπης 36 2.5.3.5 Αναερόβιος χωνευτήρας µε ανακλαστήρες 38 2.5.3.6 Συνδυασµός συστηµάτων αναερόβιας χώνευσης 39 2.6 Οι κυριότερες εφαρµογές της αναερόβιας χώνευσης 41 3. ιεργασίες µεµβρανών εφαρµογή στο καθαρισµό υγρών αποβλήτων 43 3.1 Εισαγωγή 43 3.2 Τύποι διαχωρισµού µε µεµβράνες 43 3.3 Κατάταξη µεµβρανών και υλικά που χρησιµοποιούνται 44 3.4 ιεργασίες µεµβρανών µε οδηγούσα δύναµη την πτώση πίεσης 48 3.4.1 Μικροδιήθηση (Μ ) 48 3.4.2 Υπερδιήθηση (Υ ) 48 3.4.3 Νανοδιήθηση (Ν ) 49 3.4.4 Αντίστροφη όσµωση (ΑΟ) 49 3.5 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα τεχνολογίας µεµβρανών 50 5

4. Αναλυτικές µέθοδοι 52 4.1 Εισαγωγή 52 4.2 Μέτρηση ph 52 4.3 Προσδιορισµός ολικών και πτητικών αιωρούµενων στερεών 52 4.4 Μέτρηση ολικής αλκαλικότητας 53 4.5 Προσδιορισµός χηµικά απαιτούµενου οξυγόνου (ΧΑΟ) 53 4.6 Προσδιορισµός αµµωνίας και ολικού αζώτου κατα Kjeldahl 54 4.7 Μέτρηση συγκέντρωσης φαινολικών 55 4.8 Μέτρηση υδατανθράκων 56 4.9 Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων 56 4.10 Μέτρηση σύστασης σε µεθάνιο του παραγόµενου βιοαερίου 57 4.11 Μέτρηση παροχής βιοαερίου 57 4.12 Μέτρηση λιπών και ελαίων 58 4.13 Μέτρηση παραµέτρων κατά τις διεργασίες µεµβρανών 58 4.14 Πειραµατικές διατάξεις 59 4.14.1 Περιοδικός αναερόβιος αντιδραστήρας µε ανακλαστήρες (PABR) 59 4.14.2 Φιλτρόπρεσα και µονάδα υπερδιήθησης 61 4.14.3 Μονάδα αντίστροφης όσµωσης 64 5. Αναερόβια χώνευση υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου µε αντιδραστήρα τύπου PABR και επεξεργασία µε µεµβράνες 65 5.1 Εισαγωγή 65 5.2 Χαρακτηρισµός του υγρού απόβλητου ελαιοτριβείου 65 5.3 Πειραµατική διαδικασία 67 5.4 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων συνεχών πειραµάτων αναερόβιας χώνευσης µε PABR 71 5.4.1 Φάση #1 η 72 5.4.2 Φάση #2 η 75 5.4.3 Φάση #3 η 79 5.4.4 Φάση #4 η 83 5.4.5 Φάση #5 η 86 5.4.6 Φάση #6 η 89 6

5.5 ιεργασίες διαχωρισµού υγρών απόβλητων ελαιοτριβείου µε µεµβράνες 92 5.5.1 Κλασµατοποίηση ανεπεξέργαστου αποβλήτου και αναερόβιων εκροών 93 6. Γενικά συµπεράσµατα και προτάσεις για µελλοντική εργασία 96 Βιβλιογραφία 98 7

Περιεχόµενα Σχήµατα Σχήµα 1.2.1. Γραµµή παραγωγής κλασικού τύπου ελαιοτριβείου Σχήµα 1.2.2. Γραµµή παραγωγής φυγοκεντρικών συστηµάτων Σχήµα 1.4.1. οµή ελαιοευρωπεΐνης και προϊόντα υδρόλυσής Σχήµα 1.4.2. Κυριότερες φαινολικές ενώσεις που συναντώνται στα απόβλητα ελαιοτριβείων Σχήµα 2.3.1. ιάσπαση της οργανικής ύλης κατά την Αναερόβια χώνευση. Σχήµα 2.5.1. Συµβατικές διατάξεις αναερόβιας χώνευσης α) Μερικής ανάµιξης, β) αντιδραστήρας πλήρους ανάµιξης Σχήµα 2.5.2. ιάταξη συµβατικής αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων. Σχήµα 2.5.3. ιάταξη α) ανοδικών, β) καθοδικών αναερόβιων φίλτρων Σχήµα 2.5.4. οµή καλυµµένης αναερόβιας λεκάνης. Σχήµα 2.5.5. ιάταξεις UASB και EGSB Σχήµα 2.5.6. ιατάξεις ABR και SFABR. Σχήµα 2.5.7. Παράλληλη διάταξη αντιδραστήρων. Σχήµα 2.5.8. ιάταξη χωνευτήρων σε σειρά. Σχήµα 2.5.9. ιάταξη για διεργασίες δύο φάσεων. Σχήµα 3.1.1. Μηχανισµός φραγής α) πλήρης φραγή (complete blocking), β) σταθερή φραγή (standard blocking), γ) ενδιάµεση φραγή (intermediate blocking), δ) στρώµα φραγής (cake filtration) Σχήµα 5.3.1. ιάγραµµα ροής συνδυασµού αναερόβιας χώνευσης και χρήσης µεµβρανών. Τα υπολείµµατα των διεργασιών οδηγούνται για βιοσταθεροποίηση. Σχήµα 5.3.2. Συνοπτικό διάγραµµα ροής του συνόλου της διεργασίας διαχωρισµού του ανεπεξέργαστου αποβλήτου. Τα υπολείµµατα της διεργασίας οδηγούνται για βιοσταθεροποίηση. Σχήµα 5.4.1. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) Η ολική αλκαλικότητα των εκροών του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου. 8

Σχήµα 5.4.2. α) Το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνο, β) ρυθµός και σύσταση παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου (#1).Σχήµα 5.4.3. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1). Σχήµα 5.4.4. Τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου. Σχήµα 5.4.5. Τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου. Σχήµα 5.4.6. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) Η ολική αλκαλικότητα του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου. Σχήµα 5.4.7. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) Το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνου Σχήµα 5.4.8. α) Ρυθµός και σύσταση του παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου Σχήµα 5.4.9. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) Η ολική αλκαλικότητα του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3). Σχήµα 5.4.10. α) Ρυθµός και σύσταση του παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου, β) το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνου (#1, #2, #3). Σχήµα 5.4.11. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3). Σχήµα 5.4.12. Τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3). Σχήµα 5.3.13. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) Η ολική αλκαλικότητα του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4) Σχήµα 5.4.14. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4). 9

Σχήµα 5.4.15. α) Ρυθµός και σύσταση του παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου, β) το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνου (#1, #2, #3, #4). Σχήµα 5.4.16. Τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4). Σχήµα 5.4.17. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) η ολική αλκαλικότητα του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5). Σχήµα 5.4.18. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5). Σχήµα 5.4.19. α) Ρυθµός και σύσταση του παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, γ) τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5). Σχήµα 5.4.20. α) Το ph του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) η ολική αλκαλικότητα του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5, #6). Σχήµα 5.4.21. α) Ρυθµός και σύσταση του παραγόµενου βιοαερίου συναρτήσει του χρόνου, β) το διαλυτό ΧΑΟ της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα σε συνάρτηση µε το χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5, #6). Σχήµα 5.4.22. α) Η µεταβολή των κυριότερων πτητικών λιπαρών οξέων στον αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου, β) τα διαλυτά φαινολικά της τροφοδοσίας και του αντιδραστήρα συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5, #6). Σχήµα 5.4.23. Τα ολικά και πτητικά αιωρούµενα στερεά της εισροής συναρτήσει του χρόνου (#1, #2, #3, #4, #5, #6). Σχήµα 6.1. ιάταξη ολοκληρωµένης διαχείρισης παραπροϊόντων ελαιοτριβείου 10

Περιεχόµενοι Πίνακες Πίνακας 1.1 Κυριότερες χώρες παραγωγής ελαιολάδου (1000 τόνοι) Πίνακας 1.3.1. Γενική εικόνα σύγκρισης των τριών τύπων Πίνακας 1.3.2. Γενικά χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου Πίνακας 1.3.3. Χαρακτηριστικά των αποβλήτων των κλασικών και των φυγοκεντρικών ελαιουργείων Πίνακας 2.3.1. Τα κυριότερα γένη µικροοργανισµών που συναντώνται στη µη µεθανογόνο φάση της αναερόβιας χώνευσης Πίνακας 2.3.2. Μία γενική κατάταξη των κυριότερων υδρολυτικών ενζύµων Πίνακας 2.3.4. Παράδειγµα µεθανογόνων µικροοργανισµών µε ή χωρίς προστατευτική µεµβράνη Πίνακας 2.3.5. Υποστρώµατα που χρησιµοποιούνται από τους µεθανογόνους µικροοργανισµούς Πίνακας 2.3.6. Ταξινόµηση µεθανογόνων µικροοργανισµών Πίνακας 2.3.7. Βιοχηµικές αντιδράσεις κατά τη µεθανογένεση Πίνακας 2.4.1. Βέλτιστο ph ανάπτυξης ορισµένων µεθανογόνων Πίνακας 2.4.2. Σηµαντικά στοιχεία που χρειάζονται στην αναερόβια χώνευση Πίνακας 2.6.1. ιάφορα υποστρώµατα για αναερόβια χώνευση Πίνακας 3.2.1. Χαρακτηριστικά µεµβρανών Πίνακα 3.2.2. Κάποια υλικά που χρησιµοποιούνται για τη κατασκευή µεµβρανών Πίνακας 3.2.3. Μορφοποίηση διάταξης και εφαρµογές Πίνακας 5.2.1 Χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου 11/07-1/08 Πίνακας 5.3.1. Σύσταση διαλύµατος ιχνοστοιχείων Πίνακας 5.4.1. Σύνοψη πειραµατικών συνθηκών Πίνακας 5.4.2. Χαρακτηριστικά εµβολίου µικτής καλλιέργειας Πίνακας 5.5.1. Πειραµατικές συνθήκες διαχωρισµού 11

Περιεχόµενες Εικόνες Εικόνα 2.3.2. Το εξωκυτταρικό ένζυµο κυτταρινάση απελευθερώνετε από το υδρολυτικό βακτήριο Cellulomonas και υδρολύει τους χηµικούς δεσµούς της κυτταρίνης δηµιουργώντας έτσι µόρια γλυκόζης τα οποία στη συνέχεια απορροφούνται από άλλους µικροοργανισµούς Εικόνα 2.3.3. α) Ύπαρξη προστατευτικής µεµβράνης που προσδίδει µεγαλύτερη προστασία στο κύτταρο, β) απουσία προστατευτικής µεµβράνης Εικόνα 2.4.1. Ρυθµός αναερόβιας χώνευσης σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία Εικόνα 3.1.1. Τύποι διηθήσεων µε µεµβράνες Εικόνα 3.2.2. Κατάταξη µεµβρανών βάση της διαχωριστικής τους ικανότητας Εικόνα 3.2.4. Σχηµατική απεικόνιση της ροής διαµέσου της µεµβράνης σε σχηµατισµούς α) επίπεδης διάταξης, β) σωληνοειδούς διάταξης, γ) ανοιχτές ίνες Εικόνα 3.3.1. Νερό και διαλελυµένα συστατικά χαµηλού ΜΒ διέρχονται µέσα από τους πόρους της µεµβράνης Υ υπό την εφαρµογή υδροστατικής πίεσης Εικόνα 3.3.2. Αρχή της αντίστροφης όσµωσης Εικόνα 4.11.1. Σύστηµα µέτρησης παροχής βιοαερίου συνδεδεµένο µε τον αναερόβιο αντιδραστήρα. Φαίνεται ο εκτοπισµός του ορυκτελαίου και η άνοδος του πλωτήρα. Εικόνα 4.14.1. α) Κάτοψη και β) πρόσοψη ενός PABR τεσσάρων διαµερισµάτων Εικόνα 4.14.2. Πειραµατική διάταξη PABR τεσσάρων διαµερισµάτων. (1) Ψυγείο φύλαξης τροφοδοσίας, (2) λουτρό 35 ο C, (3) ηλεκτροκίνητη βαλβίδα, (4) θερµοστοιχείο, (5) αντιδραστήρας PABR, (6) ηλεκτρικός πίνακας, (7) σύστηµα µέτρησης παροχής βιοαερίου, (8) ηλεκτρονικός υπολογιστής, (9) χρονικό και αντλία παροχής. Εικόνα 4.14.3. Κάτοψη PABR τεσσάρων διαµερισµάτων κατά την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου. Εικόνα 4.14.4. Φιλτρόπρεσα που χρησιµοποιήθηκε για την αποµάκρυνση αιωρούµενων στερεών, 1) αφιλτράριστο απόβλητο, 2) φιλτρόπρεσα, 3) φιλτραρισµένο απόβλητο, 4) συλλογή υπολλοιµάτων Εικόνα 4.14.5. Μονάδα υπερδιήθησης, 1) εξαµενή τροφοδοσίας, 2) ηλεκτροκινητήρας, 3) πίεση εισόδου, 4)θέση κεραµικής µεµβράνης, 5) πίνακας ελέγχου, 6) ένδειξη θερµοκρασίας, 7) πίεση εξόδου, 8) ροόµετρο, 9) συµπύκνωµα, 10) πίεση διηθήµατος, 11) διήθηµα υπερδιήθησης 12

Εικόνα 4.14.6. Μονάδα αντιστρόφου όσµωσης, 1) εξαµενή τροφοδοσίας, 2) θέση µεµβράνης, 3) ένδειξη πίεσης λειτουργίας, 4) ένδειξη θερµοκρασίας λειτουργίας, 5) πίνακας ελέγχου, 6) ηλεκτροκινητήρας, 7) συµπύκνωµα, 8) ροόµετρο µέτρησης παροχής διηθήµατος, 9) διήθηµα Εικόνα 5.2.1. Κατά τη συλλογή του αποβλήτου 1) τριφασικό decanter, 2) έξοδος ελαιολάδου, 3) έξοδος κατσίγαρου Εικόνα 5.5.1. Επιστροφή µονάδας ΑΟ κατά την επεξεργασία εκροών PABR Εικόνα 5.5.2. α) Παραλαβή διηθήµατος ΑΟ κατά τη διεργασία διαχωρισµού, β) µονάδα ΑΟ που δουλεύει στα 30 bar. Από πίσω διακρίνεται η θέση της µεµβράνης στο σύστηµα. 13

Περίληψη Τα υγρά απόβλητα των ελαιοτριβείων είναι το παραπροϊόν της παραγωγικής διαδικασίας του ελαιολάδου. Η γεωργική αυτή δραστηριότητα έχει ιδιαίτερη κοινωνική και οικονοµική σηµασία για το πληθυσµό των ελαιοπαραγωγικών χωρών, που βρίσκονται κυρίως στη περιοχή της Μεσογείου όπου παράγεται και το 95% περίπου της παγκόσµιας παραγωγής. Τεράστιες ποσότητες αποβλήτων παράγονται κάθε ελαιοκοµική περίοδο και σε συνδυασµό µε τα χαρακτηριστικά τους (υψηλή συγκέντρωση σε οργανικό φορτίο και φαινολικές ενώσεις), καθιστούν τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου ένα δυσεπίλυτο πρόβληµα επικίνδυνα για την απευθείας διάθεσής τους στο περιβάλλον. Στόχος της παρούσας µελέτης, ήταν ο συνδυασµός µεθόδων επεξεργασίας των υγρών απόβλητων ελαιοτριβείου. Αρχικά, µε την εφαρµογή αναερόβιας χώνευσης και στη συνέχεια µε τη κλασµατοποίηση των αναερόβιων εκροών σε ένα σύστηµα, αποτελούµενο από φίλτρα και επιλεγµένες µεµβράνες. Η αναερόβια χώνευση των αποβλήτων πραγµατοποιήθηκε µε το ταχύρυθµο σύστηµα του περιοδικού αναερόβιου αντιδραστήρα µε ανακλαστήρες. Στη συνέχεια οι αναερόβιες εκροές διοχετεύθηκαν στο σύστηµα υπερδιήθησης και αντίστροφης όσµωσης προκειµένου να γίνει η κλασµατοποίησή τους. Η αύξηση του ρυθµού οργανικής φόρτισης έγινε µε αύξηση στο ΧΑΟ της εισροής και µε µείωση του υδραυλικού χρόνου παραµονής (ΥΧΠ). Με την αύξηση του ΧΑΟ στην εισροή επήλθε εκτροπή της διεργασίας και µηδενισµός στη παραγωγή βιοαερίου Το γεγονός αυτό ήταν αποτέλεσµα της συσσώρευσης πτητικών λιπαρών οξέων στο σύστηµα. Αντιθέτως, µε τη µείωση του ΥΧΠ η διεργασία ήταν σταθερή και οδήγησε στη µείωση του ΥΧΠ στις 3.75 ηµέρες και αύξηση του ρυθµού οργανικής φόρτισης στα 8.9 gχαο/l/d επιτυγχάνοντας µία µείωση στο ΧΑΟ της εκροής της τάξεως του 72%. Η περαιτέρω επεξεργασία των εκροών µε τις µεµβράνες οδήγησε στη παραλαβή τελικού διηθήµατος µε λιγότερο από 0.1 g/l ΧΑΟ. Η αναερόβια χώνευση υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου µε το περιοδικό αναερόβιο αντιδραστήρα µε ανακλαστήρες ήταν σταθερή ακόµα και σε υψηλούς ρυθµούς οργανικής φόρτισης. Με την κλασµατοποίηση των εκροών, παρελήφθη ένα τελικό διήθηµα υψηλής ποιότητας, κατάλληλο για άρδευση και επαναχρησιµοποίηση για την αρχική αραίωση του αποβλήτου πριν την αναερόβια χωνευση. 14

