Netradiční druhy pícnin k produkci bioplynu

13. 11. 2023 Ing. Antonín Kintl a kol. Technologie pěstování Zobrazeno 1171x

Dominantní podíl mezi energetickými plodinami zaujímá kukuřice. V roce 2021 byla osevní plocha kukuřice na zeleno a na siláž 228 486 ha, tato plocha zahrnovala produkci ke krmným účelům, a také produkci biomasy pro energetické využití. Siláž vyrobená z kukuřice seté (Zea mays L.) je považována za nejvhodnější substrát pro produkci bioplynu. Kukuřičná siláž objemné krmivo s výživnou hodnotou pro hospodářská zvířata a ve srovnání s jinými zdroji krmiv má vyšší výnos a energetickou hodnotu a nižší náklady na pěstování (Armstrong et al., 2008). Pěstování kukuřice v monokulturách však přináší environmentální rizika, zejména erozi orné půdy, ztrátu biodiverzity, vyplavování reaktivního dusíku do vodních zdrojů a zvyšování vstupu minerálních hnojiv a pesticidů do zemědělské výroby.

Tyto skutečnosti vedou ke snaze nalézt další potencionálně vhodné plodiny pro zvýšení produkci bioplynu a využít přitom nejen benefitů spojených s pěstováním leguminóz, ale i výhod, které skýtá pěstování plodin ve smíšené kultuře.

Žito seté

Žito seté (Secale cereale L.) z čeledi lipnicovité (Poaceae) je poměrně mladou kulturní plodinou, za jejíž oblast původu je považováno Zakavkazsko, a také oblast Tibetu a pohoří Pamíru ve střední Asii. Co se týče evoluce, je zřejmě mladší než kulturní pšenice a ječmen.

Žito se pravděpodobně vyskytovalo jako plevel v porostech pšenice, ve kterých postupem času ve vyšších polohách převládalo díky své odolnosti, a tak se tímto způsobem vytvořily téměř čisté kultury této obilniny. Při vývoji žita bylo působením přirozeného výběru docíleno zkrácení vegetační doby a vzniku výjimečných vlastností, které jsou pro něj typické. Mezi ně patří především vysoká odolnost vůči mrazu, kvůli které je nejčastěji pěstováno v horských oblastech v podzolových půdách.

V České republice se vyskytuje zejména v jižních, východních a západních Čechách, zvláště v jejich podhorských oblastech. Obecně žito snáší horší ekologické podmínky, jako je například kyselost půd, a kromě toho vyniká suchovzdorností. Při nízkých srážkách v období května a června mohou být na písčitých půdách získány vyšší výnosy žita než výnosy pšenice. Další předností žita je bohatě vyvinutý kořenový systém a vyšší schopnost konkurence v porovnání s ostatními druhy rostlin. V současnosti je žito pěstováno především ve východní, střední a severní Evropě, kam bylo přineseno Slovany ke konci doby bronzové a jeho pěstování následně převzali také Germáni.

Žito lze pěstovat v ozimé i jarní formě, avšak běžná je ozimá forma ve více odrůdách, z nichž mnohé jsou českého původu.

Žito trsnaté

Jeho významným poddruhem je žito trsnaté (Secale cereale var. multicaule METZG. ex ALEF.), které se u nás dříve pěstovalo na Valašsku a bylo nazýváno také žito lesní, žito svatojánské, křibice nebo žito jánské. Tento typ žita byl pěstován na mýtinách po těžbě dřeva mezi pařezy, kam bylo vyséváno ručně jako monokultura nebo ve směsi s kmínem, čímž získalo právě lidové označení žito lesní.

Žito trsnaté se vyznačuje dobrou regenerační schopností, takže po spásání narostlé biomasy ovcemi může být v následujícím roce sklizeno na semeno. Porost žita může představovat živý plot o výšce až 200 cm, jenž vzhledem k upevnění rostlin v půdě zabraňuje na svažitých pozemcích vodní erozi. Stejně tak jako žito seté se dokáže přizpůsobit nepříznivým půdním i klimatickým podmínkám, a tím se stalo vhodným výchozím materiálem pro šlechtění žita u nás.

