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Energiepflanze Sida hermaphrodita: Alternative zu Raps und Mais

1. März 2016 - Jülicher Wissenschaftler erforschen Alternativen zu konventionellen Energiepflanzen wie Raps und Mais, die eine schlechte Klimabilanz haben und Nahrungspflanzen verdrängen. Eine vielversprechende Alternative ist Sida hermaphrodita, die aus Nordamerika stammt.

Die mehrjährige, staudenartige Pflanze wächst bis zu vier Meter hoch und entwickelt bis zu einem Drittel mehr Biomasse als Mais.

Die verholzten Triebe der Sida können gehäckselt und zu Pellets oder Briketts gepresst werden. Ein Hektar liefert genügend Energie, um fünf bis zehn Eigenheime mit Strom und Warmwasser zu versorgen. Die verholzten Triebe haben außerdem einen hohen Zelluloseanteil, der die Pflanze zu einem potenziellen Zellstofflieferanten für Dämm- und Verpackungsmaterial macht.

Aus der grünen Biomasse der Pflanze lässt sich Biogas gewinnen. Schließlich macht ihre lange Blühperiode die Felder zu einer Weide für Bienen und andere Insekten.

"Ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Energiepflanzen ist auch die Mehrjährigkeit der Sida hermaphrodita", erklärt Nicolai David Jablonowski vom Institut für Pflanzenwissenschaften. Einmal etabliert, kann die Pflanze bis zu dreißig Jahre lang Biomasse liefern, der Boden muss nur wenig bearbeitet werden, Herbizide sind nicht notwendig. Damit muss wenig Energie eingesetzt werden, was eine positive Klimabilanz zur Folge hat.

Ein weiterer Vorteil: Die Pflanze wächst auch auf schlechteren Böden, die normalerweise nicht für den Ackerbau genutzt werden können. Außerdem ist sie extrem frosttolerant und überlebt Temperaturen bis zu minus 35 Grad Celsius.

Energiepflanzen: Alternative zu Raps und Mais Alternative zu konventionellen Energiepflanzen: Sida hermaphrodita. Die staudenartige Pflanze kann bis zu dreißig Jahre lang Biomasse liefern.

Hier finden Sie Informationen aus dem englischen (vorübergehende automatische Übersetzung: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12346/full : wir bitten um Verständnis)

Sida hermaphrodita

Abstrakt

Die Leistung und Biomasseertrag der mehrjährigen Energieanlage Sida hermaphrodita (im Folgenden als Sida) als Rohstoff für Biogas und feste Brennstoffe wurde während einer gesamten Wachstumsperiode bei landwirtschaftlichen Feldbedingungen bewertet. Ein Sida-Pflanzenentwicklungscode wurde eingerichtet, um einen Vergleich der Pflanzenwachstumsstadien und der Biomassezusammensetzung zu ermöglichen. Vier Szenarien wurden bewertet, um die Verwendung von Sida-Biomasse in Bezug auf die Pflanzenentwicklung und die Erntezeit zu bestimmen: (i) eine Ernte nur für festen Brennstoff; (Ii) eine Ernte für die Biogasproduktion; (Iii) eine Ernte für die Biogasproduktion, gefolgt von einer Ernte der wiedergewonnenen Biomasse für festen Brennstoff; Und (iv) zwei aufeinander folgende Ernten für die Biogasproduktion. Um den Wert von Sida als Einsatzmaterial für die Verbrennung zu bestimmen, haben wir den Kalorienwert, die Aschequalität und den Schmelzpunkt in Bezug auf die DIN EN ISO-Normen bewertet. Die Ergebnisse zeigten insgesamt höchste Trockenbiomasse-Ausbeuten von max. 25 t ha -1, während die höchste Trockenmasse von 70% bis 80% am Ende der Vegetationsperiode erhalten. Szenario (i) zeigten deutlich die höchste Energierückgewinnung, für 439 288 MJ ha Buchhaltung -1; Die Energierückgewinnung der vier Szenarien vom höchsten zum niedrigsten folgte dieser Reihenfolge: (i) »(iii)» (iv)> (ii). Die Analyse der Sida Asche zeigte einen hohen Schmelzpunkt von> 1500 ° C, die mit einem unteren Heizwert von 16,5 bis 17,2 MJ kg -1. Alle Voraussetzungen für DIN EN ISO Normen wurden erreicht, was den Vorteil von Sida als festen Energieträger ohne Nachbehandlung nach der Ernte anzeigt. Die Zellwandanalyse der Stämme zeigte nach der Probenahmewoche 16 (Juli) einen konstanten Ligningehalt, während Cellulose bereits in der Probenahmewoche 4 (April) ein Plateau erreicht hatte. Die Ergebnisse heben Sida als vielversprechende holzige, mehrjährige Pflanze hervor, die Biomasse für flexible und vielseitige Energieanwendungen zur Verfügung stellt.

Einführung

Im Hinblick auf eine wachsende biobasierte Wirtschaft wird eine nachhaltige Biomasseversorgung der Pflanzen zu einer großen Herausforderung für die Erfüllung der Anforderungen. Der erhöhte Anteil an bio-basierten Energieträgern stellt sowohl die Gesellschaft als auch die Energieversorgungssysteme in Frage. In Deutschland erreichte nur der Anteil der erneuerbaren Energien an der gesamten Stromproduktion von 25,8% im Jahr 2014 und wird in Zukunft weiter auf 40-45% bis zum Jahr 2025 (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, erhöhen 2015 ). Da Biomasse gespeichert werden können , und ist daher bereit für den Einsatz auf Nachfrage als zuverlässige Versorgungsquelle, Energieerzeugung aus Biomasse spielt eine wichtige Rolle bei der Vielzahl von erneuerbaren Energiequellen wie Wasser, Wind und Solarenergie (Carroll & Somerville, 2009 ; Graham-Rowe, 2011 ).

Um die Nachfrage von pflanzlicher Biomasse decken, sollte die Produktion von Biomasse nicht mit der pflanzlichen Produktion konkurrieren traditionell verwendet für Lebens- und Futtermittel (Graham-Rowe, 2011 ;. Voigt et al, 2012 ). Die Nahrung gegen Kraftstoff Kontroverse muss direkt vermieden werden , indem man für Nonfood Pflanzenarten suchen und indirekt die Verwendung von sehr wertvollen Ackerflächen zu vermeiden Landnutzungskonflikte (Schröder et al., Zu vermeiden , 2008 ). Daher sollten Pflanzen mit hohem Ertrag, geringem Nährstoffbedarf und einer wertvollen biologischen Zusammensetzung für eine Vielzahl bioökonomischer Anwendungen hervorgehoben werden. Die ewige Natur solcher Pflanzen könnte den Energieeintrag für ihre Produktion verringern, da die jährliche Feldvorbereitung und das Pflanzenbauwerk unnötig wird. Außerdem ist eine solche Anlage die Produktion von Biomasse - System kann auch zusätzliche Vorteile für Ökosystemleistungen und Bodenschutz aufweisen, nach der Idee eines "Low - Input-High Output System" in Bezug auf die Energieinvestitionen und zusätzliche Vorteile (Blanco-Canqui, 2010 ). Allerdings verringern mehrjährige Pflanzensysteme die Fähigkeit der Landwirte, auf plötzliche Veränderungen auf dem Markt zu reagieren. Um diese relevanten Aspekte der Biomasseproduktion für energetische Zwecke bekämpfen, untersuchten wir die ausdauernde Pflanze Sida hermaphrodita (L.) Rusby (nachstehend als Sida), auch als Virginia Malve oder Virginia fanpetals bekannt. Von 1930 bis 2000 einige der Forschung, vor allem in russischer oder polnischer Sprache veröffentlicht, wurde zu dieser Pflanze im Hinblick auf die weitere Verbreitung und Etablierung durchgeführt (Spooner et al., 1985 ). Der gebürtige nordamerikanische Arten Sida wurde in den 1950er Jahren als Futtermittel und Faserquelle nach Polen eingeführt, aber es entwickelt weiter als eine vielversprechende Energiepflanzen (Spooner et al., 1985 ; Borkowska et al., 2009 ). Doch in der jüngsten Vergangenheit, Sida zog die Aufmerksamkeit wieder als eine vielversprechende Anlage für die Erzeugung von Bioenergie (Borkowska & Wardzinska, 2003 ; Borkowska & Molas, 2012 ; Barbosa et al., 2014 ;. Nabel et al, 2014 ). Zusammen mit Miscanthus, eine andere Staude, High-Yield - Energieanlage, Sida in jüngster Zeit Aufmerksamkeit wegen seiner holzähnlichen, High-Yield - Biomasse (Borkowska & Molas, 2012 , 2013 ). Neben seiner hohen Biomasse-Ausbeute ist Sida aufgrund seiner langen Blütezeit auch für die Bestäuber sehr attraktiv und hat daher hohe Ökosystemdienstwerte. Aufgrund der zahlreichen Triebe pro Pflanze wird die Biomasseertrag von Sida höher im Vergleich zu der derzeit verwendeten Energiepflanzen wie Mais (Slepetys et al., 2012 ). Neben der Bodenfruchtbarkeit, Niederschlag, und Klimabedingungen hängt die organische Trockenmasseertrag auf dem Alter der Pflanze und die Zeit der Ernte und variiert in der Regel 9,6 bis 19,7 t ha -1 (Slepetys et al., 2012 ; Borkowska & Molas, 2013 ).

Während Sida häufig als fester Brennstoff für die Verbrennung verwendet wird, zeigte die erste Biogas - Batch - Tests mit Sida ein Potential von 435 Ndm 3 kg -1 organischer Trockensubstanz (oTS) von Silage aus einem Biomasse - Ernte im Juli gemacht, was darauf hindeutet , dass Sida auch ist nützlich als Substrat für die Biogasproduktion (Oleszek et al., 2013 ). Methan aus der Biogasproduktion spielt eine wichtige Rolle als Energieträger aus biogenen Ressourcen. Bis heute ca. 7800-8000 Betriebsbiogasanlagen in Deutschland produzieren 27,6-29,0 Mrd. MWh, während insgesamt 49,1 TWh aus Biomassen hergestellt wurden, von denen Biogas und feste Brennstoffe mit 59,1% und 24,2% beigetragen, bzw. (Deutscher Bauernverband, 2015 ; FNR, 2015 ). Anaerobe Batch - Tests auf Sida Biomasse ergab Methankonzentrationen von 280-293 Ndm³ kg -1 oTS (Hartmann & Haller, 2014 ). Allerdings werden die ermittelten Biogaspotenzial und Methanausbeute von Sida Biomasse niedriger im Vergleich mit den wichtigsten Energiepflanzen wie Mais (Schattenhauer & Weiland, 2006 ), auch wenn dies mit der Zeit der Ernte variiert. Erste Versuche mit chemischen Vorbehandlung wurden die biologische Verfügbarkeit zu erhöhen , durchgeführt und die daraus resultierende Biogasausbeute von Sida als Biogas - Einsatzmaterial zu verbessern (Michalska et al., 2012 ).

Bis heute hat Sida noch nicht als Ausgangsmaterial für flexible, bedarfsgesteuerte Energieanwendungen durch die Analyse ihrer Zellwand Zusammensetzung und Energieausbeute in Bezug auf die Pflanzenentwicklung Bühne und Zeit der Ernte bewertet worden. Eine flexible Nutzung der Sida-Biomasse würde es den Betreibern ermöglichen, auf Marktveränderungen mit der Biomasse entweder als Einsatzmaterial für die Festbrennstoff- und Biogasproduktion oder für industrielle Anwendungen zu reagieren.

In dieser Studie haben wir die Gesamtleistung, Biomasse und Energieertrag von Sida hermaphrodita (L.) Rusby in wöchentlichen Abständen Ernte während eines gesamten Wachstumsperiode bei landwirtschaftlichen Feldbedingungen im zweiten Jahr nach dem Feld Einrichtung. Das Ziel dieser Studie war es, ein Pflanzenwachstum und die Entwicklung Code zu entwickeln, eine allgemeine Bestimmung der besten Sida Erntezeit erlaubt: (i) in Bezug auf die maximale Ausbeute von Biomasse an der Pflanze Entwicklungsstadium abhängig; 2014-09 für biogene Festbrennstoffe (DIN-EN-ISO: (ii) den Energiewert in Bezug auf die Biogasproduktion und Festbrennstoffenergiegehalt im Hinblick auf ihre Überprüfung in Übereinstimmung mit der deutschen Industrienorm DIN EN ISO 17225-7 zu bestimmen -17.225-7, 2014 ); Und (iii) um eine Biomasse zu erhalten, die die am besten geeignete Zellwandzusammensetzung umfasst, die eine spezifische Verwendung und Hochskalierung für technische Anwendungen ermöglicht. Darüber hinaus haben wir festgestellt, daß der Aschegehalt, Zusammensetzung und Schmelzpunkt von Sida wichtige Parameter waren, wenn sie als fester Brennstoff in Übereinstimmung mit der oben erwähnten DIN-Norm verwendet wird.

Um den optimalen Energieverbrauch von Sida-Biomasse zu ermitteln und die höchste Energieproduktion zu ermitteln, wurden vier Anwendungsszenarien im Hinblick auf feste Brennstoffe und Biogasanwendungen beurteilt. Die vier getesteten Szenarien waren wie folgt: (i) eine Ernte nur für festen Brennstoff; (Ii) eine Ernte für die Biogasproduktion; (Iii) eine Ernte für die Biogasproduktion, gefolgt von einer anschließenden Ernte der wiedergewonnenen Biomasse für festen Brennstoff; Und (iv) zwei aufeinander folgende Ernten für die Biogasproduktion.

Material und Methoden

Experimentelle Seite und Einrichtung

Die experimentelle Seite befand sich in Mersch, Deutschland (100 m o. NN, 6 ° 22'34 Ost und 50 ° 57'50 nördlich mit ETRS89). Der Standort wurde einer Jahresmitteltemperatur im Jahr 2014 von 11,5 ° C mit einer Mindesttemperatur von -5,1 ° C, einer maximalen Temperatur von 34,7 ° C und einem jährlichen Niederschlag von 801 mm während der Zeit des Experiments ausgesetzt. Der Boden wurde orthic Luvisol bestehend aus 5,6% Sand, 79,0% Schluff, 15,4% Ton, mit pH 6,2 (CaCl2), 2,4% C org enthaltend 32 mg kg -1 P 2 O 5, 18 mg kg -1 K 2 O und 9 mg kg -1 mg. Mit Keimlingen der mehrjährigen Pflanze Malve Sida hermaphrodita (L.) Rusby im BBCH-Sida Pflanze Entwicklungsstufe 12-13 (Tabelle S1) Das Experiment wurde Mai 2013 gegründet. Die Keimlinge wurden im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen von März bis zum Beginn des Feldversuch im Mai 2013 mit kompostierbaren Töpfen aus Torf (; Jiffy ®, Moerdijk, Niederlande Topf Typ 30023092, 8 × 8 cm im Quadrat) vorkultiviert. Insgesamt 436 einzelne Sämlinge wurden in der Ackerboden in einer Pflanzenabstand von 0,5 m und einer Reihenabstand von 0,75 m, in einer Gesamtfläche von 165 m 2, das entspricht 2,7 Pflanzen m gepflanzt -2. Das Herbizid Glyphosat (Roundup, 4 L ha -1) wurde vor Pflanzung und zwischen den Pflanzen und Reihen während der Anlagenerrichtungsphase zu steuern das Wachstum von Unkraut eingesetzt. Vor und während des gesamten Experiments wurden keine Düngemittel aufgetragen.

Bestimmung der Anlagenentwicklungsstufen: BBCH-Sida-Code

Pflanze physiologische Merkmale von Sida wurden während des gesamten Versuchs überwacht. Um eine zukünftige Schätzung der erwünschten Erntezeiten unter Berücksichtigung unterschiedlicher Biomasse-Anwendungsszenarien zu ermöglichen, wurden die Entwicklungsstadien für Sida in einem modifizierten BBCH-Code analysiert und beschrieben. Unsere numerischen BBCH-Sida - Code wurde für andere Pflanzenarten von Hack et al erstellt folgende vorherigen BBCH Codes entwickelt. (Hack et al., 1992 ). Der BBCH-Sida-Code ist in voller Länge in den Hintergrundinformationen dieses Manuskripts angegeben (Tabelle S1). Die erste gegebene Zahl des numerischen BBCH-Sida-Codes 0 (dh Keimkeimung) bis 9 (Alterungsprozess, Seneszenz) beschreibt die Makrostadien der Pflanze. Die zweite Zahl 0-9 beschreibt die Mikrostufen innerhalb der Makrostufen, beispielsweise die Anzahl der Verzweigungen. Für die Beurteilung eines Sida-Standes ist zu berücksichtigen, dass mindestens 50% der Anlagen die jeweilige Entwicklungsstufe aufweisen. Makrostufen, wie Blatt- oder Seitenverzweigungsentwicklung, können gleichzeitig entstehen. In diesem Fall wird nur die höhere Entwicklungsstufe betrachtet. Unsere numerische BBCH-Sida-Code wurde im Hinblick auf ihre Anwendung auf die landwirtschaftliche (Stand / Pflanzenpopulation) und detaillierte Labor-Ebene (Einzelpflanzen) entwickelt. Schwerpunkt ist die rechtzeitige Anwendung von Pestiziden vor allem während der Gründungsphase und der möglichen Ernte während der Wachstumsphase.

Biomasse: Ente und Zubereitung

Die Bewertung des Biomasseertrags begann im zweiten Jahr (2014) nach der Gründung, als die mittlere Pflanzenhöhe die BBCH-Sida-Entwicklungsstufe BBCH 17 (ca. 38 cm Höhe) erreichte. Um die gesamte Ertragsentwicklung zu ermitteln, wurde die Biomasse von fünf Einzelpflanzen wöchentlich nach einem völlig randomisierten Entwurf geerntet, indem die Stiele etwa 7 cm über dem Boden abgeschnitten wurden. Alle replizierten Pflanzen wurden in Stämme und Blätter einschließlich Seitenästen getrennt. Alle Blätter und Stängel für jede einzelne Pflanze wurden zerkleinert (<2 cm, Viking AE 1180 E) und bei 85 ° C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Zur weiteren Behandlung wurde die getrocknete Sida-Biomasse gemahlen (<1 mm, Retsch SM 200) und homogenisiert. Die Proben wurden zusätzlich zu Pulver unter Verwendung eines Retsch MM 400 zur nachfolgenden elementaren und kalorischen Analyse gemahlen. Um die optimale Nutzung von Biomasse für Energiezwecke zu bestimmen, wurden folgende Ernte-Szenarien angewandt: (i) Die Pflanzen wurden während der Vegetationsperiode gezüchtet und an der BBCH-Sida-Stufe 98 geerntet, um ihren Heizwert zu bestimmen, wenn sie nur als fester Brennstoff verwendet wurden (Probe F1, Tabelle 1 ). (ii) Die Pflanzen wurden nur einmal im BBCH-Sida Stufe 91 geerntet seine Biogaspotenzial in einem späten Entwicklungsstadium Anlage (Probe B2, Tabelle nur um festzustellen , 1 ). (iii) Um das Biogaspotenzial von grünen Sida Biomasse bestimmen, zufällig ausgewählten Pflanzen wurden zunächst geerntet bei BBCH-Sida Entwicklungsstadium BBCH 55 und einen Trockensubstanzgehalt von 16,5% (Probe B1.1, Tabelle 1 ). Die frisch zerkleinerte Biomasse wurde in 60 L PE-Behältern für die anschließende Ensilierung für 12 Wochen komprimiert. Anschließend wurde die nachgewachsenen Biomasse als getrocknete Biomasse am Ende der gesamten Vegetationsperiode bei BBCH-Sida 98 geerntet sein Heizwert als fester Brennstoff (Probe F2, Tabelle auswerten 1 ). (Iv) Zur Bestimmung des maximalen Biogaspotenzials der grünen Sida-Biomasse wurden die Anlagen zunächst gemäß Szenario (iii) (Stichprobe B1.2) verarbeitet. Die nachgewachsenen Biomasse der zuvor geernteten Pflanzen wurden wieder 71 Stadium in BBCH-Sida Entwicklung geerntet, einen Trockensubstanzgehalt von 28,5% aufweisen, das Biogaspotenzial des nachgewachsenen frischen Pflanzenmaterial (Probe B1.2, Tabelle zu bewerten 1 ).

Tabelle 1 : Übersicht über die vier verschiedenen Sida Ernte und Biomasse Evaluierungsszenarien die optimale Energienutzung von Sida Biomasse zu bestimmen Szenario 1. Ernte: Zweck / Probe # BBCH-Sida Entwicklungsstadium / Datum der Probenahme Trockensubstanzgehalt 2. Ernte: Zweck / Probe # BBCH-Sida Entwicklungsstadium / Datum der Probenahme Trockensubstanzgehalt

(ich) Feststoff / F1 BBCH 98 / 15.01.2015 75,9% - - -

(Ii) Biogas / B2 BBCH 91 / 15.10.2014 36.1% - - -

(Iii) Biogas / B1.1 BBCH 55 / 12.06.2014 16,5% Feststoff / F2 BBCH 98 / 15.01.2015 76,3%

(Iv) Biogas / B1.1 BBCH 55 / 12.06.2014 16,5% Biogas / B1.2 BBCH 71 / 15.10.2014 28,5%

Biomasse-Ernten für die Feststoffanwendung zielten auf einen hohen Gehalt an Trockensubstanz ab. Die Erntezeiten für Szenario (iii) und (iv) wurden gewählt, um eine mögliche Versorgung mit alternativem Biogaseinsatzmaterial zu ermöglichen, bevor frische Biomasse anderer Ausgangsmaterialien (z. B. Maissilage) zur Verfügung stehen würde. Die Ernte im Oktober für das Szenario (ii) und (iv) wurde gewählt, um einen hohen Biomasseertrag zu erzielen und um verspätete Schüsse und Frostschäden der Pflanzen während des Winters zu vermeiden. Die beiden wiederholten Ernten im Szenario (iii) und (iv) sollten den zusätzlichen Energiewert von Sida-Biomasse als Rohstoff für zusätzlichen festen Brennstoff bzw. Biogas beurteilen.

Die beschriebenen Ernte Szenarien sind in der Tabelle zusammengefasst 1 . In jedem Szenario wurden insgesamt 10 Pflanzen zufällig als biologische Replikate geerntet.

Auswertung von Heizwerten, Aschegehalt, Zusammensetzung und Verhalten

Teilproben des pulverisierten Biomasse wurden zu Pellets verdichtet und für ihre höheren Heizwert in fünf biologischen Replikaten unter Verwendung eines Parr - Kalorimeter Type 6200, nach DIN 51.900-3 Einsatz: 2005-01 (DIN-51.900-3, 2003 ). Gleichzeitig wurden der Aschegehalt, die Zusammensetzung und das Verhalten unter Verwendung von Teilproben der gemahlenen Biomasse in Triplikaten analysiert. Für die Untersuchung des Ascheschmelzverhaltens wurden die Proben bei 550 ° C in Platintiegeln unter konstantem Luftstrom in einem Muffelofen für 24 h bei konstanter Temperatur oxidiert. Die Aufheizrate der Proben betrug 5 K min -1. Die Proben wurden nach dem Veraschen gewogen und in einem Mörser gemahlen, um die Homogenität der Ascheproben zu gewährleisten. Die Röntgenpulverdiffraktion (XRD) wurde verwendet, um kristalline Verbindungen der Asche mit einem Siemens D500 Pulverdiffraktometer zu identifizieren. Die Schmelzbarkeit der Asche wurde durch Heiztischmikroskopie bestimmt nach DIN 51730: 2007-09 (DIN-51730, 1998 ).

Der höhere Heizwert der Sida-Biomasse wurde mit dem oben genannten Kalorimeter bestimmt. Da die Sida-Biomasse einen Restfeuchtegehalt aufwies, wurde der Netto-Heizwert (dh niedrigerer Heizwert) mathematisch unter Verwendung der vorstehenden Gleichung bestimmt (Gleichung 1: Gleichung für die Berechnung des höheren Heizwertes von feuchter Biomasse).

Anzeige Mathe

Der höhere Heizwert (q TS) in MJ gegeben kg -1, die Trockensubstanz (DM) in% und der Wert 0,02443 ist die Enthalpie der Wasserverdampfung bei konstantem Druck und eine Temperatur von 25 ° C, angegeben in MJ kg -1. Bei der Ernte betrug der DM-Gehalt der Sida-Biomasse für das feste Brennstoffszenario (Proben F1 und F2) 76%; jedoch aus der Literatur, DM - Werte von 85-89% berichtet (Stolarski et al., 2013 ). Daher wurde der korrigierte Heizwert mit einem Trockensubstanzgehalt von 88% und einer Restfeuchte von 12% berechnet. Für die Gesamtberechnung der Energieausbeute pro ha wurde der resultierende Heizwert mit einer korrigierten Frischbiomasse, dh der erhaltenen Trockensubstanz zuzüglich 12% Restfeuchte, multipliziert. Die Bestimmung der trockenen und organischen Trockensubstanz erfolgte mit einem Ofen (Heratherm, Thermo Scientific, USA) und einem Muffelofen (N100 / 14, Nabertherm, Deutschland) gemäß DIN EN 12880: 2001 (DIN-EN-12880, 2001 ).

Elementaranalyse

Bei der vorherigen Elementaranalyse wurden alle Sida-Biomasseproben bei 85 ° C ofengetrocknet und anschließend gemahlen (<1 mm, Retsch SM 200) und homogenisiert. Die Proben wurden zusätzlich unter Verwendung einer Kugelmühle (Retsch MM400) pulverisiert. Al, Ca, Cr, Fe, K, Mg, P, S und Si wurden mittels ICP-OES gemessen und quantifiziert. Als, Cd, Cu, Hg und Pb wurden unter Verwendung von ICP-MS aufgrund einer niedrigeren Nachweisgrenze bestimmt. Dazu Teilproben von 100 mg wurden verdünnt und in einem Gemisch aus 3 ml HNO 3 und 2 ml H 2 O 2 in einem Mikrowellen zerlegt. Anschließend wurde 1 ml HF zugegeben. Die Proben wurden auf ein Volumen von 14 ml eingestellt und in einer Verdünnung von 1: 10 gemessen. Für die C-, H-, N- und O-Bestimmung wurden Dreifachproben von etwa 2,5 und 2 mg unter Verwendung eines Elementanalysators Vario EL Cube, Elementar). Die relativen Standardabweichungen für die oben genannten Methoden betrugen für elementare Gehalte von> 1 ± 3% und für elementare Gehalte von <0,1 ± 20%. Die Gesamt Cl - Gehalt in der Sida Biomasse wurde nach DIN EN 15408 (DIN-EN-15408, analysiert 2011 ).

Bewertung des Biogaspotentials

2006-03 (DIN-38414-8,: Die berechnete Biogasproduktion von Sida wurde in eudiometer Batch - Testsysteme von der Spezifikation der deutschen DIN 38 414-8 abgeleitet gemessen 1985 ). Die Silage der Sida-Biomasse aus Szenario (ii), (iii) und (iv) (geerntet im Juni und Oktober) wurde aus zerkleinerter und homogen gemischter Sida-Biomasse hergestellt, die in 60-l PE-Behälter stark komprimiert war. Als Inokulum wurde aktiver Digestat verwendet, der aus einer kommerziell betriebenen Biogasanlage stammte, die mit Maissilage versorgt wurde. Eine vorhergehende Analyse, die Trockensubstanz des Digestats und die Sida-Silage wurde bei 105 ° C bestimmt. Das Inokulum und die Sida-Silage wurden homogen in 1 l-Shott-Duran-Glasflaschen gemischt, und die Tests wurden bei mesophilen Bedingungen bei 37 ° C im Dunkeln unter Verwendung eines temperaturgesteuerten Wasserbades durchgeführt. Das Gasvolumen wurde täglich gemessen, und die Umgebungslufttemperatur und der Luftdruck wurden zur Berechnung auf Normbedingungen überwacht. Der Test endete, wenn die relative Gasausbeute nach 24 h unter 1% des gesamten produzierten Gasvolumens lag. Jede Sida-Biomassensilage wurde in vier Replikaten getestet. Die detaillierte Informationen über die verschiedenen Silagen ist in Tabelle 2 .

Tabelle 2. Vergleich von Sida Biomassen Silagen vorbereitet für Biogas - Tests B1.1 B1.2 B2

Zeit der Ernte 12.06.2014 15.10.2014 15.10.2014

Art des Silbers Im Fass Im Fass Im Fass

Zeit des Silbers 12 Wochen 12 Wochen 12 Wochen

Trockensubstanz nach dem Silieren 20,2% 26,0% 30,8%

Organische Trockensubstanz nach Silage 18,0% 23,6% 28,1%

Analyse von Sida-lignocellulosischen Resten

Die Extraktion und Analyseverfahren wurden nach Foster et al modifiziert. (Foster et al., 2010a ). Wir gemahlen weitere 70-73 mg getrocknet homogenisiert Sida Blatt, Seitenzweig, und Schaftmaterial zu einem feinen Pulver mit einer M 400 Mühle (Retsch, Haan, Deutschland) mit einer Frequenz von 30 s -1 für 2 min (Blattmaterial) oder 10 min (Stammmaterial). Pflanzenzellwandreste wurden durch einmaliges Waschen mit 70% iger (v / v) Ethanollösung und viermaliger Lösung mit Chloroform / Methanol (1: 1; v / v) und einmal mit je 1 ml Acetonlösung isoliert, wobei das Pellet jedes Mal bei 20 ° C aufgefangen wurde 000 g (Foster et al., 2010a ). Das Pellet wurde unter Luftstrom bei Raumtemperatur getrocknet. Die Stärke wurde durch enzymatische Verdauung mit α - Amylase (3 U) und Amyloglucosidase (1,5 U) (Megazyme, Bray, Irland) entfernt. Die verbleibenden entarmenden, alkoholunlöslichen Rückstände (d-AIR) wurden viermal mit Wasser, einmal mit Aceton gewaschen und anschließend getrocknet. Alle Analysen wurden mit ca. 2 mg d-AIR durchgeführt. Die Matrix Polysaccharidzusammensetzung wurde durch Extraktion und Hydrolyse mit 2 m Trifluoressigsäure (Foster et al., Bestimmt 2010a ). Wir sammelten 100 μ l TFA, die unter einem Luftstrom und das verbleibende Pellet wurde abgedampft wurde in Wasser gelöst. Einzelzuckeranalyse wurde gemäß Voiniciuc et al. (Voiniciuc et al., 2015 ) mit Hochleistungs-Anionenaustauschchromatographie mit gepulster amperometrischer Detektion (HPAEC-PAD). Zur Abtrennung von Monosacchariden, wurde eine CarboPac PA20 - Säule mit einer Flussrate von 0,5 ml min -1 verwendet und wurde für 10 min vor der Probeninjektion mit 2 m m NaOH äquilibriert. Neutrale Zucker wurden mit 2 m m NaOH über einen Zeitverlauf von 18 min getrennt. Danach wurde 550 m m NaOH für 10 min verwendet Uronsäuren zu trennen. Die Säule wurde für 10 min schließlich mit 800 m m NaOH gespült. Monosaccharid-Mengen wurden auf einen internen Standard normiert und unter Verwendung von Standard-Eichkurven der verschiedenen Monosaccharide quantifiziert.

Der kristalline Cellulose - Gehalt wurde nach Hydrolyse von und Entfernen der nicht - kristalline Cellulose mit Essigsäure und Salpetersäure (Updegraff, bestimmt 1969 ). Die verbleibenden kristallinen Cellulose-Reste wurden mit 72% (w / v) Schwefelsäure hydrolysiert. Kohlenhydratgehalt wurde mit Anthron - Test (Scott & Melvin, bestimmt 1953 ).

Der Ligningehalt wurde nach Foster et al. (Foster et al., 2010b ) mit dem Acetylbromid spektrophotometrische Methode. Verschiedene Mengen (0,1-0,7 mg) Kraft-Lignin (Sigma-Aldrich, Seelze, Deutschland) wurden als Standard verwendet.

Ergebnisse

Biomasseproduktivität

Die Bewertung der Anlagenleistung und des Biomasseertrags erfolgte im zweiten Jahr nach der Etablierung des Feldweges. Da die Biomasse-Ausbeute einer mehrjährigen Energieanlage wie Sida im ersten Jahr im Allgemeinen relativ niedrig ist, wurde das zweite Jahr nach der Betriebsgründung gewählt, um die Entwicklung des BBCH-Sida-Codes zu ermöglichen und zuverlässige Biomasseertragschätzungen zu erhalten.

Der etablierte BBCH-Sida-Code erlaubte eine detaillierte Charakterisierung der jeweiligen Pflanzenentwicklungsstufe bei jeder wöchentlichen Ernte und ermöglicht einen künftigen Vergleich von Sida-Pflanzen unabhängig vom Klima oder den geographischen Bedingungen des Experiments (Tabelle S1). Die Analyse der Sida Zellwand Zusammensetzung bei jeder Ernte ermöglicht eine weitere, allgemeine Schätzung der Anlage BBCH-Sida Entwicklungsstadien und die damit verbundenen Anlagen Biomasse Eigenschaften. Dies ermöglicht eine detaillierte, bedarfsgerechte Anwendung der Biomasse in der idealen Anlagenentwicklungsphase und im Anwendungsfall.

Sida Pflanzen begann Ende März 2014 im zweiten Jahr nachwachsen und stieg rasch in Biomasseertrag, für maximal 25 t Bilanzierung ha -1 Trockenmasse Gesamtbiomasse - Äquivalente für beide Stämme und Blätter in Sampling - Woche 22 an einer BBCH-Sida Entwicklung Stufe 71 (Abb. 1 ). In Spitzenbiomasseproduktion betrug der Anteil etwa 15 t ha -1 der Stamm Biomasse nur (Abb. 1 ). Die anschließende Abnahme der Trockensubstanz Biomasseertrag ist auf den Verlust der Pflanzenblätter zugeschrieben wird , in einer End - Trockenbiomasseertrag von 15 t ha -1 des getrockneten holzigen resultierenden Stämme am Ende des Experiments (Fig. 1 ). Im Gegenzug erhöht der Trockensubstanzgehalt kontinuierlich während der gesamten Vegetationsperiode (Fig. 2 ). Der höchste Trockensubstanzgehalt wurde bei Beendigung der Vegetationsperiode und bei der Ernte der toten stehenden getrockneten Biomasse im Januar 2015 mit einem Anteil von über 70% an Trockenmasse erreicht. Die Erhöhung des Trockensubstanzgehalts ist mit einem Verlust von Blättern und einer relativen Zunahme von Lignin und Cellulose in den Seitenästen verbunden (4). Bis zur Beendigung des Experiments erhöhte sich der Trockensubstanzgehalt bis März 2015 auf 90% (Daten nicht gezeigt).

Anteil der Biomasseentwicklung (Trockenmasse) von Stielen und Blättern über die gesamte Wachstumsperiode; Werte werden in einem gleitenden Durchschnitt der 5. Balken zeigen den Standardfehler von n = 5 biologischen Replikaten.

Entwicklung des gesamten Trockensubstanzgehalts in der Sida-Biomasse während der gesamten Wachstumsperiode; Werte werden in einem gleitenden Durchschnitt der 5. Balken zeigen den Standardfehler von n = 5 biologischen Replikaten.

Kalorische Bewertung und Asche Charakterisierung

Der höhere Heizwert des Sida Biomasse als fester Brennstoff verwendet wurde , war gleich hoch für beide Proben, unabhängig von einem Einzel- oder Doppelbiomasseernte (Probe F1 gegen F2), für etwa 19,5 MJ Buchhaltung kg -1 (Tabelle 3 ). Aufgrund der deutlich höheren Biomasseertrag nach einer einzigen Biomasse Ernte, Probe F1 führte zu einem 3,6 höheren Gesamtenergieausbeute im Vergleich mit der Probe F2 (Tabelle 3 ).

Tabelle 3. Berechnete Werte für den Energieertrag von Sida Biomasse als Festbrennstoff verwendet Parameter Eine Ernte: Probe F1 Zweite Ernte: Probe F2 Einheit

Korrigierte frische Biomasse (FM c) 26.43 7.11 t ha -1

Korrigierte Trockenmassegehalt (DM c) 88 88 %

Höherer Heizwert 19,21 ± 0,18 19,61 ± 0,27 MJ kg -1

5,34 ± 0,05 5,45 ± 0,08 kWh kg -1

Heizwert (q FM) 16,62 ± 0,16 16,96 ± 0,24 MJ kg -1

4,70 ± 0,04 4,79 ± 0,07 kWh kg -1

Energieertrag (EE ha)

Insgesamt Höhere Heizwert ha -1 (q Tsha) 446 794 ± 4186 122 696 ± 1689 MJ ha -1

Insgesamt Heizwert ha -1 (q FMha) 439 266 ± 4229 120 586 ± 1706 MJ ha -1

Um zu ermitteln, ob Sida Biomasse die Anforderungen eines Festbrennstoffs nach DIN EN ISO 17225-7: 2014-09 erfüllt, haben wir den Heiz- und Heizwert, den Wasser- und Aschegehalt sowie den Gehalt an N, S und Cl analysiert, unter anderen Elementen (DIN-EN-ISO-17225-7, 2014 ). Tabelle 4 zeigt die Elementaranalyse von Sida Biomasse geerntet beide im Januar 2015 eine BBCH-Sida Entwicklungsstufe 98.

Tabelle 4. Übersicht über die DIN EN ISO Anforderungen von nonwood Biomassen für Energiezwecke als feste Brennstoffe verwendet. Elementarzusammensetzung von Sida-Biomasse, die im Januar in der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 98 geerntet wurde. Die relativen Standardabweichungen für alle Elemente betrugen für Elementargehalte von> 1% ± 3% und für Elementgehalte von <0,1% ± 20%. Die Gesamt Cl - Gehalt in der Sida Biomasse wurde nach DIN EN 15408 (DIN-EN-15408, analysiert 2011 ) Charakteristik Einheit DIN EN ISO 17225-7: 2014-09 Sida-Biomasse-Proben

F1 F2 ist

Wassergehalt m-% 12 ≤ 12 12

Aschegehalt m-% 6,0 ≤ 6 2.99 2.69

Bruttodichte g cm - ³ 0,9 ≥ 0,9

Heizwert MJ kg -1 14,5 ≥ 14,5 16,62 16,96

kWh kg -1 4.0 ≥ 4.0 4,62 4,71

Stickstoff, N. m-% 1,5 ≤ 1,5 <0,26 <0,26

Schwefel, S m-% 0,20 & le; 0,20 0,028 0,024

Chlor, Cl m-% 0,10 ≤ 0,10 0,030 0,053

Arsen, As mg kg -1 ≤ 1 <0,05 <0,05

Cadmium, Cd mg kg -1 ≤0,5 0,44 0,38

Chrom, Cr mg kg -1 ≤ 50 <50 <50

Kupfer, Cu mg kg -1 ≤ 20 2.25 2,09

Blei, Pb mg kg -1 ≤ 10 0,34 0,28

Quecksilber, Hg mg kg -1 ≤ 0,1 <0,1 <0,1

Nickel, Ni mg kg -1 ≤ 10 2.51 1.43

Zink, Zn mg kg -1 ≤ 100 <50 <50

Die kristallinen Verbindungen in den beiden resultierenden Asche beider Proben (F1 und F2) durch XRD identifizierte sind in Tabelle 5 . Die Varianz der Messung beträgt 10% (relativ). Die Aschezusammensetzung der beiden Sida-Proben ist sehr ähnlich, und beide sind stark mit Erdalkalimetall- und Alkalimetallverbindungen angereichert. Die Hauptphasen sind Calciumcarbonat, Fairchildit und Calciumhydroxyapatit, die zusammen für 87% bis 88% des Gewichts der Asche zählen. Erdalkalisilikate und -oxide wurden nur in geringen Mengen gefunden. Schwefel- und Chlorverbindungen sind wegen der geringen Schwefel- und Chlorgehalt des Ausgangsmaterials (Tabelle nicht gefunden 4 ).

Tabelle 5. Zusammensetzung der Asche in Gewichts-% , erhalten nach einer Oxidation der Sida Biomasse bei 550 ° C Verbindung Beispiel F1 Beispiel F2

CaCO 3 49 55

K 2 Ca (CO 3) 2 21 17

Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 17 16

MgO 4 Fig. 7

CaMgSi 2 O 6 4 2

SiO 2 2 2

Ca (OH) 2 2 2

CaO 1 ist 1 ist

Biogasherstellung

Die Parameter von Sida nach dem Ensilen zeigten eine erhöhte organische Trockensubstanz (oDM) und einen Trockensubstanzgehalt über die Zeit. Beispiel B2, die Biomasse aus einer einzigen Ernte resultierende im Oktober bei BBCH-Sida Entwicklungsphase 98, zeigte die höchste Trockensubstanz und organische Trockensubstanzgehalt, einem Anteil von 30,8% und 28,1%, bzw. (Tabelle 2 ).

Die Chargenprüfung der Biomasse aus den drei Ernten von Sida resultierenden zeigten unterschiedliche maximale Biogasproduktionsraten und die benötigte Zeit (Kinetik) , um die gegebenen Maxima (Abb. Zu erreichen 3 ). Die erste Biomasse im Juni bei BBCH-Sida Entwicklungsstadium geerntet 55 (Probe B1.1) erreichte einen durchschnittlichen spezifischen Biogas maximal 420 L kg -1 oTS. Die zweite geernteten Biomasse (Probe B1.2) und die Biomasse der einzige Ernte von B2, gesammelt beide im Oktober bei BBCH-Sida Stufe 91, ergab eine ähnliche spezifische maximal 260 L Biogas kg -1 oTS. Veränderungen in der Kinetik der Biogasproduktion der drei getesteten Proben können von dem vierten Tag (Fig. Beobachtet werden , 3 ).

Spezifische Standard-Biogaserträge aus Batch-Tests mit Biomassensilage aus unterschiedlichen Erntezeiten und Sida-Anlagenentwicklungsstadien. B1.1 ist Biomasse aus einer ersten Ernte bei BBCH-Sida Entwicklungsstufe 55 (Juni); B1.2 ist Biomasse aus einer zweiten Ernte von B1.1 Pflanzen bei BBCH-Sida Entwicklungsstufe 77 (Oktober); B2 ist Biomasse aus einer einzigen Ernte in der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 91 (Oktober).

Die Daten in Tabelle 6 zeigen deutlich höhere organische Trockenmasse pro Hektar in Probe B2 allein im Oktober (BBCH-Sida 91) gesammelt, verglichen mit Proben B1.1 und B1.2, die zu verschiedenen Zeiten zwei Ernten aus den gleichen Pflanzen darstellt und (Juni und Oktober, BBCH-Sida 55 und BBCH-Sida 77). Die größte spezifische Biogasausbeute wurde für Probe B1.1 gefunden. Die angegebene Methankonzentration wurde nach Literaturangaben auf Basis anderer Pflanzenbiomasse mit einem Mittelwert für die Berechnung von 53,5% berechnet.

Tabelle 6. Merkmale der drei Sida Biomassen in unterschiedlichen Wachstumsstadien geerntet und mal als Rohstoff für die Biogasproduktion als Silage getestet; EE ist Energieertrag pro Hektar; ODM ist organische Trockensubstanz Parameter B1.1 B1.2 B2

Bio - Trockenmasse (t ha -1) 12,5 ± 0,2 9,4 ± 0,2 19,0 ± 0,4

Ensilage Verlust (t ha -1) 1,1 ± 0,4 0,9 ± 0,3 beträgt 1,7 ± 0,6

Methangehalt (%) 53,5 ± 1,5 53,5 ± 1,5 53,5 ± 1,5

Biogasausbeute (m³ N t -1 oTS) 419,5 ± 26,6 269,3 ± 14,3 256,3 ± 1,3

CH 4 (m³ N t -1 oTS) 204,2 ± 16,3 131,1 ± 9,5 124,8 ± 6,2

CH 4 (m³ N ha -1) 2542,7 ± 202,7 1235,0 ± 89,4 2367,1 ± 117,5

EE (MJ ha -1) 91537,2 ± 7292,2 44460,0 ± 3218,4 85215,6 ± 4230,0

Energieausbeuteauswertung

Einen Vergleich der für die Sida Biomassen erhaltenen Energiewerte insgesamt Unter Berücksichtigung sowohl Biogas und feste Brennstoffe Beschickung Szenarien, können wir die Energieerträge in Heizöl Äquivalenten pro ha, unter der Annahme , 36 MJ pro Liter Heizöl (Tabelle berechnet 7 ). Das Szenario (i), fester Brennstoff, der aus einer einzigen Ernte der getrockneten Biomasse bei Beendigung der Pflanzenwachstumszeit (Ernte im Januar) gewonnen wurde, ergab 440 GJ, was 12 202 l Heizöl entspricht. Die Energieausbeute des Szenarios (iii) - die erste Biomasseernte für die Biogasproduktion und die anschließende zweite Ernte der für feste Brennstoffe eingesetzten Biomasse - betrug etwa 212 GJ. Das Szenario (iv) ergab 135 GJ, wenn Sida-Biomasse zwei Mal hintereinander als Biogaseinspeise genutzt wurde, während das Szenario (ii), die einzige späte Ernte nur für Biogas, die vergleichsweise niedrige Energieausbeute von 85 GJ lieferte.

Tabelle 7. Gesamtenergieertrag aus den vier untersuchten Sida Biomasse - Energienutzungsszenarien; n = 5 biologischen Replikaten, berechnet pro ha Szenario (ich) (Ii) (Iii) (Iv)

1. Ernten Sie festen Brennstoff F1 1. Biogasernte B2 1. Biogasernte B1.1 1. Biogasernte B1.1

EE ha (MJ) - - 91 022 ± 7292 91 022 ± 7292

- - 2. Ernten Sie festen Brennstoff F2 2. Biogasernte B1.2

EE ha (MJ) 439 288 ± 4229 85 215 ± 4230 120 760 ± 1706 44 460 ± 3218

Total (MJ ha -1) 439 288 ± 4229 85 215 ± 4230 211 782 ± 8998 135 482 ± 10510

Total (l Öl ha -1) 12202,4 ± 117,5 2367,1 ± 117,5 5882,8 ± 249,9 3763,4 ± 291,9

Lignocellulose-Analyse

Zur Charakterisierung Lignocellulose Sida, verfolgten wir die kristalline Cellulose - Gehalt, TFA lösliche Matrix Polysaccharide (MPS) und ACBR lösliche Lignin (ABSL) während der gesamten Wachstumsperiode (Foster et al., 2010b ). Zwei verschiedene Gewebe der Pflanzen, das heißt Hauptstamm und Blätter einschließlich Seitenästen, wurden analysiert. ABSL im Stammgewebe stieg von 8% auf ein fast konstantes Niveau von 17% ab der 20. Woche an der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 67 an. Der kristalline Cellulosegehalt stieg von 32 auf 50% von d-AIR von der zweiten bis zur achten Woche, dh der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 17-33, und blieb konstant. Die Menge an TFA-löslichem MPS variierte zwischen 12% und 20% d-AIR innerhalb des analysierten Zeitraums. In der Blattfraktion war ABSL bei etwa 5% bis Woche 16, dh BBCH-Sida 63, konstant und wurde anschließend in Woche 32 auf bis zu 15% erhöht, was BBCH-Sida 93 entspricht. Kristalline Cellulose variierte zwischen 17% und 25 % Innerhalb der ersten 16 Wochen und stieg danach bis zu 42% in Woche 32, was die BBCH-Sida Entwicklungsstadien 20-63 bzw. 93 beschreibt. TFA-lösliches MPS war in den Wochen 2 und 4 (8% bis 10%, BBCH-Sida 17 und 23) niedrig und blieb zwischen 17% und 20% bis Woche 32 (BBCH-Sida 93) konstant.

Biomasseherstellung

In unserer Studie haben wir das Wachstum der Biomasse und die Entwicklung von Sida während einer gesamten Wachstumsphase bei realen landwirtschaftlichen Bedingungen untersucht. Auch wenn Borkowska & Molas ( 2013 ) berichteten , dass Sida Biomasseertrag deutlich in den ersten 4 Jahren steigt nach Pflanzung Gründung entfielen auf unsere Werte für ca. 20 t ha -1 Biomasse Trockengewicht bei 93 im November bei einer BBCH-Sida Entwicklungsstadium geerntet. Bereits 1 Jahr nach der Gründung der Pflanzen, dieser Wert überschritten , auch die gemeldeten Werte aus früheren Studien mit einem Faktor von 1,5 bis 1,6 , wenn die Pflanzen im November in den genannten Studien als gegeben geerntet wurden (Borkowska & Molas, 2012 , Borkowska & Molas, 2013 ). Dies lässt sich mit der günstigen Feldumgebung und den günstigen Bedingungen erklären, zeigt aber auch im zweiten Jahr nach der Pflanzenzüchtung, wenn es zu günstigen Bedingungen gewachsen ist, deutlich höhere Biomasseerträge von Sida. Wenn sie jedoch als fester Brennstoff verwendet wird , einen hohen Trockensubstanzgehalt wird bevorzugt , die Energieausbeute der Biomasse zu erhöhen und teure Trocknungsverfahren vor der Lagerung (Borkowska & Molas, zu vermeiden , 2013 ). Deshalb empfehlen wir , eine Biomasse Ernte des getrockneten Sida stammt nur im Frühjahr, vor dem Nachwachsen der Pflanzen, da das getrocknete Stammmaterial , das frei von Blättern (Borkowska & Molas, ist 2013 ) und besitzt den höchsten Gehalt an Lignin und Zellulose , wie unten beschrieben.

Der hohe Standardfehler in der Biomasse-Ausbeute während der experimentellen Wachstumsperiode wird der hohen Variation des Phänotyps der Sida-Pflanzen zugeschrieben, da diese Pflanze ein Wildtyp ist und in ihrer individuellen Biomasseausbeute stark variiert. Ein Versuch, die Pflanzen zu züchten, kann zu einem homogeneren Pflanzenwachstum und Gesamtaussehen mit ähnlichen Biomasseausbeuten führen. Darüber hinaus kann unter Berücksichtigung Sida als eine viel versprechende Lignocellulose - Biomasse - Anlage für Energieanwendungen und molekulare Züchtungsaktivitäten verbessern zukünftige Anwendungen als zweite Generation Bioenergie Ernte (Allwright & Taylor, 2015 ).

Die veröffentlichten Daten über Sida haben die Erntezeit und die jeweilige Entwicklungsphase nicht ausreichend berücksichtigt, was einen detaillierten Vergleich zwischen den Daten ziemlich vage macht. Der in den Hintergrundinformationen (Tabelle S1) genannte BBCH-Sida-Entwicklungscode ermöglicht eine Schätzung der Biomassezusammensetzung unabhängig vom Standort und den Umwelteinflüssen. Dies wird zukünftige Vergleiche zwischen den geernteten Sida Biomassen und deren zielgerichtete Anwendung als Rohstoff für Energie oder andere industrielle Anwendungen, zum Beispiel Fasern für die Papierindustrie oder als Rohstoff für chemische Anwendungen (Bogusz et al ermöglichen. 2015 ; Grande et al., 2015 ).

Zellwandzusammensetzung

Sida-Lignocellulose wurde über die gesamte Wachstumsperiode durch Bestimmung eines Satzes von Standardparametern, die eine deutliche Unterscheidung von primärem Wachstumsgewebe (primäre Zellwände) und adultem Gewebe (sekundäre Zellwände), gekennzeichnet durch höhere ABSL- und kristalline Cellulosewerte, beobachtet. Auch die Veränderung der Zusammensetzung des TFA-löslichen MPS in zum Beispiel der Blattfraktion zeigt die Bildung von mehr Erwachsenengewebe zwischen den Wochen 16 und 32, dh der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 63 bzw. 93 ( Tabelle S1, Hintergrundinformationen). Die gesamte Entwicklung der sekundären Zellwänden und damit die steigenden Mengen an Zellulose und Lignin sind im Einklang mit früheren Beobachtungen (Borkowska et al., 2009 ; Borkowska & Molas, 2012 ). Allerdings ist ein direkter Vergleich verschiedener Ligninwerte aufgrund von Unterschieden im Bestimmungsverfahren und unbekannten Kultivierungsbedingungen oft schwierig. Innerhalb dieser Studie wurde eine ABSL-Bestimmung verwendet, um eine hohe Durchsatzmessung zu ermöglichen. Nichtsdestoweniger ist die beobachtete Ligningehalt in voll entwickelte Pflanzen vergleichbar mit früheren Studien mit anderen Methoden wie Klason - Bestimmung (Michalska et al., 2012 ). Entschlossen Cellulose und MPS Ebenen sind in Einklang mit früheren Beobachtungen (Michalska et al., 2012 ) , obwohl gemessen Cellulose in unserer Studie spiegelt nur die kristallinen Teil und nicht Holocellulose, eine insgesamt hohe Kristallinität in Sida Cellulosefasern hindeutet. Die Korrelation des etablierten BBCH-Sida-Codes mit den biochemischen Eigenschaften des Pflanzenmaterials ermöglicht eine gezielte Ernte-Strategie für eine maßgeschneiderte Nutzung von Sida-Biomasse.

Energieertrag

Fester Brennstoff

Die Analyse der Sida Biomasse ergeben , das hohe Potenzial als fester Brennstoff erfülle alle Richtlinien nach DIN EN ISO 17225-7: 2014-09 (Tabelle 4 ) (DIN-EN-ISO-17225-7, 2014 ). Wie in unserer Analyse gezeigt, entfielen auf den Energiegehalt der Sida Biomasse für etwa 19 MJ kg -1 Trockenmasse. Dieser Messwert wird in Übereinstimmung mit dem Wert in einer früheren Studie für die Berechnung der Verbrennungswärme verwendet (Borkowska et al., 2009 ) und ist weiter im Einklang mit den Werten von Miscanthus als weiteren wichtigen mehrjährigen Energiepflanzen gewonnen (Baxter et al. , 2014 ). Die Gesamtenergieertrag für Sida als fester Brennstoff Konten für einen Heizwert von 446 GJ ha -1 (unterer Heizwert: 440 GJ ha -1) im zweiten Jahr nach der Gründung des Feldexperiment. Wie bereits berichtet, erhöhte sich die Sida Ertrag auch im vierten Jahr nach der Gründung (Borkowska & Molas, 2013 ). Der Energiewert in unserer Studie erhalten wird , ist sogar um 22% höher als die Werte einer früheren Studie von der vierten bis sechsten Jahr nach Anlagenaufbau (Borkowska & Molas, 2012 ) und sogar 168% höher , wenn sie mit einem 4-Jahres - Durchschnitt im Vergleich Energieertrag von Sida in einem leichten Böden kultiviert (Borkowska et al., 2009 ). Da keine Düngemittel in unserer Studie angewandt wurden, könnten diese höheren Werte des höheren Schluff und C org Gehalt sowie einen höheren Boden - pH - Wert unter anderen Umweltfaktoren zurückgeführt werden , die in unserem Feldversuche von Vorteil für die Gesamtanlagenleistung waren.

Obwohl die Proben von F1 im Vergleich zu F2-Proben leicht höhere Werte von Schwermetallen wie Cd, Cu, Pb und Ni aufwiesen, entsprechen die ermittelten Werte immer noch den DIN-Richtlinien. Obwohl Sida Pflanzen die Fähigkeit zum Ausdruck bringen , Schwermetalle zu akkumulieren, sind die erfassten Werte niedrig und muss auf die längere Vegetationsperiode von F1 Biomasse (Borkowska & Wardzinska, zurückzuführen 2003 ). Allerdings waren unsere Daten deutlich niedriger im Vergleich mit Daten aus Sida auf kommunalem Klärschlamm Kompost angebaut und High-Kalzium Braunkohlenasche (Krzywy-Gawronska, 2012 ) und wurden in Übereinstimmung mit den Anforderungen der DIN EN ISO 17225-7: 2014- 09 als biogener Festbrennstoff eingestuft werden (DIN-EN-ISO-17225-7, 2014 ).

Die Anwesenheit von Cl und S in fester Biomasse, die für die Verbrennung verwendet wird, ist aufgrund ihres hohen Korrosionspotentials in den Öfen entscheidend. Die Werte von Cl und S in der analysierten Sida-Biomasse lagen unter den in der Norm DIN EN ISO 17225-7: 2014-09 festgelegten Höchstwerten für feste Biomasse-Kraftstoffe, so dass Sida-Biomasse ein vielversprechender Kandidat als nachhaltiger Energieträger für die Verbrennung ist ( DIN-EN-ISO-17225-7, 2014 ).

Ascheanalyse

Ziel der Untersuchung war die Charakterisierung der Aschezusammensetzung und die Bestimmung der Ascheschmelztemperatur des vielversprechenden Festbrennstoffs Sida. Die Menge der Asche nach der Verbrennung von Biomasse einen Anteil von 2,7% auf 3,0%, was in einer anderen Studie an Sida (Michalska et al., Berichtet niedriger als die 3,6% Wert 2012 ), der zu einem anderen Entwicklungsstadium des verwendeten zurückzuführen sein könnte Pflanzen-Biomasse. Jedoch sind die erhaltenen Aschewerte in der gleichen Größenordnung wie für zahlreiche Holz und holzigen Biomassen (Vassilev & Baxter, beschrieben 2010 ) und für Miscanthus, die auch als eine wertvolle Energiepflanzen für die Verbrennung (Baxter et al früher., 2012 ). Die Analyse der Sida-Asche zeigte, daß beide Proben nicht bei 1500ºC schmelzen, was die maximale Temperatur ist, die in dem von uns verwendeten Heißstufenmikroskop erreichbar ist. Die Erklärung für die hohe Schmelztemperatur Sida Asche im Prinzip mit einer hohen Schmelztemperatur auf die Menge der Verbindungen auf der Basis (Misra et al., 1993 ; Wang & Dibdiakova, 2014 ). Dies ist auf den hohen Gehalt an CaCO 3, die CaO mit einer Schmelztemperatur von 2580 ° C zersetzt. Die Zersetzung des Carbonats beginnt zwischen 650 und 900 ° C. Zusätzlich, K 2 Ca (CO 3) 2 zersetzen, um die Menge der hochschmelzenden Verbindungen zu erhöhen. Weiterhin wurden niedrigschmelzende Kaliumsilikatverbindungen aufgrund der unbedeutenden Menge an Kieselsäure in der Asche nicht gebildet. Wie gezeigt, ist die chemische Zusammensetzung von Sida für die Verbrennung im Vergleich zu krautiger Biomasse günstig, weil der Mineralgehalt mit einem hohen Schmelzpunkt viel höher ist, was zu einem vergleichsweise höheren Schmelzpunkt der Asche führt. Daher sollten Probleme, die mit dem Ascheschmelzen zusammenhängen, zum Beispiel Schlacken oder Bettagglomeration, für Sida weniger signifikant sein, wie in dieser Studie gezeigt wird. Im Allgemeinen ist das Aschenverhalten von Sida eher auf die für die Verbrennung verwendete holzartige Biomasse bezogen, wobei angenommen wird, dass eine Substitution von Holzverbrennungssystemen mit Sida-Biomasse sinnvoll erscheint.

Biogasherstellung

Um zu ermitteln, ob die Energieausbeute der Sida-Biomasse durch zahlreiche Ernten für feste Brennstoffe und Biogaseinspeisen verbessert werden konnte, untersuchten wir die Sida-Biomasse aus zwei verschiedenen Entwicklungsstadien der Pflanzen in Batch-Tests. Der erste Schnitt von Sida im Juni in einem Entwicklungsstadium BBCH-Sida 55 (Probe B1.1) angezeigt mit einem Trockensubstanzgehalt von 20% von rund 90% organischer Trockensubstanz aus, die mit Gras - Silage (Michalska et al vergleichbar ist. , 2012 ). Der zweite Schnitt der Biomasse in der Entwicklungsstufe 77 (Probe B1.2) zeigte einen höheren organischen Gehalt aufgrund einer erhöhten Verholzung der Biomasse. Die aus einer einzigen Ernte zur Biogasproduktion in der Entwicklungsstufe 91 gewonnene Probe B2 zeigte den höchsten organischen Gehalt. In den Anfangsphasen der Entwicklung des Sida Pflanze, eine hohe Menge an Kurz Molekül Biomasse wie Cellulose entwickelt wird , zu komplexeren organischen Verbindungen wie Hemicellulose und Lignin führende Stabilität zu erreichen (Hendriks & Zeeman, 2009 ). Daher kann die unterschiedliche organische Pflanzengewebszusammensetzung mit der höheren Biogasausbeute von B1.1 in Verbindung gebracht werden, die in einer viel früheren Entwicklungsstufe im Vergleich zu der Biogasausbeute der Proben B1.2 und B2, die im Oktober in einem Entwicklungsstadium von 77 geerntet wurden, abgetastet wurde 91 bzw. (Fig. 4 ). Lignin als ein komplexes Polymer besteht aus drei verschiedenen phenolischen Monomeren , die schwer für Mikroorganismen zur Hydrolyse und scheinen ein Inhibitor für die Biogasproduktionsprozesses zu sein, die Begrenzung der Verdaulichkeit (Hendriks & Zeeman, 2009 ).

Lignocellulose-Analyse der geernteten Sida-Pflanzen. AcBr-lösliches Lignin (ABSL), TFA-lösliche Matrixpolysaccharide (MPS) und kristalliner Cellulosegehalt sind dargestellt. Die Werte stellen den Mittelwert von 5 biologischen Replikaten dar. Nach der Woche 32 wurden Sida-Pflanzen entlaubt; Daher wurden keine Blätter von diesem Punkt geerntet. Die Stammzellvergiftung wird in Woche 20 (ca. 17% d-AIR) abgeschlossen, während der Ligninspiegel bis zum Entblättern (ca. 14% d-AIR) in der Blattfraktion steigt. Balken zeigen die Standardabweichung von 5 biologischen Replikaten an.

Wie angegeben, enthält die Probe B1.1 die geringste Menge an Lignin, Cellulose und Hemicellulose und zeigt die höchste Biogasproduktionsrate nach 25 Tagen. Im Vergleich dazu zeigte die Probe B2 den höchsten Gehalt an Lignin, Cellulose und Hemicellulose, was zu einer gehemmten Biogasproduktion führte. Wie von Brown et al. (Brown et al., 2012 ) unter Verwendung verschiedener Lignocellulose - Biomasse in flüssigen anaeroben Vergärung, hat die Methanproduktion eine inverse lineare Beziehung mit dem Ligningehalt (Pokój et al., 2015 ). Wie ferner durch Pokój gezeigt et al., Sida Silage als Biogas - Einsatzmaterial aus Biomasse in der gleichen Entwicklungsstadium geerntet wurden getestet , wie in unserer Studie (55 BBCH-Sida Entwicklungsstadium, dh Blütephase) verwendet zeigte etwa eine Lignin - Entfernungseffizienz von 45% und eine Gesamt organics Entfernungsrate von etwa 65% (Pokój et al., 2015 ). Wie jedoch in der Studie von Pokój abgeschlossen et al., Ligningehalt ist ein unzureichendes Kriterium die Methan - Produktion zum Abschätzen.

Wie ferner in einer Studie von Michalska demonstriert et al., ( 2015 ), chemische und enzymatische Vorbehandlung von Sida Biomasse in einer erhöhten Biogasproduktion von 316 L kg ergab -1 Gesamtfeststoffe, Interessanter einen Methangehalt von 200 L. gleich unsere Ergebnisse eine Biogasproduktion aus Sida Silage von etwa 420 L kg ergab -1 organischer Trockensubstanz für Probe B1.1 und etwa 269 und 256 L kg -1 organischer Trockensubstanz für Proben B1.2 bzw. B2. Diese Werte entsprechen einem Methangehalt von 204, 131 und 124 L kg -1 organischer Trockensubstanz jeweils innerhalb der gleichen Zeit der Inkubation. Diese Werte entsprechen auch einer früheren Studie mit frischen Sida Biomasse für die Biogasproduktion bei mesophilen Bedingungen (DEBOWSKI et al., 2012 ). Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Sida-Biomasse-Ernte in der BBCH-Sida-Entwicklungsstufe 55 nach einer gründlichen Homogenisierung und Sicherstellung der Biomasse die Biomasse von Sida zu einem vielversprechenden Kandidaten für Biogas-Rohstoffe macht.

Wir haben gesehen, dass die vier Energienutzungsszenarien die höchste Energierückgewinnung für das Szenario (i) (fester Brennstoff) für die Energieerzeugung, von 439 288 MJ ha -1. Die Energierückgewinnung der vier Szenarien von bis zu später ist wie folgt: Szenario (i) >> (iii) (erste Biomasse für Biogas, spätere Ernte verwendet als Festbrennstoff: 211 782 MJ ha -1) >> (iv) (zwei mal Biomasse Ernte Entwicklungsstadium 55 und 77, jeweils für Biogas: 135 482 MJ ha -1)> (ii) (eine Ernte für Biogas nur bei Pflanzenentwicklung Stufe 91: 85 215 MJ ha -1). Obwohl das Szenario (iii) in etwa der Hälfte des Energieertrags des Szenarios (i) entstand, ist die flexible Anwendung der Sida-Biomasse als Biogas-Einsatzmaterial bei der Ernte an der BBCH-Sida-Stufe 55 ein Mehrwert. Wie sehr die Energieerträge bei früheren oder späteren Ernten bei verschiedenen Anlagenentwicklungsstufen erhöht werden könnten, bedarf einer weiteren Untersuchung. An dieser Stelle bleibt unklar, inwieweit die Zwischenerzeugung von Sida-Biomasse durch die Unterbrechung der natürlichen Pflanzenentwicklung zu einer nachhaltigen Produktion und einer kontinuierlichen Ausbeute in den Folgejahren führen kann. Allerdings Ernte des getrockneten Sida Biomasse bei BBCH-Sida 98-99 ermöglicht sowohl eine maximale Energieausbeute und geringere Auswirkungen auf die lebenden Pflanzen, die sich über Jahre in einer nachhaltigen Versorgung mit Sida Biomasse führt (Borkowska et al., 2009 ; Borkowska & Molas, 2012 ). Die errechneten Energieerträge für die Sida-Biomasse berücksichtigen keine notwendigen Energieinvestitionen für die Errichtung, Instandhaltung und Ernte der Biomasse der Anlage. Daher geben gegebene Energiewerte den möglichen Energieertrag in Abhängigkeit von dem aus unseren Messungen gewonnenen Nutzungsszenario.

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