Abstract Olive mill wastewater is the by product of olive oil production. This agricultural activity with high social and economic impact on the population of olive-producing countries, are mainly located in the Mediterranean area which approximately 95% of the world s olive oil production is derived. It is produced seasonally in large quantities by a large number of small olive mills and the combination of their characteristics (very high organic load and phenolic compounds) are the main difficulties in finding a solution for the management of these wastewaters, which are dangerous for the environment. The aim of this study was the combined treatment of olive mill wastewater. The anaerobic digestion of the olive mill wastewaters took place in a high rate system, the periodic anaerobic baffled reactor. Application of the membrane system aimed at purifying the anaerobic effluent. An increase in the organic loading rate was achieved by increasing the influent COD and alternatively by decreasing the hydraulic retention time (HRT). The first option caused process failure, since the volatile fatty acids accumulation resulted in negligible biogas production. In contrast, the second change led to stable operation that permitted the reduction of the HRT to 3.75 d and increase of the organic loading rate to 8.9 gcod/l/d with satisfactory total COD removal 72%. Further purification in the membrane units resulted in a final permeate of less than 0.1 gcod/l. The anaerobic digestion of olive mill wastewater in a PABR was stable even at high organic loading rates. Filtering and membrane fractionation of the anaerobic effluent resulted in a final permeate stream of high quality, suitable for irrigation and reuse for diluting the wastewater prior to anaerobic digestion. 15

1. Υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου 1.1 Εισαγωγή Η ελιά ανήκει στην οικογένεια Oleaceae και το γένος Olea περιλαµβάνει πάνω από 30 είδη. Αυτά είναι διασκορπισµένα σ όλο το πλανήτη, όµως το 97% της παγκόσµιας παραγωγής ελαιολάδου συγκεντρώνεται στη περιοχή της Μεσογείου. Οι χώρες µε τη µεγαλύτερη παραγωγή είναι η Ισπανία, η Ιταλία και η Ελλάδα παράγοντας το 80% της παγκόσµιας παραγωγής. Πίνακας 1.1 Κυριότερες χώρες παραγωγής ελαιολάδου (1000 τόνοι) (IOOC). Χώρα 1997/98 1998/99 1999/00 2000/01 2001/02 2002/03 2003/04 2006/07 Ε.Ε 2,116.5 1,707.0 1,878.5 1,940.5 2,463.5 1,942.5 2,307 2,230 Αλγερία 15 54 33.5 26.5 25.5 16.5 40 40 Αργεντινή 8 6.5 11 4 10 11 22 14 Κύπρος 1.5 2.5 3.5 5.5 6.5 6.5 7 8.1 Ισραήλ 3 4.5 2.5 7 3.5 9 2.5 8.5 Κροατία 5 9 5.5 5 7 3 3 Ιορδανία 14 21.5 6.5 27 14 28 11.5 36 Λίβανος 3.5 7 6 5 5 6 4 6 Μαρόκο 70 65 40 35 60 45 80 80 Παλαιστίνη 9 5.5 2 20 18 21.5 5 16 Συρία 70 115 81 165 92 165 110 154 Τυνησία 93 215 210 130 35 70 180 130 Τουρκία 40 170 70 175 65 160 60 140 Αυστραλία 0.5 0.5 1 1 2 3 11 Αίγυπτος 1 0.5 2.5 0.5 1.5 5 2 2 Ιράν 3 2.5 2.5 3 2.5 1.5 4 3 Λιβύη 6 8 7 4 7 6.5 6.5 11 16

Στην Ελλάδα η ελιά είχε από την αρχαιότητα ξεχωριστή θέση και είχε συνδεθεί µε την διατροφή, τη θρησκεία, την υγεία και την τέχνη. Σήµερα είναι η πρώτη σε σπουδαιότητα δενδρώδης καλλιέργεια στη χώρα µας, αφού καταλαµβάνει σε έκταση το 15% περίπου της καλλιεργούµενης γης και το 75% των εκτάσεων που είναι φυτεµένες µε δέντρα. Με τα προϊόντα της η ελιά συµµετέχει κάθε χρόνο στα συνολικά εθνικά έσοδα. Υπολογίζεται ότι υπάρχουν γύρω στα 130 εκατοµµύρια ελαιόδεντρα, 2800 ελαιοτριβεία, 500 συσκευαστήρια ραφιναριστήρια - πυρηνελαιουργεία και 80 εργοστάσια επεξεργασίας επιτραπέζιας ελιάς (Ποντίκης, Α.Κ., 2000, Award et al., 2006). 1.2 Ο ελαιόκαρπος Ο καρπός της ελιάς είναι δρύπη, και αποτελείται από το περικάρπιο και το ενδοκάρπιο. Το περικάρπιο αποτελείται από δύο τµήµατα, την επιδερµίδα και το µεσοκάρπιο το οποίο αποτελεί το 65-83% του νωπού βάρους του καρπού. Κατά την ωρίµανση του καρπού η επιδερµίδα µετατρέπεται από ανοιχτό πράσινο σε σκούρο µαύρο χρώµα. Η µέση σύσταση του ελαιοκάρπου είναι: 50% Νερό, 22% λάδι, 19% υδατάνθρακες, 1.6% πρωτεΐνες, καθώς και άλλα σηµαντικά συστατικά όπως πηκτίνες, οργανικά οξέα, χρωστικές, πολυφαινόλες και ανόργανα συστατικά. Πολλά από αυτά τα συστατικά συναντώνται και στα απόβλητα που παράγονται κατά τη παραγωγική διαδικασία του ελαιολάδου. Ο καρπός περνάει διάφορες φάσεις έως ότου φτάσει ένα µέγιστο βάρος από τον Οκτώβριο µέχρι τα µέσα Νοέµβρη για τις περισσότερες ποικιλίες. Από εκεί και έπειτα ο καρπός αρχίζει να χάνει υγρασία µε αποτέλεσµα την αύξηση της ελαιοπεριεκτικότητάς του. Το 96-98% του λαδιού στον ελαιόκαρπο συγκεντρώνεται στο περικάρπιο (Ποντίκης, Α.Κ., 2000). 1.3 Παραγωγή του ελαιολάδου και τύποι ελαιουργείων Η εξαγωγή του ελαιολάδου σήµερα γίνεται κυρίως µε δύο τρόπους: Με τη κλασική µέθοδο (πίεση του ελαιοπολτού σε υδραυλικό πιεστήριο) Με φυγοκεντρικά συστήµατα (συνεχή συστήµατα) τριών φάσεων (τριφασικά ελαιοτριβεία) 17

δύο φάσεων (δυφασικά ελαιοτριβεία) Εκτός από διαφορές στο τελικό προϊόν, µε τα παραδοσιακού τύπου ελαιοτριβεία να παράγουν καλύτερης ποιότητας λάδι, κάτι που οφείλεται στην επικράτηση χαµηλών θερµοκρασιών στο σύνολο της διεργασίας (Petrakis, 2006), διαφέρουν και όσο αναφορά τη σύσταση και τον όγκο των παραγόµενων παραπροϊόντων. 1.3.1. Αποφυλλωτήριο πλυντήριο Αφού οι ελιές ζυγιστούν και τοποθετηθούν στη χοάνη υποδοχής, περνάνε από το αποφυλλωτήριο όπου αφαιρούνται φύλλα και άλλες ξένες ύλες τα οποία µπορούν να υποβαθµίσουν την ποιότητα του ελαιολάδου και να φθείρουν τα µηχανήµατα. Στο πλυντήριο γίνεται το πλύσιµο του ελαιοκάρπου και η αποµάκρυνση όλων των ξένων υλών που δεν αποµακρύνθηκαν στο αποφυλλωτήριο π.χ χώµα προσκολληµένο στο καρπό. 1.3.2. Σπαστήρας µαλακτήρας Με την άλεση ο ελαιόκαρπος µετατρέπεται σε οµοιογενή πούλπα και επιτυγχάνεται η αποδιοργάνωση των ιστών του µεσοκαρπίου, το σπάσιµο των χυµοτοπίων που περιέχουν τα σταγονίδια του λαδιού, η συσσωµάτωση των σταγονιδίων σε µεγάλες σταγόνες λαδιού ώστε να γίνει πιο εύκολος στη συνέχεια ο διαχωρισµός του. Στο µαλακτήρα γίνεται η µάλαξη της πούλπας και τα σταγονίδια του λαδιού που είχαν αρχίσει να δηµιουργούνται µε την άλεση στο σπαστήρα γίνονται ακόµα µεγαλύτερα. Η µάλαξη γίνεται πιο αποτελεσµατική όταν η ελαιοµάζα θερµανθεί µέχρι 30-35 ο C. 1.3.3.1. Κλασική µέθοδος Στη παραδοσιακή µέθοδο εξαγωγής του ελαιολάδου, η ελαιοµάζα τοποθετείται σε ελαιόπανα και οδηγείται στο υδραυλικό πιεστήριο. Εκεί µε την άσκηση πίεσης γίνεται ο διαχωρισµός της στερεής από την υγρή φάση. Η υγρή φάση που διέρχεται µέσα από τα ελαιόπανα οδηγείται στο διαχωριστήρα όπου γίνεται η παραλαβή του ελαιολάδου. Η παραδοσιακή µέθοδος είναι ασυνεχής διαδικασία και αυτός ήταν ο κύριος λόγος εγκατάλειψης της. 18

Ελιές Νερό Αποφυλλωτήριο Πλυντήριο Σπαστήρας- µαλακτήρας Πίεση Λάδι µε προσµίξεις Ελαιοπυρήνας Ζεστό νερό Φυγοκέντριση (καθ. διάταξη) Λάδι Φυτικά υγρά Σχήµα 1.2.1. Γραµµή παραγωγής κλασικού τύπου ελαιοτριβείου. 1.3.3.2 Φυγοκεντρικά συστήµατα Η ασυνεχής λειτουργία των κλασικών ελαιοτριβείων και η εκµηχάνιση της γεωργίας οδήγησαν στα µέσα της δεκαετίας του 1970 στη δηµιουργία συνεχών διατάξεων. 1.3.3.2.1 Φυγοκεντρικού τύπου τριών φάσεων Η ελαιόµαζα µετά τη µάλαξη και αφού αραιωθεί µε ζεστό νερό εισάγεται από το ένα άκρο του τριφασικού φυγοκεντρικού διαχωριστήρα (decanter) και στην έξοδο παραλαµβάνεται λάδι µε προσµίξεις, φυτικά υγρά, και ελαιοπυρήνας. Στη συνέχεια το λάδι οδηγείται για τελικό διαχωρισµό σε κάθετη διάταξη φυγοκέντρισης. Οι τεράστιοι όγκοι φυτικών υγρών είναι το κύριο µειονέκτηµα της µεθόδου αυτής. 1.3.3.2.2 Φυγοκεντρικού τύπου δύο φάσεων Λύση στο πρόβληµα των φυτικών υγρών που προέκυπταν µε το τριφασικό σύστηµα, επιχειρήθηκε να δοθεί µε τη κατασκευή του φυγοκεντρικού διαχωριστήρα δύο φάσεων. 19

Ωστόσο το πρόβληµα διογκώθηκε µε τη δηµιουργία ενός δυσ-χείριστου παραπροϊόντος (υγρός ελαιοπυρήνας). Ο διαχωρισµός σε λάδι µε προσµίξεις και υγρό ελαιοπυρήνα, στα ελαιοτριβεία δύο φάσεων γίνεται εφικτός, λόγω της µικρότερης ταχύτητας περιστροφής και της διαφορετικής κατασκευής του ρότορα (Petrakis, 2006). Στη συνέχεια το λάδι οδηγείται για τελικό διαχωρισµό. Ελιές Νερό Αποφυλλωτήριο Πλυντήριο Σπαστήρας- µαλακτήρας Ζεστό νερό Φυγοκέντριση (οριζ. ιάταξη) Τριών φάσεων ύο φάσεων Φυτικά υγρά Λάδι µε προσµίξεις Ελαιοπυρήνας Λάδι µε προσµίξεις Υγρός ελαιοπυρήνας Ζεστό νερό Φυγοκέντριση (καθ. διάταξη) Φυγοκέντριση (καθ. διάταξη) Ζεστό νερό Λάδι Φυτικά υγρα Λάδι Φυτικά υγρα Σχήµα 1.2.2. Γραµµή παραγωγής φυγοκεντρικών συστηµάτων 20

1.4 Χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου Τα υγρά απόβλητα των ελαιοτριβείων αποτελούν ένα σηµαντικό παράγοντα ρύπανσης και ένα δυσεπίλυτο πρόβληµα στο χώρο των γεωργικών βιοµηχανιών. Χαρακτηρίζονται από ιδιότητες όπως: Σκούρο καφέ χρώµα Χαρακτηριστική δυσάρεστη οσµή Υψηλό οργανικό φορτίο Όξινο ph Υψηλή περιεκτικότητα πολυφαινολών Υψηλή περιεκτικότητα σε στερεό υλικό Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη διαχείριση τους ένα εξαιρετικά δύσκολο αντικείµενο και ένα από τα πιο ρυπαντικά απόβλητα του αγροτοβιοµηχανικού τοµέα. Η σύνθεση των αποβλήτων ελαιοτριβείου δεν είναι σταθερή και σύµφωνα µε (Niaounnakis and Halvadakis, 2006) εξαρτάται από: Τη σύσταση των αποβλήτων, η οποία ποικίλει σύµφωνα µε: o Την ποικιλία της ελιάς o Την ωριµότητα του καρπού o Την ώρα συγκοµιδής του καρπού o Τη περιεκτικότητα του καρπού σε νερό o Τις εδαφοκλιµατικές συνθήκες o Την παρουσία φυτοπροστατευτικών προϊόντων και λιπασµάτων Τη µέθοδος εξαγωγής ελαιολάδου o Κάθε τύπος ελαιοτριβείου, έχει και διαφορετικές απαιτήσεις σε επιπλέον νερό κατά τη διεργασία. Σαν αποτέλεσµα αυτού, τα φυτικά υγρά που παράγονται από τα ελαιοτριβεία τριών φάσεων, όπου και χρησιµοποιούνται µεγαλύτερες ποσότητες νερού, να υφίστανται κάποια αραίωση. Το χρόνο αποθήκευσης o Η αποθήκευση µπορεί να αλλάξει τα βιολογικά και φυσικοχηµικά χαρακτηριστικά του αποβλήτου, καθώς παρατηρείτε έντονη βιολογική δραστηριότητα (αύξηση της οξύτητας), καθώς επίσης και φυσικοχηµικές µεταβολές όπως η καθίζηση των στερεών. 21

Στους πίνακες 1.3.1 και 1.3.2 και 1.3.3 που ακολουθούν, παρουσιάζονται ενδεικτικά κάποιες διαφορές µεταξύ των τριών διαδικασιών, µία µέση σύσταση των υγρών αποβλήτων τους, καθώς και διαφορές µεταξύ των σύγχρονων και παλαιών ελαιοτριβείων. Πίνακας 1.3.1. Γενική εικόνα σύγκρισης των τριών τύπων (Azbar et al., 2004). Τύπος Είσοδος Αποτέλεσµα Έξοδος Αποτέλεσµα ελαιοτριβείου Ελιές Νερό 1 τόνος 0.1-0.12 m 3 Κλασικού τύπου πλυσίµατος Ενέργεια 40-63 kwh Ελιές 1 τόνος Νερό 0.1-0.12 m 3 πλυσίµατος Νερό για 0.5-1 m 3 Φυγοκεντρικού Φυγοκέντριση τύπου τριών (decanter) φάσεων Νερό για το ~10 l διαχωρισµό λαδιού µε προσµίξεις Ενέργεια 90-117 kwh Ελιές 1 τόνος Φυγοκεντρικού Νερό 0.1-0.12 m 3 τύπου δύο πλυσίµατος φάσεων Ενέργεια > 90-117 kwh Λάδι Ελαιοπυρήνα ~200 ~400 (25% νερο + 6% λάδι) Φυτικά υγρά ~600 (88% νερό + στερεά + λάδι) Λάδι 200 Ελαιοπυρήνα 500-600 (50% νερο + 4% λάδι) Φυτικά υγρά 1000-1200 (94% νερό + 1% λάδι) Λάδι 200 Υγρός 800-950 ελαιοπυρήνας (60% νερό + 3% λάδι) 22

Πίνακας 1.3.2. Γενικά χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου (Sierra et al., 2001). Παράµετροι Τιµές ph 4.5-6 Βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, 35-100 (ΒΑΟ 5 g/l) Χηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, (ΧΑΟ 40-195 g/l) Ολικός οργανικός άνθρακας, (TOC g/l) 22-64 Λίπη (g/l) 0.3-23 Ανόργανα στοιχεία (g/l) 5-14 Πολυφαινόλες (g/l) 3-24 N (g/l) 5-15 P (g/l) 0.3-1.1 K (g/l) 2.7-7.2 Ca (g/l) 0.12-0.75 Mg (g/l) 0.10-0.40 Na (g/l) 0.04-0.90 Στερεά % 5.5-17.6 Πίνακας 1.3.3. Χαρακτηριστικά των αποβλήτων των κλασικών και των φυγοκεντρικών ελαιουργείων (Kapellakis et al., 2007) Παράµετροι Κλασικό Φυγοκεντρικό τριών φάσεων ph 4.5-5.5 4.7-5.2 Pυπογόνο δυναµικό Χηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, (ΧΑΟ g/l) 120-130 60-180 Βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, (ΒΑΟ 5 g/l) 90-100 20-55 Αιωρούµενα στερεά (%) 0.1 0.9 Ολικά στερεά (%) 12 6 23

Οργανικές ουσίες (%) Ολικά σάκχαρα 2-8 0.5-2.6 Αζωτούχες ενώσεις 0.5-2 0.1-0.3 Οργανικά οξέα 0.1-1.5 0.2-0.4 Πολυαλκοόλες 1-1.5 0.3-0.5 Πηκτίνες, ταννίνες 1-1.5 0.2-0.5 Πολυφαινόλες 2-2.4 0.3-0.8 Λίπη 0.03-1 0.5-2.3 Ανόργανα στοιχεία (%) P 0.11 0.03 K 0.72 0.27 Ca 0.07 0.02 Mg 0.04 0.01 Na 0.09 0.03 Cl 0.03 0.01 Το διφασικό σύστηµα δηµιουργεί µεγαλύτερες ποσότητες στερεού υπολείµµατος, από τους άλλους δύο τύπους παράγει όµως µικρότερους όγκους υγρών αποβλήτων. Είναι επίσης χαρακτηριστικό, ότι η περιεκτικότητα του αποβλήτου σε πολυφαινόλες είναι µικρότερη στο τριφασικό σύστηµα, κάτι που οφείλεται στην επιπλέον προσθήκη νερού. Ενώ στην Ισπανία η πλειονότητα των ελαιοτριβείων είναι διφασικά (Tsagaraki et al., 2006), στην Ελλάδα τα περισσότερα ελαιοτριβεία είναι φυγοκεντρικά τριών φάσεων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός, ότι ο υγρός ελαιοπυρήνας (σχετικής υγρασίας 55-75%) που παράγουν τα ελαιοτριβεία δύο φάσεων δεν είναι επεξεργάσιµος στα περισσότερα πυρηνελαιουργεία που λειτουργούν. 1.5 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Η απευθείας διάθεση των αποβλήτων ελαιοτριβείου στο υπάρχον αποχετευτικό δίκτυο είναι απαγορευµένη, καθώς δηµιουργεί πολλά προβλήµατα. Επίσης σε όλες τις ελαιοπαραγωγές χώρες, υπάρχει αυστηρή νοµοθεσία για την ανεξέλεγκτη διάθεση των αποβλήτων ελαιοτριβείων στους φυσικού αποδέκτες. 24

Γενικά η διάθεση των αποβλήτων µπορεί να καταστρέψει την ικανότητα αυτοκαθαρισµού των συστηµάτων και να δηµιουργήσει µια σειρά από προβλήµατα όπως: Οπτική ρύπανση και προβλήµατα δυσοσµίας. Επιπτώσεις στα ύδατα και τους υδρόβιους οργανισµούς. o Προβλήµατα ευτροφισµού. o ηµιουργία ανοξικών συνθηκών. o Αδιαπέρατο φιλµ (συσσωρευµένα λίπη στην επιφάνεια των υδάτων που εµποδίζουν τις ακτίνες του ήλιου να εισχωρήσουν στην υδάτινη στήλη) (Kapellakis et al., 2007). o Χρωµατισµό φυσικών υδάτων (λόγω της οξείδωσης και του πολυµερισµού των τανινών) (Kapellakis et al., 2007). Επιπτώσεις στο έδαφος o Αλλαγές στο πορώδες του εδάφους (Niaounnakis and Halvadakis, 2006). o Μικροβιοστατική κ µικροβιοκτόνο δράση (Kotsou et al., 2003). o Φυτοτοξική δράση. Ύπαρξη πολυφαινολών. Αύξηση αλάτων. Παρουσία οργανικών οξέων (πχ οξικό και φορµικό οξύ) (D Annibale et al., 2003). Ιδιαίτερη αναφορά σε αυτό το σηµείο πρέπει να γίνει στο περιεχόµενο των υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου σε φαινολικές ενώσεις. 1.5.1 Φαινολικές ενώσεις Οι φαινολικές ενώσεις έχουν µία ή περισσότερες υδροξυλοµάδες συνδεδεµένες µε έναν ή περισσότερους βενζολικούς δακτυλίους. Βρίσκονται στα φυτά και είναι µέρος του αµυντικού τους µηχανισµού, για την προστασία τους, από έντοµα και παθογόνους µικροοργανισµούς (Vermerris and Nickolson, 2006). Η ποσότητά τους στον ελαιόκαρπο εξαρτάται κυρίως από τις εδαφοκλιµατικές συνθήκες και το στάδιο ωριµότητάς τους. Άγουρες ελιές έχουν και µεγαλύτερη περιεκτικότητα σε ελαιοευρωπεΐνη (η οποία είναι το κύριο φαινολικό συστατικό της ελιάς (Ποντίκης, 2000). 25

Οι πολυφαινόλες είναι υδατοδιαλυτές ενώσεις και κατά τη παραγωγή του ελαιολάδου µεταφέρονται κυρίως στην υδάτινη φάση. Η ελαιοευρωπεΐνη βρίσκεται σε πολύ µικρές συγκεντρώσεις στα απόβλητα, κάτι που οφείλεται στην υδρόλυση που υφίσταται προς υδροξυτυροσόλη και ελενολικό οξύ κατά τη παραγωγική διαδικασία (σχήµα 1.4.1). Σχήµα 1.4.1. οµή ελαιοευρωπεΐνης και προϊόντα υδρόλυσής (Niaounnakis and Halvadakis, 2006). Κατά Hamdi οι φαινολικές ενώσεις που υπάρχουν στα απόβλητα ελαιοτριβείου διακρίνονται, α) στις απλές φαινολικές ενώσεις, που περιλαµβάνουν τανίνες µικρού µοριακού βάρους και φλαβονοειδή και β) στις πολυφαινόλες οι οποίες περιλαµβάνουν σκούρου χρώµατος πολυµερή και προκύπτουν σαν αποτέλεσµα του πολυµερισµού και της οξείδωσης των απλών φαινολικών ενώσεων (Hamdi, 1992). Στα απόβλητα ελαιοτριβείου έχουν ανιχνευτεί πάνω από τριάντα φαινολικές ενώσεις και οι κυριότερες παρουσιάζονται στο σχήµα 1.4.2. 26

Σχήµα 1.4.2. Κυριότερες φαινολικές ενώσεις που συναντώνται στα απόβλητα ελαιοτριβείων (Niaounnakis and Halvadakis, 2006). Η παρουσία των φαινολικών ενώσεων στα απόβλητα ελαιοτριβείου είναι ίσως το σηµαντικότερο εµπόδιο για την αποτοξικοποίηση του αποβλήτου. Ωστόσο πολλές επιστηµονικές εργασίες αποδεικνύουν την χρησιµότητα αυτών των ενώσεων στην ανθρώπινη υγεία, αφού παρουσιάζουν αντιοξειδωτική, αντικαρκινική και καρδιοπροστατευτική δράση και θα µπορούσαν κάλλιστα να χρησιµοποιηθούν στις βιοµηχανίες τροφίµων, φαρµάκων και καλλυντικών [(Vermerris and Nickolson, 2006, Shahidi and Naczk, 2004)]. 1.6 Τεχνολογίες για τη διαχείριση αποβλήτων ελαιοτριβείου Τα χαρακτηριστικά των αποβλήτων ελαιοτριβείου και η αναγκαιότητα µιας βιώσιµης λύσης για τη διάθεσή τους, οδήγησε στην ανάπτυξη πληθώρας τεχνολογιών. Οι τεχνολογίες αυτές διακρίνονται σε φυσικοχηµικές και βιολογικές. 27