V současné době je v České republice registrována odrůda Lesan významná pro svoji univerzálnost využití, a to jako píce, pro sklizeň zrna nebo jako komponent do směsí meziplodin. Narostlá biomasa žita a dalších komponent směsi skýtá možnost sklidit tuto biomasu ještě v roce výsevu, tedy v čase před zamrznutím (obr. 1).

Obr. 1: Porost žita před možnou sklizní před zámrazem

Sléz

Díky svému vysokému vzrůstu se jako perspektivní energetická plodina využívá krmný sléz (Malva verticillata L.), který pochází z východní Asie. Tomuto druhu nejlépe vyhovují hlinité až hlinitopísčité půdy obsahující dostatek vápna, živin i vláhy. Je to jednoletá rostlina, využívaná jako zelená píce, siláž a zelené hnojení (obr. 2). Pěstování krmného slézu k energetickým účelům nevyžaduje žádnou zvláštní technologii ani speciální mechanizaci.

Obr. 2: Porost slézu a komonice pěstované ve smíšené kultuře

Komonice bílá

Další perspektivní alternativní plodinou využitelnou pro produkci bioplynu je komonice bílá (Melilotus albus Medik.) ze skupiny leguminóz. Má proto schopnost vytvářet kořenové hlízky osídlené bakteriemi rodu Rhizobium, které jsou schopny vázat vzdušný dusík, a tím zvyšovat zásobu N₂ v půdě (Maróti a Kondorosi, 2014). Tento druh se využívá hlavně jako pícnina ve směsi s kukuřicí, meliorační rostlina pro méně úrodné půdy a jako plodina vhodná pro zelené hnojení (Turkington et al., 1978). Je to původně dvouletá rostlina, byly však vyšlechtěny také jednoleté odrůdy. Preferuje lehčí a písčité půdy, roste i na půdách chudých na organickou hmotu, dobře snáší sucho, upřednostňuje dobře osvětlená stanoviště.

Rostlina je známa svou hořkou chutí, která je způsobena vysokým obsahem sekundárního metabolitu kumarinu (2H-chromen-2-on) (Nair et al., 2010). Rostliny mohou obsahovat kumarin v koncentraci až 5 % celkové sušiny (TS) v závislosti na kultivaru (Haskins 1961). Je také známo, že kumarin má bakteriostatické účinky (Lacy a O'Kennedy 2004). Podle Popp et al. (2015) se kumarin při nedodržení anaerobních podmínek při fermentaci rostlinné biomasy přeměňuje působením hub na dikumarol (3,3′-methylenbis (4-hydroxy-2H-chromen-2-on)). Tato dimerní forma je toxická kvůli svým antikoagulačním vlastnostem (Roderick 1931). Intoxikace dobytka takto znehodnocenou siláží je známá jako sweet clover disease. Obecně, bez ohledu na kvalitu siláže, mohou rostliny obsahující vysoké koncentrace kumarinu být problematické, pokud se používají jako součást krmiva.

Alternativní využití pro výrobu bioplynu se zdá být možné, ale zatím není v praxi realizováno. Obecně jsou luskoviny pro výrobu bioplynu výhodné díky svému nízkému poměru uhlíku k dusíku (C/N). Doposud není znám vliv rostlin bohatých na kumarin na proces anaerobní digesce (AD) v reaktorech na bioplyn (Popp et al., 2015). Dřívější výzkum se zaměřoval na vliv kumarinu na bachorové systémy. Kumarin inhiboval vazbu anaerobních hub na celulózu a jejich celulolytickou aktivitu, ale podstata jeho působení nebyla dosud objasněna (Moniello et al. 1996). Vliv kumarinu na anaerobní bakterie nebo metanogenní archea není podle našich znalostí znám (Popp et al., 2015). Kumarin může hrát významnou roli (Kadaňková et al., 2019) při využití komonice pro produkci bioplynu. Kumarin může proces metanogeneze jak inhibovat a snížit produkci až o 19 % (Popp et al., 2015), tak i zvýšit (Kintl et al., 2020).

