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Fun with dung - upcycling of herbivore manure into value-added products
Kathrin Maria Weiland
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*in
Alexander Bismarck
DOI
10.25365/thesis.75267
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24925.30415.159391-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Viehzucht zur Erzeugung tierischer Produkte erfordert große Mengen an Biomasse als Futtermittel. Die Tiere werden in der Regel mit Gräsern, Heu, Mais und Silage gefüttert. Dabei wird das Futter nur teilweise verdaut, so dass große Mengen an Dung entstehen, welche noch intakte Pflanzenfasern enthalten. Dadurch stellen Tierexkremente eine riesige Biomasseressource dar, die bisher vor allem als Dünger verwendet wurde, aber auch mit erheblicher Umweltbelastung in Verbindung gebracht wird. Tierexkremente sind einer der größten Verursacher von Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft und tragen zur Bodenbelastung und zur Eutrophierung von Oberflächengewässern bei. Eine Möglichkeit die negativen Umweltbelastung zu verringern, ist die Verwendung von Tierexkrementen als Substrat zur Biogasherstellung. Dies bietet den zusätzlich Vorteil der Erzeugung eines Wirtschaftsdünger mit erhöhter Nährstoffverfügbarkeit. Der anaerobe Gärungsprozess, bei dem Biogas, ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid, entsteht, ist unvollständig, und die Bestandteile des Gärrestes werden derzeit noch nicht optimal genutzt. In Anbetracht der Intensivierung landwirtschaftlicher Produktion gewinnen Aufwertungssysteme, welche es ermöglichen die damit assozierten negativen Umwelteinflüsse zu minimieren und gleichzeitig unvermeidlich anfallenden Dung als Rohstoffressource zu nutzen, immer mehr an Bedeutung. Ziel meiner Arbeit war ein ganzheitlicher Ansatz zur Verwertung von Biomasse niedriger Qualität, die in der Regel nicht für die Celluloseproduktion herangezogen wird, durch die Nutzung von Verdauungssystemen der Herbivore und Transformation der daraus resultierenden Tierexkrementen zu Produkten mit höherer Wertschätzung: Biogas, Wirtschaftsdünger und Cellulosefasern. Es wird ein Managementsystem vorgeschlagen, das zu einem zirkulären Materialfluss und einer vollständigen Verwertung der Tierexkremente führt. Aufgrund ihres hohen Gehalts an Lignocellulosefasern wurden Elefanten- und Pferdemist als Modellsystem verwendet. Der Dung wurde zunächst als Substrat für die Biogaserzeugung verwendet, der feste Gärrückstand extrahiert und aus dem flüssigen Rückstand ein Düngemittelvorprodukt gewonnen. Aus den im Biogasrückstand enthaltenen lignocellulosehaltigen Fasern wurden Cellulosefasern isoliert, die anschließend zu Nanocellulose und Nanopapieren verarbeitet wurden. Es wurde Biogas in hoher Ausbeute (399 und 207 LN kg−1vs Elefanten- bzw. Pferdemist) hergestellt. Ich konnte zeigen, dass sowohl Dung, als auch Gärreste eine wertvolle Ressource für die Produktion von Nanocellulose und die Herstellung von Nanopapieren ist, welche vergleichbare Eigenschaften mit äquivalenten Materialien, die aus hochwertiger Biomasse (z.B. Holz) gewonnenen wurden, aufweisen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass der Fermentationsprozess die Anreicherung von Lignin auf Lignocellulosefasern ermöglicht, wodurch Nanocellulose mit einem Ligningehalt von bis zu 29 Gew.-% hergestellt werden konnte, welche eine geringere Wasseraffinität der daraus hergestellten Nanopapiere bedingte. Die Ökobilanz des vorgeschlagenen Systems wurde untersucht und mit einem konventionellen Celluloseherstellungprozess unter Verwendung von Holzspänen und der Erzeugung von Biogas aus Landwirtschaftsabfällen verglichen. Das neu etablierte Verfahren war in allen Umweltwirkungsindikatoren überlegen. Tierische Exkremente können ebenfalls als Substrat für die Pilzzucht verwendet werden. Zwei Arten von Weißfäulepilzen wurden auf Elefantendung für unterschiedliche Wachstumszeiten kultiviert und die daraus resultierenden durch Pilzbiomasse modifizierte Lignocellulosefasern extrahiert. Davon konnten hierarchische Papiere hergestellt werden, die die Vorteile der nano-dimensionalen Chitin-β-Glucanfibrillen, die in der Zellwand der Pilze vorkommen, und der mikrometergroßen Lignocellulosefasern nutzen. Diese Papieren hatten verbesserte Zugeigenschaften und geringerer Benetzbarkeit, im Vergleich zu Papieren, die aus Elefantendung extrahierten Lignocellulosefasern hergestellt wurden.