1.6.1 Φυσικοχηµικές µέθοδοι Οι κυριότερες φυσικοχηµικές µέθοδοι που έχουν χρησιµοποιηθεί για την αποτοξικοποίηση υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου είναι: Εξουδετέρωση, καθίζηση: Προσθήκη χηµικών µε σκοπό τη δηµιουργία στερεού κλάσµατος. Με την αφαίρεσή του επιτυγχάνεται µείωση του Χηµικά Απαιτούµενου Οξυγόνου των λιπών και των αιωρούµενων στερεών (Tsagaraki et al., 2006). Οξείδωση: Κυρίως µε τη χρήση όζοντος και υπεροξειδίου του υδρογόνου, καθώς επιτυγχάνεται υψηλός βαθµός οξείδωσης σε ατµοσφαιρική πίεση και θερµοκρασία περιβάλλοντος (Paraskeva and Diamadopoulos, 2006). Θερµικές µέθοδοι: Η εφαρµογή τους γίνεται είτε µε τεχνητά µέσα, µε σηµαντικότερες µεθόδους την αεριοποίηση, τη καύση και τη πυρόλυση, είτε µε φυσικό τρόπο (αέρα, ήλιο) σε λίµνες εξάτµισης (Paraskeva and Diamadopoulos, 2006). Χρήση επιλεγµένων µεµβρανών: Ο διαχωρισµός επιτυγχάνεται βάση του διαφορετικού ρυθµού ροής κάθε είδους µέσα από την µεµβράνη (Paraskeva et al., 2006). Φυγοκέντριση: ιαχωρισµός σε φάσεις και ανάκτηση λαδιού (Mitrakas et al., 1996). Φωτοκατάλυση: ράση κυρίως υδροξυλίων που παράγονται κατά τη διεργασία, µε αποτέλεσµα οξείδωση της οργανικής ύλης και καταστροφή των κυτταρικών µεµβρανών (Azabou et al., 2007). 1.6.2 Βιολογικές µέθοδοι Με τις βιολογικές µεθόδους επεξεργασίας και µε τη δράση µικροοργανισµών είναι εφικτή η αποδόµηση της οργανικής ύλης και η αποµάκρυνση ανόργανων ουσιών. Σηµαντικό ενδιαφέρον στην βιολογική επεξεργασία των υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου έχει ο παρεµποδισµός και η εκτροπή βιολογικών διεργασιών, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης των αποβλήτων σε βιολογικούς παρεµποδιστές όπως οι φαινολικές ενώσεις. Οι µέθοδοι βιολογικής επεξεργασίας διακρίνονται σε: 28

Αερόβια επεξεργασία: Χρήση αερόβιων µικροοργανισµών και µυκήτων [π.χ. Pleurotus ostreatus (Fountoulakis et al., 2002)] για την αποδόµηση της οργανικής ύλης. Αναερόβια επεξεργασία: Αποδόµηση της οργανικής ύλης µε παραγωγή βιοαερίου, από µικτό αναερόβιο µικροβιακό πληθυσµό (αντικείµενο της παρούσας διατριβής γίνεται εκτενής αναφορά στο δεύτερο κεφάλαιο). Πολλές από τις παραπάνω τεχνολογίες δεν είναι εφικτό να επιφέρουν µια βιώσιµη λύση, είτε από άποψη κόστους αποτελέσµατος, είτε από άποψη αποτελέσµατος ανεξαρτήτου κόστους. Μία πολύ χαµηλού κόστους µέθοδος, για τη διάθεση των αποβλήτων ελαιοτριβείου, είναι η απευθείας διάθεσή τους σε εδάφη φτωχά σε οργανική σύσταση. Αυτό αξιοποιεί το γεγονός ότι το απόβλητο είναι πλούσιο σε οργανικά και ανόργανα στοιχεία και µπορεί να εµπλουτίσει το έδαφος µε θρεπτικά (Di Giovacchino et al., 2002). Ωστόσο, για τη ολοκληρωµένη και ορθολογική διαχείριση των αποβλήτων, ο συνδυασµός τεχνολογιών είναι απαραίτητος µια και η απευθείας διάθεση στο έδαφος χωρίς προβλήµατα έχει αρκετούς περιορισµούς. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι τεχνολογίες ανάκτησης και παραγωγής προϊόντων από τα απόβλητα, επιτυγχάνοντας συνδυασµό της προστασίας του περιβάλλοντος και του οικονοµικού οφέλους για την βιοµηχανία. Η δηµιουργία οργανικών λιπασµάτων έπειτα από αερόβια βιοσταθεροποίηση και η χρήση τους στη γεωργία, η καύση του βιοαερίου που παράγεται κατά την αναερόβια χώνευση µε σκοπό τη παραγωγή ενέργειας, η παραγωγή βιοπολυµερών µε επιλεγµένους µικροοργανισµούς (Dionisi et al., 2005), η χρήση του ελαιοπυρήνα για παραγωγή ζωοτροφών (Molina Alcaide and Nefzaoui, 1996), η ανάκτηση φυσικών αντιοξειδωτικών όπως οι πολυφαινόλες µε εξειδικευµένες προσροφητικές ρητίνες (Agalias et al., 2007), η κλασµατοποίηση των υγρών αποβλήτων και η ανάκτηση καθαρού νερού µε τεχνολογία µεµβρανών (Paraskeva et al., 2006), είναι τεχνολογίες που εκτός του ότι δίνουν λύση στο πρόβληµα διαχείριση των αποβλήτων, αποφέρουν και σηµαντικό όφελος στη βιοµηχανία. Είναι εµφανές πως από την οπτική γωνία αυτή, η διαχείριση των απόβλητων ελαιοτριβείου, µετατρέπεται από ένα δυσεπίλυτο πρόβληµα, σε ένα ιδιαίτερα σηµαντικό παραπροϊόν της γεωργικής παραγωγής µε αναπτυξιακή προοπτική. 29

2. Αναερόβια χώνευση 2.1 Εισαγωγή Αναερόβια χώνευση χαρακτηρίζεται η βιολογική διεργασία κατά την οποία οργανική ύλη µετατρέπεται κυρίως σε µεθάνιο (CH 4 ) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) µε τη συνδυασµένη δράση µεικτού µικροβιακού πληθυσµού, υπό συνθήκες απουσίας οξυγόνου (O 2 ). Η αναερόβια χώνευση ιστορικά απαντάται από τον 10 ο αιώνα, όταν οι Ασύριοι τη χρησιµοποιούσαν για να ζεσταίνουν νερό. Η ιστορική επανεµφάνισή της, έγινε το 17 ο αιώνα, όταν ο Alessandro Volta παρατήρησε την εκποµπή από τα ιζήµατα του πυθµένα µιας βαλτώδους λίµνης αερίων, τα οποία συνέλεξε και απέδειξε ότι ήταν εύφλεκτα. Αυτό οδήγησε την επιστηµονική κοινότητα στη βιολογική παραγωγή µεθανίου. Πρώτη βιοµηχανική εφαρµογή της αναερόβιας χώνευσης, έγινε το 1890 στη πόλη του Έξετερ της Μεγάλης Βρετανίας και χρησιµοποιήθηκε για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Η σύγχρονη κοινωνία παράγει τεράστιες ποσότητες αποβλήτων. Η ορθολογική διαχείριση τους για τη προστασία του περιβάλλοντος, της υγείας των ανθρώπων και των ζωών είναι αναγκαιότητα. Η επιλογή της µεθόδου διαχείρισης πρέπει να στηρίζεται στην µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και στην αξιοποίηση των αποβλήτων αυτών. Η αναερόβια χώνευση είναι ιδανική τεχνολογία για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων και καλύπτει τους στόχους αυτούς (Lettinga, G., 1995). Τα τελευταία χρόνια και λόγο των συνεχώς αυξανοµένων απαιτήσεων για καθαρή ενέργεια, διεξάγεται σηµαντική έρευνα όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας από βιοµάζα και το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως σε α) γεωργικά παραπροϊόντα και υπολείµµατα, β) κτηνοτροφικά παραπροϊόντα και απόβλητα, γ) βιοµηχανικά παραπροϊόντα, δ) ενεργειακά φυτά και δέντρα. 2.2 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια χώνευση έχει τα εξής πλεονεκτήµατα: Παράγεται βιοαέριο το οποίο µπορεί να καθαριστεί από της ανεπιθύµητες προσµίξεις ή να καεί ως έχει σε ειδικούς καυστήρες δίνοντας θερµική και 30

ηλεκτρική ενέργεια µειώνοντας έτσι το αρχικό κόστος επένδυσης για την εγκατάσταση (Bitton, 2005). Απαιτεί µικρή δαπάνη ενέργειας για την επεξεργασία των αποβλήτων (Gray, 2004). Παράγει πολύ µικρότερες ποσότητες βιοµάζας (3-20 φορές λιγότερη σε σχέση µε την αερόβια διεργασία (Gerardi, 2003) Λόγω του µικρού συντελεστή απόδοσης βιοµάζας των οξικογόνων και µεθανογόνων µικροοργανισµών, οι απαιτήσεις της διεργασίας σε θρεπτικά (Άζωτο, Φώσφορο) είναι µειωµένες συγκριτικά µε τις αερόβιες διεργασίες. Επιτυγχάνεται υψηλή αποµάκρυνση οργανικού φορτίου (Gray, 2004). Η διεργασία είναι κατάλληλη για ισχυρά αγροτοβιοµηχανικά απόβλητα. Καλά προσαρµοσµένη αναερόβια λάσπη µπορεί να παραµείνει ενεργή, χωρίς τροφοδοσία, για µεγάλο χρονικό διάστηµα (άνω του έτους) (Lettinga, 1995) Τα σηµαντικότερα µειονεκτήµατα είναι: Μεγάλο χρονικό διάστηµα εγκλιµατισµού µικροβιακής καλλιέργειας και πιο αργή διεργασία από την αερόβια επεξεργασία (Gerardi, 2003). Ευαισθησία συστηµάτων σε αυξοµειώσεις της οργανικής φόρτισης. Μικρός ειδικός ρυθµός ανάπτυξης µεθανογόνων βακτηρίων (Bitton, 2005). Εξάρτηση της διεργασίας από τη θερµοκρασία και κατανάλωση ενέργειας. Ευαισθησία µεθανογόνων µικροοργανισµών σε ευρύ φάσµα τοξικών ενώσεων (Bitton, 2005). Μικρότερη ικανότητα καταστροφής των παθογόνων µικροοργανισµών σε σχέση µε την αερόβια επεξεργασία (Gray, 2004). υσοσµία του συστήµατος εφόσον περιέχονται θειικά στην εισροή. Περαιτέρω επεξεργασία των εκροών (Seghezzo et al., 1998). 2.3 Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Τρεις είναι οι κύριες οµάδες µικροοργανισµών που έχει ταυτοποιηθεί ότι παίζουν διαφορετικό ρόλο στη διεργασία της χώνευσης η οποία είναι διαχωρισµένη σε τέσσερα στάδια (Ahring, 2003). Η µετατροπή του οργανικού υλικού προς βιοαέριο παρουσιάζεται στο σχήµα 2.3.1. Στο στάδιο της υδρόλυσης, τα πολυµερή (πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, λίπη και νουκλεϊνικά οξέα) υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυµα στα αντίστοιχα 31

απλούστερα µονοµερή (µονοσακχαρίτες, αµινοξέα, λιπαρά οξέα και πουρίνεςπυριµιδίνες), έτσι ώστε να µπορούν να εισχωρήσουν στο εσωτερικό του κυττάρου. Αυτές οι σχετικά απλές διαλυτές ενώσεις στο δεύτερο στάδιο, το στάδιο της οξεογένεσης, ζυµώνονται ή οξειδώνονται αναερόβια σε πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και αµµωνία. Στο στάδιο της οξικογένεσης τα πτητικά λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες µετατρέπονται σε οξικό οξύ, µε ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Τέλος, κατά το τέταρτο στάδιο τη µεθανογένεση, παράγεται µεθάνιο είτε από τη κατανάλωση του οξικού οξέος µέσω των οξικολυτικών µεθανογόνων βακτηρίων, είτε από υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα µέσω των µεθανογόνων βακτηρίων που χρησιµοποιούν το υδρογόνο για να ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα προς µεθάνιο. Οργανικά πολυµερή: υδατάνθρακες, λίπη, πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα Ένζυµα Μονοµερή: µονοσακχαρίτες, λιπαρά οξέα, αµινοξέα, πουρίνες Οξεογόνοι Οργανικά οξέα, αλκοόλες, H 2, CO 2 Οξικογόνοι Υπόστρωµα µεθανογόνων (H 2, CO 2, µηρµυκικό οξύ, µεθανόλη, µεθυλαµίνες, οξικό οξύ) Μεθανογόνοι Βιοαέριο Σχήµα 2.3.1. ιάσπαση της οργανικής ύλης κατά την Αναερόβια χώνευση. 32

2.3.1 Μικροβιολογία της µη µεθανογόνου φάσης Έχει διαπιστωθεί η παρουσία διαφόρων οµάδων µικροοργανισµών στο στάδιο της µη µεθανογόνου φάσης της αναερόβιας χώνευσης όπως είναι τα βακτήρια, τα πρωτόζωα και οι µύκητες ενώ έχουν αποµονωθεί πολλά είδη των µικροοργανισµών αυτών. Η ύπαρξη, ο αριθµός, ο τύπος και το είδος των µικροοργανισµών αυτών κάτω από αναερόβιες συνθήκες εξαρτάται από τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά των προς επεξεργασία αποβλήτων (Hobson et al., 1974). Πίνακας 2.3.1. Τα κυριότερα γένη µικροοργανισµών που συναντώνται στη µη µεθανογόνο φάση της αναερόβιας χώνευσης (Bitton, 2005, Gray, 2004, Κάλφας, 2007). Γένη Bacteroides Clostridium Erysipelothrix Lactobacillus Peptococcus Ruminococcus Saccharomyces Sarcina Salmonella Peptostreptococcus Eubacterium Micrococus Staphylococcus Selenomonas Vibrio Bacillus 2.3.1.1 Υδρολυση Οι µικροοργανισµοί δεν µπορούν να µεταβολίσουν απευθείας οργανικό υλικό σε µορφή σωµατιδίων καθώς είναι αδιαπέρατο από τη κυτταρική τους µεµβράνη. Κατά την υδρόλυση των οργανικών πολυµερών τα οργανικά µακροµόρια διασπόνται σε διαλυτά διµερή και µονοµερή, τα οποία έτσι εισέρχονται στο εσωτερικό του κυττάρου διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης (Gerardi, 2006). Σύνθετοι υδατάνθρακες Απλά σάκχαρα Λίπη Λιπαρά οξέα Πρωτεΐνες Αµινοξέα Νουκλεϊνκά οξέα Πουρίνες-πυριµιδίνες 33

Η υδρόλυση των µακροµορίων γίνεται από τα υδρολυτικά βακτήρια και καταλύεται από τα εξωκυτταρικά ένζυµα. Τα σηµαντικότερα παρουσιάζονται στο πίνακα 2.3.2. Πίνακας 2.3.2. Μία γενική κατάταξη των κυριότερων υδρολυτικών ενζύµων (Bitton, 2005). Υπόστρωµα Ένζυµα Προϊόν υδρόλυσης Κυτταρίνη Κυτταρινάση Κελλοβιόζη Άµυλο Αµυλάσες Μαλτόζη ή γλυκόζη Λακτόζη Λακτάση Γλυκόζη και γαλακτόζη Μαλτόζη Μαλτάση ύο µόρια γλυκόζης Σουκρόζη Σουκράση Γλυκόζη και φρουκτόζη Πρωτεΐνες Πρωτεάσες Πεπτίδια και αµινοξέα Ζελατίνη Ζελατινάσες Πεπτίδια και αµινοξέα Λίπη Λιπάσες Γλυκερόλη + λιπαρά οξέα Εικόνα 2.3.2. Το εξωκυτταρικό ένζυµο κυτταρινάση απελευθερώνετε από το υδρολυτικό βακτήριο Cellulomonas και υδρολύει τους χηµικούς δεσµούς της κυτταρίνης δηµιουργώντας έτσι µόρια γλυκόζης τα οποία στη συνέχεια απορροφούνται από άλλους µικροοργανισµούς (Gerardi 2003). 34