Siláž z komonice může být při produkci bioplynu využitelná, je však nezbytné vytvořit podmínky umožňující bakteriálním společenstvům ve fermentoru adaptaci na přítomnost kumarinu (Popp et al., 2015). Adaptovaná společenstva jsou pak schopna kumarin rozkládat. Metanogeneze v takovém případě není kumarinem inhibována, produkce metanu se může naopak zvýšit. Produkce metanu u jednotlivých plodin je zobrazena na grafu 1. Přibližných hodnot v produkci metanu jako nejčastěji využívaná kukuřice má pouze žito lesní. Produkce metanu ostatních testovaných plodin byla v rozmezí 0,254–0,289 m³/kg oTS. Při interpretaci výsledků musíme zohlednit i pěstitelské nároky nebo schopnost biologické fixace dusíku danou plodinou.

Graf 1: Produkce metanu z biomasy zájmových plodin

Pěstování smíšených kultur využitelných k produkci metanu

Komonici lze pěstovat ve smíšené kultuře s kukuřici (obr. 3). K zakládání porostů smíšené kultury kukuřice a komonice bílé byl upraven přesný secí stroj KINZE 3500. Toto technické řešení si kladlo za úkol upravit secí stroj, resp. skladbu na něm umístěných secích jednotek, které by umožnily současný řádkový výsev kukuřice a páskový výsev komonice bílé. Výhodou secího stroje je, že současně dokáže přesně vyset dvě velikostně a tvarově rozdílná osiva, a to osivo kukuřice s HTS 300–350 g a osivo komonice s HTS 1,8–2,3 g. Přitom kombinuje setí v řádku a setí do pásku širokého 0,375 cm, takže dochází ke střídání dvou řádků kukuřice a jednoho pásku komonice o šířce 0,375 m vzdáleného od sousedních řádků kukuřice z každé strany 0,375 cm. Tato organizace porostu je znázorněna na obrázcích 3 a 4.

Významnou roli při využívání smíšených kultury hraje poměr jednotlivých složek smíšené kultury, a to kukuřice i vybrané leguminózy. za tímto účelem byly připraveny modelové mikro‐siláže monokultur: kukuřice (100 %), komonice bílé (100 %), a také varianty s různými hmotnostními podíly těchto dvou plodin (kukuřice : komonice bílé) 3:7, 1:1, 7:3, 8:2, 8,5:1,5, 9:1). Vyrobené modelové siláže byly podrobeny fermetačním testům, aby se určil vliv zvýšeného přídavku biomasy komonice bílé na výtěžek metanu a koncentraci metanu v bioplynu (graf 2). Nejvyšší hodnoty výtěžnosti bioplynu byly zaznamenány v monokultuře kukuřice a ve variantě kukuřice a komonice bílé při poměru 9:1 (>0,26 m³/kg_VS). Také byly zaznamenány nejnižší hodnoty výtěžnosti metanu ve variantě 100% komonice bílé (0,16 m³/kg_VS).

Jednou z možností využití netradičních pícnin pro produkci bioplynu - metanu je jejich využití jako přísev do trvalých travních porostů. Biomasy vybraných druhů byly podrobeny rozborům na obsah základních nutriční látek (dusíkaté látky, tuky a cukry). Výsledky rozborů byli využity pro hodnocení využitelnosti biomasy těchto plodin pro produkci metanu na základě výpočtu Bushwellovu rovnici (vzorec, graf 3).

Graf 2: Výsledky z testování siláže vyrobené z porostu kukuřice a komonice

Graf 3: Teoretická produkce metanu z biomasy jetelovin

Obr. 3: Smíšená kultura v kombinaci kukuřice seté a komonice bílé

Obr. 4: Schématické znázornění porostu smíšené kultury v kombinaci kukuřice a komonice

Produkce metanu

Vzájemná vazba mezi degradovatelností (produkcí biometanu) a chemickým složením zemědělských plodin je klíčová pro využitelnost jejich biomasy pro produkci metanu. Výpočet teoretické produkce metanu (TMY) je jedna z nejjednodušších metod využitelných pro primární hodnocení biologické rozložitelnosti vstupní suroviny pro produkci biometanu. Získané hodnoty TMY uvádí maximální potenciální výtěžek biometanu z daného organického substrátu, pokud by došlo k úplné degradaci, podle Buswell equation (Achinas and Euverink, 2016).

