Βιοτεχνολογική Παραγωγή Υδρογόνου Και Μεθανίου Από Ακατέργαστη Γλυκερόλη

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε η βιοτεχνολογική επεξεργασία βιομηχανικής γλυκερόλης με σκοπό την ενεργειακή αξιοποίησή της. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η διεργασία παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου από ακατέργαστη γλυκερόλη, μέσω αναερόβιας επεξεργασίας, σε μια διεργασία δυο σταδίων, υπό μεσόφιλες συνθήκες. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από ακατέργαστη γλυκερόλη με χρήση μικτής καλλιέργειας μικροοργανισμών από το Βιολογικό Καθαρισμό του Δήμου Πατρέων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε συνεχή αντιδραστήρα κλίνης ανοδικής ροής (H2-UFCB), ο οποίος λειτούργησε σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24, 36 και 48h και συγκέντρωση υποστρώματος 10, 15, 20 και 25 g/L. H μέγιστη παραγωγή και παραγωγικότητα υδρογόνου εμφανίζεται για μέγιστη συγκέντρωση υποστρώματος 25 g/L και τιμή pH τροφοδοσίας ίση με 7 και ήταν 0,52 ± 0,04 mol H2 / mol καταναλισκόμενης γλυκερόλης ή 2,94 ± 0,02 L H2/ L τροφοδοσίας/d ή 107,34 ± 0,70 L H2/ kg αποβλήτου γλυκερόλης, παρόλο που η κατανάλωση της γλυκερόλης δεν ήταν μέγιστη (83,1%). Για την μελέτη της κινητικής ανάπτυξης των μικροοργανισμών, της κατανάλωσης της γλυκερόλης, αλλά και για τον προσδιορισμό της κατανομής των τελικών προϊόντων, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με καλλιέργεια προερχόμενη από τον H2-UFCB, σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch) στη μόνιμη κατάσταση κάθε χρονικής περιόδου λειτουργίας του αντιδραστήρα H2-UFCB. Επιπρόσθετα, εκπονήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με στόχο τη διεξαγωγή συμπερασμάτων ως προς τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας, όσον αφορά την τροφοδοσία, όπου μελετήθηκε η επίδραση του pH της τροφοδοσίας, καθώς και η επίδραση του ρυθμιστικού διαλύματος (Νa ή Κ). Στο δεύτερο στάδιο μελετήθηκε η περαιτέρω μετατροπή του οργανικού φορτίου σε μεθάνιο με ταυτόχρονη μείωση του οργανικού φορτίου του αποβλήτου. Έγιναν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για τον υπολογισμό του βιοχημικά μεθανογόνου δυναμικού της γλυκερόλης (εμπορικής και βιομηχανικής) και της απορροής του ζυμωτικού αναερόβιου αντιδραστήρα. Τα μεθανογόνα δυναμικά της εμπορικής, βιομηχανικής γλυκερόλης ήταν παρόμοια μεταξύ τους, ενώ της απορροής του Η2-UFCB κυμάνθηκε 395,6 ± 1,2 L CH4 / kg COD υποστρώματος. Επιπλέον, μελετήθηκε η αναερόβια χώνευση της γλυκερόλης και της απορροής του ζυμωτικού αντιδραστήρα σε μεθανογόνο χωνευτήρα συνεχούς ανάδευσης (CSTR) σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 20 d. Το συμπέρασμα το οποίο εξήχθη, ήταν ότι η μεγαλύτερη παραγωγικότητα σε μεθάνιο ελήφθη για την απορροή του ζυμωτικού αντιδραστήρα, η οποία ήταν ίση με 0,90 ± 0,02 L CH4 / d ή 5,99 ± 0,14 L CH4 / L τροφοδοσίας ή 215,96 ± 3,84 L CH4 / kg αποβλήτου γλυκερόλης, όπου η απομάκρυνση του COD ήταν 96,6% στη μόνιμη κατάσταση. Χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο ADM1 για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του μεθανογόνου αντιδραστήρα στις περιόδους λειτουργίας του. Εν κατακλείδι, έγινε οικονομική αποτίμηση της παραγωγής αέριων βιοκαυσίμων από ακατέργαστη γλυκερόλη σε μεγαλύτερη κλίμακα, η οποία βασίστηκε στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα.