Design of a decentralised camel milk processing plant with integration of renewable energy supply
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Hensel, Oliver (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hofacker, Werner (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2020-11-30T15:01:30Z | |
| dc.date.available | 2020-11-30T15:01:30Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.sponsorship | Katholische Akademischer Ausländer-Dienst (KAAD) | ger |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202011262278 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/12047 | |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Camel Milk | eng |
| dc.subject | Camel milk processing | eng |
| dc.subject | Renewable energy supply integration | eng |
| dc.subject | Spray drying | eng |
| dc.subject | Arid and semi Arid lands | eng |
| dc.subject | Economic analysis | eng |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Kenia | ger |
| dc.subject.swd | Kamelmilch | ger |
| dc.subject.swd | Milchverarbeitung | ger |
| dc.subject.swd | Konservierung | ger |
| dc.subject.swd | Erneuerbare Energien | ger |
| dc.subject.swd | Zerstäubungstrocknung | ger |
| dc.subject.swd | Trockenmilch | ger |
| dc.subject.swd | Trockengebiet | ger |
| dc.subject.swd | Semiarides Gebiet | ger |
| dc.title | Design of a decentralised camel milk processing plant with integration of renewable energy supply | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Der Milchsektor trägt zu ca. 4% zum Bruttoinlandsprodukt (BIP) in Kenia bei und ist der größte Teil des Agrarsektors. Kenias Kamelmilch spielt eine wichtige Rolle bei der Deckung des Ernährungs- und Wirtschaftsbedarfs in den ariden und semiariden Ländern (ASALs). Trotz dieser Bedeutung gibt es nur wenige Informationen über die Konservierungstechnologien und langlebige Milchprodukte wie Kamelmilchpulver. Außerdem zeichnen sich ASALs durch eine hohe Sonneneinstrahlung aus, die für die Konservierung von Kamelmilch genutzt werden kann. Das Gesamtziel dieser Studie besteht darin, eine dezentralisierte Kamelmilchverarbeitungsanlage mit Integration erneuerbarer Energien (RES) zu konzipieren. Schwerpunkte sind: i) die Verbesserung des Verständnisses der Kamelmilchversorgungskette, ii) die Herstellung von Milchpulver durch Sprühtrocknung, iii) der Entwurf einer dezentralisierten Kamelmilchpulver- und Butterverarbeitungsanlage mit Integration erneuerbarer Energieversorgung und iv) die wirtschaftliche Analyse der entworfenen Anlage. Es wurden verschiedene methodische Ansätze verwendet. Um die Lieferkette zu bewerten und die Konservierungstechnologien zu verstehen, wurde eine Mischung aus quantitativen und qualitativen Methoden verwendet, um Daten von 196 Teilnehmern im Bezirk Isiolo, Kenia, zu sammeln. Bei der Bewertung des Einflusses von Sprühtrocknungsparametern auf die physikalischen, optischen und thermischen Eigenschaften von Kamelmilchpulver wurde ein faktorielles Versuchsdesign von zwei (Milchflussrate) mal drei (Einlasstemperatur der Trocknungsluft) angewendet. Weiterhin wurde eine Pinch-Analyse durchgeführt, um den Prozess zu optimieren, bevor die Software SAM für Photovoltaik (PV) und Wärmeintegration eingesetzt wurde. Die technisch-ökonomische Machbarkeit der Anlage wurde mit Hilfe der modularen faktoriellen Methode zur Kapitalschätzung untersucht, während die Rentabilität der Anlage auf der Grundlage des Cashflows nach Steuern, des Nettokapitalwerts (NPV), der Amortisationszeit und des internen Zinsfuß (DCFROR) bewertet wurde. Die bei der Konservierung von Kamelmilch eingesetzten Technologien umfassen das Ausräuchern von Milchbehältern, Verdampfungskühlung, Abkochen, Abkühlen und Kühlen. Energieträger für diese Technologien sind Elektrizität (64,7%), Brennholz (27,5%) und Holzkohle (7,8%). Die Labor-Sprühtrocknung von Kamelmilch zeigte, dass die Einlasstemperatur der Trocknungsluft, die Feuchtigkeit und die optischen Eigenschaften des Milchpulvers beeinflusst, während die Schütt- und Rekonstitutionseigenschaften signifikant von der Milchflussrate beeinflusst wurden. Die Glasübergangstemperatur des getrockneten Pulvers stieg mit Erhöhung der Einlasstemperatur der Trocknungsluft und sank mit einer Erhöhung der Milchflussrate. Die entworfene Anlage verarbeitet 3135 Liter Milch pro Tag und würde 200 Tage im Jahr betrieben, mit einem jährlichen Heiz- und Strombedarf von 1.244 GWh bzw. 0.262 GWh. Die Pinch-Analyse zeigt ein Wärmeeinsparpotential von 41,3%. Durch die Integration von Solarwärme und PV könnte der Bedarf an Brennstoffen um weitere 30,5% gesenkt werden. Diese Einsparungen an fossilen Brennstoffen würden zu Einsparungen in Höhe von 332,4 Tonnen CO2eq und Kosteneinsparungen in Höhe von 98.479 € führen. Bei der Rentabilität würden eine Amortisationszeit von 5,2 Jahren, eine Kapitalrendite von 13,4%, ein DCFROR von 58,0% und ein NPV15 von 19,4 Millionen € erzielt. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass trotz der großen Rolle, die Kamelmilch als Lebensgrundlage in den ASALs spielt, die bisher verfügbaren Konservierungstechnologien die Haltbarkeit nur um einige Tage verlängern. Die Herstellung von Kamelmilchpulver auf Laborniveau mit gewünschten physikalischen, optischen und thermischen Eigenschaften konnte realisiert werden. Durch Prozessoptimierung, Wärmerückgewinnung und Solarintegration kann der Bedarf an Brennstoffen in der Anlage um ca. 72 % gesenkt werden. Da die Anlage kapitalintensiv ist, ist die finanzielle Unterstützung durch den Landkreis, die nationale Regierung, NGOs oder Entwicklungsagenturen entscheidend für die Umsetzung. | ger |
| dcterms.abstract | The dairy sector contributes an estimate of 4% to the Gross Domestic Product (GDP) in Kenya and is the largest agricultural sub-sector. Kenya’s camel milk is significant in meeting the nutritional and economic needs of the publics in the Arid and semi-arid lands (ASALs). Despite this significance, there is limited information on the preservation technologies and long-life value-added products such as camel milk powder. Further, the ASALs are characterised by high solar irradiation that can be harnessed for preservation of camel milk. The overall aim of this study is to design a decentralised camel milk processing plant with integration of renewable energy supply (RES). Specific focus is on: i) enhancing the understanding of the camel milk supply chain, ii) production of milk powder through spray drying, iii) designing a decentralised camel milk powder and butter processing plant with renewable energy supply integrate and iv) economic analysis of the designed plant. Different methodological approaches were used. To assess the camel milk supply chain and understand the preservation technologies a mix of quantitative and qualitative methods was used to collect data from 196 participants in Isiolo County, Kenya. In evaluating the influence of spray drying parameters on the physical, optical and thermal properties of spray dried camel milk powder, a two (milk flow rate) by three (inlet air drying temperature) factorial experimental design was employed. In designing a decentralised camel milk processing plant; process flow diagrams and numerical simulation in excel through mass and energy balances was employed. Further Pinch analysis was used to optimise the process before system advisor model (SAM) employed for solar PV and heat integration. The techno-economic feasibility of establishing the plant, was explored through the modular factorial method for capital estimation while the profitability of the plant was evaluated based on the after-tax cash flow, net present value (NPV), payback time and discounted cash flow rate (DCFROR). The preservation technologies utilised in camel milk preservation entailed fumigation of milk containers, simple evaporative cooling, boiling, chilling and refrigeration. These technologies utilised electricity (64.7%), firewood (27.5%) and charcoal (7.8%). Laboratory spray drying of camel milk powder implied that inlet air drying temperature influenced moisture and optical properties while bulk and reconstitution properties were influenced significantly by milk flow rate. The particle morphology of the laboratory spray dried camel milk powders was collapsed and shrivelled. On thermal properties, the glass transition temperature of the dried powder increased with an increase in the inlet air drying temperature and decreased with increase in milk flow rate. The designed plant handled 3135 litres of milk per day and operated for 200 days annually, with an annual heating and electrical demand of 1.244 GWh and 0.262 GWh respectively. Through process integration and economiser integration in the boiler, heat recovery of 41.3% was realised. Integration of solar heat and PV further decreased fossil fuel demand by 30.5%. These savings in fossil fuels resulted in 332.4 tonnes of CO2 equivalent savings and €98,479 in cost. On profitability, payback period of 5.2 years, return on investment of 13.4%, DCFROR of 58.0% and NPV15 of €19.4 millions were realized. Overall, this study concludes that, despite the significant role camel milk plays in the livelihood of the publics in the ASALs, preservation technologies available prolongs shelf life only for a few days. It is possible to produce camel milk powder at laboratory level of desirable physical, optical and thermal properties. Process optimization, heat recovery options and solar integration can decrease fossil fuels demands of the designed plant by circa 72 %. Financial support from the county, national government, NGOs or developmental agencies is critical as the plant is capital intensive. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Ogolla, Jackline Akinyi | |
| dcterms.dateAccepted | 2020-08-11 | |
| dcterms.extent | 251 Seiten | |
| dcterms.isPartOf | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) ;; 616 | ger |
| dcterms.source.series | Forschungsbericht Agrartechnik des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) | ger |
| dcterms.source.volume | 616 | ger |
| kup.iskup | false |