Enhancement of anaerobic digestibility of lipids and optimization of biogas production by implementing emulsification as pre-treatment method

Abstract

Aims of this PhD thesis were to elucidate: (a)the effect of emulsification pre-treatment for the anaerobic digestion of unsaturated (oleic acid) and saturated LCFA (palmitic and stearic) using whey protein as the emulsifier,(b)the effect of trace element limitation on process efficiency and sludge metabolic properties during the anaerobic digestion of emulsified animal fat,(c)the application of anaerobic digestion model (ADM1) in order to quantify the kinetics of individual LCFA degradation (palmitic, stearic, and oleic acid) involved in the anaerobic digestion process, after the emulsification pre-treatment.(d)the use of poultry manure as a low cost emulsifier for the anaerobic digestion of used cooking oil and (e) the stability and efficiency of a plug flow reactor treating emulsified used cooking oil and animal fat. The effect of emulsification pre-treatment on the anaerobic digestion of different LCFAs was studied using fed-batch mesophilic anaerobic digesters. The application of the ADM1 to the experimental results contributed into elucidating the kinetics of oleic acid biodegradation and quantify the effect of emulsification pre-treatment. Examined the effect of trace element limitation on the mesophilic anaerobic digestion of emulsified animal fat. Under two distinct experimental periods (Period I – low and Period II – high trace element dosage, respectively) a CSTR with sludge recirculation (anaerobic contact process). Also, this Ph.D. focused on the investigation and optimization of an optimum type of reactor (CSTR and PFR) for co-digest agro-industrial wastes with used cooking oils and animal fats. Finally, a techno-economic analysis was performed to highlight the feasibility to upgrade an anaerobic digestion facility from 500 to 1000 kW, through FOG supplementation at 1% (v/v). According to this PhD thesis the following conclusions can be depicted: •Emulsification pre-treatment of lipids plays an important role in high-rate anaerobic digestion. •Trace elements play an important role in the anaerobic digestion of lipid-rich wastes. •The ADM1 was capable to simulate digester’s performance during all transitions. •The rate limiting step of the anaerobic digestion process of different LCFAs studied was the degradation of stearic acid. •Poultry and dairy manure can be used as a low cost emulsifiers for the anaerobic digestion of used cooking oil (UCO) at a dosage of 1%. PFR, compared to the CSTR achieved similar biogas yield values at significantly higher OLR (2 to 3 times higher). The advantages of the PFR reactor lie in the fact that is characterized by high concentrations of biomass (> 50 g L-1) as well as at characteristics of embolic flow. Accordingly, it is possible to upgrade a 500 kW manure digester to 1000 kW by supplementing 1% (v/v) of lipids.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής υπήρξε η ανάπτυξη ολοκληρωμένης διεργασίας αναερόβιας χώνευσης με υψηλή περιεκτικότητα σε λίπη μέσω της διερεύνησης και βελτιστοποίησης (α) κατάλληλης διεργασίας προ-επεξεργασίας λιπών/ελαίων για περιορισμό των λειτουργικό προβλημάτων και (β) κατάλληλου τύπου αντιδραστήρα για την διαχείριση αποβλήτων υψηλής περιεκτικότητας σε λίπη. Τα λιπίδια χαρακτηρίζονται από χαμηλή διαλυτότητα και πυκνότητα, με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν χαμηλή διαθεσιμότητα καθώς επιπλέουν στην επιφάνεια του αντιδραστήρα. Η αναερόβια χώνευση λιπιδίων μπορεί να οδηγήσει σε λειτουργικές αστάθειες όπως διάλυση των κόκκων/ φλόκων της αναερόβιας βιομάζας, αφρισμό και επίπλευση της ιλύος, παρεμπόδιση και τοξικότητα έως και πλήρη κατάρρευση των διεργασιών παραγωγής βιοαερίου. Με στόχο τον περιορισμό των παραπάνω προβλημάτων έχουν εφαρμοστεί διάφορες μέθοδοι προ-επεξεργασίας των λιπιδίων οι οποίες στοχεύουν σε αύξηση της βιοδιαθεσιμότητας αυτών και σε άρση των περιορισμών στη μεταφορά μάζας. Τέτοιες μέθοδοι είναι η σαπωνοποίηση, η ενζυματική υδρόλυση και η γαλακτωματοποίηση. Η τελευταία μέθοδος προ-επεξεργασίας, οδηγεί στην μείωση του μεγέθους των λιπιδίων σε επίπεδα του μικρομέτρου αυξάνοντας έτσι σημαντικά τη διεπιφάνεια νερού-ελαίου και περιορίζοντας την επίπλευση ελεύθερων λιπών εντός του χωνευτή. Ως μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι απαιτούνται σημαντικά ποσά ενέργειας καθώς και η προσθήκη γαλακτωματοποιητών. Σύμφωνα με τα παραπάνω η αναερόβια χώνευση λιπιδίων υπόκειται τόσο σε θερμοδυναμικούς περιορισμούς των βιολογικών διεργασιών όσο και τεχνικά και λειτουργικά προβλήματα της εγκατάστασης. Για τους παραπάνω λόγους η προσθήκη λιπιδίων σε μονάδες βιοαερίου πλήρους κλίμακας δεν πραγματοποιείται είτε είναι περιορισμένη. Μελετήθηκε η γαλακτωματοποίηση ως μέθοδος προ-επεξεργασίας για την αναερόβια χώνευση διαφορετικών LCFAs σε μεσόφιλες συνθήκες σε αντιδραστήρες ημι-συνεχούς λειτουργίας. Έγινε εφαρμογή του μοντέλου (ADM1) στα πειραματικά δεδομένα το οποίο συνέβαλε στην ποσοτικοποίηση των κινητικών παραμέτρων αποικοδόμησης του ελαϊκού οξέως ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης προ-επεξεργασίας. Εξετάστηκε ο περιοριστικός ρόλος των ιχνοστοιχείων στην αναερόβια αποικοδομησιμότητα γαλακτωματοποιημένου ζωικού λίπους. Τα πειράματα έλαβαν χώρα σε αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης (CSTR) με ανακυκλοφορία της βιομάζας (contact process). Δόθηκε έμφαση στην διερεύνηση και βελτιστοποίηση ενός κατάλληλου τύπου αντιδραστήρα (CSTR και PFR) για την συν-χώνευση αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με λίπη και έλαια. Τέλος πραγματοποιήθηκε τεχνοοικονομική ανάλυση ως προς την δυνατότητα αναβάθμισης μιας υφιστάμενης μονάδας αναερόβιας χώνευσης από τα 500 στα 1000 kW, μέσω της προσθήκης λιπιδίων σε ποσοστό 1% v/v. Η παρούσα διδακτορική διατριβή κατέληξε στα ακόλουθα συμπεράσματα: •Η γαλακτωματοποίηση ως μέθοδος προ-επεξεργασίας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην αναερόβια χώνευση λιπιδίων. •Τα ιχνοστοιχεία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην αναερόβια χώνευση αποβλήτων με υψηλή περιεκτικότητα σε λίπη. •Το μοντέλο ADM1 είναι κατάλληλο για την προσομοίωση των διεργασιών αναερόβιας χώνευση σε όλες τις περιπτώσεις. •Το περιοριστικό βήμα ως προς την αναερόβια χώνευση των διαφορετικών LCFAs που μελετήθηκαν ήταν η αποικοδόμηση του στεαρικού οξέως.