Waloryzacja biomasy
Realizacja zadania pozwoliła na przeprowadzenie waloryzacji biomasy roślin włóknistych w celu ilościowej i jakościowej charakterystyki bio-surowców pozyskanych z roślin lnu i konopi. Biomasa stanowi źródło surowca dla wielu sektorów gospodarki, dlatego istotnym jest określenie jej potencjału w zakresie zawartości konkretnych surowców, zgodnie z zasadą kaskadowego wykorzystania biomasy, tj. włókna o parametrach odpowiednich do zastosowań tekstylnych, włókna do produkcji materiałów higienicznych, włóknin i mat, materiały kompozytowe, paździerze do zastosowań w budownictwie, nasiona na produkty spożywcze, suplementy diety, kosmetyki, biomasa odpadowa jako surowiec do pozyskania celulozy, niskiej jakości biomasa odpadowa do produkcji bionawozów.
Badanie możliwości podniesienia jakości poszczególnych grup surowcowych zwiększających ich atrakcyjność dla przemysłu
Możliwość poprawy jakości surowców dostarczanych przez biomasę lnu i konopi pojawia się na każdym etapie wydobycia oraz przetwarzania surowców, tj. włókna paździerzy, nasion i słomy.
Waloryzacja biomasy może być prowadzona w celu pozyskania wysokiej jakości surowców:
1.Waloryzacja w celu pozyskania wysokiej jakości włókna do specjalnych zastosowań,
2.Waloryzacja w celu podniesienia jakości paździerzy odpowiadającej wymaganiom elementów budowlanych, materiałów kompozytowych i innych,
3.Waloryzacja biomasy na drodze zastosowania procesów chemicznych w celu pozyskania celulozy, lignin, pektyn oraz związków bioaktywnych
4.Waloryzacja biomasy odpadowej powstałej podczas procesów przetwarzania produktów z surowców pochodzących z lnu i konopi w celu wytwarzania bio-nawozów,
5.Waloryzacja biomasy lignocelulozowej w biorafineriach do celów energetycznych.
Schemat kierunków wykorzystania poszczególnych surowców pozyskanych z biomasy lnianej i/lub konopnej ze wskazaniem możliwości potencjalnej waloryzacji.
Waloryzacja w celu pozyskania wysokiej jakości włókna do specjalnych zastosowań.
Dotychczas stosowaną metodą zbioru lnu wykorzystując specjalistyczne maszyny, było wyrywanie łodyg z jednoczesnym jej układaniem w warstwy na polu celem wyroszenia. Aby warstwy lnu mogły zmieścić się obok siebie na polu, szerokość wyrywania wynosiła 1,20 m. Szerokość tą stosują wszyscy producenci maszyn. Również maszyny do odwracania słańca dostosowane są do tej szerokości roboczej. Szerokość ta sprawia, że wydajność maszyn jest bardzo niska i waha się w granicach 0,5 - 1,0 ha/godz., co wydłuża i podraża zbiór. Aby otrzymać wysokiej jakości włókno wyrywanie musiało być wykonane przed pełnią dojrzałości nasion. W celu wyeliminowania konieczności stosowania specjalistycznych maszyn do zbioru zaproponowano technologię koszenia lnu przy użyciu specjalnie do tego celu dostosowanych kombajnów zbożowych. Adaptacja polega na modernizacji zespołu tnącego oraz młócącego.Koszenie lnu włóknistego znacznie obniża i upraszcza całą technologię. Rolnicy uprawiający len w miejsce specjalistycznych i drogich maszyn do zbioru mogą wykorzystywać powszechniej dostępne kombajny zbożowe, które wymagają tylko odpowiedniej modernizacji. Dodatkowo stosując opracowaną technologię oprócz włókna pozyskuje się nasiona, które w tradycyjnej technologii były w dużym stopniu tracone. Wykorzystanie maszyn rolniczych o większej wydajności i szerokości roboczej zmniejsza liczbę przejazdów, co wpływa na mniejsze zużycie paliw, emisję spalin oraz ugniatania podglebia. Poszerzenie płodozmianu o rośliny włókniste w dobie coraz powszechniejszej monokultury wpływa korzystnie na plonowanie roślin wykorzystywanych żywnościowo (bioróżnorodność). Jakość włókna roszonego może zostać podniesiona poprzez zastosowanie dodatkowych procesów przetwórczych takich jak dekortykacja a następnie kotonizacja w wyniku których otrzymuje się włókno bardziej