Enhancement of Anaerobic Digestion of Banana Waste by Reactor Design and Substrate Pre-treatment for Improved Biogas Production
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Okure, Mackay ( Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hawumba, Joseph Fuuna (Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Vuzi, Peter. California (Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2021-12-02T07:24:43Z | |
| dc.date.available | 2021-12-02T07:24:43Z | |
| dc.date.issued | 2021 | |
| dc.description.sponsorship | To publish it as monographic dissertation Supported by RELOAD | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202111305141 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/13417 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject.ddc | 570 | |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Banane | ger |
| dc.subject.swd | Abfall | ger |
| dc.subject.swd | Gewinnung | ger |
| dc.subject.swd | Optimierung | ger |
| dc.subject.swd | Prozessoptimierung | ger |
| dc.subject.swd | Biogas | ger |
| dc.title | Enhancement of Anaerobic Digestion of Banana Waste by Reactor Design and Substrate Pre-treatment for Improved Biogas Production | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | 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. | ger |
| dcterms.abstract | Bananas are starchy long curved fruits of palm-like tropical and subtropical plants of the genus musa. Uganda is the 2nd largest global producer of bananas, especially the green East African Highland cooking type scientifically known as Musa acuminata (AAA-EA), that is eaten nationwide as one of the staple food termed as “Matooke”. Industrial processing of these bananas to produce high value gluten-free starchy flour used in glycemic therapeutics and bakery is grappling with a joint problem of lack of sufficient energy for efficient drying of pulp, and emission of humongous volumes of banana waste comprised of peels, peduncle and damaged fruits. Since banana wastes are highly organic and wet, their conversion into energy fuel in form of biogas through anaerobic digestion would be the most promising approach to circumvent the energy shortage with eco-friendly waste abatement. In addition, the effluent slurry from anaerobic digestion would be used as organic biofertilizer to boost banana production. However, the anaerobic digestion of banana waste as process feed stocks is challenging due to the waste’s high fiber (lignocellulose) content that can only be broken down for biogas production to a limited extent. Moreover, the high fiber content of banana waste builds up a persistent float layer leading to wash out of microbial biocatalysts and ultimate failure of anaerobic digestion process. Nevertheless, the anaerobic digestion of such banana waste can be improved through appropriate pretreatment measures and the use of well designed and optimized reactors, although so far only little knowledge is available. This study thus focused at investigating the options for enhancement of anaerobic digestion of banana waste with improved recovery of energy in form of biogas. The study developed a novel hybrid Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (hUASB) reactor system that was able to: quicken the start-up period to 3 days, efficiently biomethanize high organic load of up to 4.0 KgVS/M3/D, operate in a continuous flow mode using hydraulic flow created by force of gravity and circumvent the challenges of banana waste floatation and early wash-out of substrate slurry. The best pre-treatment method obtained was substrate microbial pre-fermentation optimally for 7 days that exhibited the highest biofuel energy (methane) recovery of 843.89 L CH4/KgVS/D constituting to 93.28% methane yield increment using the novel hybrid Up-flow Anaerobic Sludge Blanket reactor system. Conversion of such recovered biofuel could potentially produce a net energy of 675.12 kWh or 2,430.432 MJ per tonne of waste. Hence, anaerobic digestion of banana waste using the developed hybrid Up-flow Anaerobic Sludge Blanket reactor system could recover enough biofuel in form of biomethane which is able to produce sufficient and sustainable energy for safe drying of banana pulp as well as conversion into electricity for powering the entire banana industry. Since the developed hybrid Up-flow Anaerobic Sludge Blanket reactor system can maximise energy recovery from biowastes, dissemination of this technology to the farmers dealing with agro-produce drying and processing is the future perspective to undertake. This study was funded by the Post-Harvest Loss Reduction and Value Addition (RELOAD) project, Makerere University, Uganda; and was part of bigger research team under the RELOAD Project in East Africa, supported by the Government of Germany. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Gumisiriza, Robert | |
| dcterms.dateAccepted | 2021-09-23 | |
| dcterms.extent | XV, 161 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |