Publication:
A hybrid system of microbial electrolysis cell and anaerobic digestion for biomethane production

cris.virtual.department#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtual.orcid#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtualsource.department43403279-b4a4-4a6b-8d26-7ff73e682e30
cris.virtualsource.orcid43403279-b4a4-4a6b-8d26-7ff73e682e30
dc.contributor.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#en_US
dc.contributor.authorDeb, Nibedita
dc.contributor.supervisorMd. Zahangir Alam, Ph.Den_US
dc.contributor.supervisorMohammed Saedi Jami, Ph.Den_US
dc.contributor.supervisorMariatul Fadzillah Mansor, Ph.Den_US
dc.contributor.supervisorHusna Ahmad Tajuddin, Ph.Den_US
dc.date.accessioned2024-10-07T03:02:14Z
dc.date.available2024-10-07T03:02:14Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractFood waste (FW) poses a significant global challenge due to the increasing population. Anaerobic digestion (AD) was a commonly used process to convert organic waste into biogas, primarily methane (CH4). However, CH4 production in AD was often low. To upgrade CH4 production, a hybrid microbial electrolysis cell (H-MEC) system combining AD was used. In this study, two types of fungal strains (TNAF-1 to TNFA-3 and TNBC-1 to TNBC-3) were isolated from animal feed and compost. The enzyme activities such as cellulase, and amylase of 300U/mL and 400U/mL, respectively were produced by the selected strains. Optimization using the face centered central composite design (FCCCD) under the response surface methodology (RSM) was conducted to increase the reducing sugar production to 162 mg/mL under the optimized conditions of pH 5, Total solids (TS) of 12.5%, and enzyme loading of 80 U/mL. The biogas production was optimized using one factor at a time (OFAT) method with the parameters of inoculum of 25%, pH 7, digestion times of 29 days, 500mL of hydrolysate food waste, and temperature at 30°C (±2), resulting in a biogas composition of 3% H2, 57% CH4, and 40% CO2. To address energy efficiency and sustainability, the H-MEC system was designed based on electromethanogenic microbes (EMMs) for enhanced biogas upgrading. EMM strains (TNFW-1 to TNFW-3 and NTAS-1 to NTAS-3) were isolated from AD using food waste and anaerobic sludge samples, respectively. The EMMs demonstrated the efficient CO2 conversion in a dual-chamber method. The strain, TNFW-2 produced supernatants with a 92% BioM (biomethane) production rate from the direct gas phase (CO2/H2). Optimal growth conditions were determined, yielding a 92% BioM yield with substrate dose of 100mL, inoculum dose of 10mL, flow rate of 5L/hour, H2/CO2 ratio of 50:50%, pH 7, applied potential of 900mV, and 36 hours of incubation. The SEM (spell out) images revealed irregular EMM structures with netted texture, and their activity was associated with a recorded potential value of 900mV. The strain, TNFW-2 was identified as the same species and the chemical composition of the extracellular EMMs was Methanobacterium formicicum of 98% sequence similarity. EMMs exhibited stability within a pH range of 4.5-8, with maximum CH4 production at a temperature of 28±2⁰C and pH 7 for at least 36 hours. The optimized H-MEC system demonstrated 92% CO2 conversion at an organic CO2 flow rate of 5 L/h and 36 hours of incubation time. The optimal H-MEC conditions for EMM-based biogas upgrading included two chambers with strainless steel (SS) with graphite (SS+GF) electrodes, an applied voltage of 900mV, pH 7, and an EMM dose of 10mL. Under these conditions, 92% CO2 removal in terms of CH4 production was achieved. Kinetic analysis revealed growth-associated BioM production, with an estimated specific growth rate (µ) of 0.207h-1 and maximum specific rate of product formation of approximately 0.239h-1. These findings highlight the potential of the new EMMs for non-toxic and biodegradable biogas upgrading, which may show a potential solution for future applications in the wastewater treatment plants.en_US