Primárním faktorem, který ovlivňuje rozložitelnost u zemědělských plodin, je fenofáze, ve které je plodina sklizena. Obsah vlákniny a sušiny lze ovlivnit četností sečí nebo také technologií sklizně. Mezi zájmovými druhy leguminóz byly nalezeny prokazatelné rozdíly v chemickém složení biomasy z hlediska hodnocení jejich využitelnosti jako substrátu pro produkci bioplynu. I když se jedná o primární hodnocení čerstvé biomasy, lze předpokládat podobné vlastnosti při jejich konzervaci silážováním. Samotný proces silážování je tradiční metoda konzervace biomasy pro využití k produkci bioplynu.

Silážování lze využít jako proces velmi účinné předúpravy materiálu pro produkci bioplynu, jež dokáže snížit obsah celulózy, hemicelulózy a zvýšit obsah rozpustných materiálů a organických kyselin při použití patřičných aditiv. Za konkrétních podmínek může silážování zvýšit potenciál produkce metanu i při zohlednění ztráty při skladování. Jedním z možných vysvětlení je, že získaná biochemická dostupnost může překonat ztráty organické hmoty během skladování. Na základě provedených výpočtů lze konstatovat, že teoretickou produkci biometanu negativně ovlivňovalo rostoucí zastoupení vlákniny a jejich složek. Biomasa s vysokým obsahem lignocelulózy vykazuje nízký výtěžek bioplynu a biologickou rozložitelnost díky nízké biologické rozložitelnosti.

Pro zvýšení degrability polymeru, jako je lignin, se doporučuje využít technologii mikroaerace (provzdušnění), při které dojde k podpoře fakultativně aerobních bakterií a produkce potřebných enzymů. Také lze využít inokulaci nebo bioaugmentaci pomocí bachorové mikrobioty k podpoře lepšího štěpení lignocelulózové biomasy k produkci biometanu. Navíc u luskovin stravitelnost NDF v průběhu dozrávání klesá.

TMY byla dále pozitivně ovlivněna vyšším obsahem lipidů, polysacharidů a proteinů. Poměry lipidů, sacharidů a proteinů může také indikovat výkon výtěžku biometanu. Biomasa bohatá na lipidy může výrazně zvýšit produkci metanu (Ebner et al., 2016). Na druhé straně vysoký obsah lipidů může být zodpovědný za akumulaci mastných kyselin, které jsou pro metanogennní společenstva inhibiční. Jednoduché cukry a škrob jsou dobře rozložitelné, takže mohou pozitivně ovlivnit výtěžek biometanu. Při biologické degradaci substrátů bohatých na bílkoviny vzniká amoniak v obou formách, amonný (NH₄) i volný amoniak (NH₃). Tyto sloučeniny jsou uváděny jako silné inhibitory v procesu anaerobní fermentace. Při hodnocení leguminóz se musí zohlednit jejich schopnost biologické fixace dusíku i obsah látek v jejich biomase, které nejsou zohledněny při výpočtu TMY, ale mohou výrazně změnit pohled na využití jejich biomasy při produkci biometanu.

Souhrn

Alternativní vstupní substráty do procesu produkce bioplynu potažmo metanu, jako jsou krmný sléz, komonice bílá či žito lesní, mají potenciál učinit výrobu bioplynu šetrnější k životnímu prostředí ve srovnání s pěstováním kukuřice. Při interpretaci výsledků musíme zohlednit i pěstitelské nároky jednotlivé plodiny nebo její schopnost biologické fixace dusíku.

Literatura je u autorů.

Článek byl uveřejněn za podpory Ministerstva zemědělství při České technologické platformě pro zemědělství „Zemědělství je živé a stále proměnlivé“.

Ing. Antonín Kintl, Ing. Igor Huňady, Ing. Julie Sobotková; Zemědělský výzkum, spol. s r.o. Troubsko
foto: 1 - A. Kintl; 2, 3 - J. Sobotková