Ολιστική διαχείριση παραπροϊόντων ελαιουργίας προς παραγωγή ενέργειας και χρήσιμων προϊόντων στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας

Abstract

During the olive oil production process, about 20% of the weight of the olive fruit corresponds to olive oil and about 80% corresponds to a waste stream. Olive oil extraction can be carried out in three different ways depending on the types and characteristics of the waste produced: (a) traditional pressing, (b) two-phase, where olive oil and two-phase olive pomace are obtained, and (c) three-phase, where olive oil, kernel, and three-phase olive mill wastewater are obtained. Oil mill wastes are some of the most important waste streams in the Mediterranean countries, with uncontrolled land disposal without treatment having a significant impact. The presence of phenols in these waste streams has a negative effect on both crop growth and the micro-organisms present in the soil. In addition, their high organic content contributes significantly to environmental degradation in areas of uncontrolled disposal. There are no specific management methods for these types of waste, with most of them ending up uncontrolled in the soil and water bodies, creating many social and environmental problems. A common management practice for two-phase olive pomace is to use it for kernel oil production in kernel oil extraction facilities, after its storage in open tanks. During the storage of olive pomace, malodorous compounds, such as 4-ethylphenol, are formed and released into the atmosphere during the drying process of olive pomace, causing serious problems over a radius of several kilometers. At the same time, the increased microbial activity in the stored olive pomace deteriorates the kernel oil, diminishing its value. This deterioration is expressed in an increase in its acidity. During the experimental study of the acidification of olive kernel to prevent the odor and reduce the acidity of the kernel oil, the maximization of the concentration of 4-ethylphenol in the untreated olive pomace after 23 days of storage was observed, while the acidity of the kernel oil was reached a plateau at 10% after 70 days of storage. Acidification of the olive kernel at pH 2 prevented the production of 4-ethylphenol while maintaining the acidity of the kernel oil at 5% for over 100 days of storage. In the study of mathematical modeling of the above-mentioned phenomenon, the overall 4-ethylphenol production process was divided into 4 individual enzymatic processes. The process included the release of p-coumaric acid from the lignocellulosic material, the decarboxylation of p-coumaric acid to 4-vinyl phenol, and finally the reduction of 4-vinyl phenol to 4-ethylphenol. Michaelis-Menten kinetics were used to describe the concentrations of the compounds with the addition of enzyme concentration inducibility and activity inhibition from pH. The trained model was able to predict the concentration of 4-ethylphenol as a function of time and storage pH, using only the initial concentrations of p-coumaric acid, 4-vinyl phenol (intermediary product), and 4-ethylphenol.Apart from the solid two-phase olive pomace, olive mill wastewater is one of the most common liquid effluent streams causing environmental problems in Mediterranean countries. Anaerobic digestion has been widely used to treat various waste streams, from industrial effluents to agricultural and livestock residues. Some of the advantages of this process are related to the production of renewable electricity and fertilizer. During the experimental optimization of the organic loading rate in UASB-type reactors treating olive mill effluents, the stability of the system at organic loading rates 5-6 gCOD LR-1 d-1, without any pretreatment was observed. Furthermore, it was exhibited that the long acclimation period of the reactor inoculum in olive mill wastewater improved the degradation of phenolic components inside the reactor, which reached 59%.Five different operation scenarios were studied during the aerobic treatment of solid olive mill effluents, such as olive leaves, two-phase olive pomace, and solid anaerobic digestion effluent, in a continuous high-rate composter. These scenarios differed in terms of the two-phase olive pomace to olive leaves ratio and the presence or absence of pine tree bark and digested anaerobic sludge. A ratio of 95% to 5% w/w of olive pomace to olive leaves showed the best results in terms of product quality, while olive leaves as a substrate appeared to be able to act as a bulking agent for better aeration of the material. The final product in the optimum feed ratio was free of Salmonella, was stable in terms of static respiratory index (lower than 0.5 g O2 kgVS-1 h-1) but contained elevated E. Coli levels (3.5 ×104 CFU g-1 with a limit of 1 ×103 CFU g-1), which was the only EU proposed compost quality criteria not met. The study of the environmental sustainability of an anaerobic digestion plant treating olive mill wastewater indicates that the proposed process has environmental benefits compared to the baseline scenarios (treatment in evaporation lagoons, direct disposal, and discharge to water recipients). Based on the environmental hotspot analysis, the application of digestate as fertilizer presented environmental issues in the damage categories of terrestrial acidification and water eutrophication. Anaerobic digestion can prevent environmental damage of 5 mPt per 1000 kg of waste through the products formed. Finally, during the study of the economic sustainability of an anaerobic digestion unit for olive mill wastewater treatment, it was exhibited that a centralized treatment plant that will process olive mill waste during the olive season, and other agro-industrial by-products the rest of the year, can be viable at the level of waste management of a prefecture. The internal rate of return was estimated at 6% and the net present was estimated at 2 million euros. Furthermore, it was exhibited through the sensitivity analysis that the selling price of the electricity produced, and the productivity of the waste processed in the plant alongside the olive mill wastewater are the main factors influencing the viability of the process.

