Úvod / Informácie / Rastlinná výroba / Energetické rastliny

Chemická analýza energetických rastlín (Miscanthus x gigantheus, Sida hermaphrodita, Arundo donax) na výťažnosť bioetanolu

21-07-2016
Doc. Ing. Ivan Kron, PhD.;1 Ing Pavol Porvaz, PhD.;2 Ing. Štefan Tóth, PhD.;2 Ing. Alena Kráľová-Hricindová;1 Doc. Ing. Matej Polák, PhD.1 | porvaz@minet.sk
1 Výskumno-vzdelávacie a informačné centrum bioenergie (VVICB) Ekonomickej Univerzity Bratislava, Kapušany pri Prešove; 2 Výskumný ústav agroekológie, Michalovce

Pri výrobe bioetanolu na Slovensku je základnou surovinou silážna kukurica, ktorej sa ročne spotrebuje cca 300 tisíc ton. Vo svete sa pri výrobe bioetanolu začínajú uplatňovať netradičné plodiny ako ozdobnica čínska, sida obojpohlavná, trsteník obyčajný (Miscanthus x gigantheus, Sida hermaphrodita, Arundo donax) s vysokým obsahom štruktúrnej vlákniny. Tieto energetické rastliny majú niekoľko výhod, menovite sú viacročné, rastú aj na chudobných pôdach a nevyžadujú časté hnojenie a starostlivosť. Preto boli zvolené ako potenciálne rastliny pre produkciu biopalív aj v našom experimente, v ktorom zbery rastlín boli naplánované v rozličných fázach, pričom sme sledovali ich dopad na chemické zloženie a prípadnú výťažnosť biopalív obr. 1.

Obr. 1: Obsah sušiny troch energetických rastlín v závislosti od rastovej fázy pri zbere

Obr. 1: Obsah sušiny troch energetických rastlín v závislosti od rastovej fázy pri zbere

V roku 2013 bol založený pokus s energetickými plodinami výsadbou podzemkov do sponu 1,0 x 1,0 m ozdobnica Miscanthus x giganteus, sida Sida hermafrodita a trsteník Arundo donax. Technológia pestovania energetických rastlín bola zabezpečená počnúc rokom založenia až po produkčné roky týmito pracovnými operáciami. Boli vykonané 3 zbery v nasledujúcich dátumoch:

  • prvý zber 28.07.2014,
  • druhý zber 15.08.2014,
  • tretí zber 08.09.2014.

Ozdobnica čínska (Miscanthus x giganteus):

Prvý zber v rastovej fáze (BBCH) 51 - začiatok metania: špička klasu vystupuje z pošvy alebo ju preráža bočne;

Druhý zber v rastovej fáze (BBCH) 59 - koniec metania: klas je celý viditeľný;

Tretí zber v rastovej fáze (BBCH) 65 - stred kvitnutia: 50 % tyčiniek zrelých.

Sida obojpohlavná (Sida hermafrodita):

Prvý zber – začiatok butonizácie;

Druhý zber – začiatok kvitnutia;

Tretí zber – plné kvitnutie.

Trsteník obyčajný (Arundo donax):

Prvý zber v rastovej fáze (BBCH) 49  - špičky ostín: ostiny sú viditeľné nad ligulou vlajkového listu;

Druhý zber v rastovej fáze (BBCH) 55 -  stred metania: báza ešte v pošve;

Tretí zber v rastovej fáze (BBCH) 61 - začiatok kvitnutia: prvé tyčinky viditeľné.

Najprv vo vzorkách rastlín zo všetkých zberov bola stanovená sušina na prístroji KERN MLB N (Nemecko). Po vysušení pri 120 °C do konštantnej váhy počas niekoľkých hodín bol rastlinný materiál na hrubo drvený v nožovom homogenizátore RETSCH GM 200 (Nemecko) a na jemno ručne v porcelánovej trecej miske. Vzorky takto zhomogenizovaných vysušených rastlín boli použité na stanovenie CHNS(O) percentuálneho zastúpenia pomocou Thermo Scientific Flash 2000 (Veľká Británia) a stanovenia spalného tepla na kalorimetri IKA C2000 (Nemecko). Mineralizácia 0.5 g homogenizovaného rastlinného materiálu bola vykonaná zmesou 2 ml koncentrovaného peroxidu vodíka a 6 ml koncentrovanej kyseliny dusičnej v mikrovlnom systéme One Milestone (Taliansko). Mineralizované roztoky boli zriedené s demineralizovanou vodou na finálny objem 50 ml a použité pre stanovenie kadmia, chrómu, medi, olova, niklu a  arzénu s atómovým absorpčným spektrometrom ZEEnit 700 P (Analytik Jena, Nemecko) a ortuť s DMA 80 Milestone (Taliansko).

V našom poľnom experimente sme trikrát zberali vzorky nadzemnej časti energetických rastlín v rôznych fázach kvitnutia (viď vyššie) počas dvoch mesiacov.  Takzvaný zelený zber vzhľadom na vyšší obsah vody v rastlinách by mohol mať výhodu  pri hydrolýze a fermentácii rastlinného materiálu. Vo všetkých deviatich vzorkách z troch zberov bol stanovený najprv obsah sušiny. Obsah sušiny sa predpokladane zvyšoval po každom zbere, čo napovedá o postupnom dozrievaní rastlín. Najvyšší obsah sušiny vo všetkých zberov mala ozdobnica Miscanthus. Počas dozrievania a zberu v zimnom období obsah sušiny môže u ozdobnice vystúpiť až na 95 %. Z tohto dôvodu ako aj pre nízky obsah popola je ozdobnica považovaná za kľúčovú rastlinu v produkcii biomasy pre premenu na bioenergiu. Hodnotením produkcie trsteníka Arundo v závislosti na hnojení, čase zberu a hustoty výsadby rastlínm sme zistili, že produkcia rastlín sa zvýšila o 50 % od výsadby po druhý rok rastu v porovnaní s prvým rokom založenia. Hnojenie malo vplyv na sušinu hlavne v prvom roku. Obsah vody v rastlinách závisel od doby zberu   a znižoval sa približne o 10 % pri zbere v jeseni a v zime. Vyšší obsah sušiny sa dosiahol pri menšej hustote rastlín, 20 000 v porovnaní so 40 000 rastlinami na hektár, čo možno vysvetliť menšou vzájomnou konkurenciou rastlín vzhľadom na dostupnosť svetla, hnojív a vetra, teda s lepšou možnosťou odparovania vody.

Elementárna CHNS analýza sušiny energetických rastlín ukázala slabý percentuálny pokles uhlíka, na rozdiel od zvyšovania dusíka, síry a kyslíka v závislosti od dátumu zberu a tým aj dozrievania rastlín – tab. 1.11 – 3.13. Množstvo vodíka zostávalo na konštantnej úrovni u všetkých troch rastlín. Vyšší obsah dusíka a síry znamená vyšší obsah proteínov (aminokyselín), ale zároveň aj lignínu v rastlinách počas dozrievania. Po porovnaní všetkých troch rastlín a zberov najvyšší percentuálny obsah uhlíka a najnižší obsah dusíka a kyslíka vykazovala ozdobnica čínska Miscanthus x gigantheus. Zimný zber ozdobnice ukázal o trochu vyššie hodnoty uhlíka od 47,1 do 49,7 %, približne rovnaké hodnoty pre vodík od 5,38 do 5,92 % a nižšie hodnoty pre kyslík od 41,4 do 44,6 %.  Rozdiely by mohli byť spôsobené vonkajšími podmienkami ako je pôda, zavlažovanie, slnečný svit, alebo hnojením a vekom rastlín.

Tabuľka 1: CHNS analýza sušiny (N = 4, priemer ± š.o.) ozdobnice čínskej Miscanthus x giganteus vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 1

Stanovenie množstva ťažkých kovov a toxických prvkov v rastlinnom materiáli určenom pre produkciu bioenergie v ľubovoľnej forme je veľmi dôležité, pretože prvky uvoľnené počas degradácie rastlinných štruktúr môžu negatívne pôsobiť pri fermentačných procesoch.

Tabuľka 2: CHNS analýza sušiny (N = 4, priemer ± š.o.) vlákne obojpohlavnej Sida hermafrodita vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 2

Tabuľka 3: CHNS analýza sušiny (N = 4, priemer ± š.o.) trsteníka obyčajného Arundo  donax vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 3

Stopové množstvá arzénu boli detekované iba v prvom zbere side obojpohlavnej Sida hermaphrodita. Z tab.4 –6 je zrejmé, že najvyššie koncentrácie ťažkých kovov boli zistené tiež u vlákne obojpohlavnej, potom   u trsteníka občajného Arundo donax a najnižšie u ozdobnici čínskej Miscanthus x gigantheus. Keďže všetky rastliny boli pestované prakticky v rovnakej pôde, znamená to, že akumulácia ťažkých a toxických prvkov v nadzemnej časti rastlín je najlepšia u vlákne obojpohlavnej a trsteníka obyčajného a najmenšia u ozdobnici čínskej. Je známe, že sida obojpohlavná veľmi dobre extrahuje kovy (čo potvrdzujú aj naše výsledky), ako olovo, železo, chróm, meď, nikel a zinok, z pôd znečistených priemyselným odpadom. Množstvo ortuti, ktorá patrí k ťažkým a toxickým kovom so silným inhibičným vplyvom na enzýmy, sa našlo v našich vzorkách len okolo 1 µg.kg-1 (ng.g-1), čo sa nachádza v normálnom rozsahu pre listy rastlín na Slovensku..

Tabuľka 4: Obsah ťažkých kovov (v mg.kg-1) v sušine (N = 3, priemer ± š.o.) ozdobnice čínskej Miscanthus x giganteus vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 4

Tabuľka 5:  Obsah ťažkých kovov (v mg.kg-1) v sušine (N = 3, priemer ± š.o.)  vlákne obojpohlavnej (Sida hermafrodita) vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 5

Tabuľka. 6: Obsah ťažkých kovov (v  mg.kg-1) v sušine (N = 3, priemer ±  š.o.)trsteníka obyčajného Arundo donax vo vzťahu k dátumu zberu.

Tabuľka 6

Záver

Jedným z najlepších parametrov pre posudzovanie energetických rastlín z hľadiska produkcie bioenergie je spaľovacie teplo. Z tohto hľadiska poskytovala ozdobnica čínska  Miscanthus x gigantheus najvyššie oproti ďalším dvom testovaným rastlinám v každej sledovanej fáze. V prvej fáze sa zrejme produkuje najviac jednoduchých cukrov, v neskorších fázach vzniká viac bielkovín,   a pri dozrievaní sa jednoduché cukry viac premieňajú na zásobné polysacharidy alebo celulózu. Z hodnôt CHNS analýzy možno vypočítať teoretický výťažok metánu , ktorý by sa vyprodukoval pri fermentácií fytomasy . Táto premena je len 40 – 50 % efektívna vzhľadom na spaľovacie teplo metánu (55,5 kJ.g-1). Zdá sa tiež, že najlepšie by bolo zberať rastliny v prvej fáze, lebo poskytujú viac energie, na druhej strane, v neskorších fázach dozrievania sa zvyšuje obsah sušiny, čo v konečnom dôsledku dá viac energie.

Naše výsledky ukázali, že z troch energetických rastlín druhej generácie vhodných pre produkciu bioenergie je najvhodnejšou rastlinou Ozdobnica čínska (Miscanthus x giganteus):

  • má najvyšší obsah sušiny vo všetkých fázach,
  • má najlepšie elementárna (CHNS) zloženie vo všetkých fázach,
  • má najmenší obsah ťažkých kovov vo všetkých fázach (predpokladane najmenší inhibičný vplyv na ďalšie spracovanie fytomasy),
  • má najvyššie spaľovacie teplá vo všetkých fázach,
  • má najvyššie teoretické výťažky biometánu vo všetkých fázach.
  • nevýhodou Sidy obojpohlavnej (Sida hermaphrodita) a Trsteníka obyčajného (Arundo donax) je vyššia akumulácia ťažkých kovov a toxických prvkov z pôdy ako  u Ozdobnice čínskej (Miscanthus x giganteus).

Napriek výhodám, resp. nevýhodám všetky tri energetické rastliny budú ďalej testované aj v ďalších fázach dozrievania, či už pre produkciu biometánu, bioetanolu, biochemikálii alebo tepla (elektrickej energie).