Production and Properties of Apple Pomace Pellets and their Suitability for Energy Generation

Wojdalski, J.; Grochowicz, J.; Ekielski, A.; Radecka, K.; Stępniak, S.; Orłowski, A.; Florczak, I.; Drożdż, B.; Żelaziński, T.; Kosmala, G.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Production and Properties of Apple Pomace Pellets and their Suitability for Energy Generation

Autorzy

Wojdalski J. , Grochowicz J. , Ekielski A. , Radecka K. , Stępniak S. , Orłowski A. , Florczak I. , Drożdż B. , Żelaziński T. , Kosmala G.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Wytwarzanie, właściwości i możliwości zagospodarowania na cele energetyczne odpadowych wytłoków z przetwórstwa jabłek

Języki publikacji

Abstrakty

The food processing industry, including fruit and vegetable processing sectors, produce significant quantities of waste and environmental pollutants. Food processing is a complex and demanding process because raw materials are supplied on a seasonal basis, they spoil easily and may be a source of microbiological contamination during production. Apple pomace is a by-product of fruit and vegetable processing, and it constitutes biodegradable waste. Small quantities of pomace are not harmful to the environment, but large amounts of waste could pose a problem for processing plants. Pressed pomace can be used in industrial processing and power generation. This is one of the easiest pomace management methods, in particular in regions where large amounts of waste cannot be quickly processed into animal feed or where transport is not an option due to considerable distance. This paper presents the methodology and the results of analyses investigating the properties of apple pomace and its management scenarios. A review of published sources discussing the achievements in pomace management precedes the experimental part of this study. Samples of ground and unground apple pomace were analyzed to determine: granulometric composition – the size distribution of apple pomace fractions, pressure agglomeration, compaction energy and expansion of samples immediately after pressing and after 24 hours, the heat of combustion of the analyzed apple pomace, which was compared with the heat of combustion of other fruit and vegetable processing waste. The compaction energy of samples was determined with the use of a BLUEHILL-2 application for controlling the INSTRON 8802 machine. Material was subjected to compressive strength tests, and the expansion of samples was determined after 24 hours of storage. The total compaction energy of unground pomace ranged from 66.60 to 150.00 J·g^-1, and of ground pomace from 34.79 to 149.95 J·g^-1 at a temperature of 20°C and relative air humidity of 31.7%. The density of the resulting apple pomace pellets was determined in the range of 1114.0-1166.3 and 1114.0-1168.1 g·dm^-3. The heat of combustion of pressed pomace samples, measured in a calorimeter, was 19 MJ·kg^-1. The results of the study indicate that if apple pomace has net calorific value of 17.3 MJ·kg^-1 and the effectiveness of a steam boiler reaches 70%, the amount of energy generated by the combustion of apple pellets is 80 to 340 times higher than the amount of energy consumed during processing under the load of 50 kN and 10 kN, respectively. The management of apple pomace in the production plant can serve as an example of a "waste-free" technology. The use of processed apple pomace for energy generation purposes may contribute to improving energy efficiency in production processes in fruit and vegetable processing plants.

Przemysł spożywczy, a w tym branża owocowo-warzywna, dostarczają znacznych ilości odpadów i zanieczyszczeń środowiska. Utrudnione jest także prowadzenie produkcji, gdyż surowce do przerobu są dostarczane sezonowo, łatwo ulegają zepsuciu i mogą być źródłem zakażenia mikrobiologicznego. Wytłoki jabłkowe są jednym z odpadów przemysłu owocowo-warzywnego i należą do odpadów biodegradowalnych. Małe ich ilości nie są szkodliwe dla środowiska, lecz duża koncentracja może stanowić problem dla zakładu produkcyjnego. Prasowane wytłoki mogą mieć zastosowanie do wytwarzania produktów użytkowych lub w energetyce. Jest to jedna z metod zagospodarowania wytłoków jabłkowych, szczególnie w rejonach, w których występuje ich nadmiar i nie ma możliwości szybkiego przerobu w celach paszowych lub transport na duże odległości nie jest opłacalny. Przedstawiono problematykę, metodykę badań oraz analizę wyników badań dotyczących właściwości i zagospodarowania wytłoków jabłkowych. Część badawczą poprzedzono przeglądem literatury, w której zawarto dostępne osiągnięcia w tej dziedzinie. Badaniom poddano wytłoki przed i po rozdrobnieniu. Zakres pracy obejmował:- analizę składu granulometrycznego w celu określenia wielkości poszczególnych frakcji zawartych w próbkach wytłoków,- aglomerację ciśnieniową i określenie energii zagęszczania oraz rozprężenie otrzymanych próbek bezpośrednio po prasowaniu i po upływie 24 godzin,- ustalenie ciepła spalania badanych wytłoków jabłkowych i porównanie z ciepłem spalania innych odpadów z przemysłu owocowo-warzywnego. Energię zagęszczania badanych próbek ustalano na podstawie odczytów uzyskanych w wyniku stosowania oprogramowania BLUEHILL-2 stosowanego do obsługi maszyny INSTRON 8802. Poddano analizie wytrzymałościowej próbki wytłoków i określano ich rozprężenie po upływie 24-godzinnego przechowywania. Całkowita energia zagęszczania dla pelletów z wytłoków nierozdrobnionych zawierała się w granicach od 66,60 do 150,00 J/g, zaś dla pelletów z wytłoków rozdrobnionych wskaźniki te wynosiły od 34,79 J/g do 149,95 J/g w temperaturze 20°C i wilgotności względnej powietrza 31,7%. Gęstość otrzymanych pelletów wynosiła odpowiednio w granicach 1114,0-1166,3 i 1114,0-1168,1 g/d³. Sprasowane próbki badawcze poddano badaniom ciepła spalania w bombie kalorymetrycznej. Ciepło spalania wytłoków jabłkowych wynosiło 19 MJ/kg. Z punktu widzenia opłacalności procesu można stwierdzić, że np. przyjmując wartość opałową wynoszącą 17.3 MJ/kg i sprawność przemian energii w kotle parowym wynoszącą 70%, energia uzyskana ze spalania pelletów jabłkowych może być od 80 do 340 razy większa w porównaniu z zapotrzebowaniem energii na ich produkcję stosując naciski odpowiednio 50 kN i 10 kN. Zagospodarowanie wytłoków jabłkowych bezpośrednio w zakładzie produkcyjnym może być przykładem zastosowania „technologii bezodpadowej”. Ponadto zagospodarowanie wytłoków na cele energetyczne może częściowo wpłynąć na wzrost efektywności energetycznej produkcji zakładu owocowo-warzywnego.

Słowa kluczowe

pellets pressure agglomeration apple pomace biomass energy heat of combustion

pellety aglomeracja ciśnieniowa wytłoki jabłkowe energia biomasy ciepło spalania

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2016

Tom

Tom 18, cz. 1

Strony

89--111

Opis fizyczny

Bibliogr. 57 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Wojdalski J.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Grochowicz J.

Warsaw School of Tourism and Hospitality Management

autor

Ekielski A.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Radecka K.

Warsaw University of Life Sciences;

autor

Stępniak S.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Orłowski A.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Florczak I.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Drożdż B.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Żelaziński T.

Warsaw University of Life Sciences

autor

Kosmala G.

Warsaw University of Life Sciences;

Bibliografia

1. Ajila, C.M., Gassara, F., Brar, S.K., Verma, M., Tyagi, R.D., Valéro, J.R. (2012). Polyphenolic antioxidant mobilization in apple pomace by different methods of solid-state fermentation and evaluation of its antioxidant activity. Food and Bioprocess Technology, 5 (7), 2697-2707.
2. Bernstad, A., & la Cour Jansen, J. (2012). Review of comparative LCAs of food waste management systems – Current status and potential improvements. Waste Management, 32(12), 2439-2455.
3. Borycka, B. (2009). Walory ekologiczne spalania biomasy z odpadów owocowo-warzywnych. Energetyka i Ekologia, 12, 847-851.
4. Chau, J., Sowlati, T., Sokhansanj, S., Preto, F., Melin, S., Bi, X. (2009). Optimizing the mixture of wood biomass for greenhouse heating. Int. J. Energy Res., 33, 274-284.
5. Ciunel, K., & Klugmann-Radziemska, E. (2014). Utilization of rapeseed pellet from fatty acid methyl esters production as an energy source. Environmental Technology, 35, 2, 195-202.
6. Czaban, J., & Kamiński, Z. (2003). Energy consumption of pressure of fodder mixtures in the closed chamber (in Polish:. Energochłonność prasowania mieszanek paszowych w komorze zamkniętej). MOTROL Mot. i Energ. Roln., 551-88.
7. Darlington, R., Staikos, T., Rahimifard, S. (2009). Analytical methods for waste minimisation in the convenience food industry. Waste Management, 4, 29, 1274-1281.
8. Dhillon, G.S., Brar, S.K., Kaur, S., Metahni, S., M'hamdi, N. (2012). Lactoserum as a moistening medium and crude inducer for fungal cellulose and hemicellulase induction through solid-state fermentation of apple pomace. Biomass and Bioenergy, 41, 165-174.
9. Dhillon, G.S., Brar, S.K., Valero, J.R., Verma, M. (2011). Bioproduction of hydrolytic enzymes using apple pomace waste by A. niger: applications in biocontrol formulations and hydrolysis of chitin/chitosan. Bioprocess and Biosystems Engineering, 34 (8), 1017-1026.
10. Duda-Chodak, A., Tarko, T.,Tuszyński, T. (2011). Antioxidant activity of apples an impact of maturity stage and fruit part. Acta Sci. Pol., Technol. Aliment., 10 (4), 443-454.
11. Fronc, A., & Zawirska, A. (1994). Potential uses of waste products from fruit and vegetable processing. Ochrona Środowiska, 53, 2, 31-32.
12. Gassara, F., Brar, S.K., Pelletier, F., Verma, M., Godbout, S., Tyagi, R.D. (2011). Pomace waste management scenarios in Québec—Impact on greenhouse gas emissions. Journal of Hazardous Material, 192, 1178-1185.
13. Grochowicz, J. (1993). Problemy utylizacji odpadów z przetwórstwa spożywczego i ochrony środowiska. Poznań: Ośrodek Nauki PAN, 21-33, 5, 10.
14. Grochowicz, J., & Kusińska, E. (1983). Investigations on the establishment of parameters of the mechanical dewatering process of fruit-and-vegetable processing wastes suitable for feed. Polish Agricultural Engineering (Roczniki Nauk Rolniczych, s. C-Technika Rolnicza), 75, 3, 71-77. from http://agris.fao.org/agrissearch/search/display.do?f=2012/OV/OV201203717003717.xml;PL19840054709
15. Grochowicz, J., Andrejko, D., Mazur, J. (2004). The Influence of Moisture Contents and Degree of Fineness on the Energy Compression and Strength Characteristics of Lupine Briquettes. MOTROL Mot. i Energ. Roln., 6, 96-103.
16. Gullón, B., Falqué, E., Alonso, J.L., Parajó, J.C. (2007). Evaluation of Apple Pomace as a Raw Material for Alternative Applications in Food Industries. Food Technology and Biotechnology, 45(4), 426-433.
17. Hang, Y.D. (1987). Production of fuels and chemicals from apple pomace. Food Technology, 41(3), 115-117.
18. Heim, A. (2005). Zagadnienia procesowo-aparaturowe aglomeracji. VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa nt. Kompleksowe i szczegółowe problemy inżynierii środowiska. Ustronie Morskie (in Polish).
19. Hejft, R. (2002). Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych. Politechnika Białostocka, Zakład Poligrafii Instytutu Technologii i Eksploatacji w Radomiu.
20. Heras-Ramírez, M.E., Quintero-Ramos, A., Camacho-Dávila, A.A, Barnard, J., Talamás-Abbud, R., Torres-Muñoz, J.V., Salas-Muñoz, E. (2009). Effect of Blanching and Drying Temperature on Polyphenolic Compound Stability and Antioxidant Capacity of Apple Pomace. Food and Bioprocess Technology, 6(5), 2201-2210.
21. Jakubowski, T. (2006). Waste management at the fruit product manufacturing plant. Inżynieria Rolnicza, 11, 147-156.
22. Joshi, V.K., & Sandhu, D.K. (1996). Preparation and evaluation of an animal feed byproduct produced by solid-state fermentation of apple pomace. Bio- resource Technology, 56, 251-255.
23. Kavargiris, S.E., Mamolos, A.P., Tsatsarelis, C.A., Nikolaidou, A.E., Kalburtji, K.L. (2009). Energy resources' utilization in organic and conventional vineyards: Energy flow, greenhouse gas emissions and biofuel production. Biomass and Bioenergy, 33, 9, 1239-1250.
24. Kowalczyk, R, & Piwnicki, L. (2007). Fruit stones as a valuable secondary material of food industry (in Polish: Pestki owoców jako cenny surowiec wtórny przemysłu spożywczego). Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 2, 62-66.
25. Kulig, R., & Laskowski, J. (2006). Effects of conditioning methods on energy consumption during pelleting. TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln., 6, 67-74.
26. Kumar, D., Verma, R., Bhalla, T.C. (2010). Citric acid production by Aspergil- lus niger van. Tieghem MTCC 281 using waste apple pomace as a substrate. Journal of Food Science and Technology, 47(4), 458-460.
27. Kumider, J. (1996). Utylizacja odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Aspekty towaroznawcze i ekologiczne. Poznań: Wyd. Akademii Ekonomicznej, 56-65.
28. Kumider, J., & Zielnica J. (2006). Bioenergetyka szansą dla środowiska naturalnego – wybrane zagadnienia. Poznań: Wyd. Akademii Ekonomicznej, 51-53.
29. Limousy, L., Jeguirim, M., Dutournié, P., Kraiem, N., Lajili, M., Said, R. (2012). Gaseous products and particulate matter emissions of biomass residential boiler fired with spent coffee grounds pellets. Fuel, 107, 323-329.
30. Lisowski, A., Świętochowski, A., Szulc, K., Lenart, A. (2011). Density and porosity of the cut and ground material of energy plants. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Agriculture (Agricultural and Forest Engineering), 58, 21-28.
31. Mahawar, M., Singh, A., Jalgaonkar, K. (2012). Utility of apple pomace as a substrate for various products: A review. Food and Bioproducts Processing, 90, 4, 597-605.
32. Mirabella, N., Castellani, V., Sala, S. (2014). Current options for the valorization of food manufacturing waste: a review. Journal of Cleaner Production, 65, 28-41.
33. Miranda, T., Arranz, J.I., Montero, I., Román, S., Rojas, C.V., Nogales, S. (2012). Characterization and combustion of olive pomace and forest residue pellets. Fuel Processing Technology, 103, 91-96.
34. Nadulski, R., & Grochowicz, J. (2001). The Influence of the Measurement Conditions on the TPA Test of Selected Fruit. Acta Horticulturae, 562, 213-219
35. Nawirska, A., & Kwaśniewska M. (2004). Dietary fibre fractions from fruit processing waste (in Polish: Frakcje błonnika w wytłokach z owoców). ACTA Sci. Pol., Technologia Alimentaria, 3(1), 13-20.
36. Niedziółka, I., Szymanek, M., Zuchniarz, A., Zawiślak, K. (2008). Characteristics of pellets produced from selected plant mixes. TEKA Kom. Mot. i En- erg. Roln., 8, 157-162.
