ΔΙΔΑΚΣΟΡΙΚΗ ΔΙΑΣΡΙΒΗ ΙΨΑΝΝΗ Α. ΠΑΠΠΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΗ ΦΟΛΗ ΔΑΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΥΤΙΚΟΤ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΣΟ Σομέας Λιβαδοπονίας και Άγριας Πανίδας Ιχθυοπονίας Γλυκέων Τδάτων Εργαστήριο Δασικών Βοσκοτόπων ΔΙΔΑΚΣΟΡΙΚΗ ΔΙΑΣΡΙΒΗ ΙΨΑΝΝΗ Α. ΠΑΠΠΑ Δασολόγος Περιβαλλοντολόγος Α.Π.Θ., M.Sc. Aξιολόγηση παραγωγικού δυναμικού λιβαδικών φυτών και αξιοποίησή τους για παραγωγή βιοενέργειας υμβουλευτική Επιτροπή Κούκουρα Ζ., Καθηγήτρια, Εργαστήριο Δασικών Βοσκοτόπων, Επιβλέπουσα Γούλας Φρ., Διατελέσαντας Καθηγητής, Εργαστήριο Δασικής Γενετικής και Βελτιώσεων Δασοπονικών Ειδών Κυπαρισσίδης Κ., Καθηγητής, Εργαστήριο Β Φημικής Μηχανικής, Πολυτεχνική χολή, A.Π.Θ Μέλη Εξεταστικής Επιτροπής Σσιουβάρας Κ., Καθηγητής, Εργαστήριο Δασικών Βοσκοτόπων Θρασυβούλου Αν.,Καθηγητής, Εργαστήριο Μελισσοκομίας και ηροτροφίας, Γεωπονική χολή, Α.Π.Θ Μαρτζόπουλος Γ.,Καθηγητής, Eργαστήριο Εναλλακτικών Ενεργειακών Πόρων στη Γεωργία, Γεωπονική χολή, Α.Π.Θ Φατζηδούκας Φρ., Λέκτορας, Eργαστήριο B Φημικής Μηχανικής, Πολυτεχνική χολή, Α.Π.Θ Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2010

2 ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI FACULTY OF FORESTRY AND NATURAL ENVIRONMENT Department of Range Science and Wildlife- Fresh Water Fisheries Range Science Laboratory PhD Thesis ΙOANNIS Α. PAPPAS Forester - Environmentalist A.U.T.H, M.Sc. Assessment of range plants growth potential and their development for bioenergy production Recommendation Board Κοukoura Ζ., Professor, Laboratory of Range Science, Supervisor Goulas Ch., Professor, Laboratory of Forest Genetics and Forest Tree Improvement Kiparissides C., Professor, Laboratory of Β Chemical Engineering, Polytechnic School,AUTH Board of Examiners Σsiouvaras C., Professor, Laboratory of Range Science Σhrasivoulou A., Professor,Laboratory of Apiculture-Sericulture, School of Agriculture,AUTH Martzopoulos G., Professor, Laboratory of Renewable Energy Sources in Agriculture, School of Agriculture, AUTH Xatzidoukas Ch., Lecture, Laboratory of B Chemical Engineering, Polytechnic School, AUTH Thessaloniki, October

3 Τποβλήθηκε στη χολή Δασολογίας και Υυσικού Περιβάλλοντος Α.Π.Θ Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: Οκτώβριος

4 Ιωάννης Α. Παππάς Α.Π.Θ. ΑΞΙΟΛΟΓΗΗ ΠΑΡΑΓΨΓΙΚΟΤ ΔΤΝΑΜΙΚΟΤ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΗ ΣΟΤ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΨΓΗ ΒΙΟΕΝΕΡΓΕΙΑ «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από τη χολή Δασολογίας και Υυσικού Περιβάλλοντος του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν.5343/1932, άρθρο 202, παρ.2). 4

5 Στους γονείς μου και στα ανίψια μου Αποστόλη, Ελευθερία και Σπύρο 5

6 Ευχαριστίες Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Δασικών Βοσκοτόπων της χολής Δασολογίας και Υυσικού Περιβάλλοντος, στο Εργαστήριο Β Μηχανικής του Σμήματος Φημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής χολής και στο εργαστήριο Μελισσοκομίας και ηροτροφίας της Γεωπονικής χολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Σις θερμότερες ευχαριστίες μου θα ήθελα να εκφράσω στους καθηγητές μου και μέλη της Σριμελούς υμβουλευτικής Επιτροπής, καθηγήτρια κ. Ζωή Κούκουρα, καθηγητή κ. Φρήστο Γούλα και καθηγητή κ. Κωσταντίνο Κυπαρισσίδη, για τη διαρκή καθοδήγηση, τις πολύτιμες υποδείξεις τους, τις εποικοδομητικές συζητήσεις στο ξεκίνημα και καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας έρευνας. Η εμπιστοσύνη που μου έδειξαν με την ανάθεση ενός καινοτόμου και τεχνικά δύσκολου θέματος αλλά και η παραχώρηση των χώρων και του τεχνικού εξοπλισμού των Εργαστηρίων Δασικών Βοσκοτόπων και Β Μηχανικής του Σμήματος των Φημικών Μηχανικών συνέβαλαν καθοριστικά σε αυτή την πολύχρονη προσπάθεια. Ευχαριστώ, επίσης, θερμά τα μέλη της εξεταστικής μου επιτροπής και συγκεκριμένα τον καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Σσιουβάρα, τον καθηγητή κ. Ανδρέα Θρασυβούλου, τον καθηγητή κ. Γεράσιμο Μαρτζόπουλο και τον λέκτορα κ. Φρήστο Φατζηδούκα για τις ουσιώδεις παρατηρήσεις και υποδείξεις σε διάφορα θέματα της διατριβής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Παναγιώτη Σσιακάρα της χολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας για τις πολύτιμες συμβουλές του. Η ολοκλήρωση αυτή της διατριβής θα ήταν αδύνατη χωρίς τη συμβολή της κ. Ελένης Κουμλιλή τεχνικού συνεργάτη του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Σεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Σ.Α) και της λέκτορα του εργαστηρίου Μελισσοκομίας και ηροτροφίας κ. Φρύσα Σανανάκη τις οποίες ευχαριστώ ολόψυχα για τις πολύτιμες συμβουλές και υποδείξεις σε θέματα τεχνικής και επιστημονικής φύσεως, τις εποικοδομητικές συζητήσεις και ουσιώδεις προτάσεις τους. Κατά τη διάρκεια του συνόλου των μεταπτυχιακών σπουδών μου είχα την 6

7 αμέριστη επιστημονική, τεχνολογική και οικονομική υποστήριξη των μελών του εργαστηρίου Δασικών Βοσκοτόπων, τα οποία και ευχαριστώ για τη συνεργασία μας. Σις θερμές μου ευχαριστίες οφείλω επίσης, στα μέλη των εργαστηρίων Εδαφολογίας και Μελισσοκομίας και ηροτροφίας της Γεωπονικής χολής του Α.Π.Θ., αρχικά για τη φιλοξενία και το ευχάριστο κλίμα εργασίας και κατά δεύτερο για την παροχή υλικών και συσκευών, αλλά και για την ουσιώδη συμβολή τους κατά τη διεξαγωγή των χημικών αναλύσεων και ιδιαιτέρως την λέκτορα κ. Θεοδώρα Ματσή, την οποία ευχαριστώ θερμά για τις χρήσιμες υποδείξεις και προτάσεις της. Ευχαριστώ, επίσης, ολόθερμα τη φίλη και συνάδελφο Φρυσούλα Καρακώστα υποφήφια διδάκτορα του Εργαστηρίου Λιβαδικής Οικολογίας για τη σημαντική και αμέριστη βοήθεια κατά τη διενέργεια των πειραματικών μετρήσεων και την ηθική συμπαράστασή της, τη φίλη και μεταδιδάκτορα του Ε.Κ.Ε.Σ.Α Δρ. Κωνσταντίνα Καρύδη για την πολύτιμη βοήθεια κατά τη διενέργεια των ενζυμικών αντιδράσεων, το φίλο και συνάδελφο Δρ. Κωνσταντίνο Παπασπυρόπουλο για τις εποικοδομητικές συζητήσεις και τις ουσιώδεις προτάσεις του. Η πραγματοποίηση αυτής της διδακτορικής διατριβής θα ήταν ανέφικτη χωρίς την υλική και ηθική συμπαράσταση της οικογένειας μου, που πίστεψε στην προσπάθεια και συνέβαλε έμπρακτα στην εγκατάσταση της πειραματικής φυτείας, στη συλλογή της βιομάζας και των εδαφολογικών στοιχείων. Σους ευχαριστώ ιδιαίτερα για την κατανόηση, την υπομονή τους και την ψυχολογική τους υποστήριξη όλα αυτά τα χρόνια. Σέλος, θερμές ευχαριστίες οφείλω στο Ίδρυμα Κρατικών Τποτροφιών, χωρίς την οικονομική συμβολή του οποίου η εκπόνηση της παρούσας διατριβής θα ήταν αδύνατη. 7

8 περιεχόμενα ΕΙΑΓΨΓΗ 14 ΑΝΑΚΟΠΗΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ 1.1 Παραγωγή βιομάζας Λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο βιομάζας ΑΞΙΟΠΟΙΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΨΓΗ ΒΙΟΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Σεχνολογίες προκατεργασίας Ενζυμική υδρόλυση ΔΕΙΚΣΕ ΑΕΙΥΟΡΙΚΗ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΨΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΨΝ 3.1 Δέσμευση και συσσώρευση οργανικού άνθρακα Προστασία της βιοποικιλότητας 50 ΤΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΕΡΙΟΦΗ ΕΡΕΤΝΑ 1.1 Περιοχή Φρυσοπηγής Περιοχή Θέρμης Περιοχή Πτελεού ΜΕΣΡΗΕΙ 2.1 Παραγωγή υπέργειας βιομάζας Aλλομετρικά χαρακτηριστικά φαλαρίδας Φημική ανάλυση βιομάζας Περιεκτικότητα υγρασίας υγκέντρωση κυτταρικών τοιχωμάτων, λιγνίνης και δομικών πολυσακχαριτών υγκέντρωση οργανικής ουσίας 67 8

9 2.2.4 Περιεκτικότητα ολικού αζώτου Μετατρεψιμότητα Λιγνοκυτταρινικής Βιομάζας σε Βιοενέργεια τάδιο αραιής όξινης υδρόλυσης (προκατεργασία) τάδιο ενζυμικής υδρόλυσης Εδαφικές αναλύσεις ΣΑΣΙΣΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΙΑ 70 ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΑ ΤΖΗΣΗΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ 1.1 Παραγωγή βιομάζας Λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο ΑΞΙΟΛΟΓΗΗ ΥΑΛΑΡΙΔΑ Ψ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ 2.1 Παραγωγή βιομάζας Λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο ΑΞΙΟΠΟΙΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΨΓΗ ΒΙΟΕΝΕΡΓΕΙΑ 3.1 τάδιο αραιής όξινης υδρόλυσης (προκατεργασία) Ενζυμική υδρόλυση ΔΕΙΚΣΕ ΑΕΙΥΟΡΙΑ 4.1 Δέσμευση και συσσώρευση οργανικού άνθρακα Ανακύκλωση θρεπτικών στοιχείων Φρήση γης Προστασία της βιοποικιλότητας 145 ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ 152 ΔΙΑΦΕΙΡΙΣΙΚΕ ΠΡΟΣΑΕΙ 156 9

10 ΠΕΡΙΛΗΧΗ 157 SUMMARY 159 ΞΕΝΟΓΛΨΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ 161 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ

11 Κατάλογος πινάκων και εικόνων Πίνακας 1. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Χρυσοπηγής σελ.57 Πίνακας 2. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Χρυσοπηγής Σερρών σελ.58 Εικόνα 1. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Χρυσοπηγής ( ) σελ. 59 Πίνακας 3. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Θέρμης σελ. 60 Πίνακας 4. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Λουτρών Θέρμης. σελ. 60 Εικόνα 2. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Θέρμης ( ) σελ. 61 Πίνακας 5. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Πτελεού σελ. 62 Πίνακας 6. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Πηγάδι-Πτελεού Εικόνα 3. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Πτελεού ( ) σελ.63 σελ.63 Εικόνα 4. Φωτογραφίες της ενεργειακής καλλιέργειας της φαλαρίδας σελ. 64 Πίνακας 7. Μέσοι όροι παραγωγής υπέργειας βιομάζας (t/ha Ξ.Ο) ανά κατηγορία πολυετών ποωδών φυτών κατά τα έτη σελ.73 Πίνακας 8. Mέσοι όροι παραγωγής υπέργειας βιομάζας (t/ha Ξ.Ο) των ειδών που μελετήθηκαν κατά κατηγορία λιβαδικών φυτών κατά τα έτη 2007 και 2008 σελ. 76 Πίνακας 9. Μέσοι όροι συγκέντρωσης σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων (g/kg Ξ.Ο) ανά κατηγορία πολυετών ποωδών φυτών τα έτη 2007 και 2008 σελ.83 Εικόνα 5. Συγκέντρωση (g/kg Ξ.Ο) δομικών πολυσακχαριτών κατά έτος στις διάφορες κατηγορίες πολυετών φυτών σελ.86 Εικόνα 6. Συγκέντρωση (g/kg Ξ.Ο) δομικών πολυσακχαριτών κατά κατηγορία πολυετών φυτών στα διάφορα έτη σελ.87 Πίνακας 10. Μέσοι όροι συγκέντρωσης σε δομικά συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος (g/kg Ξ.Ο) των ετών 2007 και 2008 για τα είδη που μελετήθηκαν στις διάφορες κατηγορίες λιβαδικών φυτών σελ. 89 Πίνακας 11. Μέσοι όροι συγκέντρωσης σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων (g/kg Ξ.Ο) ανά τμήμα φυτού στις τρεις κατηγορίες πολυετών φυτών σελ. 91 Εικόνα 7. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) δομικών πολυσακχαριτών μεταξύ των τμημάτων του φυτού στις διάφορες κατηγορίες πολυετών ειδών σελ. 93 Πίνακας 12. Μεταβολές της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας και της ετήσιας βροχόπτωσης σε περιοχές με διαφορετικό υψόμετρο κατά τα έτη σελ

12 Πίνακας 13. Μεταβολές της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας και της ετήσιας βροχόπτωσης σε περιοχές με διαφορετικό γεωγραφικό πλάτος κατά τα έτη σελ. 98 Πίνακας 14. Μέσοι όροι παραγωγής υπέργειας βιομάζας (t/ha Ξ.Ο) του είδους Phalaris aquatica (φαλαρίδα) σε περιοχές με διαφορετικό υψόμετρο τα έτη 2008 και 2009 σελ.100 Πίνακας 15. Μέσοι όροι παραγωγής υπέργειας βιομάζας (t/ha Ξ.Ο) της φαλαρίδας σε καλλιέργειες διαφορετικής ηλικίας σε περιοχές με το ίδιο υψόμετρο αλλά διαφορετικό γεωγραφικό πλάτος σελ.101 Πίνακας 16. Μέσοι όροι αλλομετρικών παραμέτρων καλλιεργειών του είδους Phalaris aquαtica (φαλαρίδα) στις περιοχές μελέτης το έτος (2009) σελ.103 Πίνακας 17. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων της φαλαρίδας στις περιοχές με διαφορετικό υψόμετρο σελ. 107 Πίνακας 18. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων της φαλαρίδας σε περιοχές με ίδιο υψόμετρο αλλά διαφορετικό γεωγραφικό πλάτος σελ.107 Πίνακας 19. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων της φαλαρίδας κατά έτος στις περιοχές μελέτης σελ.110 Πίνακας 20. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων της φαλαρίδας κατά ηλικία φυτείας στις περιοχές μελέτης σελ. 112 Πίνακας 21. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων της φαλαρίδας κατά ηλικία φυτείας στις περιοχές μελέτης σελ. 112 Πίνακας 22. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων των τμημάτων της φαλαρίδας κατά φαινολογικό στάδιο το έτος 2009 στην περιοχή του Πτελεού σελ. 114 Πίνακας 23. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων των τμημάτων της φαλαρίδας κατά φαινολογικό στάδιο το έτος 2009 στην περιοχή της Θέρμης σελ. 115 Πίνακας 24. Μέσοι όροι συγκέντρωσης (g/kg Ξ.Ο) σε δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων των τμημάτων της φαλαρίδας κατά φαινολογικό στάδιο το έτος 2009 στην περιοχή της Xρυσοπηγής σελ. 116 Πίνακας 25. Τριπαραγοντική ανάλυση παραλλακτικότητας (θερμοκρασία χ οξύ χ χρόνος) για στις συγκεντρώσεις της ξυλόζης στο είδος Phalaris aquatica στο διάλυμα (three way ANOVA, * P<0,05) σελ. 120 Πίνακας 26. Τριπαραγοντική ανάλυση παραλλακτικότητας (θερμοκρασία χ οξύ χ χρόνος) στις συγκεντρώσεις της αραβινόζης στο είδος Phalaris aquatica στο διάλυμα (three way ANOVA, *P<0,05) σελ. 120 Πίνακας 27. Mέσοι όροι συγκεντρώσεων μονομερών σακχάρων (mg/ml) στους διαφόρους χειρισμούς της αραιής όξινης υδρόλυσης (προκατεργασία) σελ

13 Πίνακας 28. Mέσοι όροι συγκέντρωσης μονομερών σακχάρων (g/kg Ξ.Ο) στους διαφόρους χειρισμούς της αραιής όξινης υδρόλυσης σελ. 125 Πίνακας 29. Ποσοστά (%) διαλυτοποίησης ημικυτταρινών και συγκεντρώσεις (g/kg Ξ.Ο) μονομερών σακχάρων στους διαφόρους χειρισμούς της αραιής όξινης υδρόλυσης σελ. 125 Πίνακας 30. Τριπαραγοντική ανάλυση παραλλακτικότητας (περιεκτικότητα υλικού χ ποσότητα ενζύμων χ χρόνος) στις συγκεντρώσεις της γλυκόζης του είδους Phalaris aquatica στο διάλυμα (three way ANOVA, *P<0,05) σελ. 128 Πίνακας 31. Μέσοι όροι συγκεντρώσεων μονομερών σακχάρων (mg/ml) στους διαφόρους χειρισμούς της ενζυμικής υδρόλυσης της κυτταρίνης σελ. 129 Πίνακας 32. Μέσοι όροι συγκέντρωσης μονομερών σακχάρων (g/kg Ξ.Ο) στους διαφόρους χειρισμούς της ενζυμικής υδρόλυσης της κυτταρίνης σελ. 131 Πίνακας 33. Μέσοι όροι συγκέντρωσης μονομερών σακχάρων (g/kg Ξ.Ο), (%) ποσοστά μετατροπής στους διαφόρους χειρισμούς της ενζυμικής υδρόλυσης σελ. 134 Πίνακας 34. Μέσοι όροι συγκέντρωσης οργανικής ουσίας, οργανικού άνθρακα και της ποσότητας του δεσμευόμενου διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας στην υπέργεια βιομάζα των φυτών της φαλαρίδας και της καλλιέργειας στις τρεις περιοχές μελέτης κατά τα έτη 2008 & 2009 σελ. 137 Πίνακας 35. Μέσοι όροι περιεκτικότητας και συσσώρευσης του οργανικού άνθρακα και της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στα δύο βάθη των τριών περιοχών μελέτης σελ. 138 Πίνακας 36. Μέσοι όροι ακάθαρτων πρωτεϊνών (g/kg Ξ.Ο) της υπέργειας βιομάζας της φαλαρίδας ανά φαινολογικό στάδιο στις περιοχές μελέτης το έτος 2009 σελ.139 Πίνακας 37. Παραγωγές υπέργειας βιομάζας της φαλαρίδας και ποσότητες αζώτου που εξοικονομούνται κατά περιοχή μελέτης στο φαινολογικό στάδιο της ωριμότητας σελ. 141 Πίνακα 38. Δείκτης χρήσης γης σελ. 143 Πίνακας 39. Κατανομή της έκτασης της Ελλάδας κατά βασικές κατηγορίες χρήσης γής σελ. 143 Πίνακας 40. Δείκτης προστασίας της βιοποικιλότητας 1α. Οικοφυσιολογικά χαρακτηριστικά προτεινόμενων ενεργειακών φυτών σελ. 146 Πίνακας 41. Δείκτης προστασίας της βιοποικιλότητας 1β. Χαρακτηριστικά ενεργειακών και εισβαλόντων ειδών σελ. 147 Πίνακας 42. Δείκτης προστασίας της βιοποικιλότητας 2. Αριθμός ειδών άγριας πανίδας (πουλιά) που καταγράφηκαν στις φυτείες της φαλαρίδας στις περιοχές μελέτης σελ

14 Εισαγωγή Οι ενεργειακές ανάγκες σε παγκόσμια κλίμακα καλύπτονται κυρίως από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (πετρέλαιο, γαιάνθρακας, λιγνίτης) (Goldemberg και Johansson 2004). Η δημιουργία μεγάλων αστικών κέντρων, η αύξηση του πληθυσμού της γης αλλά και η αλματώδης ανάπτυξη των μεταφορών για προϊόντα και υπηρεσίες οδήγησαν στην αύξηση της κατανάλωσης και της ζήτησης για ενέργεια. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων και την αύξηση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου με σοβαρές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη μας (Goldemerg 2007). το πλαίσιο της ευρύτερης ενεργειακής πολιτικής της Ε.Ε για την προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε), κύριοι στόχοι αποτελούν η αύξηση μέχρι το του ποσοστού των Α.Π.Ε κατά 12% και του ποσοστού των βιοκαυσίμων στην αγορά κατά 5,75%. Μια επιπλέον θεσμοθετημένη πρωτοβουλία της Ε.Ε για την ενίσχυση της εφαρμογής της Ευρωπαϊκής Οδηγίας 30/2003/ΕC είναι το χέδιο Δράσης για τη Βιομάζα (Biomass Action Plan) το οποίο προτείνει μέτρα για την προώθηση της χρήσης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, αλλά και για τις μεταφορές, ενώ παράλληλα προωθεί συμπληρωματικά μέτρα σχετικά με τη διάθεση, χρηματοδότηση και έρευνα για τη βιομάζα. Επιπλέον η Ε.Ε, λόγω των παρατηρούμενων ρυθμών ανάπτυξης της παραγωγής βιοκαυσίμων, πρότεινε τον Μάρτιο του 2007 την αναθεώρηση της οδηγίας για τα βιοκαύσιμα υποδεικνύοντας ότι η τεχνολογία παραγωγής βιοκαυσίμων θα πρέπει να αναπτυχθεί διασφαλίζοντας τόσο την ανταγωνιστικότητα των προϊόντων, όσο και την αειφορία των διεργασιών και χρήσεων αυτών. ύμφωνα με τα παραπάνω το επίκεντρο της ενεργειακής πολιτικής για την Ευρώπη αποτελεί δέσμευση για την μετάβαση σε μια Ευρωπαϊκή οικονομία υψηλής ενεργειακής απόδοσης, χαμηλής ενεργειακής οικονομίας διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά 20% του επιπέδου του έτους 1990 μέχρι το έτος

15 την Ευρωπαϊκή Ένωση περισσότερο από το 30% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας οφείλεται στον τομέα των οδικών μεταφορών που εξαρτάται κατά 98% από εισαγόμενα συμβατικά καύσιμα, σύμφωνα με την έκθεση αναφοράς (Vision Paper) της Ευρωπαϊκής Σεχνολογικής Πλατφόρμας Βιοκαυσίμων. Με βάση την ίδια έκθεση εκτιμάται ότι μέχρι το 2030 αναμένεται αύξηση κατά 50% της συνολικής κατανάλωσης καυσίμων με δεδομένη την παρούσα αύξηση στον αριθμό των οχημάτων και την ανάπτυξη των αερομεταφορών. Αυτό επιβεβαιώνεται και στην τελευταία μελέτη του Εuropean Environment Agency σύμφωνα με την οποία για 15 χώρες της Ε.Ε οι εκπομπές από οχήματα αυξήθηκαν στον τομέα των μεταφορών και συγκεκριμένα κατά 27% για ΙΦ αυτοκίνητα και κατά 51% για φορτηγά, για την περίοδο Με βάση τις παραπάνω εκτιμήσεις προβλέπεται ότι το 90% της αύξησης των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) για την περίοδο θα οφείλεται στον τομέα των μεταφορών. Η επίσημη έκθεση της Ε.Ε για να ικανοποιηθούν οι δεσμεύσεις του πρωτοκόλλου του Κιότο είναι η κάλυψη σημαντικού μέρους της αυξανόμενης κατανάλωσης καυσίμων από βιοκαύσιμα. Η λύση αυτή παρουσιάζεται καταλληλότερη δεδομένου ότι οι μηχανές εσωτερικής καύσης θα συνεχίσουν να αποτελούν την κυρίαρχη τεχνολογία στα αυτοκίνητα έως το 2030, και θα εξακολουθήσουν να καίνε κυρίως υγρά καύσιμα. Η Ευρώπη έχει ήδη θέσει φιλόδοξους στόχους για την ανάπτυξη του τομέα των βιοκαυσίμων θεσμοθετώντας έως το 2030 να αντικατασταθεί το 25% των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στις οδικές μεταφορές με βιοκαύσιμα. Με τη χρήση βιοκαυσίμων θα μειωθεί σημαντικά η εξάρτηση της Ε.Ε από τα εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα διασφαλίζοντας το εγχώριο ενεργειακό ισοζύγιο. Παράλληλα, θα δημιουργηθούν νέες ευκαιρίες ανάπτυξης της αγροτικής και ενεργειακής οικονομίας, καθώς και σημαντικές ευκαιρίες στον τομέα έρευνας και ανάπτυξης. Σο όραμα και η πολιτική της Ε.Ε για την ανάπτυξη των βιοκαυσίμων υιοθέτησε πλήρως και η εθνική πολιτική στον τομέα αυτόν, δεδομένου ότι η χρήση και η διάθεση των βιοκαυσίμων έχει θεσμοθετηθεί μέσω του νόμου 3423/2005 που εναρμονίζεται με την Ευρωπαϊκή Οδηγία 2003/30/ΕC. Έτσι 15

16 το εθνικό νομοθετικό πλαίσιο επιβάλλει την αντικατάσταση σε ποσοστό 5,75% των συμβατικών καυσίμων των μεταφορών από βιοκαύσιμα μέχρι το Οι εναλλακτικές λύσεις που θα αναπτυχθούν θα πρέπει να είναι βιώσιμες οικονομικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά και θα πρέπει να εγγυώνται την ενίσχυση της ανταγωνιστικότητας της ευρωπαϊκής και εθνικής βιομηχανίας. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τους καθαρά οικονομικούς παράγοντες, όπως οι απαιτούμενες επενδύσεις, το κόστος λειτουργίας και το παραγωγικό δυναμικό και οι άλλοι παράγοντες όπως τα ισοζύγια ενέργειας και αερίων θερμοκηπίου, ο πιθανός ανταγωνισμός με την παραγωγή τροφίμων, οι επιπτώσεις της παραγωγής βιομάζας στο περιβάλλον και η κοινωνική διάσταση της παραγωγής και χρήσης βιοενέργειας, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη για την ολοκληρωμένη ανάπτυξη της πολιτικής για τα βιοκαύσιμα και την αποτελεσματική εφαρμογή της. Η πρόκληση είναι να αυξηθεί σημαντικά η παραγωγή βιοενέργειας με χρήση καινοτόμων πρώτων υλών, διεργασιών και τεχνολογιών που είναι αειφόρες. Η κατανομή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ε.Ε για το έτος 2005 σύμφωνα με την Εurostat ήταν: 66% βιομάζα, 22,2% υδραυλική ενέργεια, 5,5% γεωθερμία, 0,7% αιολική ενέργεια. Σο ποσοστό αυτό της βιομάζας αντιστοιχεί στο 4% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης στην Ε.Ε. H μεγάλη σημασία όμως της βιομάζας έγκειται στα ανεξάντλητα αποθέματα, την ικανότητα τοπικής και αποκεντρωμένης παραγωγής, την ευέλικτη διαχείρισή της και στο γεγονός ότι αποτελεί τη μοναδική πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοενέργειας σε υγρή μορφή για παραγωγή βιοκαυσίμων και νέων υλικών, καθώς με όλες τις άλλες Α.Π.Ε η ενέργεια που παράγεται χρησιμοποιείται στην τομέα της θέρμανσης και της ψύξης (Butler 2006, Wyman 2007, Gomez κ.α 2008). Η βιομάζα περιλαμβάνει κάθε οργανική ύλη συμπεριλαμβανομένων των ενεργειακών καλλιεργειών, των υποπροϊόντων και των καταλοίπων των δασικών προϊόντων, υποπροϊόντων και υπολειμμάτων γεωργικών προϊόντων, ζωικών αποβλήτων, των αστικών απορριμμάτων (οργανικό τμήμα) και των υδρόβιων φυτών που μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε χημική ενέργεια με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και την αποθηκεύει στους διάφορους ιστούς με 16

17 τη μορφή απλών ευδιάλυτων σακχάρων και δομικών πολυσακχαριτών (McKendry, 2002). ύμφωνα με εκτιμήσεις υπολογίζεται ότι ένα ποσοστό 0,5% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης δεσμεύεται από τα φυτά με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, ενώ ο μέγιστος βαθμός μετατροπής αυτής της ακτινοβολίας σε υδατάνθρακες ανέρχεται σε 4-6% ανάλογα με το είδος του φυτού, ενώ η άριστη ετήσια μετατροπή κυμαίνεται περίπου στο 3% (Heaton κ.α 2008). Σα τελευταία 15 χρόνια έχουν εκπονηθεί πολλά ερευνητικά προγράμματα σε πολλές Ευρωπαϊκές χώρες σχετικά με την προσαρμοστικότητα και την παραγωγικότητα αρκετών ενεργειακών φυτών σε διαφορετικές οικολογικές συνθήκες και καλλιεργητικές πρακτικές (Lewandowski κ.α 2003). ήμερα η σημαντικότερη καλλιέργεια παραγωγής πρώτης γενιάς βιοενέργειας στην Ε.Ε αποτελεί η ελαιοκράμβη (Brassica napus L.) και ο ηλίανθος (Ηelianthus annuss) (πρώτης γενιάς ενεργειακή καλλιέργεια) για παραγωγή βιοντήζελ (υγρό βιοκαύσιμο). Όμως λόγω των σημαντικών διαφορών στις κλιματεδαφικές συνθήκες που επικρατούν στις χώρες της Κεντρικής και Βόρειας Ευρώπης σε σχέση με αυτές τις Μεσογείου και των διαφορών στις κοινωνικό-οικονομικές συνθήκες διαφαίνεται ότι οι προτεινόμενες ενεργειακές καλλιέργειες δεν προτείνονται για καλλιέργεια στην Ελλάδα. Οι ενεργειακές καλλιέργειες πρώτης γενιάς στηρίζονται στην αξιοποίηση των καρπών των ετήσιων ειδών (ελαιοκράμβη, ηλίανθος, καλαμπόκι, σιτάρι) που εκτός από τις χαμηλές αποδόσεις, έχουν αυξημένο κόστος παραγωγής λόγω αυξημένων εισροών (άρδευση, λίπανση, φυτοπροστασία, ετήσια εγκατάσταση) με αποτέλεσμα να μειώνεται το περιβαλλοντικό και οικονομικό όφελος από την καλλιέργειά τους και τη χρήση των τελικών προϊόντων τους (Ηill κ.α 2006, Gerin κ.α 2008). Επιπλέον πολλά από τα αναφερόμενα είδη αποτελούν ταυτόχρονα και πρώτη ύλη για την παραγωγή τροφής σε παγκόσμιο επίπεδο, με αποτέλεσμα η αύξηση της ζήτησης για βιοενέργεια να οδηγεί σε ανταγωνισμό με τον αγροδιατροφικό τομέα σε αύξηση της τιμής βασικών ειδών διατροφής αλλά και σε αλλαγές χρήσεων γης με αρνητικές επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα, οξύνοντας τα φαινόμενα του υποσιτισμού και της κλιματικής αλλαγής (Εscobar κ.α 2009). 17

18 Αναγνωρίζοντας τις παραπάνω επιπτώσεις από την καλλιέργεια των ενεργειακών φυτών πρώτης γενιάς η σύγχρονη έρευνα εστιάζεται στα δεύτερης γενιάς ενεργειακά φυτά και συγκεκριμένα στην αξιοποίηση ολόκληρης της μη εδώδιμης λιγνοκυτταρινικής τους βιομάζας (lignocellulosic biomass) (Farrell κ.α 2006, Ragauskas κ.α 2008, Field κ.α 2008). Μια τέτοια κατηγορία φυτών είναι και τα πολυετή ποώδη λιβαδικά φυτά και ειδικότερα αυτά των Αγρωστωδών (Poaceae) και των Χυχανθών (Fabaceae) τα οποία μπορούν να δώσουν φθηνή και άφθονη πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα, γιατί παράγουν μεγάλη ποσότητα βιομάζας με λιγότερες εισροές, με αποτέλεσμα να μειώνονται περισσότερο το κόστος παραγωγής βιοενέργειας όσο και οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου (Κeshwani και Cheng 2009). Επιπλέον τα είδη των αγρωστωδών είναι αυτοφυή με ευρεία εξάπλωση σε ποικιλία κλιματεδαφικών συνθηκών, υψηλό παραγωγικό δυναμικό και λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο (Dien κ.α 2006). Έχουν ικανότητα να προσαρμόζονται στις ξηροθερμικές συνθήκες της χαμηλής ζώνης βλάστησης, όπου βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος των οριακών γεωργικών εκτάσεων και αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες εδαφικού οργανικού άνθρακα, εξαιτίας του πλούσιου ριζικού τους συστήματος (Ηarvey 2007; Liebig κ.α 2005). Η τεχνολογική αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας των ενεργειακών φυτών δεύτερης γενιάς ενισχύεται από την αλματώδη ανάπτυξη της βιοτεχνολογίας με στόχο την παραγωγή βιοενέργειας χαμηλού κόστους (Wyman κ.α 2005). Παρόλα αυτά απαιτείται η χρήση του σταδίου προκατεργασίας, ώστε να μειωθεί η φυσική αντίσταση της λιγνοκυτταρίνης και να επιτευχθεί υψηλή μετατρεψιμότητα με βιολογικές μεθόδους. Σα τελευταία χρόνια έχουν χρησιμοποιηθεί διαφορετικές μέθοδοι προκατεργασίας (βιολογικές, χημικές, φυσικές, θερμοχημικές και θερμικές), ωστόσο μόνο αυτές που στηρίζονται στη χρήση χημικών συνδυάζουν επιτυχώς τις υψηλές παραγωγές με χαμηλό κόστος (Τang και Wyman 2008). Επιπλέον υπάρχουν ακόμη αρκετά τεχνικά ζητήματα στην αξιοποίηση των διαφόρων ειδών λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, που πρέπει να επιλυθούν ώστε να ενισχυθεί η βιωσιμότητα σε βιομηχανική κλίμακα των διεργασιών μετατρεψιμότητας σε βιοενέργεια (Jorgensen κ.α 2007). Για τα πολυετή ποώδη λιβαδικά φυτά των οικογενειών Poaceae και 18

19 Fabaceae ως δεύτερης γενιάς ενεργειακά φυτά υπάρχει έλλειψη πληροφοριών όσο αφορά την ανταπόκρισή τους σε διαχειριστικές πρακτικές που έχουν ως στόχο την παραγωγή βιομάζας και τη μετατροπή της σε βιοενέργεια, καθώς η βασική προτεραιότητα της έρευνας τους μέχρι σήμερα ήταν η θρεπτική αξία για τα βόσκοντα ζώα (Evers κ.α 2004). Σα κύρια ενεργειακά φυτά που προτείνονται από τη σύγχρονη βιβλιογραφία (Smeets κ.α 2007; Αngelini κ.α 2009; Mantineo κ.α 2009) ως υποσχόμενες ενεργειακές καλλιέργειες δεύτερης γενιάς ήταν τα είδη των αγρωστωδών (Panicum virgatum, Mischantus sp.) είναι μη ενδημικά για τα μεσογειακά περιβάλλοντα. Η προσπάθεια καλλιέργεια τους στη χώρα μας (Danalatos κ.α 2007; Alexopoulou κ.α 2008) στηρίζεται σε δεδομένα διετίας και πενταετίας και αναφέρονται κυρίως στο παραγωγικό δυναμικό των καλλιεργειών με διάφορες αγρονομικές πρακτικές. Αντίθετα υπάρχει έλλειψη ερευνητικών δεδομένων σε ότι αφορά την μετατροπή της βιομάζας τους σε βιοενέργεια αλλά και την αξιολόγηση της αειφορικής τους παραγωγής με ποσοτικοποιημένα κριτήρια. κοπός της παρούσας μελέτης ήταν η αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού των λιβαδικών φυτών και η αξιοποίησή τους για την παραγωγή βιοενέργειας. 19

20 Ανασκόπηση βιβλιογραφίας 20

21 1. ΑΞΙΟΛΟΓΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ Η συμμετοχή της βιομάζας στην παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας εκτιμάται ότι είναι ίση με το 20% του πετρελαίου, τέσσερις φορές μεγαλύτερη αυτής των υδατοπτώσεων, 60 φορές μεγαλύτερη του ουρανίου και 800 φορές περισσότερη της γεωθερμικής ενέργειας. Η βιομάζα ως πρώτη ύλη για παραγωγή ενέργειας είναι ανανεώσιμη, έχει χαμηλό κόστος παραγωγής, άφθονη, εύκολη στη διαχείριση της και η μοναδική πρώτη ύλη για παραγωγή βιοενέργειας υπό μορφή υγρών και στερεών βιοκαυσίμων (Lewandowski κ.α 2003; Saxena κ.α 2009). Αυτή περιλαμβάνει τα ενεργειακά φυτά πρώτης και δεύτερης γενιάς, καθώς και υπολείμματα ή παραπροϊόντα φυτικής ή ζωικής προέλευσης. Ενεργειακά φυτά πρώτης γενιάς είναι κυρίως ετήσια είδη φυτών που καλλιεργούνται για παραγωγή σπόρων οι οποίοι χρησιμοποιούνται για παραγωγή βιοενέργειας, δημιουργώντας οικολογικά και οικονομικά προβλήματα. Σα ενεργειακά φυτά δεύτερης γενιάς είναι πολυετή είδη φυτών που καλλιεργούνται για παραγωγή βιομάζας με υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο. Για να χαρακτηριστεί ένα φυτό ως ενεργειακό δεύτερης γενιάς θα πρέπει να έχει: 1) υψηλή παραγωγή βιομάζας ανά μονάδα επιφάνειας εδάφους και 2) υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους υπέργειας βιομάζας. Σα λιβαδικά φυτά και ειδικότερα τα πολυετή ποώδη φυτά των οικογενειών Poaceae και Fabaceae παράγουν μεγάλη ποσότητα υπέργειας βιομάζας και έχουν υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο σε σχέση με τα ετήσια είδη. Σα πολυετή αγρωστώδη και ψυχανθή έχουν την ικανότητα να προσαρμόζονται σε περιοχές με περιορισμένους πόρους αύξησης γι αυτό απαντώνται σε μεγάλο εύρος κλιματεδαφικών συνθηκών (Παπαναστάσης και Νοϊτσάκης 1992, Κούκουρα 2003). Σα πολυετή ψυχανθή επιπλέον έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν συμβιωτικά το ατμοσφαιρικό άζωτο στο έδαφος, αυξάνοντας τη γονιμότητα του. Σα είδη των αγρωστωδών διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η αναγωγή του CO2 κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Η πρώτη κατηγορία αναπτύσσεται σε σχετικά χαμηλές 21

22 θερμοκρασίες, οπότε αρχίζει το βιολογικό κύκλο το φθινόπωρο και τερματίζει τη δραστηριότητα στο τέλος της άνοιξης ή στις αρχές του θέρους. Σα φυτά της κατηγορίας αυτής ακολουθούν τον κύκλο φωτοσύνθεσης C3 (C3 φυτά ή ψυχρόβια). Η δεύτερη κατηγορία απαιτεί σχετικά υψηλότερες θερμοκρασίες, οπότε ο βιολογικός τους κύκλος αρχίζει την άνοιξη και λήγει στο τέλος του θέρους. Σα φυτά αυτής της κατηγορίας ακολουθούν τον κύκλο φωτοσύνθεσης C4 (C4 ή θερμόβια). Οι διαφορές των C3 και C4 φυτών στην οξείδωση του CO2 κατά τη φωτοσύνθεση, καθώς και στην αναπνοή και διαπνοή συνεπάγονται μια σειρά διαφορών στην ανατομία του φύλλου, στην παραγωγικότητα, στην αποτελεσματικότητα χρήσης του νερού στις οικολογικές απαιτήσεις καθώς και στο βιολογικό τους κύκλο (Παπαναστάσης και Noϊτσάκης 1992). Σα C4 φυτά είναι παραγωγικότερα γιατί έχουν υψηλότερη φωτοσυνθετική αποτελεσματικότητα κάτω από άριστες συνθήκες περιβάλλοντος σε σχέση με τα C3 φυτά. Επιπλέον τα C4 φυτά αντέχουν σε υψηλές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, επικρατούν σε ξηρές και θερμές περιοχές και αποτελούν κύρια είδη των ποολίβαδων της χαμηλής ζώνης, ενώ τα C3 επικρατούν σε μεγαλύτερα υψόμετρα, όπου οι θερμοκρασίες είναι πιο χαμηλές. Οι διαφορετικές οικολογικές απαιτήσεις σε φως και θερμοκρασία των δύο κατηγοριών φυτών έχουν ως αποτέλεσμα την ύπαρξη χρονικής διαφοράς στις φαινοφάσεις του βιολογικού τους κύκλου, με αποτέλεσμα η παραγωγή υπέργειας βιομάζας τους να εμφανίζει μια χρονική συμπληρωματικότητα. Η παραγωγή στα C3 φυτά είναι μέγιστη στο τέλος της άνοιξης, ενώ στα C4 στο τέλος του θέρους με αποτέλεσμα ο συνδυασμός της καλλιέργειας των δύο κατηγοριών φυτών να εξασφαλίζει επιμήκυνση της περιόδου παραγωγής βιομάζας κατά τη διάρκεια του έτους. 1.1 Παραγωγή βιομάζας O ρυθμός μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε οργανική ουσία με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης από τα χλωροφυλλούχα φυτά ονομάζεται πρωτογενής παραγωγικότητα, που ουσιαστικά αποτελεί τη βιολογική παραγωγή βιομάζας ανά μονάδα επιφάνειας του εδάφους (Παπαναστάσης και Νοϊτσάκης 1992). Η πιο αξιόλογη ομάδα λιβαδικών φυτών όσον αφορά την παραγωγή 22

23 βιομάζας είναι τα ποώδη φυτά. Από αυτά οι οικογένειες των αγρωστωδών (Poaceae) και των ψυχανθών (Fabaceae) περιλαμβάνουν το μεγαλύτερο αριθμό πολύτιμων λιβαδικών ειδών (Κούκουρα 2003). Η παραγωγή βιομάζας των λιβαδικών φυτών επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι οι κλιματεδαφικές συνθήκες, η κατηγορία, το είδος και τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των φυτών. Όσον αφορά τις κλιματικές συνθήκες η ποσότητα και η κατανομή των ετήσιων κατακρημνισμάτων καθώς και η θερμοκρασία αποτελούν τους κύριους οικολογικούς παράγοντες που σχετίζονται άμεσα με την παραγωγή βιομάζας (Bates κ.α 2006; Guo κ.α 2006; Φu κ.α 2006). Σο νερό αποτελεί ρυθμιστικό παράγοντα της φωτοσύνθεσης και ρυθμίζει τη μεταφορά των ανόργανων θρεπτικών συστατικών από τη ρίζα στα φύλλα και τη μεταφορά των προϊόντων φωτοσύνθεσης από τα φύλλα στα διάφορα όργανα των φυτών. Η θερμοκρασία είναι ο κύριος οικολογικός παράγοντας που σχετίζεται άμεσα με το ρυθμό ανάπτυξης του φυτού δεδομένου ότι συμβάλλει στη ρύθμιση της φωτοσύνθεσής του (Ιanucci κ.α 2008). ύμφωνα με τον Van Dyne (1969) η παραγωγή αυξάνει όσο αυξάνει η μέση ετήσια θερμοκρασία από C. Η γονιμότητα του εδάφους σχετίζεται επίσης με την παραγωγή της βιομάζας των λιβαδικών φυτών. O Sengul (2003) μελετώντας το παραγωγικό δυναμικό διαφόρων πολυετών ποωδών φυτών σε ξηρά περιβάλλοντα (μέση ετήσια βροχόπτωση 446 mm) της Σουρκίας αναφέρουν ότι η παραγωγή κατά μέσο όρο τριών ετών στα πολυετή αγρωστώδη ήταν 3,72 t/ha και στα ψυχανθή 2,76 t/ha χωρίς την εφαρμογή λίπανσης. Oι Lewandowski κ.α (2003) μελέτησαν την ανάπτυξη 18 πολυετών αγρωστωδών που είχαν ριζώματα ως ενεργειακά φυτά στις Η.Π.Α και την Ευρώπη και βρήκαν ότι η παραγωγή τους να κυμαινόταν από 0,9 34,6 t/ha στις Η.Π.Α και από 3 37 t/ha. Oι Florine κ.α (2006) ερευνώντας το παραγωγικό δυναμικό φυσικών λιβαδιών που κυριαρχούνταν από πολυετή ψυχρόβια αγρωστώδη στην νότια Αϊόβα των Η.Π.Α βρήκαν ότι η παραγωγή τους κυμάνθηκε από 0,75 8,24 t/ha με μέσο όρο 4,20 t/ha σε εικοσιέξι περιοχές χωρίς την εφαρμογή λίπανσης. Οι Μulkey κ.α (2008) εργαζόμενοι με τη διαχείριση καλλιεργειών από πολυετή θερμόβια αγρωστώδη για την παραγωγή βιομάζας στη Νότια Ντακότα των Η.Π.Α αναφέρουν ότι η παραγωγή κατά μέσο όρο τριών ετών χωρίς την εφαρμογή λίπανσης ήταν 4,72 t/ha. 23

24 Η διαφοροποίηση των κλιματικών μεταβλητών είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που σχετίζεται με την παραγωγή βιομάζας. Ακόμη και σε περιοχές με κανονική βροχόπτωση καθ όλη τη διάρκεια του έτους η παραγωγή βιομάζας των λιβαδικών φυτών μπορεί να ποικίλει μεταξύ των ετών εξαιτίας των κλιματικών παραγόντων (Hermman κ.α 2005). ύμφωνα με τους Haddad κ.α (2002) η ξηρασία (έλλειψη βροχόπτωσης) είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες η οποία έχει συχνά αρνητικές επιπτώσεις στην παραγωγή. Οι Μuir κ.α (2010) μελετώντας την επίδραση των κατακρημνισμάτων στην παραγωγή βιομάζας της αγριάδας για παραγωγή βιοενέργεια στις νοτιοανατολικές Η.Π.Α βρήκαν υψηλές παραγωγές 6,1 t/ha με ετήσια βροχόπτωση 495 mm, ενώ σε έτη με βροχόπτωση 845 mm η παραγωγή κυμάνθηκε από 10,3 11,2 t/ha. Όσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα του εδάφους σε άζωτο, φωσφόρο, οργανική ουσία και μηχανική σύσταση τόσο υψηλότερη είναι η παραγωγή (Παπαναστάσης και Νοϊτσάκης 1992; Hermann 2005; Εckersten κ.α 2007). Αρκετές έρευνες αναφέρουν ότι η παραγωγικότητα των ποωδών φυτών συνδέεται με τα μορφολογικά χαρακτηριστικά τους και κυρίως αυτών των φύλλων (λειτουργικά χαρακτηριστικά) (Garnier κ.α 2001; Craine κ.α 2001; Liu κ.α 2009). Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας έχει χρησιμοποιηθεί σαν κύριo χαρακτηριστικό του μεγέθους των αγρωστωδών που σχετίζεται με διαφορετικές λειτουργίες όπως ο ρυθμός αύξησης, η φωτοσύνθεση και η χρησιμοποίηση των θρεπτικών στοιχείων (Duru και Ducrocq 2000; Peri κ.α 2003; Woledge και Pearse 1985). ύμφωνα με τους Liu κ.α 2009 η ειδική φυλλική επιφάνεια διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στη αφομοίωση του CO2 και την κατανομή των παραγόμενων υδατανθράκων στα φυτά. Οι Wright κ.α (2001) αναφέρουν ότι είδη με μεγάλο δείκτη ειδικής φυλλικής επιφάνειας (SLA) κατανέμουν περισσότερη βιομάζα στους βλαστούς της υπέργειας βιομάζας. Oι Pontes κ.α (2007) βρήκαν θετική συσχέτιση μεταξύ της παραγωγής βιομάζας και της ειδικής φυλλικής επιφάνειας (SLA) σε πολυετή ψυχρόβια αγρωστώδη. Oι Garnier κ.α (2007) μελετώντας τη μεταβολή ορισμένων λειτουργικών χαρακτηριστικών (SLA, LA) των φυτών σε 11 ευρωπαϊκές περιοχές με διαφορετικές οικολογικές συνθήκες, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι μεταβολές αυτές μπορούν να επηρεάσουν θεμελιώδεις λειτουργίες των φυτών 24

25 όπως είναι η πρωτογενής παραγωγικότητα. Τψηλή παραγωγή βιομάζας των πολυετών ποωδών φυτών αναφέρουν αρκετοί ερευνητές. Oι Scholz και Ellerbrock (2002) αξιολογώντας την παραγωγικότητα και τις περιβαλλοντικές επιδράσεις της καλλιέργειας ενεργειακών φυτών σε αμμώδη εδάφη της Γερμανίας βρήκαν ότι τα πολυετή αγρωστώδη Dactylis glomerata είχαν υψηλή παραγωγή βιομάζας κατά μέσο όρο έξι ετών 7,2 t/ha και 5,8 t/ha για το είδος Secale montanum, χωρίς την εφαρμογή λίπανσης. Η κατηγορία και το είδος των ποωδών φυτών συμβάλλουν σημαντικά στην παραγωγή υπέργειας βιομάζας. Οι Gherbin κ.α (2007) μελετώντας την προσαρμογή και παραγωγικότητα 23 αγρωστωδών και 6 ψυχανθών ειδών σε μεσογειακά περιβάλλοντα αναφέρουν ότι κατά μέσο όρο τα αγρωστώδη ήταν πιο παραγωγικά σε σχέση με τα ψυχανθή και ότι η παραγωγή τους κυμάνθηκε από (6 2,1 t/ha) και (4 18,4 t/ha) αντίστοιχα. Oι Xu κ.α (2006) μελέτησαν την παραγωγή υπέργειας βιομάζας τεσσάρων πολυετών ψυχανθών ειδών που καλλιεργήθηκαν σε ημίξηρα περιβάλλοντα της Κίνας για τέσσερα (4) έτη και βρήκαν ότι κατά μέσο όρο η παραγωγή των ειδών κυμάνθηκε από 3,9 11,6 t/ha. Οι Lehtomaki κ.α (2008) αξιολογώντας την παραγωγικότητα πολυετών ποωδών ειδών σε βόρεια κλίματα της Ευρώπης (Υιλανδίας) αναφέρουν ότι η παραγωγή βιομάζας των πολυετών αγρωστωδών κυμάνθηκε από 8 11 t/ha ενώ των ψυχανθών 4 7 t/ha. O Robins (2010) συγκρίνοντας το παραγωγικό δυναμικό μεταξύ διαφόρων κατηγοριών πολυετών αγρωστωδών φυτών (ψυχρόβια θερμόβια) κάτω από συνθήκες άρδευσης βρήκαν ότι η συνολική παραγωγή βιομάζας κατά μέσο όρο ήταν 9,9 t/ha. Ακόμη αναφέρουν υψηλότερη παραγωγή στα ψυχρόβια 18,1 t/ha σε σχέση με τα θερμόβια 6,4 t/ha. Οι Mantineo κ.α (2009) μελετώντας την παραγωγή βιομάζας τριών πολυετών φυτών (Αrundo donax, Mischanthus giganteus & Cynara cardunculus) για την παραγωγή βιοενέργειας σε ημίξηρα περιβάλλοντα της Ιταλίας (ικελία) για περίοδο πέντε ετών με δύο επίπεδα άρδευσης και δύο λίπανσης αναφέρουν υψηλές αποδόσεις για τα είδη Arundo donax (6,1 38,8 t/ha), (2,5 26,9 t/ha) για το είδος Mischanthus giganteus και (24,7 1 t/ha) για το είδος Cynara cardunculus. Επίσης βρήκαν ότι η παραγωγή αυξήθηκε με την ηλικία των φυτειών για τα δύο πολυετή αγρωστώδη, ενώ η παραγωγή της αγριαγκινάρας παρουσίασε σημαντική μείωση κατά 1t/ha το πέμπτο έτος. 25

26 Oι Pontes κ.α (2007) μελέτησαν την εποχιακή κατανομή της παραγωγής βιομάζας 15 πολυετών αγρωστωδών σε ημίξηρα περιβάλλοντα της Ευρώπης και βρήκαν υψηλή διακύμανση της παραγωγής μεταξύ των ειδών (4,98 10,92 t/ha) για περίοδο τριών ετών. Οι Christian κ.α (2006) αξιολογώντας το πολυετές ψυχρόβιο αγρωστώδες (Phalaris arundinacea) ως ενεργειακή καλλιέργεια στη Νότια Αγγλία αναφέρουν ότι η παραγωγή βιομάζας το πρώτο έτος ήταν χαμηλή 1,58 t/ha ενώ τα επόμενα τρία χρόνια ήταν κατά μέσο όρο 8,96 t/ha. ε βόρεια εύκρατα κλίματα οι Seppala κ.α (2009) αξιολογώντας την παραγωγή πολυετών ποωδών φυτών για την παραγωγή βιοενέργειας σε τρία διαδοχικά έτη βρήκαν ότι κατά μέσο όρο η παραγωγή της Dactylis glomerata ήταν 4,15 t/ha, της Festuca arundinacea 3,88 t/ha, του Phleum pratense 2,53 t/ha και 5,75 t/ha της Phalaris arundinacea. Οι Angelini κ.α (2009) μελετώντας την παραγωγή βιομάζας δύο πολυετών αγρωστωδών Μischanthus giganteus (μίσχανθος) και Arundo donax (καλάμι) στην κεντρική Ιταλία με εφαρμογή ποσότητας λίπανσης ίση με 100 Kg/ha για περίοδο 10 ετών βρήκαν ότι ήταν κατά μέσο όρο 28,7 και 37,3 t/ha αντίστοιχα. Ελάχιστες έρευνες όμως έχουν πραγματοποιηθεί στη χώρα μας όσον αφορά την παραγωγή βιομάζας σε ενεργειακές καλλιέργειες με πολυετή ποώδη φυτά. Oι Danalatos κ.α (2007) μελέτησαν την επίδραση της πυκνότητας φύτευσης και της αζωτούχου λίπανσης στην ανάπτυξη και την παραγωγή βιομάζας για το πολυετές αγρωστώδες Μischanthus giganteus στην Κεντρική Ελλάδα κάτω από συνθήκες άρδευσης (600 & 400 mm) για δύο έτη. Οι ίδιοι συγγραφείς βρήκαν ότι στις πυκνές φυτείες (20000 φυτά/ha) και σε επίπεδα λίπανσης 100 Kg/ha η παραγωγή βιομάζας ήταν υψηλότερη και κυμάνθηκε από t/ha. Οι Αlexopoulou κ.α (2008) αξιολογώντας το παραγωγικό δυναμικό διαφόρων ποικιλιών από το πολυετές θερμόβιο αγρωστώδες (Panicum virgatum) σε μεσογειακά περιβάλλοντα (Ελλάδα Ιταλία) για μια περίοδο πέντε ετών με την προσθήκη ετήσιας ποσότητας αζώτου (Ν) 75 Kg/ha, βρήκαν ότι στην Ελλάδα η παραγωγή κυμάνθηκε από 9,3 11,5 ενώ στην Ιταλία από 2,2 12,3 t/ha. Οι ίδιοι συγγραφείς αναφέρουν ότι το πρώτο έτος εγκατάστασης η παραγωγή ξηρής βιομάζας κυμάνθηκε από 0,9-3 t/ha αλλά και ότι η παραγωγή μειώθηκε το πέμπτο έτος όλες τις περιοχές κατά 16%. 26

27 1.2 Λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο βιομάζας Σα λιβαδικά φυτά από χημική άποψη περιέχουν τρεις βασικές ομάδες θρεπτικών συστατικών: 1) Τδατάνθρακες, 2) Λίπη και έλαια, 3) Πρωτεΐνες. Εκτός από αυτές τις τρεις βασικές ομάδες τα φυτά περιέχουν ανόργανες ουσίες, βιταμίνες και νερό. Οι υδατάνθρακες χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες ανάλογα με τη θέση τους στο κύτταρο: α) Ευδιάλυτοι υδατάνθρακες: αυτούς περιλαμβάνονται τα απλά σάκχαρα και το άμυλο που απαντώνται σε διάλυση στο χυμοτόπιο του κυττάρου και β) Δομικοί υδατάνθρακες (πολυσακχαρίτες): αυτούς περιλαμβάνονται η κυτταρίνη και οι ημικυτταρίνες που απαντώνται στα κυτταρικά τοιχώματα. Ι) Κυτταρίνη Η κυτταρίνη είναι η σπουδαιότερη και αφθονότερη οργανική ουσία που βρίσκεται στη φύση. Εκτιμάται ότι η συνολική ποσότητα κυτταρίνης πάνω στη γη ανέρχεται σε 26,5 Φ τόννους (περίπου το 40% της οργανικής ύλης που παράγεται με τη φωτοσύνθεση στα φυτά). Αποτελεί το κύριο δομικό συστατικό των φυτών, βρίσκεται ακόμη και στα κατώτερα φυτά όπως οι φτέρες κι έχει αξιόλογες φυσικές, μηχανικές και χημικές ιδιότητες. Αναπαράγεται φυσικά με τη φωτοσύνθεση κι αποτελεί ένα φθηνό πολυμερές υλικό, το οποίο αποτελείται από 44,4% άνθρακα, 6,2% υδρογόνο και 49,3% οξυγόνο με εμπειρικό τύπο (C6H10O5)n και Μ.Β = 162. Ακόμη η κυτταρίνη αποτελείται από γραμμικά πολυμερή των οποίων η στοιχειώδης μονάδα δόμησης είναι η γλυκόζη. Κι αυτό αποδεικνύεται από το γεγονός ότι η υδρόλυση της κυτταρίνης με οξέα (θειικό, υδροχλωρικό) δίνει γλυκόζη (απλό σάκχαρο) και μόνο γλυκόζη (Υιλίππου 1986). ΙΙ) Ημικυτταρίνες Οι ημικυτταρίνες είναι ένα μίγμα συμπολυμερών (πολυσακχαριτών) τα οποία δομούνται από δύο ή περισσότερα απλά σάκχαρα και η παρουσία τους στη φύση είναι στενά συνδεδεμένη με την παρουσία της κυτταρίνης και της λιγνίνης. Η πλήρης υδρόλυση των ημικυτταρινών μας δίνει τις πεντόζες: ξυλόζη, αραβινόζη (απλά σάκχαρα) και τις εξόζες: γλυκόζη, μαννόζη, γαλακτόζη, 27

28 ουρονικά οξέα και η βιολογική τους λειτουργία στα φυτά είναι κατά κύριο λόγο μηχανική, παρέχοντας υψηλή αντοχή σε κάμψη και θλίψη (Υιλίππου 1986). ΙΙΙ) Λιγνίνη Η λιγνίνη δεν απαντάται ελεύθερη στη φύση αλλά είναι πάντα συνδεδεμένη με την παρουσία της κυτταρίνης και των ημικυτταρινών, με τις οποίες σχηματίζει ιστούς ικανούς να υποστηρίζουν το υπέργειο τμήμα των φυτών κι ανθεκτικούς στην επίδραση των μηχανικών δυνάμεων του περιβάλλοντος. ήμερα μεγάλες ποσότητες λιγνίνης παραμένουν αχρησιμοποίητες ως υπολείμματα σακχάρων και χημικής παραγωγής χαρτοπολτού, κι αποτελούν μεγάλη πρόκληση για έρευνα με σκοπό την εξεύρεση οικονομικών μεθόδων αξιοποίησής τους, καθώς από αυτή μπορούν να παραχθούν πολλές χημικές ενώσεις που βρίσκονται στο πετρέλαιο (Βuranov και Μazza 2008). Η χημική σύσταση των λιβαδικών φυτών σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, ιχνοστοιχεία διαφοροποιείται ανάλογα με το είδος, την κατηγορία φυτού, το φαινολογικό στάδιο ανάπτυξης του φυτού (Reeves κ.α. 1996; Mulholland κ.α. 1996; Nandra κ.α. 1998; Ayres κ.α 1998; Fulkerson κ.α 1999) των κλιματικών συνθηκών στις οποίες αναπτύσσεται (Reeves κ.α 1996; Van Soest 1994; Jouven κ.α 2006) καθώς και τη μορφολογία του (Wilman and Riley; 1993; Aeschimann κ.α 2004). ημαντική κρίνεται από πολλούς ερευνητές η επίδραση της κατηγορίας του φυτού στο λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο. Οι Μin κ.α (2002) αναφέρουν ότι τα κυτταρικά τοιχώματα των ψυχανθών έχουν μικρότερο ποσοστό κυτταρίνης και ημικυτταρινών σε σχέση με αυτά των αγρωστωδών. Οι Fulkerson κ.α (2007) σε μεσογειακά περιβάλλοντα της Αυστραλίας βρήκαν ότι τα πολυετή αγρωστώδη είχαν μεγαλύτερη συγκέντρωση ημικυτταρινών στα κυτταρικά τους τοιχώματα σε σχέση με τα πολυετή ψυχανθή. Οι Arzani κ.α (2006) μελέτησαν το λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο 22 ενδημικών λιβαδικών ειδών στο Ιράν και βρήκαν ότι μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών φυτών (αγρωστώδη, ψυχανθή και πλατύφυλλες πόες) τα αγρωστώδη είχαν τη μεγαλύτερη συγκέντρωση (κυτταρίνη+λιγνίνη) στα κυτταρικά τους τοιχώματα. Οι Bovolenta κ.α (2008) ερεύνησαν τη χημική σύσταση διαφόρων ποωδών φυτών και βρήκαν ότι η συγκέντρωση του λιγνοκυτταρινικού τους περιεχομένου ήταν μεγαλύτερη στα 28

29 αγρωστώδη (> 700 g/kg Ξ.Ο) σε σύγκριση με τα ψυχανθή και τις πλατύφυλλες πόες (< 403 g/kg Ξ.Ο). Οι Heaton κ.α (2008) αναφέρουν ότι ο βαθμός μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χημική και η αποθήκευση της με τη μορφή δομικών υδατανθράκων διέφερε μεταξύ φυτών με διαφορετικό φωτοσυνθετικό κύκλο. Για τα θερμόβια είδη (C4) αυτός ήταν 6,0% ενώ για τα ψυχρόβια (C3) ποώδη φυτά ήταν 4,6%. Διαφοροποίηση στο λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο παρατηρήθηκε και μεταξύ των ειδών στις διάφορες κατηγορίες λιβαδικών φυτών από πολλούς ερευνητές (Prochnow κ.α 2009). Οι Collins και Casler (1990) μελέτησαν τη χημική σύσταση της βιομάζας πέντε (5) πολυετών ψυχρόβιων αγρωστωδών και αναφέρουν ότι η συγκέντρωση του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου διέφερε σημαντικά μεταξύ των ειδών, με τη δακτυλίδα (Dactylis glomerata) να έχει την υψηλότερη τιμή (624 g kg -1 Ξ.Ο ) και τη φαλαρίδα (Phalaris arundinacea) (548 g Kg -1 Ξ.Ο). Οι Bruno- Soares κ.α (2000) αναφέρουν ότι βρήκαν διαφορετικές περιεκτικότητες λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου μεταξύ επτά (7) ψυχανθών ειδών, που κυμάνθηκαν από 58% - 76,5% της ξηρής ουσίας. Διαφοροποίηση του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου αναφέρεται μεταξύ των τμημάτων του φυτού. Οι El-Shatnawi and Mohawesh (2000) και οι Ganskopp and Bohnert (2001) αναφέρουν ότι βλαστοί έχουν περισσότερους δομικούς υδατάνθρακες σε σχέση με τα φύλλα. Οι Μοreira κ.α. (2004) αναφέρουν ότι οι βλαστοί από το πολυετές αγρωστώδες (Cynodon plectostachyus v.pigler) είχαν μεγαλύτερο ποσοστό λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου σε σχέση με τα φύλλα. Οι Hassen κ.α (2007) ερεύνησαν τη θρεπτική αξία πέντε ποωδών ψυχανθών ειδών στη Νότια Αφρική σε περιοχές με μεσογειακό κλίμα και βρήκαν ότι τα φύλλα είχαν μικρότερα ποσοστά λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου σε σχέση με τους βλαστούς. Σο φαινολογικό στάδιο του φυτού αποτελεί καθοριστικό παράγοντα, που επηρεάζει το λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο της παραγόμενης βιομάζας. Με την προοδευτική ωρίμανση του φυτού παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης των δομικών συστατικών των κυτταρικών τοιχωμάτων και μείωση του ολικού αζώτου στα υπέργεια τμήματά του. Oι Distel κ.α (2005) μελετώντας τη χημική σύσταση δύο ενδημικών ειδών αγρωστωδών της Κεντρικής Αργεντινής αναφέρουν ότι στο 29

30 τέλος της βλαστικής περιόδου και τα δύο είδη είχαν τη μεγαλύτερη συγκέντρωση λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου (693 g/kg Ξ.Ο). Οι Pontes κ.α (2007) μελέτησαν το λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο 13 αγρωστωδών σε μονοκαλλιέργειες και βρήκαν ότι σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης αυξήθηκε η συγκέντρωσή του μέχρι 270 g/kg Ξ.Ο. Οι Ritchie κ.α (2006) αναφέρουν ότι η βιομάζα του ενδημικού θερμόβιου πολυετούς αγρωστώδους (Τripsacum dactyloides L.) της Ανατολικής Αμερικής είχε υψηλές συγκεντρώσεις ημικυτταρινών (310 g/kg Ξ.Ο), κυτταρίνης (375 g/kg Ξ.Ο) και λιγνίνης (50 g/kg Ξ.Ο) κατά τη συγκομιδή του στο φαινολογικό στάδιο της πλήρους έκπτυξης της ταξιανθίας. Οι Βοvolenta κ.α (2008) ερεύνησαν την επίδραση του φαινολογικού σταδίου ανάπτυξης μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών λιβαδικών φυτών στις Ιταλικές Άλπεις και βρήκαν ότι με την προοδευτική ανάπτυξη των φυτών παρατηρήθηκε αύξηση των ποσοστών της κυτταρίνης, των ημικυτταρινών και της λιγνίνης σε όλες τις κατηγορίες φυτών. Οι Μulkey κ.α (2008) ερεύνησαν τη χημική σύσταση τριών (3) ενδημικών αγρωστωδών της Βόρειας Αμερικής σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες και αναφέρουν ότι οι συγκεντρώσεις του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου αυξήθηκαν μεταξύ του σταδίου ανθοφορίας και της πλήρους ωρίμανσης (στάδιο παραγωγής σπόρων). Οι Nordheim Viken και Volden (2009) μελέτησαν την επίδραση του σταδίου ωριμότητας στη χημική σύσταση του πολυετούς ψυχρόβιου αγρωστώδους (Phleum pretense L.) και βρήκαν ότι αυξήθηκε η συγκέντρωση του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου στο τελευταίο στάδιο ωρίμανσης του φυτού με μέγιστη τιμή τα 603 g/kg Ξηρής ουσίας. Oι Μoharrery κ.α (2009) μελετώντας τη μεταβολή του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου πέντε ποωδών φυτών (δύο αγρωστωδών και τριών ψυχανθών) σε σχέση με το στάδιο ανάπτυξης τους, αναφέρουν ότι με την προοδευτική ωρίμανση των φυτών τα ποσοστά των δομικών πολυσακχαριτών (κυτταρίνη, ημικυτταρίνες) και της λιγνίνης αυξήθηκαν και ως συνέπεια μειώθηκαν τα ποσοστά του κυτταρικού περιεχομένου τους. Όσον αφορά την επίδραση των κλιματολογικών συνθηκών στο λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο των λιβαδικών φυτών οι Μin κ.α (2002) αναφέρουν η συγκέντρωση του στα πολυετή αγρωστώδη και ψυχανθή επηρεάζεται από την ξηρασία. Οι Ritchie κ.α (2006) παρατήρησαν διαφορές στην περιεκτικότητα των δομικών πολυσακχαριτών σε περιόδους με 30

31 διαφορετικά ποσά κατακρημνισμάτων. ε ξηρότερα έτη βρήκαν αυξημένες συγκεντρώσεις λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου σε σχέση με τα πιο υγρά έτη. Οι Lin κ.α (2007) μελέτησαν το λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο της μηδικής (Medicago sativa) σε μεσογειακά κλίματα (Δυτική Αυστραλία) και βρήκαν ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος οδήγησαν σε αύξηση της ταχύτητας λιγνινοποίησης (αποξύλωσης) των κυτταρικών τοιχωμάτων, μειώνοντας συγχρόνως τα κυτταρικά περιεχόμενα τους. Οι Pamo κ.α (2007) αναφέρουν ότι η επίδραση της θερμοκρασίας ήταν σημαντική μεταξύ των διαφόρων εποχών του έτους. Οι ίδιοι βρήκαν ότι τα ποσοστά των δομικών πολυσακχαριτών τριών αγρωστωδών ήταν υψηλότερα την ξηρή περίοδο του έτους σε σχέση με την πιο υγρή. Με βάση τα δύο αρχικά κριτήρια αξιολόγησης των ενεργειακών φυτών (παραγωγή βιομάζας και λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο) φαίνεται από την παρούσα ανασκόπηση βιβλιογραφίας ότι τα πολυετή λιβαδικά φυτά μπορούν να αποτελέσουν υποσχόμενα ενεργειακά φυτά γιατί παράγουν υψηλή ποσότητα υπέργειας βιομάζας με υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο. Για να χρησιμοποιηθεί ένα ενεργειακό φυτό με στόχο να δημιουργηθεί μια ενεργειακή καλλιέργεια θα πρέπει να πληρούνται και άλλα σημαντικά κριτήρια εκτός από το υψηλό παραγωγικό δυναμικό και το λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο όπως: α) Να είναι εύκολη η εγκατάστασή του με σπόρους σε οριακές γεωργικές εκτάσεις (Μulkey κ.α 2006) β) Να είναι δυνατή η χρησιμοποίηση συμβατικών αγρονομικών μεθόδων κατά τη σπορά, καλλιέργεια, συγκομιδή και αποθήκευση της βιομάζας, ώστε να μειωθεί το κόστος παραγωγής της βιοενέργειας και να είναι εύκολα αποδεκτή η καλλιέργειά του από τον αγροτικό κόσμο (McLaughlin και Κzos 2005) γ) Να υπάρχουν δεδομένα από καλλιέργειες όσον αφορά τη σταθερότητα της παραγωγής σε διάφορα κλιματεδαφικά περιβάλλοντα, ώστε να περιοριστεί ο κίνδυνος αποτυχίας της επένδυσης σε βιομηχανική κλίμακα (Lewandowksi κ.α 2003; Τu και Σao 2009). Δεδομένα από ενεργειακές καλλιέργειες στη χώρα μας που να δίνουν όλες αυτές τις πληροφορίες δεν υπάρχουν. Είναι αναγκαίο επομένως να γίνει αξιολόγηση ενδημικών αυτοφυών λιβαδικών ειδών με σκοπό να βρεθούν εκείνα 31

32 που συνδυάζουν υψηλή παραγωγή βιομάζας με υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο, να δημιουργηθούν καλλιέργειες από τα είδη αυτά σε διάφορες περιοχές της χώρας μας προκειμένου να βρεθούν οι οικολογικές συνθήκες που οι καλλιέργειες έχουν τη μεγαλύτερη απόδοση σε παραγωγή βιομάζας και υψηλό λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο, με την εφαρμογή των καταλληλότερων αγρονομικών μεθόδων. 32

33 2. ΑΞΙΟΠΟΙΗΗ ΛΙΒΑΔΙΚΨΝ ΥΤΣΨΝ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΨΓΗ ΒΙΟΕΝΕΡΓΕΙΑ Παρόλο που ένα ενεργειακό φυτό συνδυάζει υψηλή παραγωγή βιομάζας και λιγνοκυτταρινικό περιεχόμενο, σημαντικό ρόλο στη μετατρεψιμότητα του σε βιοενέργεια διαδραματίζει η μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί, καθώς τα δομικά συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων του δεν είναι άμεσα αξιοποιήσιμα. Η μετατροπή αυτή περιλαμβάνει δύο στάδια κατεργασίας: 1) τη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών (προκατεργασία) με την επίδραση ανόργανων διαλυτών (οξέα βάσεις) και 2) την υδρόλυση της κυτταρίνης που βρίσκεται στα διάφορα είδη λιγνοκυτταρινικής βιομάζας σε απλά (μονομερή) σάκχαρα με τη χρησιμοποίηση ειδικών ενζύμων τις κυτταρινάσες ή κυττάσες, με σκοπό να βρεθούν οι συνθήκες κατεργασίας της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας που εξασφαλίζουν υψηλή μετατρεψιμότητα της σε βιοενέργεια. 2.1 Σεχνολογίες προκατεργασίας λιγνοκυτταρινικής βιομάζας Η σημαντικότητα του σταδίου προκατεργασίας της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας έχει ήδη αναγνωρισθεί εδώ και πολύ καιρό (McMillan 1994; Kim και Hong 2001), δεδομένου ότι συμβάλλει στην απελευθέρωση και διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών, στη μείωση του βαθμού κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης και στην αύξηση του πορώδους των συστατικών της βιομάζας που απομένει. ύμφωνα με τους Liao κ.α (2004), Sun και Cheng (2005), Dien κ.α (2006), Silverstein κ.α (2007) και Mussato κ.α (2008) οι κύριοι παράγοντες που συμβάλλουν στη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών είναι η θερμοκρασία, η περιεκτικότητα του ανόργανου διαλύτη, ο χρόνος υδρόλυσης και η περιεκτικότητα του υλικού. Σο θειικό οξύ έχει χρησιμοποιηθεί πρόσφατα, με μεγάλη επιτυχία, για την προκατεργασία διαφόρων λιγνοκυτταρινικών υλικών (Sun και Cheng 2005; Bruce κ.α 2006), εξαιτίας του ότι εξασφαλίζει υψηλά ποσοστά διαλυτοποίησης των ημικυτταρινών, βελτιώνοντας σημαντικά την υδρόλυση της κυτταρίνης. Ειδικότερα η χρησιμοποίηση αραιού θειϊκού οξέος έχει ευρεία εφαρμογή δεδομένου ότι είναι πιο αποτελεσματική και οικονομική. Κύριος σκοπός της μεθόδου είναι η διάσπαση των ημικυτταρινών σε ευδιάλυτα μονομερή σάκχαρα (ξυλόζη, αραβινόζη, γαλακτόζη, γλυκόζη και μαννόζη) 33

34 καθώς και άλλα ολιγομερή, βελτιώνοντας με αυτόν τον τρόπο τη μετατροπή της κυτταρίνης. Η συγκεκριμένη μέθοδος εφαρμόστηκε από πολλούς ερευνητές για την προκατεργασία των λιγνοκυτταρινικών υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών. Oι Varga κ.α (2002) χρησιμοποίησαν θειικό (Η2SO4) και υδροχλωρικό οξύ (ΗCl) για την προκατεργασία βλαστών καλαμποκιού (Zea mays) σε μέτριες συνθήκες αντίδρασης (121 0 C, 1h) με σταθερή περιεκτικότητα υλικού 10%. Mε τη χρήση οξέος περιεκτικότητας 5% αναφέρουν ότι διαλυτοποιήθηκε το 85% περίπου των ημικυτταρινών και η ενζυμική μετατροπή ήταν διπλάσια σε σχέση με αυτή που πραγματοποιήθηκε στο υλικό, που δεν είχε υποστεί αρχικά προκατεργασία. Oι Yang και Wyman (2006) προκατεργάστηκαν τα στελέχη του καλαμποκιού (Zea mays) με αραιό θειικό οξύ (1% w/w) και αναφέρουν ότι ο βαθμός μετατρεψιμότητας των ημικυτταρινών ανήλθε στο 60% περίπου. Οι Yan κ.α (2009) εργαζόμενοι με το ίδιο υλικό και χρησιμοποιώντας μια διαφορετική μέθοδο προκατεργασίας με θειικό οξύ (DFC)(dilute sulfuric acid cycle spray flow-through) με έναν ειδικό αντιδραστήρα παρατήρησαν ότι μπορεί να αυξηθεί η αποδέσμευση της ξυλόζης από τις ημικυτταρίνες αλλά και η υδρόλυση (σακχαροποίηση) της κυτταρίνης. Οι ίδιοι αναφέρουν ότι η παραγωγή ξυλόζης στο τελικό διάλυμα ανήλθε στο 90-93% όταν οι βλαστοί του καλαμποκιού προεπεξεργάστηκαν με 2% (w/w) H2SO4 στους 95 0 C για 90 min και ότι η αύξηση της περιεκτικότητας του θεϊικού οξέος και του χρόνου υδρόλυσης αύξησε την απελευθέρωση της ξυλόζης στο διάλυμα. Oι Saha κ.α (2005) κατάφεραν να διαλυτοποιήσουν το 92% των ημικυτταρινών σε απλά σάκχαρα (ξυλόζη, αραβινόζη, γαλακτόζη κ.α), που περιέχονταν στους βλαστούς του σιταριού, χρησιμοποιώντας την αραιή όξινη υδρόλυση στους C, ενώ παράλληλα αναφέρουν ότι δεν ανιχνεύθηκαν προϊόντα αποικοδόμησης των σακχάρων (υδροξυμεθυλοφουρφουράλη & φουρφουράλη). Oι Davis κ.α (2005) επίσης βρήκαν ότι η μετατρεψιμότητα των ημικυτταρινών σε βλαστούς σιταριού, έφθασε στο 80% περίπου χρησιμοποιώντας σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (100 0 C) και περιεκτικότητα οξέος (2 % (w/v)) H2SO4. Οι Cara κ.α (2008) σε υπολείμματα κλαδέματος των ελαιόδενδρων, που περιλαμβάνουν (φύλλα, λεπτά κλαδιά και κλαδιά διαμέτρου >5cm) ως πρώτη 34

