Use of organic wastes of Agave processing for bioenergy production
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften, Fachgebiet Agrartechnik | ger |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr.) | ger |
| dc.contributor.referee | Rieker, Christiane (Prof. Dr.) | ger |
| dc.date.accessioned | 2019-06-06T13:48:55Z | |
| dc.date.available | 2019-06-06T13:48:55Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-20190606548 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11256 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Biogas | eng |
| dc.subject | Microbial fuel cell | eng |
| dc.subject | Methane | eng |
| dc.subject | Anaerobic digestion | eng |
| dc.subject | Chemical oxygen demand | eng |
| dc.subject | Bioenergy | eng |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Agavengewächse | ger |
| dc.subject.swd | Pflanzlicher Abfall | ger |
| dc.subject.swd | Schlempe | ger |
| dc.subject.swd | Methan | ger |
| dc.subject.swd | Biogas | ger |
| dc.subject.swd | Bioenergie | ger |
| dc.title | Use of organic wastes of Agave processing for bioenergy production | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Der organische Reststoff, welcher bei der Verarbeitung der Agave S. anfällt (Mezcal-Schlempe), ist aufgrund der hohen Anteile an organischer Substanz, anorganischen Salzen und anderer Inhaltstoffe ein umweltschädlicher Rückstand, der nicht ohne Vorbehandlung in Gewässer oder Böden gelangen darf, ggf. aber für die Bioenergieerzeugung genutzt werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher unter Laborbedingungen die Eignung dafür durch drei Versuche zur anaeroben Vergärung und zwei zu mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) untersucht. Batch- und semi-kontinuierliche Versuche wurden durchgeführt, um die Biogas- und Methanausbeute von Schlempe sowohl mit Klärschlamm als auch mit Rindergülle als Inokula zu testen. Dabei wurden unterschiedliche Substrat : Inokulum Verhältnisse (S:I) und die Verwendung eines kostengünstigen Biofilms im Bioreaktor getestet. In Bezug auf die mikrobielle Brennstoffzelle wurde ein Batchtest durchgeführt, um festzustellen, ob sich die Schlempe für die Spannungserzeugung eignet. Unterschiedliche organische Substanzkonzentrationen in Form von chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) wurden analysiert. Zum Schluss wurde eine kleine Bioraffinerie entworfen, wobei Schlempe mit Rindergülle für die Biogasproduktion, der daraus resultierende Gärrest dann als Inputstoff für die MBZ dienen soll. Im Vergleich zu anaerobem Klärschlamm liefert die Verwendung von Rindergülle als Impfschlamm bei der anaeroben Vergärung in Biogasanlagen höhere Biogas- und Methanerträge. Aufgrund des hohen Stickstoffgehaltes, einer höheren Leitfähigkeit und dem optimalen Puffervermögen weist die Biogasproduktion aus Agaven-Schlempe unter Verwendung von Rindergülle auf ein Gleichgewicht zwischen den Kohlenstoffquellen und dem Ammonium/Ammoniak (NH4+/NH3) Verhältnis hin. Die Verwendung von Klärschlamm als Impfschlamm hingegen bewirkt nur einen unvollständigen bakteriellen Stoffwechsel. Der Bioreaktor mit Biofilm liefert 40 % mehr Biogas- und 70 % mehr Methanertrag als ohne. Die flüchtigen organischen Säuren (FOS) werden erfolgreich in Methan umgewandelt, wobei keine FOS-Ablagerung zu finden ist. Beim Reaktor ohne Biofilm stellt die FOS-Ablagerung ein Problem für die Bakterien dar und behindert deren Stoffwechselaktivitäten. Durch die Biofilmverwendung kann das unausgewogene Verhältnis zwischen Kohlenstoffquellen (in Form von CSB) und Stickstoffquellen (N) angepasst werden. Zusätzlich sinkt der Schwefelwasserstoffgehalt (H2S) im Biogas aus dem Bioreaktor mit Biofilm um bis zu 20 %. Sulfid-oxidierende Bakterien sammeln sich sehr wahrscheinlich im Biofilm an, so dass eine bessere Umwandlung von Biomasse in Methan möglich wird. Das optimale S:I-Verhältnis für Batchversuche wird anhand einer mathematischen Modellierung beschrieben. Sowohl bei anaerobem Klärschlamm als auch bei der Verwendung von Rindergülle als Impfschlamm wird ein S:I-Verhältnis von 0,3 angestrebt, welches der höchsten spezifischen Wachstumsrate entspricht. Bei zu hohem Anteil an organischer Substanz im Substrat (hohe S:I-Verhältnisse), wird der Abbau verzögert. Eine Erhöhung der Leistungsausbeute mit erhöhtem CSB-Gehalt von 6 g/l bei den Batchversuchen und 14 g/l bei den kontinuierlichen Versuchen ist bei Einsatz der MBZ zu erreichen. Höhere CSB-Gehalte verursachen jedoch eine Hemmung der Spannungserzeugung. Der Innenwiderstand in der MBZ steigt, wenn der Elektrolyt viele kolloidale Partikeln aufweist, wie im Fall der Mezcal-Schlempe. Gleichzeitigt sinken die Elektronen- und Protonentransferprozesse. Eine höhere Biogasausbeute wird durch einen höheren CSB-Gehalt erzielt, allerdings sinkt die Spannungserzeugung. Ein niedriger CSB-Gehalt ergibt höhere Spannungswerte, wobei die Biogasausbeute abnimmt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Erhöhung der Biogas- und Methanausbeute möglich ist, und eine Spannungserzeugung in einer MBZ erreicht werden kann. Durch die Verwendung der Mezcal-Schlempe für die Biogaserzeugung wird eine Alternative zu deren Entsorgung geschaffen und gleichzeitig ein Beitrag im Rahmen der erneuerbaren Energien geleistet. | ger |