dc.description.abstractarabicيشكل هدر الغذاء تحدياً عالمياً كبيراً نظراً لزيادة عدد السكان. تعتبر عملية الهضم اللاهوائي هي العملية المستخدمة بشكل شائع لتحويل النفايات العضوية إلى غاز البيوغاز، وبشكل رئيسي البيتان (CH4). ومع ذلك، كان إنتاج غاز البيتان في الهضم اللاهوائي غالبًا ما يكون منخفضًا. لتحسين إنتاج غاز البيتان، تم استخدام نظام الخلية الكهروكيميائية المختلطة (H-MEC) الذي يجمع بين الهضم اللاهوائي وميكروبات كهروالهضمية لترقية إنتاج غاز البيوغاز .في هذه الدراسة، تم عزل نوعين من الفطريات (TNAF-1 إلى TNFA-3 وTNBC-1 إلى TNBC-3) من أعلاف الحيوانات والسماد. تم إنتاج الإنزيمات مثل السيلولاز والأميليز بنسبة 300 وحدة / مل و 400 وحدة / مل على التوالي من السلالات المحددة .تم إجراء عملية الأمثلة باستخدام التصميم المركز المركب للوجه (FCCCD) ضمن منهجية سطح الاستجابة (RSM) لزيادة إنتاج السكر المختزل إلى 162 مجم / مل تحت الظروف المحسنة والتي تشمل درجة الحموضة 5 والمواد الصلبة الكلية (TS) بنسبة 12.5٪ وتحميل الإنزيم بنسبة 80 وحدة / مل .تم تحسين إنتاج غاز البيوغاز باستخدام طريقة عامل واحد في كل مرة (OFAT) باستخدام المعايير التالية: نسبة العزل بنسبة 25٪، درجة الحموضة 7، أوقات الهضم لمدة 29 يومًا، 500 مل من نفايات الطعام المحلولة، ودرجة الحرارة عند 30 درجة مئوية (±2)، مما أدى إلى تركيبة غاز البيوغاز بنسبة 3٪ هيدروجين (H2)، 57٪ بيتان (CH4)، و40٪ ثاني أكسيد الكربون (CO2).لتحسين كفاءة الطاقة والاستدامة، تم تصميم نظام H-MEC بناءً على ميكروبات كهروالهضمية (EMMs) لتحسين ترقية غاز البيوغاز. تم عزل سلالات EMMs (TNFW-1 إلى TNFW-3 وNTAS-1 إلى NTAS-3) من الهضم اللاهوائي باستخدام عينات نفايات الطعام والطمي اللاهوائي على التوالي .أظهرت EMMs تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) بكفاءة باستخدام طريقة الغرفتين المزدوجتين. أنتجت السلالة TNFW-2 محاليل فوق السائل بمعدل ٪92 من إنتاج البيوم (البيوغاز) من الطور الغازي المباشر (CO2/H2)تم تحديد ظروف النمو المثلى والتي أدت إلى حصول معدل ٪92 من البيوم بوزن 100 مل من المادة الأساسية، و 10 مل من العزل، ومعدل تدفق 5 لتر / ساعة، ونسبة H2/CO2 50:50٪، ودرجة الحموضة 7، والجهد المطبق 900 مللي فولت، و36 ساعة من التحضير .كشفت صور SEM عن هياكل EMMs غير منتظمة مع نسيج مشبك، وتم ربط نشاطها بقيمة جهد مسجلة بقيمة 900 مللي فولت. تم تحديد السلالة TNFW-2 كنفس النوع، وكان التركيب الكيميائي لل EMMs الخارجية هو Methanobacterium formicicum 98 بتشابه متسلسل بنسبة ٪ .أظهرت EMMs استقراراً في نطاق الحموضة من 4.5 إلى 8، مع أقصى وكانت أقصى إنتاجية لغاز البيتان عند درجة حرارة 28±2 درجة مئوية ودرجة الحموضة 7 لمدة 36 ساعة على الأقل .أظهرت نظام H-MEC المحسن تحويل٪92 من ثاني أكسيد الكربون (CO2) عند معدل تدفق عضوي لثاني أكسيد الكربون (CO2) بمعدل 5 لتر/ساعة وزمن التحضير 36 ساعة. الظروف المثلى لترقية غاز البيوغاز بناءً على EMMs تشمل غرفتين بقطبين من الصلب غير القابل للصدأ (SS) والجرافيت (SS+GF)، وجهد مطبق بمعدل 900 مللي فولت، ودرجة الحموضة 7، وجرعة EMM بمعدل 10 مل. تحت هذه الظروف، تم تحقيق إزالة ٪92 من ثاني أكسيد الكربون (CO2) بالنسبة لإنتاج غاز البيتان . أظهر التحليل السينوبسيني نمواً مرتبطاً بإنتاج البيوم، مع معدل نمو محدد تقديري (µ) بمعدل 0.207 ساعة^-1 وأقصى معدل محدد لتكوين المنتج بمعدل 0.239 ساعة . تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات EMMs الجديدة في تحسين ترقية غاز البيوغاز بشكل غير سام وقابل للتحلل، مما قد يمثل حلاً محتملاً لتطبيقات المستقبل في محطات معالجة مياه الصرف الصحيen_US
dc.description.callnumberet TP 360 D286H 2023
dc.description.cpsemailcps2u@iium.edu.myen_US
dc.description.degreelevelDoctoral
dc.description.emailnibeditanib@gmail.comen_US
dc.description.identifierThesis : A hybrid system of microbial electrolysis cell and anaerobic digestion for biomethane production / by Nibedita Deb
dc.description.identityG1829778DebNibeditaen_US
dc.description.kulliyahKulliyyah of Engineeringen_US
dc.description.nationalityBANGLADESHen_US
dc.description.notesThesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2023.en_US
dc.description.physicaldescription1 online resource (xxii, 330 leaves) ; color illustrations.en_US
dc.description.programmeDoctor of Philosophy of (Engineering)en_US
dc.identifier.urihttps://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/2952
dc.language.isoenen_US
dc.publisherKuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2023en_US
dc.rightsOWNED BY IIUM
dc.subject.lcshBiomass energy
dc.subject.lcshFood waste
dc.titleA hybrid system of microbial electrolysis cell and anaerobic digestion for biomethane productionen_US
dc.typeDoctoral Thesisen_US
dspace.entity.typePublication
oairecerif.author.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#

Files

Original bundle

Now showing 1 - 2 of 2
Loading...
Thumbnail Image
Name:
G1829778DebNibedita_24.pdf
Size:
3.06 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
24 pages file
Loading...
Thumbnail Image
Name:
G1829778DebNibedita_SEC.pdf
Size:
43.43 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Full text secured file

Collections