Fenomén slama

Problematika racionálneho využitia rastlinnej biomasy je  mimoriadne aktuálna a tvorí súčasť alternatívnych postupov efektívneho zhodnotenia slamy. Osobitne je aktuálne spracovanie lignocelulózových substrátov s cieľom výroby produktov s vyššou pridanou hodnotou (Naše pole č. 8/2018, rozhovor s generálnym riaditeľom Envien Group Matejom Sabolom).

 Uvedená problematika predstavuje globálny celosvetový trend využitia obnoviteľných zdrojov biomasy. Tým, že viac ako polovica celkového uhlíka biosféry je prítomna v celulóze fytomasy, sa orientuje pozornosť biotechnológov na hľadanie produkčných kmeňov (húb a baktérií) schopných hydrolýzy vlákniny. Veda nachádza príklady v prírodných procesoch, v ktorých sa účinne uskutočňuje využitie organického uhlíka celulózových substrátov. Medzi takéto príklady patrí predovšetkým hydrolytická aktivita bachorovej mikroflóry polygastrov, ale aj schopnosť viacerých rodov a druhov baktérií a húb. Mimoriadne podnetné poznatky prof. RNDr. Petra Bieleho, DrSc. (Chemicky ústav SAV, Bratislava) poukazujú na ďalšie perspektívne zdroje výkonných celulolytických enzýmov použiteľných pre praktické aplikácie.   

Kľúčovým problémom efektívneho využitia slamy je rozpracovanie ekonomicky prijateľnej biotechnológie enzymatickej hydrolýzy ťažko hydrolyzovateľných C₆ a C₅ sacharidových polymérov na štiepne produkty monosacharidov pre ich praktické využitie. V spomínanom príspevku získal čitateľ informáciu o tom, že  spoločnosť Enviral a.s. od roku 2020 predpokladá spracovaním 350 tis. ton obilnej slamy realizovať výrobu 50 tis. ton etanolu. Podľa prepočtov liehovarníkov (Ing. Július Forsthoffer) existuje funkčný vzťah medzi obsahom glukózy a finálnym produktom alkoholového kvasenia – etanolom, ktorý je definovaný pomerom 1 : 0,51. Z uvedeného je evidentné, že produkcia 50 tis. ton etanolu vyžaduje pripraviť enzymatickou hydrolýzou celulózového komplexu slamy približne 100 tisíc ton glukózy. Naplnenie tejto úlohy je mimoriadne zložité a je podmienené nedostatočnou hydrolyzovateľnosťou ligno – celulózového komplexu, ktorá je základnou organickou substanciou rastlinnej fytomasy.

S ohľadom na závažnosť problematiky, ktorá bezprostredne súvisí s hospodárením na pôde a dotýka sa mnohých pestovateľov, pokladám za aktuálne zaujať stanovisko na niektoré čiastkové otázky súvisiace s realizáciou projektu.

 

1. Agronomický význam slamy

Hodnotenie významu slamy a hľadanie efektívnych spôsobov jej využitia vždy vyvolávalo rozdielne názory, ktoré boli závislé od reálnych zdrojov tejto suroviny. Kým u pestovateľov s vysokou produkciou vznikali problémy z nadbytku, naproti tomu u pestovateľov s jej nedostatkom vznikali náklady na substitúciu slamy. V minulosti sa roľník nikdy nezbavoval slamy a vždy našiel efektívny a užitočný spôsob jej využitia a zhodnotenia. V roľníckych hospodárstvach slama nachádzala všestranné využitie ako krmivo, podstielka v chove HZ a organický komponent maštaľného hnoja. V podhorských regiónoch, kde bol absolútny nedostatok slamy, bolo rozšírené na podstielku využívať bukové lístie ako náhradný zdroj rastlinnej suroviny. Slama ako kŕmny komponent (zdroj uhlíka pre bachorovú mikroflóru) vo výkrme polygastrov je nenahraditeľná.