Στην διαδικασία παραγωγής ελαιόλαδου, περίπου 20% του βάρους του ελαιόκαρπου αντιστοιχεί σε ελαιόλαδο ενώ περίπου 80% εξέρχεται από τα ελαιοτριβεία με τη μορφή αποβλήτου. Η εξαγωγή ελαιόλαδου μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με τους τύπους και τα χαρακτηριστικά των παραγόμενων αποβλήτων: α) παραδοσιακή συμπίεση, β) δύο φάσεων, όπου λαμβάνονται ελαιόλαδο και διφασικό απόβλητο και (γ) τριών φάσεων, όπου λαμβάνεται ελαιόλαδο, πυρήνας και τριφασικό απόβλητο ελαιοτριβείου. Τα απόβλητα ελαιοτριβείου αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα ρεύματα αποβλήτων στις χώρες της Μεσογείου, με την ανεξέλεγκτη διάθεση τους στο έδαφος, χωρίς να έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία, να έχει σημαντικές επιπτώσεις. Η ύπαρξη φαινολών στα απόβλητα ελαιοτριβείου επιδρά αρνητικά τόσο στην ανάπτυξη των καλλιεργειών, όσο και στους μικροοργανισμούς που υπάρχουν στο έδαφος. Επίσης, το υψηλό οργανικό τους περιεχόμενο έχει σημαντική συνεισφορά στην υποβάθμιση του περιβάλλοντος, στις περιοχές ανεξέλεγκτης διάθεσής τους. Δεν υπάρχουν συγκεκριμένες μέθοδοι διαχείρισης για αυτά τα απόβλητα, με το μεγαλύτερο μέρος τους να καταλήγει ανεξέλεγκτα στο έδαφος και στους υδάτινους αποδέκτες, δημιουργώντας πληθώρα κοινωνικών και περιβαλλοντικών προβλημάτων. Συνήθης πρακτική διαχείρισης του διφασικού ελαιοπυρήνα είναι η χρήση του για παραγωγή πυρηνελαίου στα πυρηνελουργία, αφού πρώτα αποθηκευτεί σε ανοικτές δεξαμενές. Κατά την αποθήκευση του ελαιοπυρήνα, οσμηρές ενώσεις, όπως η 4-αιθυλφαινόλη, σχηματίζονται και απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα κατά την διαδικασία της ξήρανσης του ελαιοπυρήνα, προκαλώντας σοβαρά προβλήματα σε ακτίνα πολλών χιλιομέτρων. Ταυτόχρονα, η αυξημένη μικροβιακή δραστηριότητα στον αποθηκευμένο ελαιοπυρήνα αλλοιώνει το πυρηνέλαιο, μειώνοντας την αξία του. Η αλλοίωση αυτή εκφράζεται σε αύξηση στην οξύτητά του. Κατά την πειραματική μελέτη της οξίνισης του ελαιοπυρήνα για μείωση των οσμών και της οξύτητας του πυρηνελαίου παρατηρήθηκε ότι η συγκέντρωση της 4-αιθυλφαινόλης στον ακατέργαστο ελαιοπυρήνα μεγιστοποιείται μετά από 23 ημέρες αποθήκευσης, ενώ η οξύτητα του πυρηνελαίου φτάνει σε πλατό στο 10%, μετά από 70 ημέρες αποθήκευσης. Η οξίνιση του ελαιοπυρήνα σε pH 2 απέτρεψε την παραγωγή 4-αιθυλφαινόλης ενώ διατήρησε την οξύτητα του πυρηνελαίου στο 5%, για πάνω από 100 ημέρες αποθήκευσης. Κατά την διαδικασία της μαθηματικής μοντελοποίησης του προαναφερόμενου φαινομένου η συνολική διεργασία παραγωγής 4-αιθυλφαινόλης χωρίστηκε σε επιμέρους 4 ενζυματικές διαδικασίες. Η διεργασία περιελάμβανε την απελευθέρωση p-κουμαρικού οξέος από το λιγνοκυτταρινούχο υλικό, την αποκαρβοξυλίωση του p-κουμαρικού οξέος σε 4-βινυλφαινόλη και τελικά την μετατροπή της 4-βινυλφαινόλης σε 4-αιθυλφαινόλη. Η κινητική εξίσωση Michaelis-Menten χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει την εξέλιξη των συγκεντρώσεων των συστατικών αυτών κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης του ελαιοπυρήνα, με επιπλέον την προσθήκη συγκεκριμένης διαφορικής για να εισάγει τον ενδογενή χαρακτήρα στον ρυθμό παραγωγής του ενζύμου, αλλά και συγκεκριμένους παράγοντες για να περιγράψουν την αναστολή της λειτουργίας του από το pH. Το προτεινόμενο μαθηματικό μοντέλο κρίθηκε ικανό να περιγράψει την μεταβολή στην συγκέντρωση της 4-αιθυλφαινόλης σαν συνάρτηση του χρόνου αποθήκευσης αλλά και του pH, χρησιμοποιώντας ως μεταβλητές εισόδου μόνο τις αρχικές συγκεντρώσεις των συστατικών. Εκτός από τον στερεό διφασικό ελαιοπυρήνα, τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα ρεύματα υγρών απορροών που δημιουργούν περιβαλλοντικά προβλήματα στις Μεσογειακές χώρες. Η αναερόβια χώνευση έχει ευρέως χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία διάφορων ρευμάτων αποβλήτων, από βιομηχανικές απορροές έως γεωργικά και κτηνοτροφικά υπολείμματα. Μερικά από τα πλεονεκτήματα της διεργασίας αυτής σχετίζονται με την παραγωγή ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας και λιπάσματος. Κατά την πειραματική βελτιστοποίηση του ρυθμού οργανικής φόρτισης σε αντιδραστήρες τύπου UASB που επεξεργάζονται απορροές ελαιουργίας αποδείχθηκε ότι το σύστημα μπορεί να είναι σταθερό σε ρυθμούς οργανικής φόρτισης έως 5-6 gCOD LR-1 d-1, χωρίς καμία προεπεξεργασία των απορροών αυτών. Ακόμα, παρατηρήθηκε ότι η μεγάλη περίοδος εγκλιματισμού της βιομάζας του αντιδραστήρα σε απορροές ελαιουργίας είναι ικανή να βελτιώσει την αποδόμηση των φαινολικών συστατικών στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, η οποία μπορεί να φτάσει έως 59%.Κατά την αερόβια επεξεργασία στερεών απορροών ελαιουργίας, όπως φύλλα ελιάς, διφασικού ελαιοπυρήνα αλλά και στερεής απορροής αναερόβιας χώνευσης, σε συνεχή ταχύρρυθμο κομποστοποιητή, μελετήθηκαν πέντε διαφορετικά σενάρια λειτουργίας. Τα σενάρια αυτά διέφεραν ως προς τον λόγο διφασικού ελαιοπυρήνα προς φύλλα ελιάς καθώς και ως προς την παρουσία ή μη, φλοιών πεύκου και στερεού υπολείμματος αναερόβιας χώνευσης. Ο λόγος διφασικού ελαιοπυρήνα προς φύλλα ελιάς 95% προς 5% κατά βάρος παρουσίασε τα βέλτιστα αποτελέσματα όσον αφορά την ποιότητα του προϊόντος, ενώ τα φύλλα ελιάς ως υπόστρωμα φάνηκαν ικανά να δράσουν ως διογκωτικός παράγοντας για τον καλύτερο αερισμό του υλικού. Το τελικό προϊόν, στο βέλτιστο σενάριο, δεν περιείχε ίχνη Salmonella, ενώ ήταν σταθερό με βάση τον δείκτη αναπνοής. Παρ’ όλ’ αυτά, περιείχε μικρές ποσότητες E. Coli (3.5 ×104 CFU g-1 με όριο το 1 ×103 CFU g-1).Κατά την μελέτη της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας μίας μονάδας επεξεργασίας υγρών απορροών ελαιουργίας μέσω αναερόβιας χώνευσης, τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι η προτεινόμενη διεργασία παρουσιάζει περιβαλλοντικά οφέλη, συγκρινόμενη με τα σενάρια βάσης (επεξεργασία σε λιμνοδεξαμενή εξάτμισης, απευθείας διάθεση στην καλλιέργεια της ελιάς και απόρριψη σε κοντινούς υδάτινους αποδέκτες). Με βάση την ανάλυση του περιβαλλοντικά ζημιογόνου σημείου της διεργασίας, η χρήση του χωνευμένου υπολείμματος ως λίπασμα παρουσίασε περιβαλλοντικά ζητήματα στις κατηγορίες της οξίνισης του εδάφους αλλά και στον ευτροφισμό των υδάτων. Η χρήση της αναερόβιας χώνευσης είναι ικανή να αποτρέψει περιβαλλοντική ζημία της τάξεως των 5 mPt ανά 1000 kg αποβλήτου, μέσω των προϊόντων που σχηματίζονται. Τέλος κατά την μελέτη της οικονομικής βιωσιμότητας μονάδας αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου, έγινε εμφανές ότι μία κεντρική μονάδα επεξεργασίας που θα επεξεργάζεται απόβλητο ελαιοτριβείου την ελαιοκομική περίοδο, και άλλα αγροτοκτηνοτροφικά παραπροϊόντα τον υπόλοιπο χρόνο, μπορεί να είναι βιώσιμη σε επίπεδο διαχείρισης αποβλήτων ενός νομού. Ο εσωτερικός ρυθμός επιστροφής κεφαλαίου υπολογίζεται 6% ενώ η καθαρή παρούσα αξία μίας τέτοιας επένδυσης μετά το πέρας του χρόνου ζωής του εξοπλισμού εκτιμάται στα 2 εκατομμύρια ευρώ. Ακόμα, από την ανάλυση ευαισθησίας του συστήματος, εκτιμήθηκε ότι η τιμή πώλησης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και η παραγωγικότητα των αποβλήτων που επεξεργάζονται στην μονάδα, μαζί με τα απόβλητα ελαιοτριβείου, είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την βιωσιμότητα της διεργασίας.