37. Obidziński, S. (2012). Analysis of usability of potato pulp as solid fuel. Fuel Processing Technology, 1, 94, 67-74.
38. Piecuch, T. (2000). Termiczna utylizacja odpadów. Rocznik Ochrona Środowiska. Annual Set The Environment Protection, 2 (1), 11–37.
39. Ravichandran, P., & Corscadden, K. (2014). Comparison of gaseous and particle emissions produced from leached and un-leached agricultural biomass briquettes. Fuel Processing Technology, 128, 359-366.
40. Reddy, K.S.K., Achmed, A.S., Srinivasakannan, C. (2013). Gasification Kinetics of Date palm seed using Carbon Dioxide. International Journal of Environmental Research, 7(1), 97-104.
41. Rejak, A., & Mościcki, L. (2006). Biodegradable foil extruded from thermo-plastic starch. TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln. 6, 123-130.
42. Rhee S-W., & Park H-S. (2010). Effect of mixing ratio of woody waste and food waste on the characteristics of carbonization residue. Journal of Material Cycles and Waste Management, 12, 3, 220-226.
43. Royer, G., Madieta, E., Symoneaux, R., Jourjon, F. (2006). Preliminary study of the production of apple pomace and quince jelly. LWT-Food Science and Technology, 39(9), 1022-1025.
44. Sargent, S.A, Steffe, J.F., Pierson, T.R. (1986). The economic feasibility of in- plant combustion of apple processing wastes. Agricultural Wastes, 15(2), 85-96.
45. Shah, G.H., & Masoodi, F. A. (1994). Studies on the utilization of wastes from apple processing plants. Indian Food Packer, 48, 5, 47-52.
46. Shalini, R., & Gupta, D.K. (2010). Utilization of pomace from apple processing industries: a review. Journal of Food Science and Technology, 47, 4, 365-371.
47. Skonecki, S. (2004). Modelowanie ciśnieniowego zagęszczania materiałów roślinnych. Lublin: Wyd. Akademii Rolniczej, 279, 12-36.
48. Soska, Z. (1988). Wykorzystanie wytłoków jabłkowych. Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny, 11, 24-26.
49. Statistical Yearbook of Agriculture (2011), Warsaw: Central Statistical Office.
50. Suárez, B., Álvarez, Á.L., García, Y.D., del Barrio, G., Picinelli, L.A., Parra, F.(2010). Phenolic profiles, antioxidant activity and in vitro antiviral properties of apple pomace. Food Chemistry, 120, 1, 339-342.
51. Sudha, M.L., Baskaran, V., Leelavathi, K. (2007). Apple pomace as a source of dietary fiber and polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making. Food Chemistry, 104, 2, 686-692.
52. Sypuła, M., Lisowski, A., Chlebowski, J., Nowakowski, T., Strużyk, A. (2010). Bulk density of chopped material of energetic plants. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Agriculture (Agricultural and Forest Engineering), 56, 29-37.
53. Verma, V.K., Bram, S., Gauthier, G., De Ruyck, J. (2011). Evaluation of the performance of a multi-fuel domestic boiler with respect to the existing European standard and quality labels: Part-1. Biomass and Bioenergy, 35, 1, 80-89.
54. Wang, Z., Sun, J., Liao, X., Chen, F., Zhao, G., Wu, J., Hu, X. (2007). Mathematical modeling on hot air drying of thin layer apple pomace. Food Research International, 40, 1, 39-46.
55. Wojdalski, J. (red.) (1998). Energia i jej użytkowanie w przemyśle rolnospożywczym. Warszawa: Wyd. SGGW, 10-11, 251.
56. Zafari, A., & Kianmehr, M.H. (2014). Factors affecting mechanical properties of biomass pellet from compost. Environmental Technology, 35, 4, 478-486.
57. Zawiślak, K. (2006). A modified stand for testing water stability of plant-origin agglomerates. TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln., 6A, 207-212.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-94859548-caa5-4e96-b3f4-0d720027ca16