I napriek uvedenému sa stretávame s názormi, ktoré posudzujú slamu za nepotrebný a nevyužiteľný substrát. Pre pestovateľa slama vždy bola a je vzácny biologicky produkt, jej tvorba vyžadovala spotrebu slnečnej energie, živín a vody z pôdy a hnojiva. Slama vo forme hnoja alebo kompostu sa musí vrátiť do pôdy, ktorá je výdatným zdrojom uhlíka pre pôdne mikroorganizmy a tvorbu humusu. I napriek tomu treba konštatovať, že využitie slamy na výrobu produktov s vyššou pridanou hodnotou vrátaeé fermentačnej prípravy etanolu, eventuálne kŕmnych bielkovín predstavuje ekonomicky efektívne zhodnotenie rastlinnej biomasy.

 

2. Látkové zloženie rastlinnej biomasy

Dominantným organickým komponentom slamy je celulóza, ktorá s hemicelulózou, lignínom, pektínovými latkami, lipidmi a minerálnymi latkami vytvára mimoriadne stabilnú stavebnú štruktúru bunkovej steny rastlinných buniek. Celulózové vlákna bunkovej steny sú zreteľne viditeľné na obr. 1.

 

 

Molekula celulózy je zložená z okolo 15 tis. D-glukózových zvyškov (glukan) pospájaných(1→4) glykozídovými väzbami. I napriek hydrofílnej povahe, celulóza nie je vo vode rozpustná, jej lineárne vlákna sú vystužené lignínom a hemicelulózou a tým vzniká veľmi pevná stavebná štruktúra, ktorá je odolná voči enzymatickej hydrolýze.

V pšeničnej slame na obsah C₅ a C₆ polymérov celulózy a hemicelulózy pripadá okolo 45 – 85 %. Teoreticky môžu byť konvertované na metabolizovatelné sacharidy (glukózu a xylózu) a následné na etanol. Molekulárne zloženie polysacharidov slamy je reprezentované predovšetkým celulózou (30 – 45 %), ktorá je C₆ homopolymérom, zloženým z molekúl ß-D-glukózy vo forme disacharidu celobiózy. Ďalším komponentom je hemicelulóza (15 – 35 %), ktorá je C₅ polymérom zloženým z galaktózy a xylózy a vyznačuje sa nižším stupňom polymerizácie a molekulovej hmotnosti ako celulóza. Obsah lignínu je 5 – 20 %, ktorý je mimoriadne odolný voči hydrolytickým enzýmom, avšak je významným komponentom pôdneho humusu, kde tvorí štruktúrnu matricu humusu.

Celulózový komplex slamy z hľadiska stupňa hydrolyzovateľnosti (vyjadrený podielom hydrolyzovateľnosti) je zložený z nasledovných štruktúrnych komponentov:

• ľahko hydrolyzovateľné: hemicelulóza a pektínové látky (15 – 40 % podiel),
• ťažko hydrolyzovateľné: celulóza a časť hemicelulózy (25 – 50 % podiel),
• nehydrolyzovateľné: lignín 5 – 20 % podiel (fenolový polymér aromatickej štruktúry).

Prvkové zloženie pšeničnej slamy je nasledovné: uhlík – 45,6 %, vodík – 5,8 %, kyslík – 42,2 %, dusík – 0,48 %, síra – 0,08 %, chlór – 0,19 %. Hydrolyzát slamy obsahuje nasledovné látky: glukóza, arabinóza, galaktóza, xylóza, furfurol, dextríny, vit. D, karotén a minerálne látky: Mg, Fe, Zn, Na, Mn, Co, V. Obsah minerálnych látok (makro a mikroživín) v slame, výpalkoch (tekuté hnojivo) a maštaľnom hnoji je uvedený v tab. 1 a 2.

 

Tab. 1: Obsah minerálnych látok v základnej surovine a produktov jej spracovania.

	Obsah v %
Substráty:	N	P	K	Ca	Mg
pšeničná slama	0,5	0,09	0,7	0,25	0,11
maštaľný hnoj	0,45	0,09	0,5
výpalky	1,5	0,09 – 0,12	3,3 – 4,4

 

Tab. 2: Obsah niektorých  mikroelementov v mg/kg substrátu.

	mg/kg
Substráty:	B	Cu	Mn	Mo	Zn
pšeničná slama	5	3	30	0,4	40
maštaľný hnoj	0,2 – 0,5	7 – 15	50 – 120	0,2 – 0,5	30 – 40

 

