Enhancement of Anaerobic Digestion of Banana Waste by Reactor Design and Substrate Pre-treatment for Improved Biogas Production

Bananen sind stärkehaltige Früchte palmenähnlicher tropischer und subtropischer Pflanzen der Gattung musa. Uganda ist der zweitgrößte Bananenproduzent weltweit, mit besonderem Fokus auf der grünen ostafrikanischen Hochlandbanane, wissenschaftlich als Musa acuminata (AAAEA) bekannt, die landesweit unter der Bezeichnung “Matooke” als Grundnahrungsmittel genutzt wird. Die industrielle Verarbeitung dieser Bananen zur Erzeugung hochwertigen glutenfreien stärkehaltigen Mehls, das sowohl zum Backen als auch in glykämischen Therapien Verwendung findet, ist mit der zweifachen Problematik des Fehlens ausreichender Energie zum Trocknen der Fruchtmasse sowie der Erzeugung riesiger Mengen organischer Abfälle konfrontiert. Da Bananenrückstände aus feuchter Biomasse bestehen, ist ihre Umwandlung durch anaerobe Vergärung in einen Energieträger wie Biogas der vielversprechendste Ansatz, um Energiedefizite durch umweltfreundliche Abfallbehandlung zu verringern. Außerdem können die Gärreste als organischer Biodünger genutzt werden, was wiederum dem Bananenanbau zugutekommt. Allerdings stellt die anaerobe Vergärung von Bananenabfällen aufgrund des hohen Fasergehaltes (Lignozellulose), der zur Herstellung von Biogas nur in begrenztem Maß aufgebrochen werden kann, eine Herausforderung dar. Außerdem führt der hohe Fasergehalt im Substrat zur Bildung einer hartnäckigen treibenden Schicht, durch die mikrobielle Biokatalysatoren ausgewaschen werden, was zum Scheitern des Vergärungsprozesses führt. Es ist jedoch möglich, diesem Vorgang durch eine geeignete Vorbehandlung und die Nutzung optimierter Gärbehälter entgegenzuwirken. Bisher fehlt es dazu allerdings an Wissen und Erfahrung. Daher ist diese Studie darauf fokussiert, die Möglichkeiten einer Verbesserung der anaeroben Vergärung von Bananenab-fällen zur Erzeugung von Biogas zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues hybrides anaerobes Aufwärtsströmungs-Schwebefilter- Gärsystem (ASG) entwickelt, das es ermöglicht, die Start-up Phase auf drei Tage zu verkürzen, einen hohen organischen Gehalt von bis zu 4.0 KgVS/M3/D effizient zu vergasen, unter Nutzung der Schwerkraft im Durchlauf-verfahren zu arbeiten und das Problem der Schwebschicht und der vorzeitigen Substratschlammauswaschung zu vermeiden. Als beste Vorbehandlungsmethode erwies sich eine siebentägige mikrobielle Vorfermentation, die zum Erreichen des höchsten Gasgehaltes von 843.89 L CH4/KgVS/D führt und durch Nutzung des ASG zu einer um 93.28% erhöhten Methanausbeute führt. Die Konversion des solcherart gewonnenen Biokraftstoffes hat das Potenzial, eine Nettoenergie von 675.12 kWh oder 2,430.432 MJ pro Tonne Abfall zu generieren. Daraus folgt, dass die anaerobe Vergärung von Bananenabfällen bei Nutzung des entwickelten ASG genügend Biokraftstoff in Form von Methan generieren kann, um ausreichend nachhaltige Energie sowohl zum Trocknen des Bananenfruchtfleisches als auch zur Umwandlung in Elektrizität zur Versorgung der gesamten ugandischen Bananen-industrie zur Verfügung zu haben. Da das ASG die Energieausbeute organischer Abfälle maximieren kann, sollte diese Technologie Akteuren nahegebracht werden, die Agrarprodukte trocknen und verarbeiten. Die vorliegende Studie war Teil von Forschungsarbeiten in Ostafrika im Rahmen des vom BMBF geförderten GlobE - RELOAD Projektes (Reduction of Losses/ Value Addition) und wurde von den Universitäten Makerere und Kassel unterstützt.