Zur Eignung des Kornguts unterschiedlich stickstoffgedüngter Getreidebestände als Rohstoff für die Bioethanolproduktion

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  • j . Agronomy & Crop Science 177, 185196 (19%)CW6 Blackwell Wissenschafts-Vedag, BerlinISSN 0931-2250

    Iratitut fiir Pfian^nbau tmd Grmlatid imd Institut fur LtbemmitteUtcbmlos^ der Ummsitdl Hohenheim,DeatsibLutd

    Zur Eignong des Komguts unterschiedlich sticksto^edungterGetreidebestande ads Rohstoff fur die Bioethanolproduktion

    W. AUFR\MMER, H . J. PlEPER, J. KASSKR, V. SCHAFKR, T . SKNN Und E . KUBLER

    .Anschriften der Autoren: Prof. Dr. VP. A1THA.VIMKII. Dipl.-lng. vc. agr. J. KAtsF.K, Dr E. KCw FR und Dr. V.SfH*n:ii, in

  • 186 AUFHAMMEK, PlKPER, KASSBR, SCHAFER, S E N N Utld

    BioethatK)lausbeute/dt RtAstoff mindcrt denkometttagsbedingtcn Bioethanolmehrertrag/ha(ScH/KHiR 1995).

    Der EinfluB der N-Konzentration im Komauf die EnzymaktivitSten ist tiicht abschlieBendgeklart, hinsichtlich der Nutzung der autoamySo-hiischen Eigenschaften bei fremdenzymfreierVetarbeitung aber bedcutsam. Die Enzytnaktivi-tat wird direkt dutch die Besdmmur^ der a-Amylaseaktivitat (RAU 1990, RAU ei al. 1993) odcrirjdirekt uber die Ermitdung der Fallzahl (PKRTKN1962) erfi^t. Abhangig votn Reifestadium undden Abtcifebeditigungen P K T | K 1992), der Art,dem Dungungstermin (SCHAHUI 1995), demReifegrad bei der Rmte (SPANAKAKIS 1991), vonLager und Auswuchs (SX'KNSSON, 1990), viriierendie Kffekte dtffcrenzierter N-Dungunjjsstufenauf die a-Amylaseaktivitat bzw. die Fallzahl (CIHAund Goij)STiaN 1983; ZIJJUIHS et al. 1984;M

  • Bioethanolprodutmon 187

    , Wimenoggen und VCinttrttidcak ver-ddchcnd hinsichtlich folgender Fragcn unter-sucht werdea-

    Welchen FinflufJ hat die Hohe der N-Dungung auf den Komproteingehah, tlieautoamylolytischen Eigenschaften des Kom-guts und die Bioethaiioiausbeute?

    Wekher Zusammenhai^ besteht zwischenoner Verandetung des Kom- und desBioethanofcrtiages/ha als Folge dner ges-tcigcrter N-Dvingung?

    Zur Bead>eitung der Fr^en wutdc Komgutaus einem hxperimentalprogratnm, das zweimehrfaktorielle Feldversuche umfaBte, entnom-

    2 Material und Methoden

    II V'ersmhsanlaee

    Dit Vcrsuchsdurchftihrung erfolgte im Versuchsjahr1W2/93 auf den Standorten Ihinger Hof (IHO) undniwrer Lindenhof {OU). Auf dem Standon (")heferIjiidi-nhof erfolgte die Versuchsanligc nur inciiijjcschrinktem Umfang. Eine Ubersicht uber dieVersuchsfakloren und Faktorstufen gibt TabcUc 1.Datcnbasis fur die dargestcDteo Untersuchungser-(;cbni>sc waren jeweils drei Feldwiederholungen. DieVersuche cnthietten je zwei Soncn von Winterwei-7sti {davon cine Dinkelscrte), ro^en und triticale.Troiz vetgLchcn mit Saatweizen hoherenkomprotcingehaltes wurde eine Dinkclsorte in dieI'ntctsuchungeii einhe?(^n. Zum einen zeichnetsich die Diokelsorte durch erne bessere Koroausbit-dui^ ais die anderen Anen und Sonen aus, zumwideren liegen uber die Enzymaktivitatcn bei Dtnke!tcinc Informationen vor. Ats Grundlage fiir dieScmenwahl dienten Informationen uber die Ertrags-OKfnschaften aus der Beschreibenden Sonenliste(Bi-KDi-ssoRTENAMT 1991). Zusatzlich wurden Er-Reknisse aus eigenen L'ntersuchungen zur technolo-IJschen Bewenur^ des Komguts herangezc^en(\iTiwMMKii et a!. 1993,1994).

    IJurch artenspezifischen Fungizid- und Wachs-furasr^latoreinsatz wutden in alien Varianren'"snkheitsfreie Pfianzenbestande at^strebt. Lagertrai nicht auf. EHe Produktionstechnik wurde durchden Faktor N-Dangung mit vier Stufen variiert. Dief^ '-Dungung erfolgte ausschlieOUch in Form von^fcammonsaipeter. Die Hohe und die Veneilungdw N-Gaben w^ircnd des Vegeutionszeitraums'ioef TabeDe 1. N-Durigergaben zu Vegctationsbe-nn brw. in dcr Schofiphase erfolgten enn^ori-wtren zur Forderung der Besttxrfeung brw. zurMindening des Reduktionsumfuigs. Die N Spat-dui^ ,^ zur Btate war auf die Komausbiklut^, denP">temgehalt dngeschlossen, ausgerichtet. Der

    Dtusch erfolgte im Stadium der Voll- bis Torreife.Bis zur Verarbeitung wurde das Komgut mit rund10 "A Komieuchtc bei Raumtemperatur gel^^rt.

    2.2 Parametemfassmg mtd AmtMrftfUgZur Bestimmung der Bioethanolausbetite (LiterBioethanol/dc Kotntrockenmassc) wurde von dengereinigren GetreideproHen eine Sdchprobe vonjeweils cinem kg cntnommcn und auf einerSchlagrotortnuhic Retsch- mit dnem 0,5 mm Siebvermahlen (SRZ). Bei Dinkel wurde nur enLspelztesKomgut verari)eitet. Die Garvcrsuche wurden ohtK(autoamylolytisch) und mit VttxnAenv.maMSMj. nachcinem fruher beschriebenen \faischschema durch-gefuhn (AtTHAMMKR et al. 1993). Abweichend davtmwurde mit dem 21iel einer bestmoglichen Verfifeisi-gung wahrend des Maischprozesses die Dt)sierur^des Verflussigungsen2)Tns t^tunash pH 420(Solvay Enntnes, Hannover, Deutschland) von16,S ml auf 21 m!/dt Getreide erhoht, DerBioethanolgehalt in der vcrgDrenen und mschlie-fJend filtrienen (Faltenfiltct 520 Al /2 , Durchmesser320 mm; Schlekher & Schall, Dassel, Deutschland)Maische wurde mittels Probedestilladon (Glas-blaserei Jes Insdtuts fiir GSrungsgewerbc undBiotcchnok^e, Berlin, Deutschland) ermittelt. Indem diraus gewonnenen Destillat wurde dcrBioethanolgehalt auf iler Basis von Dichtemessun-gen mit Hilfe eines Biegeschwingers (Density meterDMA 48, Cbemprx. Cics. fur Prozcfl- undAutomationstcchnik mbH, Hanau, Deutschland)ermittelt. Das digital ar^ezeigtc Mefiergebnis nairdeanhand der ..^ MTIJCMIIN A1.K0H01 fMnj.N (1980) indie Bioethanoikonzenttation ("/o vol) umgcrechnet.Det Bioethanolertrag (Liter Bioethanol/ha) targabsich aus der Multiplikation dcr Bioethanotausbcute(liter Bioethanol/dt Komn>hstoff) mit dementprechenden Komflichenencig (dr/ha). BeiDinkel wurde jeweils der entspektc Komertragzugnmde gelegt. Alle Atjgal>en zum Komertragerfolgen als absolute Trrckenma.ssc. Mallstab fur dieautoamylolytische Aktivitat einer Gerreidepntbewatt;n die Falizah) (PKRTI-.N 1962) und derAutoamyloh-tische Quotient (AAQ "/, s. RAf et aL1993). Bei der Berechnung des AAQ ft'c), dcr denprozennialcn Wirkungsgrad des autt>amyk>IytischenFjizv-msystems angibt, wird die Bioethanolausbeuteohne Fremdenzymzusatz auf die Bioethanol-ausbeute mit Fremdenzymzusatz bezogen. 7.urBesdmmung der Faltzahl wurde derselbe Schmtwie fur die Garversuche verwendet. Der Komsdck-stofl^^halt wuide nach der Kjeldahl-Methtxleermittelt und mit dem Faktor 6,25 auf denKomproteingehalt utngerechrtet.

    Die ennirteiten Parameter beider VersuchsaiJa-gen wurden vananzanahrtisch uberpruft. Neben deaVersuchsfekroren aus den Feldversuchen kam durchdas F.rmittlungsverfiihrcn der Bioethanolausbeute

  • 188 AUFHAMMER, PlEPER, KASSEK, SCHAFER, S E N N Und

    Tabelie 2. Artenbedingtt Untctschiede in den Robstaffdgenschaften bei Korngut von denStandonen Ihinger Hof and Oberer Lindenhof' (gemitteh fiber Soiten und N-Srufen)

    BioethanolausbeiKe (l/dt TM)

    Getreideart

    WinterweizenWinterroQ^enWintertriticaie

    GD 5 %

    Winterweizen

    ohne Fremd- mit Fremd-enzymzusatz enzymzusatz

    37,341,842.8

    0,59

    33,8

    Ihir^er43,242,144,3

    AAQ(%)

    Hof86,499,5%,6

    2,90

    Oberer Dndenhof*42,5 79,5

    Falkahl(s)

    30715375

    21,3

    319

    Rohprotein-gehalt (%)

    16,011,713,9

    037

    14,4

    'Nar Winrerweizen orthogonal vergleichbar

    ein weiterer Faktor Enzyme (Y) mit den Faktor- lage auf dem Standort Ihinger Hof zusatzlich denstufen oWtK und mit Fcetndenzymzusatz hinzu. Der Faktor Getreideart (A) enthielt, waren auf demStandunvetgleich (O) war nur an orthogonalen Standort Oberer Undenhof und bei r>rth(^ralerVersuchskemen mcigtich. VC'ahrend die Versucbsan- Standortsveigleichen nur Vetgleiche auf Soncne-

    Uter Bioethaflot/dt Korntrockenmasse

    46444240363e

    34

    32

    30

    28

    FalliabI324

    S3.0

    m

    IS?

    9.T

    0 0 S%

    170 62 (76D S% a loa S(A);

    OuotlMit {%tM.7 m.3 M.0 85.2

    GD S% 1.04 S(A);

    Bioethanolausbeute LJ o.E.332

    m.E.

    12.3 B OxS

    8(A)x

    - / /

    m

    //,/,

    m / / ! /

    /mm 7///.

    S1.03.M - OxS

    OitSxV

    30CODS%>

    77.TQDS%-

    202la.* S(A)

    S8.13.70 8(A)

    I-

    / ' / -

    s^

    I '

    ContraWlnto mlzm

    Clou Hlo Alamo LakoWniwrroggan WintartritlcateIhinger Hof

    Conira Schwa- Clou

    Oberer UndenhofAbb. 1. SortenefTekte auf die BioedianoUusbeute ohne (o.E.) und mit Ftemdenzytnzusatz {ni.n";Abliai^l^eit vom SiandonCultivar effects on die bioethanol output without (o.E.) or with (in.E.) addition of an enzyme preparati

  • GetfektebesoindefQf BioethanoliModiiklion 189

    TjbelJe 3. Komproteir^halre (%) der Arten urd Sorten

    Standort (O)

    Gerreideart (A)/

    Sckenmasse im Ver-^eich zu Wei2en und Roggen hohere Bioethanolausbeuten. Obwohi Wintermggen die geringstenKomproteingehaltc aufwics, wurden bei dieserArt mit Fremdenzymzusatz die niedrigstenBioethanolausbeuten ermittelt, jedoch wurde imGegensatz zu den anderen Arten mit einem AAQvon 99,5 % eine nahezu vollstandige Konversionaufgrund der autoamylolytischen Rohstoffdgen-schaften erzielt. Bei den anderen Arten bedeuteteder Verzicht auf Frcmdenzympraparate zumVerarbeitungszcitpunkt einen Ausbeuteverfustunterscbiedlichcn Umfangs. Mit dem Komgutvom Standort Oberer Lindenhof wurde beiWinterweizen, frotz nicddgerer Komprotein-gehalte, das Ausbeuteniveau des Kotnguts vomStandort Ihinger Hof i n f o ^ schlechteier Kom-ausbildung nicht erreicht.

