Χρήση μικροφυκών για επεξεργασία αποβλήτων και παραγωγή βιοκαυσίμων

Abstract

Population growth and excessive energy consumption due to a continuous demand for products have led to substantial deterioration of the natural environment, urging for the search of alternative energy sources and the use of new technologies that do not harm ecosystems. The dependence of modern society on fossil fuels has formally been questioned, due to the continuous exhaustion of natural resources and the steady destruction of the natural environment. In addition, the wastewater derived from the production process and mainly from the agro-industrial production and processing sector releases vast amounts of organic and inorganic load, resulting in a constant search for new environmentally friendly treatment technologies. Therefore, pollution prevention measures, effective use of materials and energy as well as the use of renewable energy sources can help reduce waste and emissions. In recent years, attention has been drawn on bio-treatment wastewater systems. In particular, the microalgae-bacteria-based technology deserves special notice while the biomass resulting from the wastewater treatment process has been considered as a sustainable source for biofuels production, agricultural fertilizer or animal feed. In this thesis, the biological treatment of agro-industrial wastewater was studied using mixed microalgae / cyanobacterial cultures, under aerobic non-aseptic conditions, in batch photobioreactors of suspended and attached growth, as well as the simultaneous production of biofuels (bioethanol, biodiesel). Firstly, a mixed culture of green algae Choricystis sp. and then a mixed culture of cyanobacterium Leptolyngbya sp. were examined in terms of removing organic and inorganic load from different agro-industrial wastewater. Several experimental series were conducted in order to study the behavior of mixed cultures in the presence or absence of wastewater effluents (in different ratios) from dairy, winery and raisin industries. A mixture of winery-raisin effluent was also used as a growth medium for the mixed-Leptolyngbya culture in suspended and attached systems. The mixed effluent and the dairy waste, achieved organic load removal rates up to 94% in suspended growth while in attached growth the removal rates reached 97%. Similarly, significant removal rates between 50-100% for total nitrogen and phosphorus were also achieved for all experiments conducted. Furthermore, the feasibility of using the produced microbial oil by the suspended and the attached microbial biomass was evaluated, as raw material for biodiesel production (by analyzing the profile of fatty acid methyl esters in all conducted experiments). Although the fatty acid profile was suitable for biodiesel in both applied systems, the amount of oil produced achieved higher values up to 23.2% on dry biomass in attached growth systems versus 14.8% on dry biomass in suspended growth systems. Finally, the capability of recovering fermentable sugars from the microbial biomass after biotreatment in the suspended growth systems was tested. Three different biomasses derived from the growth of mixed cultures on chemical medium, dairy wastewater and mixed winery-raisin effluent were examined. Acid hydrolysis experiments of these biomasses using different concentrations of sulfuric acid were performed at different hydrolysis times with constant temperature and pressure. Subsequently, anaerobic alcoholic fermentation experiments were carried out using the Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1 in order to determine the bioethanol yield for all sugar substrates used. The results stand up to 70% out of the theoretical ethanol yield indicating the potential use of microbial microalgae-based biomass as feedstock for bioethanol production.

