Μελέτη βιοαποδόμησης βιοπλαστικών μέσω αναερόβιας χώνευσης για παραγωγή βιοαερίου
Loading...
Date
2024-10-10
Authors
Γιώτη, Κωνσταντίνα
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η προστασία του φυσικού περιβάλλοντος από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, αποτελεί ενδεχομένως τη σπουδαιότερη πρόκληση της σύγχρονης εποχής. Δύο από τις πιο σημαντικές παραμέτρους επίλυσης του περιβαλλοντικού προβλήματος, αποτελούν η διαχείριση και αξιοποίηση των αποβλήτων και η ενεργειακή απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα με στροφή προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Λόγω των σοβαρών περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούν τα συμβατικά πλαστικά πετροχημικής προέλευσης, καθώς και της εξάντλησης των φυσικών αποθεμάτων πετρελαίου, έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια μια αυξανόμενη τάση για την αντικατάσταση των συμβατικών πλαστικών με βιοπλαστικά προερχόμενα από ανανεώσιμες πηγές. Ειδικότερα, μόνο ένα μικρό ποσοστό των πλαστικών απορριμμάτων είναι ανακυκλώσιμο, ενώ το υπόλοιπο καταλήγει σε χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων, σε μονάδες θερμικής επεξεργασίας ή, στη χειρότερη περίπτωση, απορρίπτεται ανεξέλεγκτα στο περιβάλλον. Η παραγωγή βιοπλαστικών ,είναι αρκετά υποσχόμενη τεχνολογία η οποία αποτελεί τρόπο υποστήριξης της κυκλικής οικονομίας.
Ως έναυσμα την ανάπτυξη των βιοπλαστικών αλλά και την σημασία της κυκλικής οικονομίας, της μείωσης αποβλήτων, και της μετατροπής αποβλήτων σε πόρους, θα μελετηθεί πειραματικά η βιοαποδόμηση των βιοπλαστικων με την μεθοδο της αναεροβιας χώνευσης για την παραγωγή βιοαεριου. Η Αναερόβια Χώνευση είναι μια βιολογική διεργασία όπου η οργανική ύλη του υποστρώματος αποδομείται απουσία οξυγόνου από διάφορους αναερόβιους μικροοργανισμούς, οδηγώντας στον σχηματισμό αέριου μείγματος με το μεθάνιο να αποτελεί το κυρίαρχο συστατικό. Το μεθάνιο μπορεί στη συνέχεια να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση, για να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες των διεργασιών.
Από τα διάφορα είδη βιοπλαστικών, για την συγκεκριμένη μελέτη επιλέχθηκαν τα είδη Pla, Pbs, Pha, ώστε να ελεγχθεί πειραματικά η βιοαποδόμηση τους και η προοπτική βιοχημικής παραγωγής μεθανίου με αναερόβια χώνευση. Χρησιμοποιήθηκε επίσης λάσπη από την Μονάδα εκτροφής χοίρων "Αφοί Τσιαμάκη Σιβίστα Α.Ε.", Αγρίνιο, Ελλάδα. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν χαρακτηρισμοί των δειγμάτων βιοπλαστικού. Συγκεκριμένα μετρήθηκε η περιεκτικότητα σε ολικά και πτητικά στερεά, πραγματοποιήθηκε ανάλυση SEM/ΕDX, FTIR, TGA, RAMAN. Πραγματοποιήθηκε επίσης προεπεξεργασία της ιλύος και έπειτα μεταφορά της σε αυτοσχέδιο αναερόβιο χωνευτή (αζόρ) 9 λίτρων για απαέρωση και επώαση, με συνδεδεμένη συσκευή μέτρησης αερίου. Η αναερόβια ιλύς παρέμεινε στον αζόρ μέχρι την έναρξη του πειράματος ελέγχου της προοπτικής βιοχημικής παραγωγής βιομεθανίου με αναερόβια χώνευση (BMP /ampts test).
Πριν την έναρξη του πειράματος BMP /ampts test έγινε χαρακτηρισμός της λάσπης με έλεγχο pH, VFA, αμμωνίου, αλκαλικότητας, TS, VS για τον εντοπισμό πιθανών παραγόντων αναστολής. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε το AUTOMATIC METHANE POTENTIAL TEST SYSTEM (AMPTS®) για το πείραμα δοκιμής της δραστηριότητας των διαφορετικών μικροβιακων τροφικών ομάδων με σκοπό την επιβεβαίωση ότι η αναερόβια λάσπη περιέχει όλες τις απαραίτητες τροφικές ομάδες και είναι ενεργή και ικανή να παράγει μεθάνιο με τη χρήση των μονάδων ampts. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε το πείραμα βιοαποδόμησης και ελέγχου της προοπτικής βιοχημικής παραγωγής μεθανίου με αναερόβια χώνευση ,όπου χρηισμοποιήθηκε λάσπη η οποία περιείχε 35,2 gVS L-1, ενώ η συνολική συγκέντρωση ήταν 10 gVS L-1. Τα βιοπλαστικά χρησιμοποιήθηκαν σε μορφή κόκκων χωρίς καμία επεξεργασία.
Τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού των βιοπλαστικών υψηλής καθαρότητας που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική έρευνά, έδειξαν ότι είναι μη υγροσκοπικά πολυμερή με θερμική σταθερότητα έως ≈250 - 300 °C. Παρουσιάζουν μονοφασικά μοτίβα διάσπασης και απώλεια μάζας μεγαλύτερη από 99% όταν εκτίθενται σε θερμοκρασίες κοντά στους 400 °C, σύμφωνα με τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση αυτών των πολυμερών. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από τις μετρήσεις TS και VS, όπου για κάθε βιοπλαστικό υπήρχε Δm (VS) >99,5% όταν πυρώθηκε στους 550 °C.
Η φασματική χαρακτηρισμολογία αυτών των βιοπλαστικών έδειξε παρόμοια μοτίβα στοιχειακής σύνθεσης για τα πολυμερή. Στην ανάλυση EDX, τα κύρια στοιχεία που βρέθηκαν είναι ο άνθρακας και το οξυγόνο, με την εστερική ομάδα C=O να είναι η κύρια χαρακτηριστική λειτουργική ομάδα αυτών των πολυμερών, όπως φαίνεται στις κορυφές 1750 – 1715 cm-1 των φασμάτων IR, επιβεβαιώνοντας τη φύση τους ως πολυεστέρες.
Τα αποτελέσματα του πειράματος προσδιορισμού της δραστηριότητας των διαφορετικών μικροβιακών τροφικών ομάδων έδειξαν ότι η αναερόβια λάσπη περιέχει τους απαραίτητους μικροοργανισμούς για την αξιολόγηση της βιοαποδόμησης και της παραγωγής μεθανίου από από τα υψηλής καθαρότητας εμπορικά βιοπλαστικά, και επίσης το υπόστρωμα κυτταρίνης χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία ως θετικό δείγμα στον έλεγχο δραστηριότητας, και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί στις ίδιες συνθήκες, για σκοπούς επικύρωσης.
Στο πείραμα βιοαποδόμησης και ελέγχου της προοπτικής βιοχημικής παραγωγής μεθανίου με αναερόβια χώνευση ήδη από τα αρχικά αποτελέσματα υπήρξαν ξεκάθαρα σημάδια βιοαποδόμησης για τα περισσότερα βιοπλαστικά. Τα αρχικά αποτελέσματα της 4ης ημέρας έδειξαν ότι το PLE 111A παρήγαγε τους μεγαλύτερους όγκους μεθανίου, φτάνοντας περίπου τα 90 NmL ,ενώ οι κενές παρτίδες βρίσκονταν στην περιοχή <60 NmL. Στη μονάδα AMPTS II (PHE 005 και PBΕ 003, PBE 001), το PBE 001, το οποίο περιέχει το χαμηλότερο ποσοστό βιολογικής βάσης από τα βιοπλαστικά που εξετάστηκαν, παρουσίαζε τον πιο αργό ρυθμό διάσπασης και την χαμηλότερη παραγωγικότητα σε σύγκριση με τα υπόλοιπα βιοπλαστικά που χρησιμοποιήθηκαν και στις δύο μονάδες.
Ο πειραματικός κύκλος ολοκληρώθηκε όταν ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου έπεσε σε όλες τις καμπύλες κάτω από 5 NmL CH4 ανά ημέρα, την 68η ημέρα. Στην μονάδα AMPTS ΙΙΙ (Blank, PLE 111A, PLE 111-1), την 68η ημέρα, η μέση τιμή αθροιστικού όγκου για το δείγμα Blank είναι 233,5 Νml, για το PLE 111-A είναι 292,3 Νml και για το PLE 111-1 είναι 273,7 Νml. Στην μονάδα AMPTS II(PHE 005 και PBΕ 003, PBE 001 ,η μέση τιμή παραγόμενου αθροιστικού όγκου μεθανίου, την 52η ημέρα ήταν 593,25 Νml για το PHE 005, ενώ 172,26 Νml για το PBE 003 και 149,6 Νml για το PBE 001. Το PBE 003 παρέμεινε παραγωγικό μέχρι την 59η ημέρα φτάνοντας μέχρι 174,83 Νml την 52η ημέρα και το PBE 001 παρέμεινε παραγωγικό μέχρι την 53η ημέρα φτάνοντας μέχρι 149,73 Nml. Τελικά, το το PHE 005 (100% biobased ), ήταν το πιο παραγωγικό φτάνοντας στα 593,25 Νml. Χαμηλή παραγωγικότητα έδειξαν, το blank που δεν περιείχε υπόστρωμα βιοπλαστικού, και τα είδη PBS τα οποία ήταν βιοβασισμένα σε ποσοστά 51% (PBE 003) και 35% (PBE 001).
Description
Keywords
Βιοπλαστικά, Αναερόβια χώνευση, Βιοαέριο, Χαρακτηρισμός βιοπλαστικών