35 ύλη για την παραγωγή μονομερών σακχάρων χρησιμοποίησαν αραιό H2SO4 και υψηλές θερμοκρασίες για την διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών με σταθερή περιεκτικότητα υλικού 10%. Αυτοί βρήκαν ένα υψηλό ποσοστό (83%) στους 170 o C με 1% Η2SO4 για 10 min. ε υψηλότερες θερμοκρασίες η συγκέντρωση των παραγόμενων μονομερών σακχάρων (ξυλόζη, αραβινόζη) μειώθηκε, εξαιτίας της θερμικής αποικοδόμησης τους. Ένα άλλο υλικό το οποίο βρίσκεται σε αφθονία στις αγροτικές εκτάσεις, είναι τα στελέχη του ρυζιού οι οποίοι παραμένουν ως υπόλειμμα μετά τη συγκομιδή του καρπού και περιέχουν ημικυτταρίνες σε ποσοστό 25% περίπου. Οι Roberto κ.α (2003) κατάφεραν να διαλυτοποιήσουν το 77% της ξυλόζης των ημικυτταρινών των καρποφόρων βλαστών του ρυζιού χρησιμοποιώντας 1% Η2SO4 στους C για 27 min, χωρίς τη δημιουργία παραπροϊόντων που μπορούν να δράσουν ως αναστολείς της ενζυμικής υδρόλυσης που ακολουθεί. Σο ίδιο ποσοστό ανάκτησης ξυλόζης βρήκαν και οι Κarimi κ.α (2006), χρησιμοποιώντας 0,5 % Η2SO4 για 20h για το ίδιο υλικό. Οι Silverstein κ.α (2007) σε στελέχη του βαμβακιού χρησιμοποίησαν διαφορετικούς διαλύτες (θεϊικό οξύ, υδροξείδιο του Νa, υπεροξείδιο του Η2 και όζον) με σταθερή περιεκτικότητα υλικού (10% w/v) και σε χαμηλές συνθήκες αντίδρασης, με στόχο να βελτιώσουν την απελευθέρωση μονομερών σακχάρων από τις ημικυτταρίνες. Από όλους τους διαλύτες το αραιό θεϊικό οξύ οδήγησε στη μεγαλύτερη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών σε ποσοστό 95,2% σε συνθήκες (2% Η2SO4, 90 min, C) με κύριο μονομερές σάκχαρο την ξυλόζη, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας και της περιεκτικότητας του θεϊικού οξέος οδήγησε σε αύξηση της διαλυτοποίησης των ημικυτταρινών. Διαδεδομένη είναι επίσης η χρήση της μεθόδου προκατεργασίας με θειϊκό οξύ σε υπολείμματα βιομηχανιών τροφίμων, και των βιομηχανιών ξύλου. Οι del Campo κ.α (2006) αναφέρουν ότι η επίδραση του αραιού θεϊικού οξέος περιεκτικότητας (0,5-1%) στα υπολείμματα οπωροκηπευτικών (τομάτας, πιπεριάς,μελιτζάνας κ.α) σε θερμοκρασίες αντίδρασης ( C) για 5-30 min με περιεκτικότητα υλικού 5% (w/v), είχε σαν αποτέλεσμα την αποδέσμευση στο υγρό διάλυμα του 40,3 και 50,2% των μονομερών σακχάρων για την τομάτα και την πιπεριά, ενώ στα υπολείμματα της μελιτζάνας το μέγιστο ποσοστό ανάκτησης σακχάρων έφτασε το 78,2%. Επιπλέον παρατήρησαν 35

36 αύξηση της απελευθέρωσης των μονομερών σακχάρων με την αύξηση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του θεϊικού οξέος. Οι Saha κ.α (2005) εργάστηκαν σε υπολείμματα της αποφλοίωσης καρπών ρυζιού. Κατά την προκατεργασία με αραιό θειϊκό οξύ (1% (v/v) Η2SO4) στους C για 60 min βρήκαν ότι το 40% των αρχικών υδατανθράκων διαλυτοποιήθηκε σε μονομερή σάκχαρα, ενώ η αύξηση της περιεκτικότητας του θεϊικού οξέος πάνω από 2% (v/v) οδήγησε σε μείωση της συγκέντρωσης της ξυλόζης και της αραβινόζης αντίστοιχα. Σα υπολείμματα της αποφλοίωσης των καρπών στη ζυθοποιεία, το οποίο αποτελεί το 85% του συνολικού όγκου των παραπροϊόντων της συγκεκριμένης βιομηχανίας αποτελεί ένα άλλο λιγνοκυτταρινικό υλικό. Οι Mussato και Roberto (2005) προσπάθησαν να υδρολύσουν τις ημικυτταρίνες αυτών των υπολειμμάτων με την επίδραση τριών (3) παραγόντων του αραιού θεϊικού οξέος ( mg g -1 ξηράς ουσίας), της περιεκτικότητας υλικού (8 12 % (w/v)) και του χρόνου αντίδρασης (17-37 min), ώστε να παράξουν ξυλόζη. ε μέτριες συνθήκες αντίδρασης αναφέρουν ότι ανακτήθηκε υψηλό ποσοστό 92,7% μονομερών σακχάρων από το αρχικό τμήμα των ημικυτταρινών. υνεχίζοντας την έρευνά τους στο ίδιο υλικό οι Μussato και Roberto (2006) μελέτησαν την επίδραση δύο μόνο μεταβλητών: α) της περιεκτικότητας του υλικού και β) της περιεκτικότητας του θειϊκού οξέος στο βαθμό μετατρεψιμότητας των ημικυτταρινών. ε όλες τις συνθήκες αντίδρασης παρατήρησαν ότι η αραβινόζη ανακτάται με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα σε σχέση με την ξυλόζη η συγκέντρωση της οποίας αυξήθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης του θεϊικού οξέος. τις άριστες συνθήκες αντίδρασης (περιεκτικότητα υλικού 10% και 120 mg H2SO4 g -1 Ξ.Ο) υδρολύθηκε το 76,2% των ημικυτταρινών και ο βαθμός ανάκτησης των δύο κυριότερων μονομερών τους, ξυλόζη και αραβινόζη ήταν 67% και 97,8% αντίστοιχα. Οι Schirmer-Michel κ.α (2008) εφάρμοσαν την όξινη προκατεργασία στον φλοιό του καρπού της σόγιας, που αποτελεί το κύριο παραπροϊόν της βιομηχανικής της επεξεργασίας και αποτελεί τα 8% περίπου όλου του καρπού. Για να επιτύχουν τη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών, που αποτελούν περίπου το 50% των δομικών πολυσακχαριτών (50% ημικυτταρίνες, 20% κυτταρίνη), μελέτησαν την επίδραση της θερμοκρασίας (100,120,125 0 C), της περιεκτικότητας Η2SO4 (0,2, 0,8, 1,4 % 36

37 (v/v)) με σταθερή περιεκτικότητα υλικού 10% (w/v) με σταθερό χρόνο αντίδρασης 1 h. Οι ίδιοι ερευνητές παρατήρησαν αύξηση της συγκέντρωσης της ξυλόζης και της αραβινόζης με την αύξηση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του θειϊκού οξέος. Επιπλέον στο συνδυασμό των μεταβλητών με συνθήκες υδρόλυσης (125 0 C και 1,4% H2SO4) αποδεσμεύθηκε το 76% των ημικυτταρινών από το αρχικό υλικό, απελευθερώνοντας το 85% και 62% του συνολικού ποσοστού ξυλόζης και αραβινόζης, ενώ παράλληλα δεν ανιχνεύθηκαν προϊόντα αποικοδόμησης των μονομερών σακχάρων (υδροξυμεθυλοφουρφουράλη και φουρφουράλη). Οι Chandel κ.α (2007) αναφέρουν ότι στην Ινδία η βαγάση (bagasse) είναι το πιο άφθονο και χαμηλού κόστους λιγνοκυτταρινικό παραπροϊόν της βιομηχανικής επεξεργασίας του ζαχαρότευτλου (Beta vulgaris). Για το λόγο αυτό χρησιμοποίησαν την προκατεργασία με αραιό HCl (2,5%), η οποία είχε σαν αποτέλεσμα τη μέγιστη απελευθέρωση (30,29 g/l) μονομερών στο διάλυμα. Οι Villareal κ.α (2006) εργαζόμενοι με τα υπολείμματα υλοτομίας ευκαλύπτου για την παραγωγή ξυλιτόλης, βρήκαν ότι η προκατεργασία με αραιό θειϊκό οξύ (0,65%) στους C για 20 min με περιεκτικότητα υλικού 8,6% κατάφερε να διαχωρίσει της ημικυτταρίνες σε ικανοποιητικό βαθμό. Με βάση αυτές τις συνθήκες η υγρή φάση του διαλύματος περιείχε 13,8 g/l συνολικά μονομερή σάκχαρα, με κυριότερο αυτό της ξυλόζης 12,34 g/l. Oι Σelli-Okur και Εken-Saracoglu (2008) εργάστηκαν με τα υπολείμματα της βιομηχανικής επεξεργασίας του καρπού του ηλίανθου (Helianthus annus, L.), τα οποία περιέχουν 47% κυτταρίνη, 26% ημικυτταρίνες και 16% λιγνίνη ανά ξηρή ουσία. Με τη χρήση 0,7Μ H2SO4, περιεκτικότητα υλικού 5% στους 90 0 C για 3,5h αναφέρουν ότι παρήχθησαν 37 g/l μονομερή σάκχαρα στο διάλυμα, ποσότητα που αντιστοιχεί στο 80% περίπου των ημικυτταρινών. Ευρεία εφαρμογή της μεθόδου προκατεργασίας με θειϊκό οξύ παρατηρείται και στα απόβλητα των κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων, τα οποία αποτελούν ένα λιγνοκυτταρινικό υλικό που περιέχει 12% (w/w) ανά ξηρή ουσία ημικυτταρίνες και 22% κυτταρίνη. Οι Liaο κ.α (2004) εργαζόμενοι με τα απόβλητα από βουστάσια μελέτησαν την επίδραση της προκατεργασίας στη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποίησαν 1% Η2SO4 στους C για 2 h με σταθερή περιεκτικότητα υλικού (5%) και βρήκαν ότι η 37

38 παραγωγή σακχάρων από τις ημικυτταρίνες ήταν 111% και ότι η συγκέντρωση των μονομερών στο διάλυμα έφτασε τα 16,5 g/l, ενώ η αύξηση του χρόνου αντίδρασης (>2h) και της συγκέντρωσης του θεϊικού οξέος (>2%) οδήγησε σε μείωση των παραγόμενων σακχάρων. Oι ίδιοι ερευνητές το 2006 εφάρμοσαν μια διαφορετική τεχνική προκατεργασίας δύο βημάτων των κτηνοτροφικών αποβλήτων, προκειμένου να μειώσουν την αναποτελεσματικότητα της προκατεργασίας εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε άζωτο. Αρχικά χρησιμοποίησαν πυκνό θειϊκό οξύ για μικρό χρόνο και στη συνέχεια το υλικό υπέστη υδρόλυση με αραιό οξύ. Με αυτή τη μέθοδο παρήχθησαν 11 g/l συνολικά μονομερή σάκχαρα (ξυλόζη, αραβινόζη, γαλακτόζη και γλυκόζη), κάτι που αντιστοιχεί σε μετατροπή του 80% των αρχικών ημικυτταρινών. Οι Liaο κ.α (2007) μελέτησαν την επίδραση τριών μεταβλητών (θερμοκρασία, συγκέντρωση οξέος, χρόνος αντίδρασης) στη διαλυτοποίηση των δομικών πολυσακχαριτών των κτηνοτροφικών αποβλήτων. Οι ίδιοι αναφέρουν ότι η περιεκτικότητα του οξέος και η θερμοκρασία ήταν οι κυριότεροι παράγοντες στη διαλυτοποίηση όλων των υδατανθράκων και ότι στις άριστες συνθήκες προκατεργασίας (χρόνος = 2,82 h, θερμοκρασία = C, συγκέντρωση οξέος = 1%) αποδεσμεύθηκε ποσοστό μεγαλύτερο του 65% των ημικυτταρινών από το αρχικό διάλυμα. Οι πολυετείς ενεργειακές καλλιέργειες όπως είναι τα ποώδη λιβαδικά φυτά (αγρωστώδη, ψυχανθή) αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πηγή λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, καθώς συνδυάζουν υψηλή παραγωγικότητα, υψηλή συγκέντρωση δομικών πολυσακχαριτών και πολλά περιβαλλοντικά οφέλη (μειωμένες εισροές, κάλυψη εδάφους, αποθήκευση οργανικού άνθρακα στο έδαφος) (Lewandoski κ.α 2003). Οι Dien κ.α (2006) μελέτησαν την επίδραση της προκατεργασίας με αραιό θεϊικό οξύ στους βλαστούς της μηδικής (Medicago sativa L.), της φαλαρίδας (Phalaris arundinacea L.) και ενός είδους κεχρί (Panicum virgatum L.). Φρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά επίπεδα θερμοκρασίας (120 και C) και περιεκτικότητας θειϊκού οξέος (0 2,5 % w/v) H2SO4 για 20 min κατάφεραν να διαλυτοποιήσουν το % των συνολικά διαθέσιμων υδατανθράκων (ημικυτταρίνες και ευδιάλυτα σάκχαρα). Ακόμη αναφέρουν ότι σε όλα τα είδη βιομάζας η αύξηση της θερμοκρασίας στους C επέφερε σημαντική μείωση στη συγκέντρωση των μονομερών σακχάρων στο διάλυμα, λόγω θερμικής 38

39 αποικοδόμησης, και ότι η άριστη συγκέντρωση του οξέος (H2SO4) για την προκατεργασία των αγρωστωδών ειδών ανήλθε στο 1,5%. Οι Sun και Cheng (2005) αναφέρουν ότι η αραιή όξινη προκατεργασία διαλυτοποίησε τις ημικυτταρίνες σε μονομερή σάκχαρα (ξυλόζη, αραβινόζη, γαλακτόζη, γλυκόζη) με υψηλό ποσοστό τόσο σε ετήσιες όσο και σε πολυετείς ενεργειακές καλλιέργειες. Εργαζόμενοι με τη σίκαλη (ετήσιο : Secale cereale) και την αγριάδα (πολυετές: Cynodon dactylon) βρήκαν ότι σε χαμηλές περιεκτικότητες θειικού οξέος (0,6 1,5 % (w/w)) για min στους C ο βαθμός μετατρεψιμότητας των ημικυτταρινών ήταν 50% και 60% αντίστοιχα. Ακόμη βρήκαν ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του οξέος και του χρόνου αντίδρασης αύξησε την απελευθέρωση των μονομερών σακχάρων και ότι η ξυλόζη και η αραβινόζη αποτελούν τα κύρια μονομερή σάκχαρα των ημικυτταρινών και στα δύο είδη φυτών. Οι Ballesteros κ.α (2008) εργαζόμενοι με την αγριαγκινάρα (Cynara cardunculus L.) (βλαστοί και φύλλα) στην Ισπανία, μελέτησαν την επίδραση του αραιού θεϊικού οξέος (0,1 1%) σε συνδυασμό με τη θερμοκρασία ( C) και της περιεκτικότητας του υλικού (5-10 % w/v) στην απελευθέρωση της ξυλόζης από τις ημικυτταρίνες στο διάλυμα. Οι ίδιοι ερευνητές αναφέρουν ότι η διαλυτοποίηση της ξυλόζης αυξήθηκε σημαντικά με την αύξηση της συγκέντρωσης του οξέος και της θερμοκρασίας και βρήκαν ότι η συνολική μετατρεψιμότητά της έφθασε το 90% του αρxικού υλικού σε συνθήκες αντίδρασης (180 C, 0,1 % (w/v) 7,5% περιεκτικότητα υλικού). Από τις παραπάνω έρευνες γίνεται φανερό ότι η προκατεργασία με θειϊκό οξύ συμβάλλει στην υψηλή μετατρεψιμότητα των ημικυτταρινών των διαφόρων τύπων λιγνοκυτταρινικής βιομάζας. Σο εύρος των παραγόντων που χρησιμοποιήθηκαν κυμάνθηκε μεταξύ ( C) για τη θερμοκρασία, (0,5 2,5% ) για την περιεκτικότητα θειικού οξέος, ( min) για το χρόνου υδρόλυσης και (5-10%) για την περιεκτικότητα υλικού. Οι περισσότερες όμως από αυτές αναφέρονται σε υπολείμματα των αγροτικών καλλιεργειών και βιομηχανιών, ενώ υπάρχουν ελάχιστες αναφορές για τα λιβαδικά φυτά, όπως τα είδη Cynodon dactylon, Medicago sativa και Cynara cardunculus. τις περισσότερες από αυτές υψηλή μετατρεψιμότητα των ημικυτταρινών παρατηρήθηκε σε ενδιάμεσες συνθήκες υδρόλυσης C θερμοκρασία, 1,5-39

40 2% θειικό οξύ, min χρόνο υδρόλυσης με σταθερή περιεκτικότητα υλικού 10%. Γίνεται λοιπόν φανερό ότι για κάθε είδος λιγνοκυτταρινικής βιομάζας οι συνθήκες προκατεργασίας που μεγιστοποιούν τη διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών ήταν διαφορετικές. Η επιλογή όμως του άριστου συνδυασμού των χημικών παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στο στάδιο της προκατεργασίας εκτός από τον υψηλό βαθμό μετατροπής των ημικυτταρινών πρέπει να λαμβάνει υπ όψιν και άλλα κριτήρια σημαντικά για την ενζυμική υδρόλυση που ακολουθεί στη συνολική μετατροπή της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας σε βιοενέργεια. Σα κριτήρια αυτά είναι: 1) η μεγιστοποίηση του συντελεστή μετατροπής της ενζυμικής υδρόλυσης 2) η μείωση του κινδύνου απώλειας μονομερών σακχάρων και δημιουργίας προϊόντων αποικοδόμησης, που λειτουργούν ως αναχαιτιστές της ενζυμικής δράσης των μικροοργανισμών κατά την ενζυμική υδρόλυση. 3) η χρησιμοποίηση μικρής ποσόσητας βάσης (NaOH, CaOH2) για την ουδετεροποίηση του όξινου διαλύματος της προκατεργασίας που χρησιμοποιείται στην ενζυμική υδρόλυση, ώστε να μειωθεί στο ελάχιστο η απώλεια μονομερών σακχάρων. ύμφωνα με τους Saha κ.α (2005) στη διαδικασία αυτή μπορούν να χαθούν ποσοστό ίσο με 4,5% των παραγόμενων σακχάρων. 4) Η ελαχιστοποίηση της χρήσης ενέργειας, χημικών και πρώτης ύλης, που μειώνει το κόστος παραγωγής βιοενέργειας από τη λιγνοκυτταρινική βιομάζα. Η ουδετεροποίηση του οξέος συμβάλλει στο 22% περίπου του κόστους παραγωγής βιοενέργειας συμβάλλει όμως στη δημιουργία παραπροϊόντων (όπως η γύψος), η διαχείριση των οποίων δημιουργεί περιβαλλοντικά προβλήματα (Jorgensen κ.α 2007). 40

41 2.2 Ενζυμική υδρόλυση Η ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικά εξειδικευμένων ενζύμων τις κυτταρινάσες (κυττάσες). Παρόλο που οι κυτταρινάσες μπορούν να παραχθούν και από διάφορα είδη βακτηρίων όπως τα (Clostridium, Cellulomonas και Bacillus), αυτές των μυκήτων έχουν την καλύτερη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε εμπορική κλίμακα (Bisaria 1998). Οι κυτταρινάσες είναι πολύπλοκα συστήματα τριών διαφορετικών ενζύμων τα οποία όμως δρούν συνεργατικά με στόχο την υδρόλυση της κυτταρίνης. Σα τρία ένζυμα είναι οι ενδογλυκανάσες, εξωγλυκανάσες και οι κελλοβιάση (β-γλυκοσιδάση). Σα προϊόντα της ενζυμικής υδρόλυσης (σακχαροποίηση) είναι συνήθως απλά σάκχαρα με κυριότερο αυτό της γλυκόζης, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να ζυμωθούν από βακτήρια, μύκητες ή ζύμες και να μετατραπούν σε υγρά βιοκαύσιμα (βιοαιθανόλη). Σο κόστος εφαρμογής της μεθόδου είναι μικρότερο συγκριτικά με εκείνο της όξινης υδρόλυσης, καθώς η ενζυμική υδρόλυση πραγματοποιείται σε μέτριες συνθήκες (PH=4,8 και θερμοκρασία: C) και δεν δημιουργεί προβλήματα διάβρωσης στους αντιδραστήρες (Duff και Murray 1996). Οι κύριοι παράγοντες που έχουν αναγνωρισθεί ότι επηρεάζουν την υδρόλυση της κυτταρίνης είναι:1) η ποσότητα του προκατεργασμένου υλικού, 2) η ποσότητα και η δραστικότητα των ενζύμων, 3) οι συνθήκες αντίδρασης (θερμοκρασία, ph διαλύματος), 4) το πορώδες (δηλ. η επιφάνεια του υλικού που είναι προσιτή στα διάφορα ένζυμα) 5) ο βαθμός κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης και 6) η περιεκτικότητα των υλικών σε λιγνίνη και ημικυτταρίνες (ΜcMillan, 1994; Sun και Cheng 2002; Karimi κ.α 2006). H παρουσία της λιγνίνης και των ημικυτταρινών δυσκολεύει την πρόσβαση των ενζύμων στην κυτταρίνη, κάτι που μειώνει την αποδοτικότητα της υδρόλυσης (Lange 2007). H μέθοδο της ενζυμικής υδρόλυσης έχει χρησιμοποιηθεί για τη μετατρεψιμότητα διαφόρων τύπων λιγνοκυτταρινικών υλικών. Oι Silvestein κ.α (2007) μελετώντας την επίδραση της προκατεργασίας με διαφόρους ανόργανους διαλύτες στο βαθμό μετατροπής της κυτταρίνης σε γλυκόζη σε στελέχη βαμβακιού (Gossypium hirsutum) χρησιμοποίησαν επιλεγμένες συνθήκες υδρόλυσης: 5% (w/v) περιεκτικότητα υλικού, 40 FPU/g 41

42 προκατεργασμένου υλικού ποσότητα ενζύμων και 72h χρόνο αντίδρασης και βρήκαν υψηλή μετατρεψιμότητα (60,8%). Οι Zhang και Cai (2008) μελετώντας την επίδραση της θερμοκρασίας, του ph και της ταχύτητας ανάδευσης κατά την ενζυμική υδρόλυση των προκατεργασμένων στελεχών του ρυζιού (Oryza sativa) αναφέρουν ότι το κύριο μονομερές σάκχαρο της αντίδρασης ήταν η γλυκόζη και ο βαθμός μετατρεψιμότητας της κυτταρίνης ήταν 68,2% μετά από 120h. Οι Sukumaran κ.α (2009) εργάστηκαν με βλαστούς ρυζιού και υπολείμματα της βιομηχανικής επεξεργασίας ζαχαροκάλαμου (Sacharrum officinarum) και βρήκαν ότι μετά την όξινη προκατεργασία των υλικών ο βαθμός μετατρεψιμότητας της ενζυμικής υδρόλυσης ήταν 55 88% για τα δύο υλικά αντίστοιχα, με 2% (w/w) περιεκτικότητα υλικού, 50 FPU/g προκατεργασμένου υλικού ποσότητα ενζύμων, 48 h χρόνο υδρόλυσης σε θερμοκρασία 45 0 C και ταχύτητα ανάδευσης 100 rpm. Oι Κumar και Wyman (2009) μελέτησαν σε στελέχη καλαμποκιού (Zea mays), που είχαν υποστεί προκατεργασία με αραιή όξινη υδρόλυση την επίδραση της ποσότητας των ενζύμων (3, 7.5, 15 & 60 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) (κυτταρινάσες) και του χρόνου αντίδρασης (24, 48 & 72 h) στην ενζυμική υδρόλυση και βρήκαν ότι οι βαθμοί μετατρεψιμότητας της κυτταρίνης κυμάνθηκαν από 50-75%. Οι Yang και Wyman (2008) για το ίδιο υλικό που είχε προκατεργαστεί με (1% H2SO4) βρήκαν ότι η επίδραση ποσότητας ενζύμων (7,5-20 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) για τη μετατροπή της κυτταρίνης είχε υψηλό βαθμό μετατροπής 82,3% μετά από 72h με 15 FPU/g υλικού. Οι Chen κ.α (2007) χρησιμοποίησαν ως πρώτη ύλη τα γόνατα των στελεχών του καλαμποκιού, τα οποία προκατεργάστηκαν με 1% Η2SO4, στους C για 3h. Αυτοί βρήκαν ότι ο βαθμός μετατρεψιμότητας του στερεού υπολείμματος της προκατεργασίας ήταν στο 69,8% σε συνθήκες (θερμοκρασία = 50 0 C, ph=4,8 ταχύτητα ανάδευσης = 160 rpm, ποσότητα ενζύμων = 20 FPU/g προκατεργασμένου υλικού και χρόνο υδρόλυσης = 60h). Oι Οhgren κ.α (2007) για το ίδιο υλικό προερχόμενο από διαφορετικές περιοχές καλλιέργειας (Αμερική και Ιταλία) βρήκαν μέγιστους βαθμούς υδρόλυσης 87% 89% αντίστοιχα μετά από 72h και συνθήκες προκατεργασίας (190 0 C, 5 min με H2SO4) 42

43 Oι Xu κ.α (2007) μελέτησαν σε διάφορα εύρη την επίδραση της περιεκτικότητας του υλικού (2-20%), της ποσότητας των ενζύμων (5-70 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) της θερμοκρασίας ( C) και του χρόνου αντίδρασης (6-48h) κατά την ενζυμική υδρόλυση προκατεργασμένων βλαστών σόγιας, βρήκαν ότι ο μέγιστος βαθμός μετατρεψιμότητας της ενζυμικής υδρόλυσης ανήλθε στο 51,2% σε συνθήκες (5% (w/w) υλικού, 50 0 C, ph = 4,8 50 FPU/g προκατεργασμένου υλικού ποσότητα ενζύμων στις 36h). Επίσης αναφέρουν αύξηση του ποσοστού της ενζυμικής υδρόλυσης με την αύξηση της ποσότητας των ενζύμων, του χρόνου αντίδρασης και του προκατεργασμένου υλικού μέχρι 5%. Oι Cara κ.α (2008) εργάστηκαν με τα προκατεργασμένα υπολείμματα της κλάδευσης των ελαιόδεντρων και μελετώντας την επίδραση του χρόνου αντίδρασης κατά την ενζυμική υδρόλυση αναφέρουν αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης με την αύξηση του χρόνου και ότι ο μέγιστος βαθμός μετατροπής της κυτταρίνης ανήλθε στο 76,5% στις 72h με 2% (w/v) περιεκτικότητα προκατεργασμένου υλικού, ποσότητα ενζύμων 15 FPU/g υλικού, σε θερμοκρασία 50 0 C με ταχύτητα ανάδευσης 150 rpm. Οι Βallesteros κ.α (2002) βρήκαν υψηλά ποσοστά μετατρεψιμότητας (85%) κατά την ενζυμική υδρόλυση των στελεχών ελαιοκράμβης (Brassica carinata) σε συνθήκες 2% (w/w) προκατεργασμένου υλικού, 15 FPU/g προκατεργασμένου υλικού ποσότητα ενζύμων και 72h χρόνο υδρόλυσης. Οι Hari Ksrihna κ.α (2001) προσπαθώντας να αριστοποιήσουν το βαθμό μετατρεψιμότητας διαφόρων λιγνοκυτταρινικών υλικών φύλλα μπανάνας, σακχαρότευτλο, κισσός κατά την ενζυμική υδρόλυση με μίγμα ενζύμων βρήκαν ότι στις άριστες συνθήκες (50 0 C, ph = 4,5, 40 FPU/g υλικού, 2,5% προκατεργασμένου υλικού και 48 h αντίδρασης ο βαθμός μετατροπής της κυτταρίνης ήταν και 92 % αντίστοιχα για τα τρία υλικά. Επίσης αναφέρουν ότι αύξηση της περιεκτικότητας του υλικού (5-25%) μείωσε την απελευθέρωση της γλυκόζης και ότι η αύξηση του χρόνου αντίδρασης από 48 σε 72h δεν είχε σημαντική επίδραση στο ποσοστό της ενζυμικής υδρόλυσης. Σα λιγνοκυτταρινικά υπολείμματα των βιομηχανιών και των κτηνοτροφικών αποβλήτων προσελκύουν το ενδιαφέρον ερευνών, καθώς είναι φθηνά, διαθέσιμα σε μεγάλες ποσότητες κι έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε δομικούς 43

44 πολυσακχαρίτες. Oι Mussato κ.α (2008) μελετώντας την επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης (100,150,200 rpm), της ποσότητας των ενζύμων (5, 25 & 45 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) και της περιεκτικότητας του προκατεργασμένου υλικού (2, 5 & 8% w/v) κατά την ενζυμική υδρόλυση των λιγνοκυτταρινικών υπολειμμάτων της ζυθοποιείας αναφέρουν ότι στις άριστες συνθήκες (ταχύτητα ανάδευσης 100 rpm, 45 FPU/g προκατεργασμένου υλικού και 2% υλικού) βρήκαν υψηλό βαθμό μετατρεψιμότητας (99,4%) της κυτταρίνης σε γλυκόζη. Επιπλέον παρατήρησαν αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης και του βαθμού μετατροπής της κυτταρίνης με την αύξηση της ποσότητας των ενζύμων, ενώ αντίθετα η αύξηση της περιεκτικότητας του προκατεργασμένου υλικού μείωσε τη γλυκόζη και το βαθμό μετατροπής. Σέλος βρήκαν ότι η ταχύτητα ανάδευσης δεν επηρέασε σημαντικά την παραγωγή γλυκόζης. Οι Shen και Agblevor (2008) μελετώντας την ενζυμική υδρόλυση σε μίγμα υπολειμμάτων εκκοκιστηρίου βάμβακος και της βιομηχανίας χαρτιού βρήκαν 73,8% βαθμό μετατρεψιμότητας μετά από 72h με ποσότητα ενζύμων 17,4 FPU/g προκατεργασμένου υλικού σε μίγμα των δύο υλικών με αναλογία (75-25). Οι Wen κ.α (2004) εργάστηκαν με τα κτηνοτροφικά απόβλητα, τα οποία αφού πρώτα προκατεργάστηκαν με 3% H2SO4 στους C για 1h στη συνέχεια το στερεό υπόλειμμα τους υπέστη ενζυμική υδρόλυση. Ο βαθμός μετατρεψιμότητας της ενζυμικής υδρόλυσης ήταν 40% στις 120h χρησιμοποιώντας μίγμα δύο ενζύμων. Διαδεδομένη είναι επίσης η χρήση της ενζυμικής υδρόλυσης σε ποώδη λιβαδικά φυτά (πολυετή και ετήσια). Οι Wyman κ.α (1992) αναφέρουν ότι ο βαθμός μετατρεψιμότητας της ενζυμικής υδρόλυσης του θερμόβιου πολυετούς αγρωστώδους (Panicum virgatum) που ενδημεί στη Βόρεια Αμερική ανήλθε σε 70% με την προσθήκη ποσότητας ενζύμων 26 FPU/g υλικού στις 192h, μετά την αραιή όξινη προκατεργασία. Για το ίδιο φυτό οι Chung κ.α (2005) βρήκαν υψηλότερη μετατρεψιμότητα 91,4% της ενζυμικής υδρόλυσης με την προσθήκη μεγαλύτερης ποσότητας ενζύμων 60 FPU/g προκατεργασμένου υλικού στις 192 h, έπειτα από την προκατεργασία με αραιό θειϊκό οξύ. Οι Zheng κ.α (2009) μελέτησαν την επίδραση της περιεκτικότητας του υλικού (4 12%) και της ποσότητας των ενζύμων (5-30FPU/g υλικού) κατά την ενζυμική υδρόλυση της 44

45 προκατεργασμένης με αραιό θειϊκό οξύ βιομάζας δύο αυτοφυών πολυετών αγρωστωδών της Καλιφόρνιας και βρήκαν ότι ο βαθμός μετατρεψιμότητας ανήλθε στο 84 και 86% αντίστοιχα για τα είδη Leymus triticoides και Agropyrum elognatum σε συνθήκες 2% προκατεργασμένου υλικού, 30 FPU/g προκατεργασμένου υλικού, 72 h χρόνο υδρόλυσης, ph = 4,8 και ταχύτητα ανάδευσης 150 rpm. Επίσης παρατήρησαν αύξηση της συγκέντρωσης της γλυκόζης και μείωση του βαθμού απελευθέρωσης της από την κυτταρίνη με την αύξηση της περιεκτικότητας του προκατεργασμένου υλικού, ενώ αντίθετα αυξήθηκε ο βαθμός μετατρεψιμότητας της κυτταρίνης με την αύξηση της ποσότητας των ενζύμων. Οι Dien κ.α (2006) βρήκαν ότι η μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης σε γλυκόζη για το θερμόβιο αγρωστώδες (Panicum virgatum) κυμάνθηκε από 57 70,8%, για το ψυχρόβιο αγρωστώδες (Phalaris arundinacea) 57 74,3% και τη μηδική (Μedicago sativa) από 61,1 70,1% με χρόνο αντίδρασης 72 h στους 45 0 C και σε 125 rpm ανάδευσης, ενώ προηγουμένως η λιγνοκυτταρινική βιομάζα είχε προκατεργαστεί με αραιό θειϊκό οξύ στους 121 και C. Οι Sun και Cheng (2005) μελέτησαν την επίδραση της προκατεργασίας στην ενζυμική υδρόλυση των στελεχών του ετήσιου αγρωστώδους (Secale cereale) και του πολυετούς αγρωστώδους (Cynodon dactylon). Οι ίδιοι αναφέρουν ότι υψηλότεροι βαθμοί μετατρεψιμότητας της ενζυμικής υδρόλυσης ήταν 49,9% και 81,9 % για τα δύο φυτά αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας σταθερές συνθήκες: περιεκτικότητα προκατεργασμένου υλικού 5% (w/w), ποσότητα ενζύμων (25 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) και χρόνο αντίδρασης 48h, σε μέτριες συνθήκες προκατεργασίας (120 0 C, 1,5% H2SO4 στους 60 0 C). Οι Lee κ.α (2009) μελετώντας την επίδραση της ποσότητας των ενζύμων (5-30 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) στην υδρόλυση της προκατεργασμένης βιομάζας της αγριάδας αναφέρουν ότι παρατηρήθηκε αύξηση του βαθμού μετατρεψιμότητας της κυτταρίνης σε γλυκόζη με την αύξηση της ποσότητας των ενζύμων και ανήλθε στο 67,4% με την προσθήκη ποσότητας ενζύμων ίση με 30 FPU/g προκατεργασμένου υλικού. Από τις παραπάνω έρευνες γίνεται φανερό ότι η μέθοδος της ενζυμικής υδρόλυσης συμβάλλει στην υψηλή μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης στα διάφορα είδη λιγνοκυτταρινικής βιομάζας. Οι τιμές των παραγόντων που 45

46 χρησιμοποιήθηκαν κυμάνθηκαν μεταξύ (2-12%) περιεκτικότητας προκατεργασμένου υλικού, (20-70 FPU/g προκατεργασμένου υλικού) ποσότητας ενζύμων και (24 72h) χρόνο υδρόλυσης, διατηρώντας σταθερές τις υπόλοιπες συνθήκες αντίδρασης (PH=4,8, ταχύτητα ανάδευσης 150 rpm, θερμοκρασία 45 0 C). Οι περισσότερες όμως από αυτές αναφέρονται σε υπολείμματα των αγροτικών καλλιεργειών και βιομηχανιών, ενώ υπάρχουν έλαχιστες αναφορές για τα λιβαδικά φυτά, όπως τα είδη Cynodon dactylon, Medicago sativa και Cynara cardunculus. ε αυτές υψηλή μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης παρατηρήθηκε σε συνθήκες υδρόλυσης 2% περιεκτικότητα προκατεργασμένου υλικού, 45 FPU/g προκατεργασμένου υλικού ποσότητας ενζύμων και 48h χρόνο υδρόλυσης. Επιπλέον οι περισσότερες αναφορές χρησιμοποιούν επιλεγμένες συνθήκες υδρόλυσης χωρίς να αναζητούν τον συνδυασμό εκείνων των μεταβλητών που θα συντελέσει στη μέγιστη απελευθέρωση της γλυκόζης από την κυτταρίνη αλλά και στη μέγιστη συνολικά μετατρεψιμότητα της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας σε βιοενέργεια. 46

47 3. ΔΕΙΚΣΕ ΑΕΙΥΟΡΙΚΗ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΨΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΨΝ Η ανάπτυξη σε εμπορική κλίμακα τεχνολογιών για την παραγωγή βιοενέργειας από λιγνοκυτταρινικά υλικά αναμένεται να δημιουργήσει σημαντικές οικονομικές ευκαιρίες στους κατοίκους των αγροτικών περιοχών, μειώνοντας ταυτόχρονα την εξάρτηση των χωρών από τα ορυκτά καύσιμα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που συνεπάγεται η χρήση τους, όπως οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου (Lynd κ.α 1991; Greene κ.α 2004; Kim και Dale 2005a; Spatari κ.α 2005; Farrel κ.α 2006). ύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Οδηγία (2003/30/ΕC) και τον Νόμο 3423/2005 με τον οποίο εναρμονίστηκε η Οδηγία στην εθνική νομοθεσία το 5,75% της συνολικής κατανάλωσης σε καύσιμα στον τομέα των μεταφορών θα πρέπει να αντικατασταθεί από βιοκαύσιμα (βιοντήζελ και βιοαιθανόλη). Επίσης σύμφωνα με την οδηγία (28/2009/ΕC) τα βιοκαύσιμα αυτά θα πρέπει να παράγονται με αειφορικό τρόπο, συμβάλλοντας στην προστασία του περιβάλλοντος. Ψστόσο η αυξανόμενη χρήση της βιομάζας δε συνεπάγεται αυτόματα ότι η παραγωγή της γίνεται με αειφορικό τρόπο. Είναι επομένως σημαντικό και αναγκαίο να καθορισθούν κριτήρια αξιολόγησης και παρακολούθησης της παραγωγής της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας (Βuchholz κ.α 2009), έτσι ώστε να εφαρμοσθούν εκείνα τα διαχειριστικά μέτρα που εξασφαλίζουν την αειφορική παραγωγή τους. 3.1 Δέσμευση και συσσώρευση οργανικού άνθρακα Η δέσμευση και συσσώρευση του οργανικού άνθρακα στο έδαφος και η διατήρηση του εδαφικού αζώτου είναι διαχειριστικές πρακτικές που συμβάλλουν στη μείωση της εκπομπής αεριών του θερμοκηπίου (CO2, NO2) και επομένως στη μείωση της θερμοκρασίας στη γήϊνη ατμόσφαιρα (Izaurralde κ.α 2001). Η συνολική ποσότητα του αζώτου σε συνδυασμό με εκείνη του οργανικού άνθρακα στο έδαφος, αυξάνει τη γονιμότητα των εδαφών και επομένως ενισχύει την παραγωγικότητα τους. Πρωταρχικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη συγκέντρωση των δύο στοιχείων στο έδαφος είναι 1) οι κλιματικές συνθήκες, όπως η θερμοκρασία και η βροχόπτωση, 2) το είδος και η παραγωγικότητα του φυτού, 3) η μηχανική 47

48 σύσταση του εδάφους και 4) οι διαχειριστικές πρακτικές. Οι Paul κ.α (1997) αναφέρουν ότι η ποσότητα των εισροών της οργανικής ουσίας στο έδαφος σχετίζεται με την ηλικία μιας ενεργειακής καλλιέργειας, καθώς και με το βαθμό κατεργασίας του εδάφους. Οι Lemus και Lal (2005) αναφέρουν ότι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη δέσμευση και τη συσσώρευση του οργανικού άνθρακα από τις ενεργειακές καλλιέργειες αποτελούν α) το φυτικό είδος, β) η λίπανση και γ) οι διαχειριστικές πρακτικές (ακαλλιέργεια ή μειωμένη κατεργασία εδάφους, χρόνος συγκομιδής λιγνοκυτταρινικής βιομάζας). Επίσης μελέτησαν την επίδραση της καλλιέργειας πολυετών ποωδών ενεργειακών φυτών στη συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα στο έδαφος σε περιοχές του Σέξας των Η.Π.Α βρήκαν ότι σε βάθος εδάφους 0-30 cm η συσσώρευση ήταν 14,04 t/ha κατά μέσο όρο. Aρκετοί ερευνητές (Caldeira κ.α 2005; Pacala και Socolow 2004; Lal κ.α 2004b) βρήκαν ότι η αύξηση της ποσότητας των υπολειμμάτων από την καλλιέργεια πολυετών ποωδών φυτών είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας του οργανικού άνθρακα που δεσμεύτηκε και συγκεντρώθηκε στο έδαφος. Οι ΜcLaughlin και Kszos (2005) αξιολογώντας την ανάπτυξη του πολυετούς θερμόβιου αγρωστώδους (Panicum virgatum) ως ενεργειακή καλλιέργεια για χρονικό διάστημα 10 ετών σε διάφορες πολιτείες των Η.Π.Α αναφέρουν ότι με την πάροδο των ετών η συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα αυξήθηκε σημαντικά, βελτιώνοντας την παραγωγικότητα του εδάφους και την ανακύκλωση των θρεπτικών στοιχείων. ε βάθος εδάφους 0-30 cm η συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα κυμάνθηκε από t/ha. Οι Ma κ.α (2000a) αναφέρουν ότι η καλλιέργεια του πολυετούς αγρωστώδους κεχρί (Panicum virgatum) αύξησε τη συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα στο έδαφος εξαιτίας του πολυετούς κύκλου ζωής τους και του μεγάλου όγκου του ριζικού συστήματος σε βάθος 0-30 cm κατά 35% σε σχέση με εδάφη που καλλιεργούνται με τη συμβατική καλλιεργητική πρακτική. Οι Frank κ.α (2004) για το ίδιο φυτό αναφέρουν ότι η συσσώρευση του οργανικού άνθρακα σε βάθος εδάφους 0-30 cm ανήλθε σε 7,2 t/ha με την πάροδο τριών ετών, αλλά και οι Liebig κ.α (2005) μελετώντας τη συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα σε εδάφη με εγκαταστημένες φυτείες με το είδος Panicum virgatum και με συμβατικές γεωργικές καλλιέργειες βρήκαν σε βάθος cm ότι η συγκέντρωση του 48

49 οργανικού άνθρακα ήταν μεγαλύτερη στις φυτείες του κεχρί κατά 15,3 t/ha κατά μέσο όρο σε σχέση με τις συμβατικές καλλιέργειες. Τψηλή συγκέντρωση οργανικού άνθρακα σε βάθος 0-20 cm αναφέρουν και oι Christensen κ.α (2009) σε καλλιέργειες με μείγματα πολυετών ψυχρόβιων αγρωστωδών σε σχέση με εκτάσεις που καλλιεργούνται με ετήσια φυτά (κριθάρι). Για χρονική περίοδο έξι ετών αυτοί παρατηρήθηκε ότι η μέση ετήσια αύξηση της συσσωρευμένης ποσότητας του οργανικού άνθρακα ήταν 1,1 t/ha και ότι αυτή αυξήθηκε σημαντικά με την αύξηση της ηλικίας των φυτειών. Oι Clifton-Brown κ.α (2007) βρήκαν ότι η συσσώρευση του οργανικού άνθρακα σε βάθος 0-30 cm ήταν 8,9±2,4 t/ha, 15 χρόνια μετά από την εγκατάσταση της φυτείας του πολυετούς αγρωστώδους Mischanthus στην Ιρλανδία, ενώ συνολικά η δέσμευση του οργανικού άνθρακα από την καλλιέργεια των 15 ετών κυμάνθηκε από 5,2 7,2 t C/ha/έτος. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι τα εδάφη με μακροχρόνια έλλειψη ή μειωμένο βαθμό κατεργασίας γενικά περιέχουν υψηλότερα ποσοστά οργανικού άνθρακα σε σχέση με αυτά που υφίστανται τις συμβατικές καλλιεργητικές πρακτικές (West και Μarland 2002; Freibauer κ.α 2004; Conant κ.α 2007; Σhomas κ.α 2007). Σο γεγονός αυτό οφείλεται στην αλληλεπίδραση διαφόρων παραγόντων όπως η μειωμένη αναμόχλευση και διατάραξη του εδάφους, η αυξημένη ποσότητα φυτικών υπολειμμάτων, η μειωμένη εδαφική θερμοκρασία, η αυξημένη κάλυψη, το υψηλότερο ποσοστό υγρασίας και η μείωση του κινδύνου της επιφανειακής διάβρωσης (Limousin και Tessier 2007; Thomas κ.α 2007). Οι Lopez-Frando και Pardo (2009) αναφέρουν αύξηση του οργανικού άνθρακα σε βάθος εδάφους 0-30 cm σε συνθήκες μειωμένης κατεργασίας σε ημίξηρα μεσογειακά περιβάλλοντα για περίοδο ετών 5 ετών, ενώ παρόμοια αποτελέσματα βρήκαν και οι Sa κ.α (2001) σε γεωργικά καλλιεργούμενα εδάφη για μεγαλύτερη περίοδο. Επιπλέον οι Apezteguia κ.α (2009) αναφέρουν ότι οι καλλιέργειες που απαιτούν ελάχιστη κατεργασία επιτρέπουν στα εδάφη να λειτουργήσουν ως αποθήκες του ατμοσφαιρικού CO2, συμβάλλοντας στον περιορισμό των αεριών του θερμοκηπίου. Είναι λοιπόν φανερό ότι η μεγαλύτερη ποσότητα δέσμευσης και συσσώρευσης οργανικού άνθρακα ήταν σε ημίξηρα μεσογειακά περιβάλλοντα σε εδάφη μειωμένης κατεργασίας σε βάθος 0-30 cm. 49

50 Ο χρόνος συγκομιδής της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας διαδραματίζει επίσης καθοριστικό ρόλο στην αειφορική διαχείριση των ενεργειακών καλλιεργειών, καθώς επηρεάζει την εσωτερική ανακύκλωση των θρεπτικών στοιχείων στα φυτά. Είναι επαρκώς τεκμηριωμένο ότι η συγκέντρωση του αζώτου στους φυτικούς ιστούς μειώνεται με την προοδευτική ανάπτυξη του φυτού και γίνεται ελάχιστη στο στάδιο ωριμότητας (στάδιο σπόρων) (Distel κ.α 2005; Ritchie κ.α 2006; Βοvolenta κ.α 2008). Οι Αnex κ.α (2007) μελέτησαν τη δυνατότητα ανακύκλωσης των θρεπτικών στοιχείων σε φυτείες με κεχρί του είδους (Panicum virgatum) και καλαμποκιού (Ζea mays) στις οποίες είχε εφαρμοστεί λίπανση με άζωτο N 142 Κg/ha/έτος και βρήκαν ότι το 78% της αρχικής ποσότητας του αζώτου ανακυκλώνεται στην ενεργειακή καλλιέργεια με κεχρί. Oι Mulkey κ.α (2006) μελετώντας τη διαχείριση του πολυετούς θερμόβιου αγρωστώδους κεχρί (Panicum virgatum), ως υποσχόμενης ενεργειακής καλλιέργειας στην Νότια Ντακότα, υπολόγισαν ότι κατά τη συγκομιδή της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας στο τελευταίο φαινολογικό στάδιο του φυτού (στάδιο σπόρων) εξοικονομήθηκαν κατά μέσο όρο 36 kg N/ha. Oι ίδιοι ερευνητές το 2008 μελετώντας μίγματα πολυετών θερμόβιων αγρωστωδών με σκοπό την παραγωγή λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, αναφέρουν ως ιδανικό χρόνο συγκομιδής το στάδιο πλήρους ανάπτυξης των φυτών κατά το οποίο εξοικονομούνται κατά μέσο όρο 19,6 Κg N/ha. Από τις παραπάνω αναφορές προκύπτει ότι για τα θερμόβια πολυετή αγρωστώδη το στάδιο της πλήρους ανάπτυξης των φυτών είναι το πλέον κατάλληλο για την αποθήκευση αζώτου στο έδαφος μέσω της διεργασίας ανακύκλωσης του στις ενεργειακές καλλιέργειες. 3.2 Προστασία της βιοποικιλότητας Ένα από τα σημαντικότερα οικολογικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν τα φυσικά οικοσυστήματα του πλανήτη τα τελευταία 50 χρόνια είναι οι αλλάγες στη χρήση γης (land use change). Oι αλλαγές αυτές αναφέρονται κυρίως στη μεταβολή της συχνότητας και της έντασης της διαχείρισης της γης, η οποία παραδοσιακά ασκούνταν από τον άνθρωπο για την κάλυψη κυρίως των διατροφικών του αναγκών (γεωργίας κτηνοτροφίας), έχουν σημαντικές επιδράσεις στη δυναμική των γήινων οικοσυστημάτων και κυρίως στη 50

51 βιοποικιλότητα τους (Σurner κ.α 1995; Sala κ.α 2000; Ηellman και Verburg 2010). Ιστορικά έχει αποδειχθεί ότι η αλλαγή χρήση γης είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος των ανθρωπογενών εκπομπών των αεριών του θερμοκηπίου (Watson κ.α 2000). ύμφωνα με τους Frondel και Peters (2007), Koh και Ghazoul (2008), Scharlemann και Laurance (2008) η προώθηση της χρήσης των βιοκαυσίμων από την Ευρωπαϊκή Ένωση στα κράτη μέλη της ως φιλοπεριβαλλοντική πολιτική άρχισε να εγείρει ανησυχίες ότι η ευρεία χρήση τους θα έχει άμεσες αρνητικές επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα. H αυξημένη ποσότητα των βιοκαυσίμων που απαιτείται για να επιτευχθούν οι στόχοι της Κοινοτικής Οδηγίας (2003/30/ΕC), μπορεί να οδηγήσει άμεσα ή έμμεσα σε αλλαγή των χρήσεων γης. Άμεσα με την αύξηση της ζήτησης γεωργικών εκτάσεων για την εγκατάσταση ενεργειακών καλλιεργειών, η οποία μπορεί να οδηγήσει στη μετατροπή διαφόρων φυσικών οικοσυστημάτων (δάση- λιβάδια) σε περιοχές με μονοκαλλιέργειες ενεργειακών φυτών (Αnderson και Fergusson 2006; Frondel και Peters 2007; Scharlemman και Laurance 2008). Έμμεσα με την αύξηση του ανταγωνισμού για γη υψηλής παραγωγικότητας μεταξύ των ενεργειακών καλλιεργειών και των καλλιεργειών για παραγωγή τροφής. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει την καλλιέργεια των φυτών για διατροφή σε νέες περιοχές, είτε με απομάκρυνση της φυσικής τους βλάστησης είτε με εντατικοποίηση της υπάρχουσας καλλιεργητικής πρακτικής γεγονός που θα έχει αρνητικές επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα των περιοχών αυτών (Ηellman και Verburg 2010). Η καλλιέργεια των πολυετών ποωδών λιβαδικών φυτών κυρίως σε οριακά γεωργικά εδάφη μπορεί να συμβάλλει στη μείωση της αλλαγής χρήσεων γης, αύξηση της γονιμότητας των εδαφών και στην προστασία της βιοποικιλότητας επειδή στην κατηγορία αυτή υπάρχουν πολλά είδη φυτών με ικανότητα προσαρμογής σε περιοχές με μέτριας γονιμότητας και μικρής περιεκτικότητας σε υγρασία εδάφη, όπως είναι τα αγρωστώδη και τα ψυχανθή. Σα είδη αυτά είναι αυτοφυή και απαντώνται στα φυσικά ποολίβαδα, που καλύπτουν το 39,5% της έκτασης της χώρας μας, η πλειονότητα των οποίων βρίσκεται σε υποβαθμισμένες περιοχές εξαιτίας της υπερβόσκησης (Κούκουρα 2003). Οι Κοrt κ.α (1998) μελέτησαν την επίδραση της παραγωγής ενεργειακών φυτών στη διάβρωση των εδαφών και αναφέρουν ότι στις Η.Π.Α 47 εκατομμύρια ha 51

52 οριακής γεωργικής γης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή λιγνοκυτταρινικής βιομάζας με πολυετή ποώδη φυτά, τα οποία παρέχουν κάλυψη καθ όλη τη διάρκεια του έτους στο έδαφος μειώνοντας τη διάβρωση του εδάφους. Οι Lemus και Lal (2005) επίσης αναφέρουν ότι τα ενεργειακά φυτά (πολυετή ποώδη και ξυλώδη) μπορούν να καλλιεργηθούν σε οριακά και έντονα υποβαθμισμένα γεωργικά εδάφη, τα οποία μπορούν να τα προστατεύσουν από τη διάβρωση. ύμφωνα με τους ίδιους στην Ευρώπη υπάρχουν 189 εκατομμύρια ha υποβαθμισμένων εδαφών από διάφορες αιτίες (αποδάσωση, υπερβόσκηση, εντατική γεωργία) έκταση που καλύπτει το 19% της συνολικής Ευρωπαϊκής γης, η οποία θα μπορούσε να αποδοθεί στην καλλιέργεια ενεργειακών φυτών, βελτιώνοντας μεσοπρόθεσμα τη γονιμότητά τους και μειώνοντας τον ανταγωνισμό τους με τον αγροδιατροφικό τομέα. Οι Rowe κ.α (2009) μελετώντας τις δυνητικές περιβαλλοντικές επιδράσεις από την ευρεία εξάπλωση των ενεργειακών καλλιεργειών δεύτερης γενιάς στο Ηνωμένο Βασίλειο, αναφέρουν ότι για να επιτευχθούν οι εθνικοί στόχοι μείωσης των εκπομπών του CO2 το έτος 2010 απαιτείται να δεσμευθεί μόνο το 7% της συνολικής γεωργικής γης της χώρας για την καλλιέργεια των ενεργειακών φυτών, με χρήση του μεγαλύτερου μέρους της γεωργικής γης που τίθεται σε αγρανάπαυση. Οι Varvel κ.α (2008) συγκρίνοντας την εγκατάσταση δύο ενεργειακών φυτών (πρώτης και δεύτερης γενιάς αντίστοιχα) καλαμπόκι (Ζea mays) και (Panicum virgatum) σε οριακά γεωργικά εδάφη, αναφέρουν ότι το συγκεκριμένο κεχρί και τα πολυετή ποώδη ενεργειακά φυτά πρέπει να αποτελούν την κύρια επιλογή για καλλιέργεια σε ξηρικές οριακές γεωργικές εκτάσεις, επειδή παρέχουν κάλυψη του εδάφους όλο το έτος και έχουν πλούσιο ριζικό σύστημα. Από τις παραπάνω αναφορές γίνεται φανερό ότι οι ενεργειακές καλλιέργειες με πολυετή αγρωστώδη μπορούν να συμβάλλουν στη μείωση του ανταγωνισμού μεταξύ των ενεργειακών καλλιεργειών και καλλιεργειών φυτών για παραγωγή τροφής. ημαντικός είναι επίσης ο ρόλος των ενεργειακών καλλιεργειών με πολυετή αγρωστώδη στη δημιουργία κατάλληλων ενδιαιτημάτων για την άγρια πανίδα (πουλιά, μικρά θηλαστικά) με αποτέλεσμα την αύξηση της βιοποικιλότητας τους. ύμφωνα με τους Dollacker και Rhodes (2007) οι ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως η μετατροπή της γης σε γεωργική, ευθύνονται για την 52

53 μείωση της βιοποικιλότητας της. Οι Roth κ.α (2005) αναφέρουν ότι η καλλιέργεια του πολυετούς αγρωστώδους (Panicum virgatum) ως ενεργειακό φυτό ενίσχυσε τις θέσεις φωλεοποίησης και την αφθονία των πουλιών. υνολικά καταγράφηκαν 17 είδη πουλιών, ενώ ο χρόνος συγκομιδής της βιομάζας επέδρασε στη σύνθεση των ειδών. Οι Semere και Slater (2007) μελετώντας την οικολογική επίδραση δύο πολυετών ενεργειακών ειδών (Mischanthus sp. και Phalaris arundinacea) στην ποικιλότητα των μικρών θηλαστικών, πουλιών και φυτών παρατήρησαν αυξημένη αφθονία και συνολικά καταγράφηκαν 37 είδη πουλιών, 6 είδη μικρών θηλαστικών και 25 είδη φυτών (ζιζάνια) εντός και στα όρια των καλλιεργειών. Οι Bellamy κ.α (2009) παρατήρησαν σε περιοχές όπου καλλιεργούνταν ο μίσχανθος ως ενεργειακό φυτό μεγαλύτερη αφθονία και ποικιλότητα πουλιών σε σχέση με τις καλλιέργειες σιτηρών. υγκεκριμένα καταγράφηκαν 24 είδη πουλιών σε αντίθεση με 11 στα σιτηρά. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τη βιοποικιλότητα των φυσικών οικοσυστημάτων είναι η εισαγωγή μη ενδημικών φυτικών ειδών. Η μεγαλύτερη πηγή μεταβολής των οικοσυστημάτων και απώλειας της βιοποικιλότητας σε παγκόσμια κλίμακα μετά από την καταστροφή των βιοτόπων, είναι τα εισβάλοντα είδη, τα οποία χαρακτηρίζονται σαν ο κύριος περιβαλλοντικός παράγοντας που περιλαμβάνεται στον πολιτικό σχεδιασμό της παγκόσμιας στρατηγικής για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας (Glowka κ.α 1994; Pimentel κ.α 2000). Η αλματώδης ανάπτυξη της βιομηχανικής παραγωγής βιοενέργειας με ενεργειακά φυτά εγείρει ορισμένα κρίσιμα ερωτήματα για την ταχεία υιοθέτηση νέων καλλιεργειών, οι οποίες μπορούν να μετεξελιχθούν σε εισβάλοντα κι επιβλαβή είδη (Raghu κ.α 2006). Για να θεωρηθεί μια ενεργειακή καλλιέργεια ως οικονομικά βιώσιμη πρέπει να πληρεί τις ακόλουθες προϋποθέσεις: α) ελάχιστες εισροές σε θρεπτικά στοιχεία και ορυκτά καύσιμα και συγχρόνως να παράγει μεγάλες ποσότητες ετήσιας βιομάζας από πολυετείς φυτείες που εγκαθίστανται μόνο μια φορά. Σα πολυετή ενεργειακά φυτά επιλέγονται και καλλιεργούνται με βάση ορισμένα επιθυμητά αγρονομικά χαρακτηριστικά όπως είναι η αντοχή στην ξηρασία, η δυνατότητα εγκατάστασης σε άγονα εδάφη, η αυξημένη παραγωγή βιομάζας, η ανταγωνιστική ικανότητα αλλά και οι μειωμένες εισροές (λίπανση, 53

54 άρδευση και χημική καταπολέμηση). Σα υποσχόμενα ενεργειακά φυτά που προτείνονται από τη σύγχρονη βιβλιογραφία κεχρί (Panicum virgatum) και μίσχανθος (Miscanthus giganteus,) είναι μη ενδημικά στις περισσότερες περιοχές που προτείνονται να καλλιεργηθούν, όπως στα μεσογειακά περιβάλλοντα και επομένως και στη χώρα μας, με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο κίνδυνος μελλοντικής εισβολής τους (Βarney και DiTomaso 2008). Η ικανότητα εισβολής τους οφείλεται κυρίως στην ανταγωνιστικής τους ικανότητα και στους υψηλούς ρυθμούς αύξησης. O Mack (2000) επίσης αναφέρει ότι πολλά εισβάλοντα είδη έχουν αρχικά καλλιεργηθεί για μεγάλη περίοδο, η οποία βοήθησε στη διαφυγή και την εξάπλωση των ειδών με αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι Weber κ.α (2009) αναφέρουν ότι η πλειοψηφία των εισβαλόντων ειδών στην Αυστραλία είναι μη ενδημικά, τα οποία έχουν εισαχθεί για διαφόρους αγρονομικούς σκοπούς. ύμφωνα με τους Sinden κ.α (2005) το οικονομικό κόστος των εισβαλόντων ειδών στη γεωργία ανέρχεται σε 4 δις δολάρια σε ετήσια βάση για την Αυστραλία, κόστος που αντιπροσωπεύει το διαχειριστικό κόστος, την απώλεια παραγωγής και άλλες επιδράσεις, ενώ οι Pimentel κ.α (2000) υπολόγισαν ότι το οικονομικό κόστος των εισβαλόντων ειδών παγκοσμίως ανέρχεται σε 1,4 τρις εκατομμύρια δολάρια, ποσό που αντιστοιχεί στο 5% του παγκόσμιου ακαθάριστου προϊόντος. Επιπλέον τα εισβάλοντα είδη έχουν δραματικές επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα (Coutts-Smith και Downey 2006) αλλά και στη δομή και λειτουργία των φυσικών οικοσυστημάτων (Douglas κ.α 2009). Από τις πληροφορίες που υπάρχουν γίνεται φανερό ότι τα αυτοφυή ποώδη πολυετή φυτά της χώρας μας αξίζει να αξιολογηθούν με σκοπό να επιλεγούν τα καλύτερα για τη δημιουργία ενεργειακών καλλιεργειών. υμπερασματικά τα προηγούμενα δεδομένα δείχνουν ότι η μεγαλύτερη έμφαση στις τεχνολογίες μετατροπής της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας έχει δοθεί στα υπολείμματα των γεωργικών καλλιεργειών και των βιομηχανιών τροφίμων. Όσον αφορά τα αντίστοιχα δεδομένα που είχαν ως στόχο τη μετατροπή της βιομάζας των πολυετών ποωδών ειδών σε βιοενέργεια, αυτά αναφέρονται σε ξενικά είδη που δεν ενδημούν στις κλιματεδαφικές συνθήκες της χώρας μας και της Μεσογειακής περιοχής γενικότερα. Οι ελάχιστες και μεμονωμένες προσπάθειες 54

55 καλλιέργειας ορισμένων φυτών (κεχρί, μισχανθοs) στη χώρα μας έδειξαν μείωση της παραγωγής μετά από την πάροδο 5 ετών, ενώ η έλλειψη πολυετών δεδομένων ως προς τη δέσμευση και συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα στο έδαφος, καθώς και την συμβολή τους στην προστασία της βιοποικιλότητας, έχει σαν αποτέλεσμα να υπάρχει αρκετός σκεπτικισμός για την αξιοποίησή τους ως ιδανικές ενεργειακές καλλιέργειες σε ευρεία κλίμακα. Με βάση τα παραπάνω κρίνεται επιτακτική η ανάγκη για αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού ενδημικών αυτοφυών πολυετών ποωδών φυτών και αξιοποίησή τους για την αειφορική παραγωγή βιοενέργειας. Κύριοι στόχοι της παρούσας έρευνας ήταν: 1. Αξιολόγηση λιβαδικών φυτών με βάση την παραγωγή βιομάζας ανά μονάδα επιφάνειας εδάφους. 2. Aξιολόγηση λιβαδικών φυτών, όσον αφορά το λιγνοκυτταρινικό τους περιεχόμενο και τη συγκέντρωση τους σε δομικούς πολυσακχαρίτες (κυτταρίνη και ημικυτταρίνες). 3. Διερεύνηση των τεχνολογικών διεργασιών μετατροπής της βιομάζας σε βιοενέργεια με βάση τον δείκτη μετατρεψιμότητας στα διάφορα στάδια. 4. Προσδιορισμός δεικτών αειφορικά παραγόμενης λιγνοκυτταρινικής βιομάζας ενεργειακών καλλιεργειών. 55

56 Τλικά και Μέθοδοι 56

57 1.Περιοχή έρευνας Για την αξιολόγηση του παραγωγικού δυναμικού λιβαδικών φυτών από τις οικογένειες Poaceae και Fabaceae επιλέχθηκε ένα φυσικό λιβάδι στην ευρύτερη περιοχή του Πειραματικού Κέντρου Φρυσοπηγής ερρών του EΘΙΑΓΕ. Η περιοχή βρίσκεται σε απόσταση δεκατριών (13) χιλιομέτρων από την πόλη των ερρών, σε γεωγραφικό 41 ο 15 και γεωγραφικό μήκος 23 ο και σε μέσο υψόμετρο 605 m. Για την αξιολόγηση του είδους Phalaris aquatica επιλέχτηκαν καλλιέργειες του είδους ηλικίας 15 ετών εγκαταστημένες στις περιοχές της Φρυσοπηγής και της Θέρμης (Ινστιτούτο Δασικών Ερευνών) και εγκαταστάθηκε μια φυτεία στην περιοχή του Πτελεού κατά το έτος Περιοχή Φρυσοπηγής Έδαφος Σο έδαφος της περιοχής είναι μετρίου βάθους και προέρχεται από την αποσάθρωση χονδροκλαστικών αποθέσεων της τριτογενούς περιόδου. Από πλευράς κοκκομετρικής σύστασης κατατάσσεται στους αμμώδεις πηλούς, με ph περί το 5,87, περιεκτικότητα σε οργανική ουσία 1,81%, περιεκτικότητα αζώτου 0,1% και συγκέντρωση φωσφόρου 5,63 mg g -1 Πίνακας 1. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Φρυσοπηγής ph Μηχανική σύσταση Oρίζο ντας Βάθος cm H2O 1:1 Άμμος % Ιλύς % Άργιλος % Φαρακτη- ρισμός Ν% C% C/N Oργανική ουσία % Υωσ- φόρος mg g -1 A ,84 68, B , ,5 13 Άμμοπηλώδες Άμμοπηλώδες 0,104 1,15 11,6 2,0 6,08 0,088 0,93 10,3 1,61 5,18 57

58 Κλίμα Σα κλιματικά δεδομένα διατέθηκαν από τον Μετεωρολογικό ταθμό του Πειραματικού Κέντρου Φρυσοπηγής ερρών και αφορούν την περίοδο (Πίνακας 2 ) Πίνακας 2. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Φρυσοπηγής ερρών. Τψόμετρο Γεωγραφικό πλάτος Γεωγραφικό μήκος Μέση ετήσια βροχόπτωση Μέση ετήσια θερμοκρασία Θερμότερος μήνας Χυχρότερος μήνας Μέση μέγιστη θερμοκρασία θερμότερου μήνα Μέση ελάχιστη θερμοκρασία ψυχρότερου μήνα Ετήσιο θερμομετρικό εύρος Q 2 Εmberger 605 m mm 13,4 0 C Ιούλιος Ιανουάριος 27,7 0 C -0,7 0 C 28,4 0 C Τφυγρός με δριμείς χειμώνες Οι ξηρότεροι μήνες θεωρούνται ο Αύγουστος και ο επτέμβριος, όπως φαίνεται από το ομβροθερμικό διάγραμμα της περιοχής Φρυσοπηγής. Σο κλίμα χαρακτηρίζεται ως ύφυγρο μεσογειακό βιόκλιμα (ψυχρό με δριμύ χειμώνα) σύμφωνα με τη βιοκλιματική κατάταξη κατά Emberger (1942) και με βάση τον ομβροθερμικό συντελεστή (Q) και τη μέση ελάχιστη θερμοκρασία του ψυχρότερου μήνα (m) (Eικόνα 1). 58

59 Βροχή (mm) Μέση θερμ. αέρος ( C) ΟΜΒΡΟΘΔΡΜΙΚΟ ΓΙΑΓΡΑΜΜΑ ΧΡΥΟΠΗΓΗ ΔΡΡΩΝ ( ) Βροχή Μέση θερμοκρασία αέρος Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Γ Εικόνα 1. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Φρυσοπηγής ( ) Βλάστηση Η βλάστηση ανήκει στην παραμεσογειακή ζώνη βλάστηση ή ζώνη της χνοώδους δρυός (Quercetalia pubescentis) και ειδικότερα στον αυξητικό χώρο Coccifero-carpinetum υποζώνης Ostryo-carpinion (Αθανασιάδης 1985). Ειδικότερα η βλάστηση στην περιοχή εγκατάστασης αποτελείται κυρίως από πολυετή ποώδη λιβαδικά φυτά ενώ μόνο σε ορισμένες μεμονωμένες θέσεις απαντώνται ξυλώδη είδη. 1.2 Περιοχή Θέρμης Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο χώρο του Πειραματικού Κέντρου Θέρμης Θεσσαλονίκης του Ιδρύματος Δασικών Ερευνών Θεσσαλονίκης κατά τη διάρκεια των ετών Η περιοχή βρίσκεται σε απόσταση εικοσιδύο (22) χιλιομέτρων ανατολικά από την πόλη της Θεσσαλονίκης, σε γεωγραφικό πλάτος 40 ο και γεωγραφικό μήκος 23 ο και σε μέσο υψόμετρο 30 m. Οι πειραματικές επιφάνειες ήταν εγκαταστημένες στο Herbatum στην είσοδο του ταθμού σε επίπεδη επιφάνεια. 59

60 Εδαφος Σο έδαφος της περιοχής είναι μετρίου βάθους και προέρχεται από την αποσάθρωση χονδροκλαστικών αποθέσεων της τριτογενούς περιόδου. Από πλευράς κοκκομετρικής σύστασης κατατάσσεται ως αργιλοπηλώδες, με ph περί το 7,87, περιεκτικότητα σε οργανική ουσία 1,27%, περιεκτικότητα αζώτου 0,06% και συγκέντρωση φωσφόρου 2,63 mg g -1 κατά μέσο όρο. Πίνακας 3. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Θέρμης ph Μηχανική σύσταση Oρίζοντ ας Βάθο ς cm H2O 1:1 Άμμος % Ιλύς % Άργιλ ος % Φαρακτη - ρισμός Ν% C% C/N Oργαν ική ουσία % Υωσφόρος mg g -1 A ,8 43,5 24,5 32 Αργι- λοπηλώ δες 0,069 0,82 11,7 1,41 2,69 B , Αργι- λοπηλώ δες 0,056 0,65 10,8 1,12 2,56 Κλίμα Σα κλιματικά δεδομένα διατέθηκαν από τον Μετεωρολογικό ταθμό του Αγροκτήματος στα Λουτρά Θέρμης και αφορούν την περίοδο Πίνακας 4. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Λουτρών Θέρμης. Τψόμετρο Γεωγραφικό πλάτος Γεωγραφικό μήκος Μέση ετήσια βροχόπτωση Μέση ετήσια θερμοκρασία Θερμότερος μήνας Χυχρότερος μήνας Μέση μέγιστη θερμοκρασία θερμότερου μήνα Μέση ελάχιστη θερμοκρασία ψυχρότερου μήνα Ετήσιο θερμομετρικό εύρος Q 2 Εmberger 30 m 40 ο ο mm 15,6 0 C Ιούλιος Ιανουάριος 32,5 0 C 0,7 0 C 31,9 0 C Ημίξηρος με ψυχρούς χειμώνες 60

61 Βροχή (mm) Μέση θερμ. αέρος ( C) Οι ξηρότεροι μήνες θεωρούνται ο Ιούλιος και ο Αύγουστος, όπως φαίνεται από το ομβροθερμικό διάγραμμα της περιοχής Θέρμης. Σο κλίμα χαρακτηρίζεται ως ημίξηρο μεσογειακό βιόκλιμα με ψυχρό χειμώνασύμφωνα με τη βιοκλιματική κατάταξη κατά Emberger (1942) και με βάση τον ομβροθερμικό συντελεστή (Q) και τη μέση ελάχιστη θερμοκρασία του. 70 ΟΜΒΡΟΘΔΡΜΙΚΟ ΓΙΑΓΡΑΜΜΑ ΛΟΥΤ ΡΩΝ ΘΔΡΜΗΣ ( ) Βροχή Μέση θερμοκρασία αέρος 5 0 Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Ο Ν Γ 0 Εικόνα 2. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Θέρμης ( ) Βλάστηση Η βλάστηση ανήκει στην ευμεσογειακή ζώνη βλάστησης (Quercetalia illicis) και ειδικότερα στον αυξητικό χώρο Orno-Quercetum ilicis υποζώνης Quercion ilicis (Αθανασιάδης 1985). Οι φυτείες της φαλαρίδας ήταν προστατευμένες από τη βόσκηση για πολλά χρόνια καθώς χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σπόρων στην ευρύτερη περιοχή του Ινστιτούτου Δασικών Ερευνών. 61

62 1.3 Περιοχή Πτελεού Σον Οκτώβριο του 2007 στην περιοχή Πτελεού Μαγνησίας δημιουργήθηκε με σπορά η φυτεία της φαλαρίδας, με σκοπό να διερευνηθεί η ικανότητα εγκατάστασης, το παραγωγικό δυναμικό και η χημική της σύσταση. H σπορά έγινε σε έκταση 20 m 2 σε σειρές, χρησιμοποιώντας 200 g σπόρου (δηλαδή 10 g/m 2 ). Η πειραματική επιφάνεια ήταν προστατευμένη από τη βόσκηση και βρίσκεται νοτιανατολικά σε απόσταση 25 χιλιομέτρων από την πόλη του Αλμυρού, με γεωγραφικό μήκος και γεωγραφικό πλάτος και σε υψόμετρο 15m. Έδαφος Σο έδαφος της περιοχής είναι βαθύ και προέρχεται από την αποσάθρωση τριτογενών αποθέσεων. Από πλευράς κοκκομετρικής σύστασης κατατάσσεται ως αμμοαργιλοπηλώδες, με ph περί το 8,49, περιεκτικότητα σε οργανική ουσία 1,7%, περιεκτικότητα αζώτου 0,09% και συγκέντρωση φωσφόρου 10,8 mg g -1 κατά μέσο όρο. Πίνακας 5. Εδαφολογικά στοιχεία περιοχής Πτελεού ph Μηχανική σύσταση Oρίζον τας Βάθος cm H2O 1:1 Άμμος % Ιλύς % Άργιλος % Φαρακτη- ρισμός Ν% C% C/N Oργανική ουσία % Υωσφό ρος mg g -1 Aμμοαργι- A , ,7 22 B , λοπηλώδες 0,105 1,11 11,1 1,92 12,09 Aμμοαργι- λοπηλώδες 0,076 0,85 10,6 1,47 9,50 Κλίμα Σα κλιματικά δεδομένα διατέθηκαν από τον πλησιέστερο Μετεωρολογικό ταθμό της 111 Π. Μ της Ν. Αγχιάλου και αφορούν την περίοδο (Πίνακας 6 ) 62

63 Βροχή (mm) Μέση θερμ. αέρος ( C) Πίνακας 6. Κλιματικά δεδομένα της περιοχής Πτελεού. Τψόμετρο Γεωγραφικό πλάτος Γεωγραφικό μήκος Μέση ετήσια βροχόπτωση Μέση ετήσια θερμοκρασία Θερμότερος μήνας Χυχρότερος μήνας Μέση μέγιστη θερμοκρασία θερμότερου μήνα Μέση ελάχιστη θερμοκρασία ψυχρότερου μήνα Ετήσιο θερμομετρικό εύρος Q 2 Εmberger 15 m mm 16,5 0 C Ιούλιος Ιανουάριος 36,1 0 C 2,4 0 C 29,2 0 C Ημίξηρος με ψυχρούς χειμώνες Οι ξηρότεροι μήνες θεωρούνται ο Ιούνιος και ο Αύγουστος, όπως φαίνεται από το ομβροθερμικό διάγραμμα της περιοχής Πτελεού. Σο κλίμα χαρακτηρίζεται ως ημίξηρο μεσογειακό βιόκλιμα με ψυχρό χειμώνασύμφωνα με τη βιοκλιματική κατάταξη κατά Emberger (1942) και με βάση τον ομβροθερμικό συντελεστή (Q) και τη μέση ελάχιστη θερμοκρασία του. 70 ΟΜΒΡΟΘΔΡΜΙΚΟ ΓΙΑΓΡΑΜΜΑ ΠΤΕΛΕΟΥ ( ) Βροχή Μέση θερμοκρασία αέρος 5 0 Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Ο Ν Γ 0 Εικόνα 3. Ομβροθερμικό διάγραμμα περιοχής Πτελεού ( ) 63

64 Βλάστηση Η βλάστηση ανήκει στην ευμεσογειακή ζώνη βλάστησης (Quercetalia illicis) και ειδικότερα στον αυξητικό χώρο Orno-Quercetum ilicis υποζώνης Quercion ilicis (Αθανασιάδης 1985). Εικόνα 4. Υωτογραφίες της ενεργειακής καλλιέργειας της φαλαρίδας (το 2 ο έτος) 64