    Im Sortenvergleich zeigten sich die gr

  • !90 AUFHANMEU, PlEPRR, (CASSER, SCHAFER, S F J 4 N und K

    uter Bioethanol/dl KorntrockmmasM

    4644424038i3634323028

    Bioethanolausbeute llJO.E.2IS 3M $13 ISe 1S3 162 1S2

    100.3 lOaO M.5 M.9

    73 74 MGO 5 s n.t.

    S7.0 ae.7 M. M.7OOEK-3.40

    -' / I/I'

    kgN 0 60 120 180Winterweizen

    0 60 120 180WInterroggen

    0 60 120 180Wintertriticaie

    Abb. 2. F.ffekte der N Dungung auf die Biciethaoolausbeure ohne (o.E.) und mit hremdeniymzusatz (miV.bd Winterweizen, -roggen und -triticalc auf dem Standort Ihinger Hof (Mittelwerte aus zwei Sorten)F.ffects of N rate on the hifiethanol output without (o.E.) or with (m.E.) addition f an enzyme preparanunfrom winrer wheat, rye and triricajc at rhe location 'Ihinger Hof* (means across 2 cultivars)

    grund unzurcfchender autoamylolytischer Eigen-schaften bei den Weizensorten ("ontra undSchwabenkom (Dinkel) standottbezogen Mchr-ausbeuten von 7,5 bis 9,21/dt Rohstoff.Zwischen den Sorten Contra und Schwabenkombetrugen die Ausbeutedifferenzen mit Fremden-TSXKiv&va. 2,71/dt Komtrockentnasse. Hier spie-len die hohen Komproteingehalte der SorteSchwabenkom eine Rolle (Tabelle 3). UnterFremdenzymzusatz liefttn sich mit rund 441 diehochsten Bioethanolausbcutcn bei der Winter-wcizensorte Contra und der Tridcalesone Alamoerzielen. lm Vergleich zu den autoamylolytischcrzielbaren Bioethanolausbeuten wurde die Aus-bcute bei Fremdenzj-mzusatz nur wenig durchStandorteinflusse modifiziert. Die FalLzahlen derunKTSuchten Sorten lagen mit hohen Werten beiWinterweizen, gefolgt von Winterrpggen undWintertriticaie in artenspezifischen Bereichen.Die Differenzierungen zwischen den SortenUieben geting. Das K o n ^ t vom StandortOberer Undenhof war im Vctglcich zum Ihii^er

    Hof dufch insgesamt hohere Fallzahlen undnieddgere AAQ-Wertt charakterisiert.

    i.2 riffekte der N-Dtingtmg auf die &aethanokiish/kAuf steigendes SticLstoffangebot rea^enen dieGetreideanen hinsichtlich der Bk^thanolausbeate g^eichgcrichtet, Interakdonen mit denStandorten wurden nicht nachgewiesen. '"Abbildut^ 2 sind die Effekte der N-Dunguntfur das vollstatHlige Artenspclctrum auf dewStandott Ihinger Hof dargestellt. Die h

  • Gtirddtfaestiiiidefiir Bioelhanolproituklian 191

    uter BioeOianol/lie Korntrockenma*** -mzusatz (m.I:.) inAhhSngigkeit vom StaodonCuliivar effeas on the grain and bioethanol jield without (o.E.) oi mthpreparation as affected by location

    .) addidnn of an enzvme

    Winienoggen von 10,7 auf 12,4''/'(i (8,6 aufI(),f %, Oberer Undenhof) und bei Vtintertriti-cale von 11,7 auf 13.9% (TabeUe 3). Artenspe-afisch fid die Bioethanolausbeute bis zu einer N-Oabe von 1201^ N/ha, die weitere Steigerungder N-Dungung btieb wirfcungslos. Tendcnziell5tirlter als die Bioethanolausbeute mit Fremd-enz)'mzusat2 fiel mit zunehmendem N-Dun-gungsniveau die autoamylolytisch erzielbareBioethanolausbeute. Als Folge der N-Dungungoahm die Bioethanolausbeute ohne Ftemd-wiiymzu5at2 bei Weizen um 5,11, bei Winter-mg?:n um t,41 und bd Wintertriticaie lun 2,31ab. Die Fallzahlea des Komguts wutden durchstcigende N-DUngung nicht veiandert, der AAQ(%) gii^, insbesondere bei Winterweizen zuruck.