Η αύξηση του πληθυσμού της Γης, η υπέρμετρη κατανάλωση ενέργειας με την συνεχώς απαιτητική αγορά προϊόντων, έχουν οδηγήσει σε σημαντική υποβάθμιση του φυσικού περιβάλλοντος, επιβάλλοντας την εύρεση εναλλακτικών πηγών ενέργειας καθώς και τη χρήση νέων τεχνολογιών που δεν θα επιβαρύνουν την αρμονία των οικοσυστημάτων. Έχει επισήμως πλέον αμφισβητηθεί η εξάρτηση της σύγχρονης κοινωνίας από τα ορυκτά καύσιμα καθώς εξαντλούνται συνεχώς οι φυσικές πηγές και επιδεινώνεται βαθμιαία το φυσικό περιβάλλον. Επίσης, τα υγρά απόβλητα που προκύπτουν από την παραγωγική διαδικασία και κυρίως από τον αγροτοβιομηχανικό τομέα παραγωγής και μεταποίησης προϊόντων απελευθερώνουν σημαντικά ποσά οργανικού και ανόργανου φορτίου, με συνέπεια την αναζήτηση συνεχώς νέων τεχνολογιών για την ευνοϊκότερη προς το περιβάλλον διαχείρισή τους. Συνεπώς, τα μέτρα πρόληψης της ρύπανσης του περιβάλλοντος και η αποτελεσματική χρήση των υλικών και της ενέργειας, καθώς και η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στην αποτελεσματική επεξεργασία ή/και μείωση των εκπομπών αερίων καθώς και των υγρών αποβλήτων. Τις τελευταίες δεκαετίες, ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων παρουσιάζουν τα βιολογικά συστήματα επεξεργασίας. Συγκεκριμένα, η τεχνολογία που βασίζεται στη χρήση μεικτών καλλιεργειών μικροφυκών και βακτηρίων χρήζει ιδιαίτερης προσοχής, καθώς η βιομάζα που προκύπτει κατά την επεξεργασία των αποβλήτων θεωρείται αειφόρα πηγή για την παραγωγή βιοκαυσίμων, γεωργικών λιπασμάτων ή ζωοτροφών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η βιολογική επεξεργασία υγρών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με χρήση μιξότροφων, μεικτών καλλιεργειών μικροφυκών/κυανοβακτηρίων υπό μη ασηπτικές, αερόβιες συνθήκες, σε εργαστηριακής κλίμακας φωτοβιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου (αιωρούμενης και προσκολλημένης ανάπτυξης), καθώς και η δυνατότητα ταυτόχρονης παραγωγής βιοκαυσίμων (βιοαιθανόλη, βιοντίζελ) από την παραγόμενη βιομάζα. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η ικανότητα μεικτής καλλιέργειας με κυρίαρχο είδος το χλωροφύκος Choricystis sp. καθώς και της μεικτής καλλιέργειας με κυρίαρχο είδος το κυανοβακτήριο Leptolyngbya sp. ως προς την ικανότητά τους να απομακρύνουν οργανικά και ανόργανα συστατικά από διάφορα αγροτοβιομηχανικά απόβλητα. Πραγματοποιήθηκαν σειρές πειραμάτων για τη μελέτη της συμπεριφοράς των μεικτών καλλιεργειών χωρίς ή με προσθήκη (σε διάφορες αναλογίες) υγρών αποβλήτων από διάφορες βιομηχανίες, όπως παραγωγής τυροκομικών προϊόντων, οινοποιείου, τυποποίησης σταφίδας καθώς και μείγμα αποβλήτων οινοποιείου-σταφίδας. Με τη χρήση μεικτού αποβλήτου και αποβλήτου τυροκομείου, τα ποσοστά απομάκρυνσης οργανικού φορτίου άγγιξαν το 94% στα πειράματα αιωρούμενης ανάπτυξης ενώ έφτασαν μέχρι και 97% για τα πειράματα προσκολλημένης ανάπτυξης. Ομοίως σημαντικά ποσοστά απομάκρυνσης σημειώθηκαν και για τα θρεπτικά συστατικά ολικού αζώτου και φωσφόρου που κυμάνθηκαν μεταξύ 50-100% για το σύνολο των πειραματικών σειρών. Παράλληλα, εξετάστηκε η ικανότητα των μικροφυκών/κυανοβακτηρίων να συσσωρεύουν στη βιομάζα τους λιπίδια. Αξιολογήθηκε η δυνατότητα χρήσης του παραγόμενου από την αιωρούμενη και προσκολλημένη βιομάζα μικροβιακού ελαίου ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοντίζελ (μέσω προσδιορισμού της ποσοστιαίας κατανομής μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων σε αυτό). Αν και το προφίλ των λιπαρών οξέων ήταν ποιοτικά κατάλληλο για εφαρμογές βιοντίζελ και στα δύο εφαρμοζόμενα συστήματα, η ποσότητα παραγόμενου ελαίου σημείωσε υψηλότερες τιμές για τα συστήματα προσκολλημένης ανάπτυξης καθώς έφτασε σε ποσοστό 23.2% επί της ξηρής βιομάζας έναντι του 14.8% επί ξηρής βιομάζας για τα αιωρούμενα συστήματα ανάπτυξης. Τέλος, εξετάστηκε η δυνατότητα ανάκτησης ζυμώσιμων σακχάρων από την μικροβιακή βιομάζα. Εξετάστηκαν τρεις διαφορετικές βιομάζες προερχόμενες από την ανάπτυξη των μεικτών καλλιεργειών σε υποστρώματα όπως τεχνητό χημικό μέσο, απόβλητο τυροκομείου καθώς και μεικτό απόβλητο οινοποιείου-σταφίδας. Πειράματα όξινης υδρόλυσης των εν λόγω βιομαζών πραγματοποιήθηκαν με χρήση διαλυμάτων θειικού οξέος διαφορετικής συγκέντρωσης σε διάφορους χρόνους υδρόλυσης σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση. Στη συνέχεια πειράματα αλκοολικής αναερόβιας ζύμωσης με χρήση του στελέχους Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1 οδήγησαν στον προσδιορισμό της απόδοσης σε βιοαιθανόλη για όλα τα εξεταζόμενα υποστρώματα σακχάρων. Σημειώθηκαν αποδόσεις αιθανόλης πάνω από 70% επί της θεωρητικής απόδοσης υποδεικνύοντας την δυνητική χρήση του υποστρώματος ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης.