TY - JOUR

T1 - Optimization of process parameters for enhanced methane production from banana peduncle by thermal pretreatment

AU - Benish Rose, Pious Michealammal

AU - Mozhiarasi, Velusamy

AU - Nagabalji, V.

AU - Weichgrebe, Dirk

AU - Srinivasan, Shanmugham Venkatachalam

N1 - Funding Information: This work was funded by the Indian Department of Science and Technology (DST) and the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) under Indo-German Science and Technology Centre (IGSTC) (grant number 01DQ15007A) under the 2+2 Project “RESERVES—Resource and energy reliability by co-digestion of veg-market and slaughterhouse waste”. The authors thank the Director, CSIR-Central Leather Research Institute for providing support for this research work. The communication number of the manuscript is 1678. This research work was carried out as a part of the Ph.D degree of the candidate Mr. Benish Rose P.M, registered under Anna University, Chennai, India.

PY - 2023/11

Y1 - 2023/11

N2 - Die anaerobe Vergärung von lignozellulosehaltiger Biomasse, wie z. B. landwirtschaftlichen Rückständen, hat aufgrund ihres reichlichen Vorkommens in ländlichen Gebieten an Interesse gewonnen. Die anaerobe Vergärung solcher Biomasse erfordert jedoch eine Vorbehandlung, um ihre Verdaulichkeit zu erhöhen. Die Auswirkung von thermischen, alkalischen und Extrusionsvorbehandlungen auf das Biomethanpotenzial (BMP) des lignozellulosereichen Bananenstiels wurde mit einem automatisierten Methanpotenzialprüfsystem (AMPTS II) untersucht. Der rohe Bananenstiel wurde charakterisiert, und es wurde festgestellt, dass der Zellulose-, Hemizellulose- und Ligningehalt 53,44, 19,83 bzw. 14,25% betrug. Die BMP des geschredderten Bananenstiels wurde mit einem AMPTS geschätzt und betrug 184,32 mLN/g zugesetzter flüchtiger Feststoffe (VS). Zur weiteren Steigerung der Methanausbeute wurde der Bananenstiel einer Bioextrusions-, Alkali- und thermischen Vorbehandlung unterzogen. Der thermisch vorbehandelte Bananenstiel wies eine maximale BMP von 377,60 mLN/g VS auf, verglichen mit der BMP des alkalischen und des extrudierten Bananenstiels (298,9 bzw. 248,02 mLN/g VS). Rasterelektronenmikroskopische Bilder (SEM) zeigten die dekonstruierte Zellulosestruktur aller vorbehandelten Proben. Da die thermische Vorbehandlung wirksam war, wurde eine weitere Optimierung der Vorbehandlungsparameter mit Hilfe der Response Surface Methodology (RSM) durchgeführt, wobei Temperatur und Zeit als unabhängige Variablen und BMP als Reaktion dienten. Basierend auf den Experimenten ergab die thermische Vorbehandlung von Bananenstängeln bei 120 °C für 35 Minuten den maximalen BMP von 532 mLN/g zugegebenem VS. Zur Untersuchung der Kinetik des Methanpotenzials wurden kinetische Modelle erster Ordnung, modifizierte Gompertz-Modelle und logistische Modelle verwendet. Das modifizierte Gompertz-Modell erwies sich als das am besten geeignete Modell für die Modellierung der Methanproduktionskinetik.

AB - Die anaerobe Vergärung von lignozellulosehaltiger Biomasse, wie z. B. landwirtschaftlichen Rückständen, hat aufgrund ihres reichlichen Vorkommens in ländlichen Gebieten an Interesse gewonnen. Die anaerobe Vergärung solcher Biomasse erfordert jedoch eine Vorbehandlung, um ihre Verdaulichkeit zu erhöhen. Die Auswirkung von thermischen, alkalischen und Extrusionsvorbehandlungen auf das Biomethanpotenzial (BMP) des lignozellulosereichen Bananenstiels wurde mit einem automatisierten Methanpotenzialprüfsystem (AMPTS II) untersucht. Der rohe Bananenstiel wurde charakterisiert, und es wurde festgestellt, dass der Zellulose-, Hemizellulose- und Ligningehalt 53,44, 19,83 bzw. 14,25% betrug. Die BMP des geschredderten Bananenstiels wurde mit einem AMPTS geschätzt und betrug 184,32 mLN/g zugesetzter flüchtiger Feststoffe (VS). Zur weiteren Steigerung der Methanausbeute wurde der Bananenstiel einer Bioextrusions-, Alkali- und thermischen Vorbehandlung unterzogen. Der thermisch vorbehandelte Bananenstiel wies eine maximale BMP von 377,60 mLN/g VS auf, verglichen mit der BMP des alkalischen und des extrudierten Bananenstiels (298,9 bzw. 248,02 mLN/g VS). Rasterelektronenmikroskopische Bilder (SEM) zeigten die dekonstruierte Zellulosestruktur aller vorbehandelten Proben. Da die thermische Vorbehandlung wirksam war, wurde eine weitere Optimierung der Vorbehandlungsparameter mit Hilfe der Response Surface Methodology (RSM) durchgeführt, wobei Temperatur und Zeit als unabhängige Variablen und BMP als Reaktion dienten. Basierend auf den Experimenten ergab die thermische Vorbehandlung von Bananenstängeln bei 120 °C für 35 Minuten den maximalen BMP von 532 mLN/g zugegebenem VS. Zur Untersuchung der Kinetik des Methanpotenzials wurden kinetische Modelle erster Ordnung, modifizierte Gompertz-Modelle und logistische Modelle verwendet. Das modifizierte Gompertz-Modell erwies sich als das am besten geeignete Modell für die Modellierung der Methanproduktionskinetik.

KW - Anaerobe Vergärung

KW - Thermische Vorbehandlung

KW - Optimierung

KW - Biomethan Potential

KW - Bananen Abfälle

KW - Anaerobic digestion

KW - Thermal pretreatment

KW - Optimization

KW - Biomethane potential

KW - Banana peduncle

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85132129054&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.1007/s13399-022-02917-z

DO - 10.1007/s13399-022-02917-z

M3 - Article

VL - 13

SP - 15251

EP - 15265

JO - BIOMASS CONVERSION AND BIOREFINERY

JF - BIOMASS CONVERSION AND BIOREFINERY

SN - 2190-6815

IS - 16

ER -