3. Fermentačné spracovanie slamy

Technológia spracovania slamy je mimoriadne zložitá, čo nakoniec vyplýva aj zo zjednodušenej predstavy pracovných operácií:

a/ zvoz suroviny a jej skladovanie,
b/ mechanická úprava substrátu spojená s jej drvením,
c/ termická úprava, ktorá je energeticky veľmi náročná,
d/ enzymatická hydrolýza(komplexom celuláz) ťažko hydrolyzovateľného lignocelulózového komplexu s cieľom konverzie celulózy a hemicelulózy na metabolizovatelné sacharidy (glukózu a xylózu),
e/ mikrobiálna konverzia sacharidov na etanol,
f/ úprava produktov (etanolu a výpalkov) a ich skladovanie.

Náklady spojené s realizáciou uvedených postupov si vyžadujú doplniť o náklady na produkčný kmeň a „know how“ technológie.

Ústredným problémom, ktorý rozhodne o ekonomickej úspešnosti projektu, je zvládnutie účinnosti enzymatickej hydrolýzy celulytického komplexu. Predovšetkým je žiaduce, aby produkčný kmeň obsahoval polyenzýmový celulázový komplex zložený z nasledovných enzýmov:

• endo-1,4-ß-D-glukanázy,
• exo-1,4–ß–D-glukanázy,
• exo-1,4-ß–glykozidázy-celobiázy(ß-D-glukozid-glukohydroláza).

Pôsobením endoglukanáz vznikajú štiepne produkty C₆  a C₅   oligosacharidov rôzneho stupňa polymerizácie a disacharid celobióza. Oligosacharidy a celobióza sa ďalej exoglukanázou a celobiázou štiepia na glukózu a xylózu. Rýchlosť a účinnosť hydrolýzy je závislá predovšetkým od štruktúry celulózy (stupeň kryštalizácie a špecifického povrchu celulózy),  druhovej i odrodovej skladby plodín a podmienok ich pestovania. Medzi ďalšie faktory patria podmienky submerznej kultivácie ako pH a iónová sila média, prítomnosť inhibítorov, typ celulózy (amorfná, kryštalická), substrátová špecifita enzýmov, účinnosť transglykozylácie a prítomnosť rôznych izoenzýmových foriem endoglukanáz.

 

 

Plánovaná (v príspevku uvedená) ročná výroba 50 tis. ton etanolu vyžaduje prípravu minimálne 100 tis. ton glukózy. Keď vychádzame z teoretickej predstavy, že priemerný obsah celulózy a hemicelulózy v slame dosahuje okolo 70 %, potom 350 tis. ton slamy aproximatívne zodpovedá 245 tis. ton komplexu celulózy a hemicelulózy. Za predpokladu 50 % účinnosti enzymatickej hydrolýzy to predstavuje 100- 120 tis. ton glukózy, čo je ekvivalentné 50 tis. ton etanolu (pri 100 % výťažnosti). Uvedená kalkulácia je iba teoretická a je zaťažená chýbajúcimi základnými údajmi látkového zloženia,  ktoré môže byť veľmi variabilné a závislé od botanického druhu plodín, odrody, podmienok pestovania, ale aj účinnosti enzymatickej hydrolýzy a výťažnosti alkoholového kvasenia. Okrem základného produktu – etanolu – spracovaním slamy vzniká vedľajší produkt – výpalky, ktoré môžu byť využité ako organické dusíkato – draselné hnojivo. Z výsledkov uvedených v tab. 1 vyplýva, že obsah dusíka a draslíka vo výpalkoch značne presahuje priemerné hodnoty maštaľného hnoja, a preto môže byť využitý ako organické hnojivo.          

 

4. Záverečné stanovisko

a/ I napriek nedostatočným informáciám je potrebné pozitívne hodnotiť zámery na fermentačné spracovanie slamy, ktoré predstavujú praktickú realizáciu snáh mnohých biotechnológov na efektívne využitie celulózových substrátov. Avšak reálnosť projektu vnímam iba v teoretickej rovine. Predmetná technológia nie je schopná konkurovať výrobe založenej na spracovaní relatívne dobre hydrolyzovateľného škrobu zrna kukurice. Zložitosť výrobného procesu vyvoláva určité pochybnosti o ekonomickej reálnosti realizácie projektu bez domácich a európskych dotácií.