delikatne, skrócone oraz podzielone na mniejsze kompleksy włókien. Na etapie roszenia oraz kolejnych procesów przetwórczych wskazane jest prowadzenie kontroli jakości surowców. Zastosowanie nowatorskich rozwiązań technologicznych w procesie dekortykacji pozwala na podniesienie możliwości przerobowych linii. Możliwość przetwarzania surowców przez rolników stwarza możliwości większych dochodów dla producentów rolnych, zwiększenie wydajności linii do przerobu surowca wpływa na wzrost dochodu. Stosując opracowaną technologię odchodzimy od konieczności roszenia słomy na plantacji i ponoszenia kosztów związanych z tym procesem. Zagospodarowanie powstałej biomasy w produkcji rolniczej jako surowców dla gospodarki, otrzymane włókno dekortykowane można wykorzystać min. w produkcji np. papieru biokompozytów, sznurków, co jest istotne z uwagi na problem zanieczyszczenia środowiska plastikiem. Lepsze wykorzystanie odnawialnych surowców spowoduje oszczędność areału gruntów które mogą zostać wykorzystane na uprawę roślin żywnościowych, biodegradowalne kompozyty mogą zostać wykorzystane w produkcji jednorazowych opakowań mających styczność z żywnością. Z poprawionej jakości włókna mogą skorzystać małe, średnie i duże gospodarstwa oraz przetwórcy. Zastosowana metoda ekstrakcji włókien z łodygi decyduje o skuteczności usuwania substancji klejących i dzielenia włókien technicznych na mniejsze kompleksy włókniste w celu uzyskania włókien elementarnych. Stopień separacji włókien znajduje odzwierciedlenie w wymiarach i właściwościach włókien. Włókna konopne, podobnie jak inne włókna naturalne, mają kilka wąskich gardeł wynikających z ich charakteru, z których najbardziej istotną jest brak jednorodności. Istotną wadą jest brak powtarzalności właściwości włókien w partiach dostarczanych z roku na rok od rolników, nierównomierność gęstości liniowej, średnicy i właściwości włókien stwarza trudności w szczegółowym projektowaniu przetwarzania włókien i planowaniu jakości produktów konopnych.
Waloryzacja biomasy na drodze zastosowania procesów chemicznych w celu pozyskania celulozy, lignin, pektyn oraz związków bioaktywnych.
Rośliny włókniste typu len i konopie zawierają wysokiej jakości celulozę, która stanowi surowiec wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu: włókiennictwo, papiernictwo, tworzywa sztuczne. Lignina, w roślinie pełni rolę inkrustującą nadając jej sztywność. W przerobie technologicznym na włókno jest substancją niepożądaną. Pogarsza chwyt i giętkość włókna. Sprawia, że włókno staje się bardziej kruche i łamliwe, parametry wytrzymałości i sprężystości obniżają się. Ponadto zawartość ligniny obniża podzielność włókna. Pektyny odgrywają we włóknie lnianym ważną rolę, stanowią czynnik sklejający włókna w pęczki jak i nadają połysk oraz chwyt. We włóknach łykowych pektyna skleja ze sobą mikrofibryle i włókna elementarne, tworząc wiązki, kompleksy zwane włóknami technicznymi. W roślinach włóknistych można wydzielić dwie frakcje pektyny: frakcję A rozpuszczalną w wodzie i frakcję B nierozpuszczalną w wodzie. Właściwe usunięcie w procesie obróbki wstępnej substancji pektynowych decyduje o podzielności, a więc masie liniowej włókna i określa przydatność do przędzenia. W procesie roszenia, najłatwiej udaje się usunąć pektynę A, która ulega rozpadowi pod wpływem bakterii i grzybów. Pektyna B pozostaje we włóknie i razem z innymi związkami warunkuje jego spoistość. Nadmierne usunięcie pektyn spowoduje, że włóko w dotyku będzie nieprzyjemne, suche i szorstkie. Natomiast całkowite ich usunięcie, spowoduje rozpad pęczków włókien na włókna elementarne. Z punktu widzenia technologicznego, ważnym składnikiem są również woski i tłuszcze. Nadają włóknom miękki chwyt, zapewniają im mały współczynnik tarcia i w efekcie łatwość przesuwania się. W słomie roślin włóknistych, woski występują w głównej mierze po zewnętrznej stronie łodygi, w naskórku, w mniejszych ilościach w komórkach włókna. Oddzielenie składników nie celulozowych (głównie pektyna, lignina) od włókna daje zastosowanie wstępnej obróbki surowca słomy. W procesie pozyskiwania włókna z roślin łykowych wyróżnić należy takie metody, jak: biologiczne (roszenie wodne, słanie na polu, obróbka enzymatyczna), chemiczne, fizyczne oraz proces mechaniczny (dekortykacja). Niemniej jednak substancje nie celulozowe oraz związki bioaktywne posiadają unikatowe właściwości, które mogą być wykorzystywane na cele poza włókiennicze. Otwiera to nowe możliwości ekstrakcji tych składników z roślin włóknistych i wykorzystania ich do produkcji np. kosmetotekstyliów. Ma to szczególne znaczenie dla sektora rolnego (zwiększenie popytu na rośliny włókniste), włókienniczego, firm przędzalniczych i konfekcyjnych. Należy zatem, ukierunkować uprawę poszczególnych odmian roślin włóknistych pod potrzeby rynku. Ma to szczególne znaczenie dla sektora rolnego (zwiększenie popytu na rośliny włókniste), włókienniczego, firm przędzalniczych i konfekcyjnych.
Waloryzacja biomasy odpadowej powstałej podczas procesów przetwarzania produktów z surowców pochodzących z lnu i konopi w celu wytwarzania bio-nawozów.
Biomasa odpadowa pochodząca z procesów przetwarzania włókien łykowych, jako surowiec ekologiczny i biodegradowalny o wysokich walorach użytkowych, może zostać przeznaczona do wytwarzania bio-nawozów, w celu poprawy wzrostu i plonowania roślin uprawnych oraz żyzności gleby. Prowadzone w Instytucie wstępne badania wykazały, że paździerze konopne stanowiące odpad w procesie wydobycia włókna ze słomy z powodzeniem można wykorzystać jako ekologiczny nawóz. Paździerze konopne stanowią około 75% masy rośliny. Celuloza stanowi główną część składową błon komórkowych paździerzy. Towarzyszą jej zwykle lignina, hemiceluloza i substancje pektynowe. Całość po przyoraniu stanowi dobry nawóz i wspomaga rozwój bakterii celulolitycznych w glebie. Bio-nawozy powstałe na bazie surowców pochodzenia naturalnego mogą być alternatywą dla tradycyjnie stosowanych nawozów. Oprócz paździerzy wykorzystywanych jako bio-nawóz, do rekultywacji gleb zdegradowanych można wykorzystać całe roślin konopi. Technologia opiera się na uprawie w płodozmianie dwóch roślin tj. konopi włóknistych, dających dużą masę słomy (około 10-15 ton biomasy na powierzchni 1 hektara) oraz lucerny siewnej, cechującej się zdolnością wiązania wolnego azotu. Całość wytworzonej masy organicznej trafia do gleby poprzez coroczne koszenie i przyoranie uprawianych roślin. Powstający układ kompozytu biologicznego stymuluje odtwarzanie warstwy próchniczej, zwiększa zasobność w składniki pokarmowe, poprawia stosunki wodno – powietrzne oraz stwarza warunki do namnażania się mikroorganizmów glebowych bez których obecności gleba nie może być urodzajna. Konopie włókniste i lucerna siewna są roślinami, cechującymi się również dobrze rozwiniętym systemem korzeniowym, który rozrastając się spulchnia i przewietrzania rekultywowaną glebę. Rekultywacja i przywrócenie do użytkowania rolniczego terenów zdegradowanych pozwoli na zwiększenie produkcji rolniczej i dochodu ze sprzedaży płodów rolnych. Wdrożenie technologii pozwala na rekultywację terenów zdegradowanych, które następnie można użytkować rolniczo. Zapobiega to erozji wietrznej, rośliny uprawiane asymilują CO2 z atmosfery (1 ha upraw konopi włóknistych około 10 ton CO2). Rekultywacja zwiększa powierzchnię przywróconą pod uprawę rolniczą. Na terenach zrekultywowanych możliwa jest uprawa roślin żywnościowych, paszowych czy przemysłowych. Z powyższej technologii mogą skorzystać rolnicy, małe, średnie i duże gospodarstwa oraz samorządy terytorialne, na których terenach występuje problem z gruntami zdegradowanymi.