Abstract
(Englisch)
Livestock farming for the production of animal products requires large quantities of biomass as feed. Animals are typically fed grasses, hay, corn and silage. Feed is partially digested resulting in large quantities of manure still containing intact plant fibres. Manure represents a huge biomass resource that up to now has mainly been used as farm fertiliser but is also associated with an environmental burden. Manure is one of the biggest greenhouse gas emitters within the agricultural sector and contributes to pollution of land and eutrophication of surface water. One possibility to reduce environmental concerns is the use of manure as substrate to produce biogas, which provides the additional advantage of generating an improved farm fertiliser. Anaerobic fermentation process yielding biogas – a mixture primarily comprised of methane and carbon dioxide – is incomplete and the components present in the fermentation residue are currently still underutilised. Especially for intensive farming operations, a manure management system is needed allowing to tackle environmental concerns while enabling the valorisation of manure as a raw material resource. The aim of my work was a holistic approach to upcycle low-grade biomass, typically not used in pulp production, initially utilising herbivore digestion systems and the resulting manure into value-added products, i.e. biogas, farm fertiliser and pulp fibres. A manure management system leading to a circular material stream and full manure utilisation is proposed. Due to their high lignocellulosic fibre content, elephant and horse manure were used as model system. Manure was used as substrate for biogas production, the fermentation residue extracted and a fertilizer precursor obtained from the liquid residue. The residual lignocellulosic fibres present in the biogas residue were used for the production of pulp fibres, which were subsequently processed into nanocellulose and nanopapers. Biogas in high yields (399 and 207 LN kg−1vs for elephant and horse manure, respectively) was produced. I could show that manure and fermentation residues are a valuable resource for the isolation of nanocellulose and nanopaper production. Properties of fibres and papers were comparable to literature reporting values for nanopapers produced from high-grade biomass, such as wood. Additionally, I could show that the fermentation process enables the up-concentration of lignin on lignocellulosic fibres resulting in nanolignocellulse with lignin contents of up to 29 wt%, which resulted in a reduced water affinity of nanopapers produced thereof. The environmental impact of the proposed manure valorisation system was evaluated by lifecycle assessment and compared with traditional pulping processes using wood chips and a biogas production process based on agricultural waste. The newly established process was superior in all environmental impact categories. Animal manure can also be upcycled by using it as substrate for fungal cultivation. Two species of white rot fungi were cultivated on elephant manure for different growth periods and the resulting fungal biomass modified lignocellulosic fibres extracted. It was possible to produce hierarchical composite papers taking advantage of the hybridization of nanosized chitin-β-glucan fibrils, present in the cell wall of fungi, and the micro-sized lignocellulosic fibres. Resulting papers exhibited with improved tensile properties and reduced wettability compared to papers produced using lignocellulosic fibres extracted from manure.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Biogas Nanocellulose Exkremente Upcycling
Schlagwörter
(Englisch)
Biogas Nanocellulose Excrements Upcycling
Autor*innen
Kathrin Maria Weiland
Haupttitel (Englisch)
Fun with dung - upcycling of herbivore manure into value-added products
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
XV, 119 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Monica Ek ,
Alain Dufresne
Klassifikation
35 Chemie > 35.00 Chemie. Allgemeines
AC Nummer
AC16782143
Utheses ID
65682
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |