Anaerobní digesce slunečnice topinambur (Helianthus tuberosus L.)

Bc. Miloslav Imlauf

Master's thesis

Anaerobic digestion of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.)

Abstract:

Anaerobní digesce je kaskáda procesů vedoucích k tvorbě bioplynu jako hlavního produktu, přičemž vzniká jako vedlejší produkt digestát. Digestát je možné využít jako hnojivo, ale nabízí celou řadu dalších možností využívání. Nejvyužívanější plodinou k produkci bioplynu je kukuřice setá (Zea mays L.), s jejímž pěstováním jsou spojeny problémy s udržitelností půdní úrodnosti. Je proto třeba hledat alternativní plodiny pro produkci bioplynu. Jako jedna z alternativ byla vybrána slunečnice topinambur (Helianthus tuberosus L.), která je vhodná do všech systémů hospodaření a většiny výrobních oblastí České republiky. V literární části se tato práce soustředila na popis procesu anaerobní digesce, podmínky průběhu a její využití pro produkci bioplynu a digestátu jako vedlejšího produktu. Zároveň je anaerobní digesce i pěstování slunečnice topinambur, jako nenáročné a zdraví prospěšné rostliny, zhodnoceno z pohledu ekologického zemědělství. Ostatní plodiny vhodné pro produkci bioplynu jsou hodnoceny zároveň z pohledu anaerobní digesce i vhodnosti do ekologického zemědělství. Experimentální část práce se zabývala porovnáním různých částí rostlin slunečnice topinambur v různých metodách předúpravy s konvenčně pěstovanou nadzemní biomasou kukuřice seté v plné zralosti při jejich využití v produkci bioplynu procesem anaerobní digesce. Vlastní experiment probíhal během 58 dnů za využití vsázkových (tzv. batch) testů, které slouží k odhadům produkce bioplynu a methanu. Kromě produkce bioplynu bylo sledováno zastoupení methanu a řada dalších parametrů (pH, koncentrace mastných kyselin, koncentrace amoniakálního dusíku, chemická spotřeba kyslíku a degradace biomasy). U vlastního materiálu biomasy byla dále provedena analýza prvkového složení (C, N, S, H), umožňující odhad vlastností vhodných pro anaerobní digesci. Nejvyšších výtěžků bioplynu a methanu bylo dosaženo u hlíz topinamburu (618,6 až 748,2 ml bioplynu z g sušiny; 411,3 až 507,9 ml methanu z g sušiny). Nadzemní biomasa topinamburu produkovala 363,4 až 445,2 ml bioplynu z g sušiny; 233,7 až 288,4 ml methanu z g sušiny. Kukuřice v plné zralosti dosahovala výtěžků 640,4 ml bioplynu z g sušiny; 389,8 ml methanu z g sušiny. Účinnou metodou předúpravy se ukázalo být mražení a to pro hlízy topinamburu a sušení pro nadzemní biomasu topinamburu.

Abstract:

Anaerobic digestion is a cascade of processes leading to the production of biogas as a main product, while, as a by-product, the digestate is created. Digestate can be used as a fertilizer as a one of many options. Maize (Zea mays L.) is currently the most utilized crop for biogas production, while there are many issues connected with its cultivation and soil fertility. Alternative crops could be a new possibility for biogas production. One of these alternatives could be Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.), suitable for all agriculture systems and agricultural conditions of Czech republic. Literary part of this thesis is focused on a description of anaerobic digestion processes, conditions, utilization for biogas and digestate production. Anaerobic digestion and Jerusalem artichoke cultivation, as an undemanding and health beneficial plant, are evaluated from the point of view of organic farming. Other crops suitable for anaerobic digestion are evaluated for organic farming as well. Experimental part of this thesis compares above-ground (leaves and stems) and below-ground (tubers) biomass of Jerusalem artichoke in different pretreatment methods with above ground biomass of full ripeness maize in anaerobic digestion for assesing the biogas and methane potential of these crops. The experiment itself was taking place during 58 days in the form of batch tests, which serve as a estimation for biogas and methane production. In adition to batch tests, further analysis (pH, concentration of fatty acids, concentration of ammonia ions, chemical oxygen demand and biomass degradation) were made to evaluate closer interactions in the anaerobic digestion process itself. Input biomass was analyzed for C, N, S, H contents, to estimate proprieties of biomass suitable for anaerobic digestion. The highest biogas and methane yield was messured in Jerusalem artichoke tubers (618,6 to 742,8 ml of biogas per g of dry matter; 411,3 to 507,9 ml of CH4 per g of dry matter). Stems and leaves of Jerusalem artichoke produced 363,4 to 445,2 ml of biogas per g of dry matter; 233,7 to 288,4 ml of CH4 per g of dry matter. Maize harvested in full ripeness produced 640,4 ml of biogas per gram of dry matter and 389,8 ml of methane per gram of dry matter. Freezing was determined to be an effective pretreatment on Jerusalem artichoke tubers, while drying was especially effective on Jerusalem artichoke stems and leafs.

Keywords

anaerobní digesce, bioplyn, methan, batch test, ekologické zemědělství, slunečnice topinambur

Keywords

anaerobic digestion, biogas, methane, batch test, organic farming, Jerusalem artichoke

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Organic Farming / Organic Farming