Ανάπτυξη διβάθμιου συστήματος βιοτεχνολογικής παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου από απόβλητα τυροκομείου

Abstract

In the present study, the biotechnological exploitation of wastewaters from a cheese manufacturing process was researched. In particularly, the process of hydrogen and methane production from cheese whey in a two-stage continuous process under mesophilic conditions was studied. In the first stage, the fermentative hydrogen production from undiluted cheese whey was investigated at hydraulic retention times (HRT) of 24, 18 and 12 h in a continuous stirred tank reactor. Alkalinity addition (NaHCO₃ in HRT=24h) or an automatic pH controller (KOH, 2Μ in HRTs=24, 18 and 12h) were used. The highest hydrogen production rate was 2.4 L/L reactor/d, while the yield of hydrogen produced was approximately 0.48 ± 0.03 mol H₂/mol glucose consumed, with alkalinity addition and they were attributed to increased butyric acid production. Also, experiments with the use of batch reactor were done to investigate the efficiency of hydrogen production using pure cultures of the bacterium Ruminococcus albus. The results showed that the hydrogen yield was low compared to other substrates, and this was attributed to an increased production of ethanol compared to hydrogen and to a lower carbohydrate metabolic rate. The maximum yield of hydrogen production for lactose was 2.34 ± 0.02 mol H₂/mol carbohydrates consumed. Also, the stoichiometry of the chemical reactions for the fermentation was studied and the process yield for cell production and energy were calculated. In the second stage, the conversion of the organic load to methane gas was studied. Batch reactors were used in order to study the biochemical methane potential of cheese whey and the effluent of the hydrogenogenic reactor. The highest methane production was observed for the whey and it was in total 18 L CH₄/L substrate consumed. Moreover, the anaerobic digestion of the effluent from the fermenting reactor was conducted in a conventional CSTR reactor and for HRTs of 20 and 30 d. The highest methane production was observed for the latter HRT. It equaled 14.55 L CH₄/L feed and the COD removal was more than 90% at steady state. The process of the anaerobic digestion was analyzed and simulated with the use of the anaerobic digestion model No 1 (ADM1).

Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης ερευνήθηκε η βιοτεχνολογική επεξεργασία αποβλήτων τυροκομείου με σκοπό την ενεργειακή αξιοποίησή τους. Ειδικότερα, μελετήθηκε η διεργασία παραγωγής υδρογόνου και μεθανίου από τον ορρό τυρογάλακτος, μέσω αναερόβιας επεξεργασίας, σε μια διεργασία δυο σταδίων, υπό μεσόφιλες συνθήκες. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε η παραγωγή υδρογόνου του ορρού τυρογάλακτος μέσω της ζύμωσης των διαλυτών σακχάρων του. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης, ο οποίος λειτούργησε σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 24, 18, και 12 h, είτε με προσθήκη αλκαλικότητας (ΝaHCO₃ σε HRT=24h), είτε με χρήση αυτόματου ρυθμιστή του pH (KOH, 2Μ σε HRTs=24, 18 και 12h). Η στοιχειομετρική απόδοση σε υδρογόνο παρουσίασε μέγιστη τιμή με προσθήκη αλκαλικότητας σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 h και ήταν ίση με 0.48 ± 0.03 mol H₂/mol καταναλισκόμενης γλυκόζης ή 2.4 L H₂/L τυρόγαλου/d και αποδόθηκε στην υψηλή παραγωγή βουτυρικού οξέος σε αυτές τις συνθήκες. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου με χρήση καθαρής καλλιέργειας του μικροοργανισμού Ruminococcus albus. Από τα πειράματα προέκυψε ότι οι αποδόσεις ήταν αρκετά μικρότερες σε σχέση με τις παρατηρούμενες από άλλα υποστρώματα, γεγονός που αποδόθηκε στην αυξημένη παραγωγή αιθανόλης εις βάρος της παραγωγής υδρογόνου, αλλά και επειδή η κινητική μεταβολισμού των υδατανθράκων ήταν χαμηλή. Την μεγαλύτερη στοιχειομετρική απόδοση παρουσίασε η λακτόζη ως υπόστρωμα και η τιμή της ήταν 2.34 ± 0.02 mol H₂/mol καταναλισκόμενων υδατανθράκων. Επίσης, μελετήθηκε η στοιχειομετρία των χημικών αντιδράσεων της ζύμωσης του ορρού τυρογάλακτος και υπολογίστηκε η απόδοση της διεργασίας για την παραγωγή κυττάρων και τελικών προϊόντων. 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 του ορρού τυρογάλακτος και της απορροής του ζυμωτικού αναερόβιου αντιδραστήρα. Την μεγαλύτερη παραγωγικότητα σε μεθάνιο ανάμεσα στα δυο είχε το τυρόγαλο και συνολικά παρήχθησαν 18 L CH₄/L υποστρώματος που καταναλώθηκε. Επιπλέον, μελετήθηκε η αναερόβια χώνευση της απορροής του ζυμωτικού αντιδραστήρα σε μεθανογόνο χωνευτήρα συνεχούς ανάδευσης σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής 20 και 30 d, συμπεραίνοντας ότι η μεγαλύτερη παραγωγικότητα σε μεθάνιο παρατηρήθηκε σε HRT = 30 d, ήταν ίση με 14.55 L CH₄/L τροφοδοσίας και η απομάκρυνση του COD ήταν μεγαλύτερη από 90% στις μόνιμες καταστάσεις, ενώ χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο ADM1 για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του μεθανογόνου αντιδραστήρα στους χρόνους παραμονής όπου λειτούργησε.