Zverejnená informácia (NP 8/2018) neuvádza viaceré základné údaje, ktoré rozhodujú o ekonomike výroby, najmä rentabilite a  návratnosti vložených investícií. Chýbajú podklady o cene, za ktorú sa bude uskutočňovať výkup slamy a predaj výpalkov – tekutého hnojiva. Je potrebné si uvedomiť, že neúplné údaje môžu viest aj ku nesprávnym záverom. Nie je známa ani účinnosť enzymatickej hydrolýzy sacharidových polymérov, výťažnosť metabolizovatelných sacharidov a etanolu, obsah sušiny vo výpalkoch, obsah jednotlivých chemických foriem dusíka, hodnota uhlíka a pomer C:N v organickom hnojive.    

b/ Taktiež treba zvážiť reálnosť dlhodobej perspektívy výroby etanolu pre aditiváciu benzínu. Celosvetový trend rozvoja automobilového priemyslu, ktorý je cielene zameraný na vývoj nových technických systémov, najmä hybridných motorov, elektromobilov, ale aj spaľovacích systémov na báze vodíka, čo perspektívne vytvorí reálny stav značného poklesu spotreby benzínu. Preto výroba etanolu pre potreby jeho aplikácie do benzínu perspektívne sa stane nereálnou. Na základe uvedeného sa prihováram na realizáciu výroby kŕmnych mikrobiálnych bielkovín a biologicky aktívnych látok vrátane vitamínov, pre potreby živočíšnej výroby. Vychádzam z reálneho stavu domácej produkcie živočíšnych produktov a deficitu nutrične hodnotných bielkovinových substrátov pre výkrm HZ. V tomto kontexte, okrem submerzných technológií je aktuálne rozpracovať a aplikovať aj „solid state“  technológie pre potreby produkcie biologicky hodnotných látok.

c/ Prezentované environmentálne prínosy v úspore 115 tis. ton CO₂ pri aplikácii etanolu (90 % efekt) oproti benzínu nepokladám za relevantné. V prípade, že nie je zabezpečená utilizácia CO₂, potom treba rátať s reálnymi emisiami okolo 99 tis. ton oxidu uhličitého uvoľňovaného do prostredia, ktorý vzniká v procese alkoholového kvasenia.

Názory na aditiváciu benzínu etanolom sú založené na špekulatívnej predstave náhrady deficitu fosílnych zdrojov energie a menej na ekologickom efekte etanolu ako paliva.  Predstavy o ekologickom efekte etanolu nie sú jednoznačné, čo vyplýva aj z výsledkov Kalifornskej univerzity v Berkeley (USA) zverejnených v čas. Science. Z týchto výsledkov  vyplýva, že náhrada benzínu tzv. bioetanolom síce spôsobila zníženie emisií skleníkových plynov o 13 %, avšak zvýšila sa celková spotrebu paliva vzhľadom na nižšiu energetickú výkonnosť etanolu, čo nakoniec spôsobilo absolútne zvýšenie aj emisií skleníkových plynov, ale aj náklady na palivo. Prvé pokusy s aplikáciou etanolu do paliva boli použité v Brazílii iba z dôvodu deficitu benzínu, pritom realizovaný projekt výroby etanolu spôsobil likvidáciu značnej plochy dažďových pralesov na pestovanie cukrovej trstiny, čo vyvolalo globálny negatívny environmentálny dopad.

d/ Absentuje aj odpoveď na otázky, ktoré predovšetkým zaujímajú pestovateľov, t.j. cena slamy a výpalkov. Pritom navrhujem, aby výpalky boli bezplatným bonusom pre pestovateľov v množstve ekvivalentnom podielu ponúknutej slamy, čo by pôsobilo motivačne na pestovateľov.

Pestovateľ musí zvážiť svoje rozhodnutie a posúdiť, čo získa a čo stratí. Veríme na skúsenosť a múdrosť manažmentu poľnohospodárskych podnikov a schopnosť nachádzať správne  riešenia, ktoré umožnia zvýšiť efektívnosť využitia a zhodnotenia druhotnej rastlinnej biomasy.

 

Autor: prof. Ing. Ivan Michalík, DrSc., Nitra