| dcterms.abstract | The organic waste from Agave S. processing (Mezcal vinasses) can cause several environmental problems due to their high organic matter content, inorganic salts and low pH values. Vinasses should not be disposed of in water or soil without any pretreatment. However, this waste can be used for bioenergy production, degrading the organic matter contained. Through this work, three different lab-scale experiments were performed related to anaerobic digestion (AD), and two related to microbial fuel cells (MFC). Batch and semi-continuous trials were conducted to test the biogas and methane production of vinasses with both inocula, anaerobic sludge and cattle manure. Different substrates to inoculum ratios (S:I) were tested, as well as the use of a low-cost biofilm in the bioreactor. With respect to the microbial fuel cell, a batch test was performed to test whether the vinasses are suitable for voltage generation. Different organic substance concentrations in form of chemical oxygen demand (COD) were analyzed. Finally, a small biorefinery was designed, in which biogas was produced from the digestion of vinasses and cattle manure, and the resulting digestate was used as input material for the voltage production through a microbial fuel cell. Regarding anaerobic digestion, the use of cattle manure as inoculum results in higher biogas and methane production compared to anaerobic sludge. Manure shows a higher buffer capacity than sludge due to its high conductivity and nitrogen content (N), suggesting a good balance between carbon and ammonium/ammoniac (NH4+/NH3). The use of sludge as inoculum indicates an incomplete metabolism of the substrate. The use of biofilms can also render a better AD performance. When comparing, biofilm bioreactor shows 40 % more biogas production and 70 % more methane production than bioreactor without biofilm. The accumulation of volatile organic acids is not seen in biofilm bioreactor, therefore a successful conversion to methane takes place. In bioreactor without biofilm, the accumulation of organic acids hinders the metabolic activities of the microbial population. Furthermore, by using biofilms in the bioreactor, the unbalanced COD:N-ratio can be overcome. Another advantage of using biofilms is that the amount of hydrogen sulphide (H2S) in biogas is lower, indicating that sulphide oxidizing microorganisms were fused in the biofilm, which means that successful conversion of amino acids into methane instead of H2S, is achieved. Results regarding the optimal S:I-ratio for batch tests are confirmed with mathematical kinetic modelling. For both inocula, cattle manure and anaerobic sludge, S:I-ratio 0.3 shows the highest specific methane growth rate μm. High amounts of organic matter at high SI-ratios could make substrate degradation difficult. Regarding MFC, for both batch and continuous tests, the highest power outputs increase with increased COD content in electrolyte, up to a COD of 6 g/L for batch and 14 g/L for continuous tests. Higher COD contents (17 g/L) have negative effects in voltage generation. If the electrolyte solution has a significant amount of colloidal particles, internal resistance increases and the transfer of electrons and protons is hindered. The consecutive operation of both technologies for biogas and voltage production results in poor efficiency. High CODs result in a high biogas production, but low voltage generation. If vinasses are diluted to achieve a lower COD and thus higher power outputs, a low biogas production takes place. According to these results, it can be concluded that biogas and methane production can be enhanced, and the direct voltage production in MFCs can be achieved. In this way, the problem of vinasses disposal will be overcome, accelerating the development of markets for renewable energy technologies and promoting access to cleaner energy. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | López Velarde Santos, Mónica | |
| dcterms.dateAccepted | 2019-05-28 | |
| dcterms.extent | xiii, 132 Seiten |