Evaluating Methane Generation Potential of Mango Industrial Waste

Musser, Shanika Rae and Prof. Sri Suhartini, STP., M.Env.Mgt., Ph.D. and Prof. Lynsey Melville, Ph.D. (2024) Evaluating Methane Generation Potential of Mango Industrial Waste. Magister thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Indonesia merupakan penghasil mangga terbesar kedua di dunia dengan tingkat produksi sebesar 4,1 juta ton pada tahun 2022. Sekitar sepertiga buah mangga terbuang dalam bentuk biji dan kulitnya. Industri pengolahan mangga seperti produsen mangga kering juga sering kali menghasilkan air limbah dari proses produksinya. Biji, kulit, dan air limbah mangga secara kolektif disebut sebagai limbah industri mangga (MIW). Diperkirakan 492.000 ton biji mangga, 574.000 ton kulit mangga, dan 4.272.000 ton air limbah mangga dihasilkan di Indonesia setiap tahun. Ketiga bentuk limbah ini biasanya dibuang tetapi memiliki potensi yang sangat besar untuk divalorisasi. Salah satu strategi valorisasi potensial adalah mengkonversi MIW menjadi biogas melalui pencernaan anaerobik (AD). Biogas adalah campuran metana, karbon dioksida, dan gas-gas jejak. Metana dapat digunakan sebagai bahan bakar, yang mengarah pada bioekonomi yang lebih sirkular. Meskipun AD dari berbagai komponen MIW telah diteliti, belum ada penelitian yang diketahui yang mempertimbangkan potensi pembentukan metana dari ketiga jenis MIW melalui co-digesting anaerobik. Itulah celah yang ingin diisi oleh penelitian ini. Penelitian dilakukan mulai Juni 2023 hingga Februari 2024 di Laboratorium Bioindustri, Departemen Teknologi Agroindustri, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Brawijaya. Penelitian ini menggunakan uji potensi metana biokimia (BMP) untuk mengevaluasi efek sinergis dan antagonis dari co-digesting berbagai komponen MIW untuk dua varietas mangga yang berbeda – Podang dan Honey. Sebelum uji BMP, endokarp biji dibuang secara manual, dan kelompok uji disiapkan sesuai dengan desain centroid simpleks. Kelompok uji dianalisis untuk berbagai karakterisasi, termasuk padatan total (TS), padatan volatil (VS), kandungan lignoselulosa, komposisi CHNS, analisis proksimat, nilai kalor, kandungan gula, permintaan oksigen biokimia (BOD), dan permintaan oksigen kimia (COD). Uji BMP dilaksanakan selama 27 hari dalam kondisi mesofilik pada suhu 37 °C. Pengukuran dilakukan menggunakan pendekatan pengukuran densitas gas, di mana pengukuran volumetrik dilakukan terhadap produksi biogas, dan berat biogas dihitung untuk memperkirakan fraksi metana. Setelah uji BMP, sisa digestat dievaluasi untuk mengetahui pH, konduktivitas listrik, TS, VS, dan kandungan nutrisi (nitrogen, fosfor, kalium) guna menentukan kesesuaiannya sebagai pupuk. Hasil penelitian menunjukkan bahwa hanya satu kelompok, Po-SP – campuran biji dan kulit Podang – yang memiliki efek sinergis dari co-digestion. Semua campuran lainnya memiliki efek antagonis dari co-digestion. Lemak kasar merupakan indikator signifikan secara statistik dari hasil metana dengan korelasi yang positif. Semua kelompok mengalami penghambatan akibat penurunan pH, dan literatur menegaskan bahwa pH rendah dari akumulasi asam lemak volatil (VFA) menghambat metanogenesis, yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan digester total. Akumulasi VFA dapat dijelaskan oleh sifat asam dan mudah dicerna dari limbah gula. Tiga kelompok yang mengalami penurunan pH paling sedikit – yaitu, Po-SP, selulosa, dan inokulum – juga memiliki tingkat produksi metana tertinggi secara rata-rata. Karena pencernaan yang tidak tuntas, digestate tidak cocok untuk penggunaan pupuk. Kandungan nutrisi, TS, dan dalam banyak kasus, pH berada di luar standar kualitas pupuk yang ditetapkan. Karakterisasi menunjukkan bahwa semua kelompok memiliki rasio C/N yang melebihi tingkat optimal. Karakterisasi juga mengungkapkan bahwa air limbah memiliki nilai COD yang sangat tinggi dibandingkan dengan industri mangga lainnya, yang mungkin menunjukkan kelebihan beban digester. Secara keseluruhan, hasil menyoroti pentingnya co-digesting dengan substrat yang lebih tinggi nitrogen, lebih tinggi lemak, lebih basa dan memastikan tingkat pemuatan yang sesuai. Menggunakan inokulum yang sedikit basa juga dapat meningkatkan stabilitas reaktor. Lebih jauh, pH awal harus disesuaikan sehingga netral, dan pH harus dipantau selama uji BMP untuk mencegah kegagalan digester. Kepraktisan dan skalabilitas sistem ini juga dapat ditingkatkan dengan mempertimbangkan co-digesting dengan limbah buah lainnya dan mekanisasi praperlakuan benih