Waloryzacja biomasy lignocelulozowej w biorafineriach do celów energetycznych.
Biomasa jest surowcem energetycznym, której spalanie w przeciwieństwie do paliw kopalnych nie powoduje zwiększania się bilansu emisji CO2 do atmosfery. Dwutlenek węgla emitowany podczas spalania biomasy jest absorbowany w fazie wzrostu rośliny. Zastosowanie właściwej agrotechniki gwarantuje prawidłowy rozwój roślin i uzyskanie wysokiego plonu biomasy, który wynosi ok. 10 - 15 t/ha. W przeciwieństwie do wieloletnich roślin energetycznych konopie łatwo można wprowadzić do płodozmianu. Z uwagi na swoje właściwości konopie pozostawiają dobre stanowisko dla innych roślin uprawnych. Dzięki palowemu systemowi korzeniowemu rośliny doskonale przewietrzają glebę i poprawiają stosunki wodne. Konopie charakteryzują się wysokim plonem biomasy wynoszącym nawet 15 t/ha, co stanowi prawie trzykrotnie większą wartość w porównaniu do plonu słomy zbóż. Przy wykorzystaniu na cele energetyczne słomy zbożowej zachodzi konieczność jej wcześniejszego dosuszenia. Wartość opałowa pszenicy wilgotnej wynosi ok. 12,9 MJ/kg a dosuszonej 17,3 MJ/kg, jęczmienia ok. 12,0 MJ/kg po dosuszeniu 16,1 MJ/kg. Konopie w przeciwieństwie do wymienionych zbóż czy innych roślin energetycznych nie trzeba dosuszać, ponieważ proces technologiczny przewiduje w sposób naturalny wysychanie roślin na plantacji. Po skoszeniu w pełnej dojrzałości kwiatostanów konopie pozostają na stanowisku do czasu dosuszenia do powietrznie suchej masy (około 16% wilgoci dla całych roślin). Prowadzone pomiary wykazały, że wilgotność paździerzy konopnych wynosi ok 8,5%, natomiast wilgotność słomy zbożowej wynosi 15% a zrębków drzewnych aż 40%. Wysokość plonów konopi jest mniejsza od plonów takich roślin uprawianych na cele energetyczne jak kenaf (ok. 24 t/ha) czy miskantus (ok. 30 t/ha). Ciepło spalania kenafu wynosi ok. 15,8 MJ/kg a miskantusa ok. 17,9 MJ/kg, ale są to rośliny mało przystosowane do naszego klimatu lub wymagające wysokich nakładów na uprawę. Nie są one konkurencją dla konopi, plantację kenafu i miskantusa zakłada się z sadzonek, ponadto są to rośliny wieloletnie w związku z czym nie nadają się do uprawy w zmianowaniu. Ciepło spalania konopi w zależności od części rośliny wynosi od 18 do 19 MJ/kg. Niewątpliwie największymi zaletami stosowania biomasy do celów energetycznych są zmniejszenie wykorzystania ropy naftowej, ukierunkowanie upraw pod cele energetyczne, zmniejszenie zużycia roślin żywnościowych (kukurydza, zboża) na produkcję biopaliw, zmniejszenie kosztów produkcji żywności i zwiększenie areałów lnu i konopi.