Η υδρόλυση είναι µια σχετικά αργή διαδικασία και µπορεί να παρεµποδιστεί από παράγοντες όπως το είδος του υποστρώµατος, η τιµή του ph, το σωµατιδιακό µέγεθος, παραγωγή ενζύµων, προσρόφηση των ενζύµων στην επιφάνεια των σωµατιδίων κ.α. (Anderson et al., 2003). 2.3.1.2 Οξεόγενεση Τα οργανικά µονοµερή που έχουν προκύψει από το στάδιο της υδρόλυσης χρησιµοποιούνται από τα οξεογόνα κυρίως βακτήρια προς σχηµατισµό πτητικών λιπαρών οξέων, αλκοολών CO 2 και H 2. Μονοσακχαρίτες + λιπαρά οξέα + αµινοξέα Οργ. οξέα + αλκοόλες + CO 2 + H 2 Το οξικό οξύ είναι το κύριο προϊών της ζύµωσης των υδατανθράκων. Τα προϊόντα της οξεογένεσης ποικίλουν ανάλογα µε το τύπο των µικροοργανισµών καθώς επίσης και των συνθηκών καλλιέργειας (θερµοκρασία, οξιδοαναγωγικό δυναµικό, ph) (Gerardi 2003). O οξεογόνος πληθυσµός αποτελεί περίπου το 90% του συνολικού µικροβιακού πληθυσµού σε ένα αναερόβιο χωνευτήρα (Bitton, 2005). 2.3.1.3 Οξικογένεση Τα οξικογόνα βακτήρια µετατρέπουν τα λιπαρά οξέα και τις αλκοόλες που παρήχθησαν κατά την οξεογένεση σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα τα οποία χρησιµοποιούνται από τους µεθανογόνους. Λιπαρά οξέα + αλκοόλες οξικό οξύ + CO 2 + H 2 Κάτω από υψηλή µερική πίεση υδρογόνου, οι οξικογόνοι µικροοργανισµοί παρεµποδίζονται και αδυνατούν να µετατρέψουν τα πτητικά λιπαρά οξέα, µε αποτέλεσµα τη µείωση στο σχηµατισµό οξικού οξέως και την εκτροπή της διεργασίας. Οι µεθανογόνοι µικροοργανισµοί δρουν συνεργατικά επιτυγχάνοντας µείωση στη συγκέντρωση του υδρογόνου (Bjornsson et al., 2001). Η αιθανόλη, το προπιονικό οξύ και το βουτυρικό οξύ, µετασχηµατίζονται σε οξικό οξύ από τους οξικογόνους σύµφωνα µε τις παρακάτω αντιδράσεις: 2 CO 2 + 4 H 2 CH 3 COOH + 2 H 2 O 4 CO + 2 H 2 Ο CH 3 COOH + 2 CO 2 4 CH 3 OH + 2 CO 2 3 CH 3 COOH + 2 H 2 O 35

Οι οξικογόνοι µικροοργανισµοί έχουν µέγιστο ειδικό ρυθµό αύξησης µ max =1 g * h -1 σε αντίθεση µε τους µεθανογόνους που αναπτύσσονται µε πολύ βραδύτερους ρυθµούς µ max =0,04 g * h -1 (Bitton, 2005). 2.3.2 Μικροβιολογία της µεθανογόνου φάσης Οι µεθανογόνοι µικροοργανισµοί είναι από τους αρχαιότερους προκαρυωτικούς οργανισµούς και ανήκουν στα Άρχαια. Τα Άρχαια διακρίνονται σε τρία βασίλεια και µε εξαίρεση τους µεθανογόνους τα περισσότερα από τα γνωστά είδη είναι εξτρεµόφιλα [(extremophiles) (άκρως θερµόφιλοι ή ψυχρόφιλοι µικροοργανισµοί, άκρως βασεόφιλοι ή οξεόφιλοι)]. Οι µεθανογόνοι είναι αυστηρώς αναερόβιοι µικροοργανισµοί και χαρακτηριστικό τους είναι η παραγωγή µεθανίου κατά την κατανάλωση απλών οργανικών ενώσεων. ιαφέρουν από τα κοινά βακτήρια σε χαρακτηριστικά όπως, διαφορές στην αλληλουχία του RNA, η ύπαρξη του συνένζυµου F 420, η θέση των λιπιδίων στην κυτταρική µεµβράνη, η έλλειψη πεπτιδογλυκάνης στο κυτταρικό τους τοίχωµα κ.α. (McCarty, 2001). Υπάρχουν πάνω από εξήντα είδη µεθανογόνων µικροοργανισµών, οι οποίοι κατατάσσονται σε τρεις τάξεις. Λόγω της σύστασης και της δοµής της κυτταρικής τους µεµβράνης, είναι ευαίσθητοι σε διάφορες τοξικές ενώσεις. Ωστόσο ορισµένοι µεθανογόνοι έχουν µεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε τοξικού παράγοντες λόγω της ύπαρξης µιας επιπλέον εξωκυτταρικής µεµβράνης που προστατεύει τα κύτταρα (εικόνα 2.3.3, πίνακας 2.3.4). Εικόνα 2.3.3. α) Ύπαρξη προστατευτικής µεµβράνης που προσδίδει µεγαλύτερη προστασία στο κύτταρο, β) απουσία προστατευτικής µεµβράνης (Gerardi, 2003). 36

Πίνακας 2.3.4. Παράδειγµα µεθανογόνων µικροοργανισµών µε ή χωρίς προστατευτική µεµβράνη (Gerardi, 2003). Γένος Προστατευτική µεµβράνη Methanobacterium - Methanobrevibacter - Methanosarcina - Methanococcus + Methanomicrobium + Methanospirillum + Η κατάταξή των µεθανογόνων γίνεται βάση των µορφολογικών τους χαρακτηριστικών, του υποστρώµατος που καταναλώνουν, του τύπου των ενζύµων που παράγουν και της βέλτιστης θερµοκρασίας ανάπτυξης τους. Υπόστρωµα για τους µεθανογόνους µικροοργανισµούς αποτελούν το διοξείδιο του άνθρακα, το µονοξείδιο του άνθρακα, το µυρµηκικό οξύ, το οξικό οξύ, η µεθανόλη, οι µεθυλαµίνες (πίνακας 2.3.5). Πίνακας 2.3.5. Υποστρώµατα που χρησιµοποιούνται από τους µεθανογόνους µικροοργανισµούς Υπόστρωµα Χηµικός τύπος Οξικό οξύ CH 3 COOH ιοξείδιο του άνθρακα CO 2 Μονοξείδιο του άνθρακα CO Μυρµηκικό οξύ HCOOH Υδρογόνο H 2 Μεθανόλη CH 3 OH Μεθυλαµίνες CH 3 ΝH 2 Στη µεθανογένεση τρεις διαφορετικές οµάδες µεθανογόνων µικροοργανισµών συµµετέχουν. Οι οµάδες αυτές χωρίζονται α) στους οξικολυτικούς µεθανογόνους, οι οποίοι καταναλώνουν το οξικό οξύ, β) στους υδρογονοτροφικούς µεθανογόνους, οι οποίοι χρησιµοποιούν το υδρογόνο για την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα σε 37

µεθάνιο και γ) στους µεθυλοτροφικούς µεθανογόνους, όπου αφαιρούν τη µεθυλοµάδα ( CH 3 ) από απλές ενώσεις. Ορισµένοι µεθανογόνοι µικροοργανισµοί και τα υποστρώµατα που καταναλώνουν παρουσιάζονται στον πίνακα 2.3.6. Πίνακας 2.3.6. Ταξινόµηση µεθανογόνων µικροοργανισµών (Anderson et al., 2003). Τάξη Οικογένεια Γένος Είδος Υπόστρωµα Methanobacteriales Methanobacteriaceae Methanobacterium formcicum Υδρογονοτροφ. Methanococcales Methanococcaceae Methanococcus vannielli Υδρογονοτροφ. halophilus Μεθυλοτροφ. Methanomicrobiale Methanomicrobiaceae Methanomicrobium mobile Υδρογονοτροφ. Methanosarcinaceae Methanothrix soehngenii Οξικολυτικοί Σχεδόν τα 2/3 του µεθανίου που παράγεται κατά τη µεθανογένεση οφείλεται στους οξικολυτικούς µεθανογόνους και το υπόλοιπο στους υδρογονοτροφικούς µεθανογόνους. Η συνεισφορά των µεθυλοτροφικών µεθανογόνων στον συνολικό όγκο του µεθανίου που παράγεται σε ένα σύστηµα αναερόβιας χώνευσης είναι πολύ µικρή (Bitton, 2005). Πίνακας 2.2.7. Βιοχηµικές αντιδράσεις κατά τη µεθανογένεση. 4 HCOOH Οξικολυτικοί µεθανογόνοι CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O 4H 2 + CO 2 Υδρογονοτροφικοί µεθανογόνοι CH 4 + 2Η 2 O 4CH 3 OH Μεθυλοτροφικοί µεθανογόνοι 3CH 4 + CO 2 +2Η 2 O 2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Η αναερόβια χώνευση είναι µια σύνθετη βιολογική διεργασία. Η πολυπλοκότητα αυτή οφείλεται στην αλληλεξάρτηση των µικροοργανισµών και στους παράγοντες που τους επηρεάζουν. 2.4.1 Θερµοκρασία Η θερµοκρασία αποτελεί το κύριο περιβαλλοντικό παράγοντα που επηρεάζει την ανάπτυξη των µικροοργανισµών. ιακρίνουµε πέντε θερµοκρασιακές περιοχές για τη 38