COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENTRE OBSERVACIÓN

Zuzana VRABCOVÁ, Pavel FUKSA, František JELÍNEK

Abstrakt: Cílem práce bylo vyhodnotit produkci a kvalitu bioplynu z jednotlivých částí rostlin kukuřice při pěstování

v různých meziřádkových vzdálenostech. Pokusy se silážní kukuřicí byly založeny v roce 2014 na stanovišti

v Praze – Suchdole. Sledovány byly varianty se 2 roztečemi (0,70 - 0,35 m) při výsevku 110 000 rostlin.ha-1_{. Substrátová}

výtěžnost bioplynu ze silážní kukuřice byla stanovena pomocí jednorázových laboratorních batch testů. Průkazně nejvyšší

množství bioplynu bylo vyprodukováno z palic u varianty pěstované v úzké rozteči (762,5 ml.g-1_{) a zároveň s prokazatelně}

nejvyšším obsahem metanu (73,7 %). Produkce bioplynu ze zbytku rostliny byla 683,8 ml.g-1 _{s obsahem metanu v bioplynu}

66,9 %. U klasické rozteče byla také vyšší produkce bioplynu z palic, ale rozdíl nebyl statisticky průkazný, podobně jako v obsahu metanu mezi jednotlivými částmi rostlin kukuřice.

Klíčová slova: batch testy, části rostlin, meziřádková vzdálenost, obsah metanu

Abstract: The aim was to evaluate production and quality of the biogas from different parts of maize plants when grown

in different row spacing. An experiment with silage maize was founded in 2014 on the experimental plots in Prague ‒ Suchdol. Experimet was focused on variants with two different row spacing (0,70 - 0,35 m) with plant density

110,000 plants.ha-1_{. Substrate biogas yield of maize silage was determined using a single batch lab tests. Significantly}

highest amount of biogas was produced from ears for variants grown with narrow row spacing (762.5 ml.g-1₎

and also with highest methane content (73.7 %). Biogas production from the rest of the plant was 683.8 ml.g-1

with methane content in biogas 66.9 %. In classic row spacings (0,70 m) was also higher biogas production from ears, but the difference was not statistically significant, as well as the methane content between different parts of maize plants.

Keywords: batch lab tests, portions of plants, row spacing, methane content ÚVOD

Využití biomasy pro energetické účely je považováno za klíčové pro rozvoj udržitelných energetických systémů (Fischer et al., 2010). Kukuřice se stala dominantní plodinou pěstovanou v Evropě pro výrobu bioplynu, a to zejména z důvodu vysokého výnosového potenciálu této plodiny. Jak uvádějí Hermann, Rath (2012) pro vysokou výtěžnost metanu z jednotky plochy jsou nejdůležitější tři faktory: složení substrátu, biologická rozložitelnost a hektarový výnos (Amon et al., 2007).

Potenciál produkce metanu je silně závislý na chemickém složení, které je určeno především fází vegetace. Dle Koloničný, Hase (2011) je podíl metanu v bioplynu z kukuřice přibližně 54 %. Vysoký produkční potenciál metanu z kukuřice dále potvrzují Amon et al., (2004), kteří uvádějí, že produkce metanu se pohybuje u ranějších hybridů (FAO 240 – 300) od 5 300 až 8 500 m3_.ha-1_{, u pozdních} hybridů (FAO 600) pak 7 100 až 9 000 m3_.ha-1_.

Kromě vysokého hektarového výnosu je nezbytné brát v potaz i hodnotu sušiny při sklizni. Schittenhelm (2008) a Koloničný, Hase (2011) uvádějí, že optimální hodnota sušiny by se měla pohybovat mezi 28 – 30 %. Oslaj et al., (2010) publikují, že pokud je kukuřice sklizena při vyšším obsahu sušiny (nad 32 %) je poměr C:N široký a nedojde k maximálnímu využití produkce metanu, neboť při dozrávání se zvyšuje podíl obtížně fermentovatelného ligninu a klesá i degradovatelnost vlákniny. Zároveň se zvyšuje i podíl palic na výnosu, a tím narůstá výnos škrobu, který dle Koloničný, Hase (2011) není pro fermentační zařízení ve vysokém množství potřebný. Naopak Amon et al., (2004) uvádějí, že vhodná doba sklizně je u raných hybridů na konci voskové zralosti a pozdní hybridy mohou být sklízeny později až v době plné zralosti. Amon et al., (2007) a Negri et al., (2014) se zabývali produkcí bioplynu z jednotlivých částí rostliny a shodně uvádějí, že maximálního hektarového výtěžku metanu je dosahováno při digesci celých rostlin kukuřice. Ovšem pokud se jedná o produkci metanu z jednotlivých částí, Negri et al., (2014) uvádějí, že vyšší produkce metanu je dosahováno při digesci palic, a to až dvojnásobného množství oproti zbytku rostliny. Vyšší

produkce metanu z palic je dána vysokým obsahem škrobu, který je velmi snadno degradovatelný. Ovšem ani zbytek rostliny není pro produkci bioplynu zanedbatelný, jak uvádějí Amon et al., (2007), kteří zjistili, že při produkci bioplynu pouze z palic je dosahováno o 43 – 70 % nižšího výnosu metanu oproti produkci bioplynu z celých rostlin.

Převážná část autorů, kteří se zabývali touto problematikou, řešila produkci bioplynu z celých rostlin kukuřice, případně z jednotlivých částí. K dispozici je pouze omezené množství prací, ve kterých je řešena problematika meziřádkové vzdálenosti ve vztahu k produkci bioplynu.

Cílem této práce bylo proto vyhodnotit vliv různých meziřádkových vzdáleností na produkci a kvalitu bioplynu z jednotlivých částí rostliny kukuřice.

MATERIÁL A METODIKA

Pokusy se silážní kukuřicí byly založeny na pokusném pozemku České zemědělské univerzity v Praze – Suchdole, v úplných znáhodněných blocích, ve 4 opakováních každé varianty. Velikost jedné parcely byla 17,5 m2 _{(3,5 x 5 m). Pro pokusy byl vybrán hybrid Koblens (FAO 280). V pokusu} byly hodnoceny varianty se 2 roztečemi (0,70 a 0,35 m) při výsevku 110 000 rostlin.ha-1. Při sklizni bylo z každé parcely odebráno 5 rostlin, ze kterých byla vybrána jedna průměrná rostlina, která byla následně rozdělena na palici a zbytek rostliny. Vzorky biomasy byly zváženy a následně usušeny při teplotě 60 °C do konstantní hmotnosti. Vzorky byly sešrotovány na laboratorním mlýnu se sítem o průměru otvorů 1,0 mm. Ze čtyř opakování každé varianty byl vytvořen směsný vzorek, který byl následně analyzován na produkci bioplynu v pěti opakováních.

Ze směsných vzorků daných variant bylo provedeno pět samostatných opakování pro test na výtěžnost a kvalitu bioplynu. Substrátová výtěžnost bioplynu ze silážní kukuřice byla realizována formou jednorázových laboratorních batch testů, prováděných za anaerobních podmínek. Testované materiály byly inkubovány v plynotěsných skleněných lahvích o objemu 120 ml, do nichž bylo nadávkováno cca 0,7 g vzorku kukuřičné biomasy, dále 30 g inokula a objem byl doplněn do 80 g demineralizovanou H2O. Lahve byly opatřeny gumovým septem zajištěným šroubovací maticí a umístěny v termokomoře v mezofilních podmínkách, při teplotě 40±1°C po dobu 40 dnů. Substrátová produkce bioplynu (ml.g-1_{) byla průběžně stanovována metodou objemového měření,} která je založena na principu měření objemu kapaliny plynem vytlačené pomocí plynoměrné byrety.

Kromě testů produkce bioplynu se substráty byla zároveň provedena kultivace samotného inokula za stejných podmínek, která byla následně odečítána od produkce v testovacích lahvích se substráty. Takto byla získána čistá substrátová produkce bioplynu. V průběhu trvání batch testů byla dále hodnocena kvalitativní charakteristika bioplynu (obsah CH4) pomocí plynového chromatografu.

Statistické vyhodnocení výsledků bylo provedeno pomocí analýzy rozptylu vícenásobného třídění v programu Statistica 12 (2013), s následným vyhodnocením dle Tukey HSD test (α = 0,05).

VÝSLEDKY A DISKUZE

V grafech 1 a 2 je prezentována křivka produkce bioplynu z jednotlivých částí kukuřice při odlišných meziřádkových vzdálenostech, kdy na obou grafech je zřejmý podobný trend v produkci bioplynu pro rozteč 0,35 i 0,70 m. Z grafu č. 1, ve kterém jsou prezentována data z varianty s úzkou roztečí řádku, je zpočátku patrná nižší výtěžnost bioplynu z palic oproti zbytku rostliny, a to až do 11. dne od založení testu. Poté produkce bioplynu z palic (562,6 ml.g-1_{) překonala} produkci ze zbytku rostliny (560,9 ml.g-1) a tento trend přetrval až do ukončení testu. Průkazně nejvyšší množství bioplynu bylo vyprodukováno z palic (762,5 ml.g-1_{) oproti zbytku rostliny,} kde byla produkce bioplynu 683,8 ml.g-1. Také z grafu č. 2, který zobrazuje hodnoty z konvenční rozteče, lze pozorovat počáteční pomalejší nárůst produkce bioplynu z palic. Obrat nastal 13. den od založení testu, kdy hodnota výtěžnosti bioplynu z palic (624,4 ml.g-1) převýšila hodnotu produkce ze zbytku rostliny (594,6 ml.g-1). Na konci testu byly hodnoty produkce bioplynu z palic (721,9 ml.g- 1_{) vyšší než ze zbytku rostliny (678,3 ml.g}-1_{), ovšem rozdíl byl pod hranicí průkaznosti. Získané} výsledky, ze kterých je patrná vyšší produkce bioplynu z palic oproti zbytku rostliny kukuřice, je v souladu s poznatky, které uvádějí Petersen, Keuning (2013) a Menardo et al. (2015).

V průměru za obě rostlinné části bylo dosaženo vyšší produkce (723 ml.g-1) na variantě s úzkou roztečí ve srovnání s klasickou roztečí (700 ml.g-1_{), ovšem tyto hodnoty nebyly statisticky rozdílné.} Obdobné závěry publikovali Mahmood, Honermeier (2012), kteří se zabývali touto problematikou u čiroku a zjistili, že produkce bioplynu není ovlivněna různou meziřádkovou vzdáleností.

Graf 1 Výtěžnost bioplynu z 1 g sušiny (ml.g-1) při meziřádkové vzdálenosti 0,35m

Graf 2 Výtěžnost bioplynu z 1 g sušiny (ml.g-1) při meziřádkové vzdálenosti 0,70m

Jak je patrné z tabulky č. 1, v průběžném měření obsahu metanu v bioplynu, byly u obou roztečí zjištěny průkazné rozdíly mezi jednotlivými částmi rostliny. U obou roztečí byla produkce metanu z palic zpočátku nižší v porovnání s produkcí ze zbytku rostliny, ovšem s přibývajícím počtem dnů od založení testu se produkce metanu z palic zvyšovala. Z varianty s úzkou roztečí bylo na konci testu vyprodukováno z palic statisticky průkazně vyšší množství metanu (73,7 %) ve srovnání se zbytkem rostliny (66,9 %). Na variantě pěstované v klasické rozteči se podíl metanu v bioplynu z palic (71,0 %) průkazně nelišil od zbytku rostliny (71,9 %). Námi zjištěné výsledky se zcela neshodují se závěry Menardo et al., (2015), kteří dosahovali celkově nižších hodnot obsahu metanu v bioplynu z jednotlivých částí (54,4 % CH4 u palic, resp. 52,2 % u zbytku rostliny).

Tabuľka 1 Obsah metanu v bioplynu (%) stanovený v batch testech z rostlin kukuřice

Rozteč řádků Část rostliny Čas od založení batch testů

m Dny 3 8 15 23 29 0,35 Palice 26,2a _55,3a _71,0a _71,8a _73,7a Zbytek rostliny 43,1b _62,3b _57,8b _67,3a _66,9b 0,70 Palice 24,6a _54,6a _71,4a _74,1a _71,0a Zbytek rostliny 39,6b _61,0b _60,7b _67,6b _71,9a

Poznámka: rozdílné indexy vyjadřují statisticky průkazné rozdíly Tukeyho HSD testu na hladině významnosti α = 0,05

ZÁVĚR

Při pěstování kukuřice v úzkých řádcích byla zaznamenána průkazně vyšší produkce bioplynu z palic oproti zbytku rostliny. V průběhu testu byl zaznamenán také průkazný rozdíl v obsahu metanu v bioplynu vyprodukovaném z palic v porovnání se zbytkem rostliny. V závěru testu byly významně vyšší hodnoty metanu zjištěny u palic na variantě s úzkou roztečí. U klasické rozteče nebyl v konečných hodnotách průkazný rozdíl v produkci ani kvalitě bioplynu mezi jednotlivými částmi zaznamenán.