English Abstract

Indonesia is the second largest producer of mangos in the world with a level of 4.1 million tons in 2022. About one third of the mango fruit is wasted in the form of seeds and peels. Mango processing industries such as dried mango manufacturers often also generate wastewater from their processes. The mango seed, peel, and wastewater are collectively referred to as mango industrial waste (MIW). An estimated 492,000 tons mango seed, 574,000 tons mango peel, and 4,272,000 tons mango wastewater are generated in Indonesia each year. These three forms of waste are typically discarded but have immense potential for valorization. One potential valorization strategy is to convert MIW into biogas via anaerobic digestion (AD). Biogas is a mixture of methane, carbon dioxide, and trace gases. The methane can be used as a fuel, leading to a more circular bioeconomy. Although the AD of various MIW components has been studied, no known studies have considered the methane generation potential of all three MIW types via anaerobic co-digestion. That is the gap this research sought to fill. Research was performed from June 2023 until February 2024 in the Bioindustry Laboratory, Department of Agroindustrial Technology, Faculty of Agricultural Technology, Universitas Brawijaya. The research used a biochemical methane potential (BMP) test to evaluate the synergistic and antagonistic effects of co-digesting various MIW components for two different mango varieties – Podang and Honey. Prior to the BMP test, the endocarps of the seeds were manually removed, and test groups were prepared according to a simplex centroid design. Test groups were analyzed for various characterizations, including total solids (TS), volatile solids (VS), lignocellulosic content, ultimate analysis, proximate analysis, calorific value, sugar content, biochemical oxygen demand (BOD), and chemical oxygen demand (COD). The BMP test was performed for 27 days under mesophilic conditions at 37 °C. Measurements were taken using the gas-density measurement approach, in which volumetric measurements were taken of the biogas production, and biogas weight was calculated to approximate the methane fraction. Following the BMP test, the remaining digestate was evaluated for pH, electric conductivity, TS, VS, and nutrient (nitrogen, phosphorus, potassium) content to determine its suitability as a fertilizer. Results indicated that only one group, Po-SP – the mixture of Podang seeds and peels – had a synergistic effect of co-digestion. All other mixtures had antagonistic effects of co-digestion. Crude fat was a statistically significant indicator of methane yield with a positive correlation. All groups experienced inhibition due to a drop in pH, and the literature confirms that low pH from an accumulation of volatile fatty acids (VFAs) inhibits methanogenesis, eventually leading to complete digestor failure. The accumulation of VFAs may be explained by the acidic and readily digestible nature of the sugary waste. The three groups that had the least severe drop in pH – namely, Po-SP, cellulose, and inoculum – also had the highest level of methane production on average. Due to incomplete digestion, digestate was unsuitable for fertilizer use. The nutrient content, TS, and in many cases, pH fell outside the established fertilizer quality standards. Characterizations indicated that all groups had a C/N ratio that exceeded the optimal level. Characterizations also revealed that wastewater had extremely high COD values compared with other mango industries, which may suggest digestor overloading. Overall, results highlighted the importance of co-digesting with higher-nitrogen, high-fat, alkaline substrates and ensuring a suitable loading rate. Using a slightly alkaline inoculum could also improve reactor stability. Furthermore, the starting pH should be adjusted so that it is neutral, and pH should be monitored throughout the BMP test to prevent digestor failure. The practicality and scalability of this system could also be improved my considering co-digestion with other fruit wastes and mechanizing the pretreatment of the seeds

Item Type:	Thesis (Magister)
Identification Number:	0424100017
Uncontrolled Keywords:	Anaerobic digestion, mango industrial waste, biogas, methane, pH, co-digestion, synergistic, antagonistic-Pencernaan anaerobik, limbah industri mangga, biogas, metana, pH, co-digestion, sinergis, antagonis
Divisions:	S2/S3 > Magister Teknologi Hasil Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian
Depositing User:	Sugeng Moelyono
Date Deposited:	06 Mar 2025 01:03
Last Modified:	06 Mar 2025 01:03
URI:	https://repository.ub.ac.id/id/eprint/238104

Text (DALAM MASA EMBARGO) Shanika Rae Musser.pdf Restricted to Registered users only Download (2MB)

Actions (login required)

View Item