Parameter analysis during the electrofermentation of cheese whey

Αντάραχας, Μιχάλης; Antarachas, Michael

dc.contributor.author	Αντάραχας, Μιχάλης	el
dc.contributor.author	Antarachas, Michael	en
dc.date.accessioned	2024-02-09T09:05:17Z
dc.date.available	2024-02-09T09:05:17Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58815
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26511
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ορός τυρογάλακτος	el
dc.subject	Ηλεκτροζύμωση	el
dc.subject	Microbial electrolysis cell (MEC)	en
dc.subject	Βιοαέριο	el
dc.subject	Επεξεργασία αποβλήτου	el
dc.subject	Κελί μικροβιακής ηλεκτρόλυσης (MEC)	el
dc.subject	Cheese whey	en
dc.subject	Electrofermentation	en
dc.subject	Biogas	en
dc.subject	Waste treatment	en
dc.title	Parameter analysis during the electrofermentation of cheese whey	en
dc.title	Ανάλυση παραμέτρων κατά την επεξεργασία ορού τυρογάλακτος σε βιοαντιδραστήρα ηλεκτροζύμωσης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-02
heal.abstract	Tο παγκόσμιο ενεργειακό πρόβλημα, που χαρακτηρίζεται από τη μη βιώσιμη εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και τις επακόλουθες περιβαλλοντικές συνέπειες, συνδέεται άμεσα με το κλιμακούμενο πρόβλημα των αποβλήτων που πηγάζει από τον σύγχρονο τρόπο ζωής. Η συγκεκριμένη μελέτη στράφηκε στην διαχείριση αποβλήτων τυροκομείου, ειδικότερα του ορού τυρογάλακτος. Αν και πρόκειται για παραπροϊόν πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, η αντιμετώπισή του στις περισσότερες περιπτώσεις είναι η απόρριψή σε οικοσυστήματα, προκαλώντας σοβαρές βλάβες σε αυτά. Η τεχνολογία της ηλεκτροζύμωσης, που αποτελείται από σύζευξη της αναερόβιας χώνευσης με κελί μικροβιακής ηλεκτρόλυσης (MEC), χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία του ορού τυρογάλακτος. Με την τεχνολογία ηλεκτροζύμωσης, επιτυγχάνεται ταχεία οξείδωση του οργανικού φορτίου του αποβλήτου στην άνοδο της διάταξης, με ταυτόχρονη αναβάθμιση του παραγόμενου βιοαερίου στην κάθοδο. Τα πειράματα έγιναν σε εργαστηριακή κλίμακα. Ο βιοαντιδραστήρας της ηλεκτροζύμωσης (MEC-AD) ήταν κυλινδρικό δοχείο όγκου 2 L με ενεργό όγκο 1,6 L, στον οποίο εμβαπτίστηκαν δύο ηλεκτρόδια τσόχας άνθρακα διαστάσεων 3 επί 16 cm, μέσω των οποίων εφαρμόστηκε ηλεκτρικό δυναμικό στο σύστημα. Χρησιμοποιήθηκε ακόμα ένας πανομοιότυπος βιοαντιδραστήρας απλής αναερόβιας χώνευσης, χωρίς ηλεκτρόδια, στον οποίο εξετάστηκαν δύο διεργασίες αναερόβιας χώνευσης (AD1, AD2), συγκριτικά με τη διεργασία MEC-AD. Τα πειράματα έγιναν σε συνθήκες draw-fill με στόχο την προσομοίωση συνεχούς ροής. Ο αντιδραστήρας MEC-AD λειτούργησε αρχικά με επιτυχία σε HRT 46 ημερών με τροφοδοσία ακατέργαστου τυρογάλακτος και εφαρμοσμένο δυναμικό 1 V(απομάκρυνση 1,96 g sCOD και 1,84 g tCOD ανά ημέρα), ενώ ο AD1 σε αυτές τις συνθήκες έφτασε σε αστοχία. Στη συνέχεια δοκιμάστηκε μείωση του HRT σε 32 ημέρες (απομάκρυνση 2,54 g sCOD και 2,41 g tCOD ανά ημέρα), όμως ο MEC-AD εμφάνισε μεγάλη συσσώρευση οργανικού φορτίου και πτώση pH, επομένως τα πειράματα σταμάτησαν. Μετά από 26 μέρες λειτουργίας διαλείποντος έργου για τη μείωση του συσσωρευμένου οργανικού φορτίου, ξεκίνησαν νέοι κύκλοι πειραμάτων με τροφοδοσία προεπεξεργασμένου ορού τυρογάλακτος, με στόχο να επιτευχθεί λειτουργία σε χαμηλότερους χρόνους παραμονής. Η προεπεξεργασία περιλάμβανε διήθηση για την απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών και ρύθμιση του pH του ορού τυρογάλακτος στο 6,5. Οι αρχικές συνθήκες λειτουργίας ήταν σε HRT 32 ημερών και εφαρμοσμένο δυναμικό 2 V, όπου ο MEC-AD παρουσίασε σταθερότητα (απομάκρυνση 2,83 g sCOD και 2,78 g tCOD, παραγωγή 1,79 L βιοαερίου με 71,5% CH4 ανά ημέρα). Στις ίδιες συνθήκες λειτούργησε ο AD2 ο οποίος παρουσιάζοντας συνεχόμενη αύξηση στο sCOD έφτασε σε αστοχία. Ο MEC-AD έπειτα λειτούργησε σε HRT 32 ημερών με μείωση του εφαρμοζόμενου δυναμικού στα 1 V (απομάκρυνση 2,89 g sCOD και 2,57 g tCOD, παραγωγή 2,18 L βιοαερίου με 66,7% CH4 ανά ημέρα). Στην τελευταία φάση λειτουργίας ο αντιδραστήρας λειτούργησε σε εφαρμοσμένο δυναμικό 1 V με περαιτέρω μείωση του HRT σε 20 ημέρες (απομάκρυνση 4,34 g sCOD και 3,64 g tCOD ανά ημέρα), όπου σημειώθηκε η μέγιστη παραγωγή βιοαερίου στα 3,7 L/μέρα με 66,1% περιεκτικότητα σε CH4. Από τα αποτελέσματα, φαίνεται ότι η προεπεξεργασία του ορού τυρογάλακτος ήταν καθοριστικής σημασίας στη λειτουργικότητα και τη σταθερότητα της διεργασίας, αυξάνοντας σημαντικά την κατανάλωση COD. Επιπλέον, σημειώθηκε ότι ο αντιδραστήρας σε δυναμικό 2 V εμφάνισε μεγαλύτερη κατανάλωση οργανικού φορτίου, και ταυτόχρονα μειωμένη αλλά πλουσιότερη σε μεθάνιο παραγωγή βιοαερίου σε σχέση με τη λειτουργία σε 1 V. Τέλος, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι με μείωση του HRT το σύστημα καταναλώνει μεγαλύτερες ποσότητες οργανικού φορτίου και παράγει περισσότερο βιοαέριο, αλλά με χαμηλότερη αποδοτικότητα. Συνολικά, τα πειράματα έδειξαν ότι μέσω της τεχνολογίας της ηλεκτροζύμωσης, μπορεί να επιτευχθεί επεξεργασία του ορού τυρογάλακτος και μάλιστα με ενεργειακό πλεόνασμα, λόγω της παραγωγής βιοαερίου.	el
heal.abstract	The global energy problem, characterized by unsustainable dependence on fossil fuels and the resulting environmental consequences, is directly linked to the escalating waste problem stemming from modern lifestyles. This specific study focuses on the management of cheese factory waste, in particular cheese whey. Although cheese whey is a a product rich in nutrients, it is usually disposad in ecosystems, causing them serious damage. Electrofermentation technology, consisting of coupling the anaerobic digestion with a microbial electrolysis cell (MEC), was the method used for whey processing. With the electro-fermentation technology, rapid oxidation of the organic load is achieved on the anode of the bioreactor, while simultaneously the upgrading of the produced biogas takes place in the cathode. The experiments were done on a laboratory scale. The electrofermentation bioreactor (MEC-AD) was a 2L cylindrical vessel with an active volume of 1.6 L, into which two 3 by 16 cm carbon felt electrodes were immersed, through which an electrical potential was applied to the system. An identical single anaerobic digestion bioreactor was also used, without electrodes, in which two anaerobic digestion processes (AD1, AD2) were tested, compared to the MEC-AD process. The experiments were conducted in draw-fill conditions with the aim of simulating continuous flow. The MEC-AD reactor was initially operated successfully at a HRT of 46 days with raw cheese whey feed and an applied potential of 1 V (removal of 1.96 g sCOD and 1.84 g tCOD per day), while AD1 at these conditions reached failure. A reduction of HRT to 32 days was then tested (removal of 2.54 g sCOD and 2.41 g tCOD per day), but the MEC-AD showed a large accumulation of organic load and a drop in pH, so the experiments stopped. After 26 days of batch mode operation in order to reduce the accumulated organic load, new cycles of experiments began, with a feed of pretreated cheese whey, aiming to achieve a lower retention time. Pretreatment included filtration to remove suspended solids and adjusting the pH of the feed to 6.5. The initial operating conditions were at an HRT of 32 days and an applied potential of 2 V, where the MEC-AD showed stability (2.83 g sCOD and 2.78 g tCOD removal, 1.79 L biogas production with 71.5% CH4 per day ). AD2 operated under the same conditions, had a continuous increase in sCOD and eventually failed. MEC-AD was then operated at an HRT of 32 days with the applied potential reduced to 1 V (removal of 2.89 g sCOD and 2.57 g tCOD, production of 2.18 L biogas with 66.7% CH4 per day). In the last operating phase the reactor was operated at an applied potential of 1 V with a further reduction of the HRT in 20 days (removal of 4.34 g sCOD and 3.64 g tCOD per day), where the maximum biogas production was noted at 3.7 L/day with 66.1% CH4 content. From the results, it appears that whey pretreatment was instrumental in process functionality and stability, significantly increasing COD consumption. In addition, it was noted that the reactor at 2 V potential showed a higher consumption of organic load, and at the same time a reduced but more methane-rich biogas production compared to operation at 1 V. Finally, the results indicate that with a decrease in HRT, the system consumes larger amounts of organic load and produces more biogas, but with lower efficiency. Overall, the experiments showed that through the technology of electrofermentation, the processing of whey can be achieved efficiently and even with an energy surplus, due to the production of biogas.	en
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Βλυσίδης, Ανέστης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	98 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false