LITERATURA

AMON, T. – AMON, B. – KRYVORUCHKO, V. – ZOLLITSCH, W. – MAYER, K. – GRUBER, L. 2007. Biogas production from maize and dairy cattle manure - influence of biomass composition on the methane yield. In Agriculture, Ecosystems and Environment, 118 (1), 173-182. AMON, T. – KRYVOCHUCHKO, V. – AMON, B., ZOLLITSCH, W. – POTSCH, E. 2004. Biogas production from maize and clover grass estimated with the methane energy value system. In Conference Engineering the Future. Leuven, Belgium. Book of Abstracts. 230-231.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 23.3 30.3 6.4 13.4 20.4 27.4

Dnů od založení batch testů

m l. g -1 Palice Zbytek rostliny 14 7 0 21 28 35 0 100 200 300 400 500 600 700 800 23.3 30.3 6.4 13.4 20.4 27.4

Dnů od založení batch testů

m l. g -1 Palice Zbytek rostliny 7 14 21 28 35 7 0

FISCHER, G. – PRIELER, S. – VAN VELTHUIZEN, H. – BERNADES, G. – FAAIJ, A. – LONDO, M. – DE WIT, M. 2010. Biofuel production potentials in Europe: Sustainable use of cultivated land and pastures, Part II: Land use scenarios. In Biomass and Bioenergy, 34 (2), 173-187.

HERRMANN, A. – RATH, J. 2012. Biogas production from maize: current state, challenges, and prospects. 1. Methane yield potential. In BioEnergy Research, 5 (4), 1027-1042.

KOLONIČNÝ, J. – HASE, V. 2011. Využití rostlinné biomasy v energetice. Vysoká škola báňská, Technická univerzita Ostrava. Výzkumné energetické centrum. 56-57. ISBN 978-80-248-2541-0. MAHMOOD, A. – HONERMEIER, B. 2012. Chemical composition and methane yield of Sorghum cultivars with contrasting row spacing. In Field Crops Research, 128, 27-33.

MENARDO, S. – AIROLDI, G. – CACCIATORE, V. – BALSARI, P. 2015. Potential biogas and methane yield of maize stover fractions and evaluation of some possible stover harvest chains. In Biosystems Engineering, 129, 352-359.

NEGRI, M. – BACENETTI, J. – MANFREDINI, A. – LOVARELLI, D. – FIALA, M. – MAGGIORE, T. M. – BOCCHI, S., 2014. Evaluation of methane production from maize silage by harvest of different plant portions. In Biomass and Bioenergy, 67, 339-346.

OSLAJ, M. – MURSEC, B. – VINDIS, P. 2010. Biogas production from maize hybrids. Elsevier 34 (11). 1538-1545.

PETERSEN, S. – KEUNING, M. 2013. New way to feed corn stover, 2013 Corn/Soy Expo Presentations, January 31-February 1, Wisconsin Dells, Wisconsin.

SCHITTENHELM, S. 2008. Chemical composition and methane yield of maize hybrids with contrasting maturity. In European Journal of Agronomy, 29 (2), 72-79.

TURGUT, I. – DUMAN, U. – BILGILI, U., ACIKGOZ., E. 2005. Alternate row spacing and plant density effect on forage and dry matter yield of corn hybrids (Zea mays L.). In Journal of Agronomy

and Crop Science 191. 156-151.

Poděkování: Práce byla řešena na FAPPZ ČZU v Praze za podpory „S“ grantu MŠMT ČR a SGS projektu

číslo 21240/1312/213157.

Kontaktní adresa: Ing. Zuzana Vrabcová, Katedra pícninářství a trávníkářství, FAPPZ, Česká zemědělská univerzita

X. Vedecká konferencia doktorandov FAPZ SPU v Nitre

s medzinárodnou účasťou

konaná pri príležitosti Týždňa vedy a techniky na Slovensku

Zostavil: Ing. Monika Tóthová, PhD.

doc Ing. Ľuboš Vozár, PhD.

Autori: Kolektív

Náklad: 50

Vydavateľ: Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Počet strán: 118

Vydanie: Prvé

Tlač: Vydavateľstvo SPU v Nitre.

Rukopis neprešiel redakčnou úpravou vo vydavateľstve.