    ^-' Egekle der N-Diit^img ai^ St Bioetbauelertri^

    !n Abbildang 3 wurden die Kom- und dieBHiethMwdertrage der Sorten auf beiden Ver-suchsstandcwten, zunachst gemitteh iiber die N-

    Dungungsstvifen dargestclit. Der Bioethanoler-tragA>a errechnet sich aus der Bioethanolaus-beute (l/

  • 192 ALI-'HAMMER, PIEPBR, KASSER, SCHAFEK, SENN und

    Liter Bloethanol/tia Komtrockenmaasa (dt/ha)MovtlwnolMirag: Bioethanolertrag

    0 60 120 180Winterweizen

    0 eo 120 180Winterroggen

    O 60 120 180Wintertriticaie

    ,\bb. 4. Ffftktc dcr N-Dungung auf den Kom- und Bioethanolertrag ohne (o.F-.) und nuiFremdenzym/usatz (m.E.) bei Winterweizen, -roggen und -tiiticale auf dem Standott Ihinger Hof(Mittelwerte aus zwei Sorten)Effects of N rate.

  • (jetrcklebestandcfilr Bioethano^>roduk(ion 193

    Uter Btoethanoi/dt Komtroekenmesee mtt Fremdsnzymzuutz48

    46

    42

    40

    36

    * Weizen ^ Roggen * Trittcaie

    rRoM*n: yTrWeala: y

    = - ai.4x -t- SOJl; t |= - O.STK + 46.90; r > O.e**- matter withaUitinn of an enzyme preparation) from winter wheat, rye arid triticaie (single values from experiments at'Fhinger Hof* and *Oberer Lindenhof^

    eine Ausbeutemindeninj; vontl,481/dt Komtrockenmasse, bei Winternj^envon 0371 und bei Wintertriticaie von 0,571 zurI'olgc. Die groSen Differenaenmgen im Kom-(woteingehalt von 9 bis 21 % bei Winterweizeniind insbesondere durch die Kombination derptoicinatmeren Sorte Contra und der proteitirei-chen Dinkekone Schwabenkom ^

    Zunchmendcs SdcksTOffangebot hatte auf dieFallzahl des Komguts der drei Aiten keinen, aufden AAQ nur bd Winterweizen einen nachweis-IMT ri^tiven Bnflufi. Die Anhebung der N-tJab.- uber 1201^ N/ha hinaus fuhrte auch beiWt;-;cn 2n keinem weiteten AbfiJi der AAQ-

    ' Die Resoltate stebcn im G^ensatz zuvon TABL und Kiss (1983), die beiN-Dur^r^niveau almehmende

    n ak FoJgc hoherer a-AmyiaseaktivitatenSolche Effekte konnen aus Interakbonen

    zwischen dem N-Angcbot und den Ernte bedin-gungen resultieren. Nach DF.T)K (1992) istKomgut, das bei boherem N-Dungungsniveauausgebildet wurde, unter feuchten Witterurigsbc-dingungen starker auswuchsanfillig als Komgutaus nicdtigcr N-gedungten Bestandea Mogli-cherweise nabm in den vorliegenden Versuchenmit ansteigendem Komproteingehalt dcr Ariteilan Knzymprotein in geringerem AusmaC zu alsder Anteil an Strukturprotein, fiir die Autoamy-lolyse wichtige Enzyme standen damit nichtmehr in ausreichender Konzentration zur Verfii-gung. In der Folge ging die Bioethanotausbeute,insbesondere bei autoamylolytischer Verarbei-tung, mit steigender N-Dungung zuruck. DerRQckgang blieb bei Triticale wesendich schwa-cher als bei Wei2en, bei Rqegen bbeb der Abfallminimal. Ttotz eines wdteren Ans t i^ derKomproteirigehalte bewirkte eine Anhebui^ derN-Duf^ung von 120 auf 180 kg N/ha bei keinerder drei Getreidearten dne weitere Veranderungder Bioethanolausbeute. Dies konnte mit der

  • 194 KASSER, SCHAFER, SENN imd

    Tabelle 4. Bioethanolertrage (1/ha) ohne und mit Fremdenzjmnzusatz der Sorten bd hohen N-Gaben in Abhsin^^dt vom Standort

    Standort Ihinger HofSorte

    Oberer litvienhofSorte

    N-Diingung(kg/ha)120

    180

    Enzvm-stufe'

    O.E.OLE.O....

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