Perspective culture for bioenergetics of Ukraine

Keywords: mays, hemp, hybrid, variety, starch, biomasa, biogas, bioethanol

Abstract

Purpose. Study and analysis of world experience ingrowing corn and hemp for use in bioenergy. Assessmentof the condition and potential of corn and hemp, the mostimportant components of their rational and diverse use.Methods. Quantitative and qualitative comparison,abstract-logical, analytical. Research materials oncurrent and future resource opportunities for biofuelproduction in Ukraine and the world, the energy potentialof corn and hemp were used as research materials.Results. Growing corn together with food and feedis now associated with a new direction of use, such asprocessing into bioethanol, as corn grain has a high starchcontent (60-85%). The starch contained in the grain is firstdecomposed into sugar, then this sugar in the fermentationprocess is converted into alcohol, after which the solutionis subjected to purification and evaporation. The yieldof bioethanol depends primarily on the starch content inthe grain, which is determined by the group of maturity,a subspecies of the hybrid. The highest starch content(HIP05 hybrid = 0.42%) on average for three years wasobserved in the group of mid-late hybrids: Tronka – 70.55%, Arabat – 71.21%, Vira – 72.82%, also in thesehybrids there was a maximum starch yield - 9.64, 9.84,10.07 t/ha, respectively. In our studies, the maximum yieldof raw aboveground mass in the "phase of milk ripenessof grain" showed hybrids of corn of the late Late groupArabat (FAO 430) and Vira (FAO 430). The maximumvalues of the estimated specific yield of biogas basedon the content of elements in the silage were recordedin the hybrid maize Arabat (FAO 430) – 7,041 thousandm3/ha. Hemp is competitive in the production of biogasand solid biofuels, as it gives high biomass yields and goodspecific methane yield with the potential to increase withpre-treatment of raw materials. Conclusions. Selectionand cultivation of domestic varieties of hemp and maizehybrids is necessary for Ukraine, which will not only reduceenergy imports and save significant foreign exchangeresources, but also strengthen economic independence,improve the environment, create new jobs, developthe alcohol industry and to increase the interest of farmersin the cultivation of energy crops.

References

1. Желєзна Т.А., Драгнєв С.В., Баштовий А.І., Роговський І.Л. Перспективи виробництва і споживання біопалив другого покоління в Україні. Machinery & Energetics. 2018. Vol. 9. № 2. Р. 61–66.
2. Перспективи розвитку ринку біоетанолу в Україні. URL: http://saee.gov.ua/sites/default/files/ Schulmeister_bioethanol_1.pdf.
3. Бузовський Є.А. Нетрадиційні поновлювальні джерела енергії. Навчально-методичний посібник. Київ: ННІ ПО НАУ, 2007. С. 21.
4. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Анализ основных положений «Энергетической стратегии Украины на период до 2030 года». Промышленная теплотехника. 2006. №5. С. 82–92.
5. Grabovskyi M., Lozinskyi M., Grabovska T., Roubík H. Green mass to biogas in Ukraine—bioenergy potential of corn and sweet sorghum. Biomass Conv. Bioref. (2021). https://doi.org/10.1007/s13399-021-01316-0
6. Heiermann M., Plöchl M., Linke B., Schelle H., Herrmann C. Biogas Crops – PartI: Specifications and Suitability of Field Crops for Anaerobic Digestion. Agricultural Engineering International: CIGR Journal. 2009. Vol. XI. Р. 1087–1093.
7. Vohra M., Manwar J., Manmode R., Padgilwar S., Patil S. Bioethanol production: Feedstock and current technologies. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014, Vol.2, Iss. 1. P. 573–584. https://doi.org/10.1016/j.jece.2013.10.013
8. Скрипниченко В.А. Інноваційні аспекти виробництва біопалива на Україні: стан, проблеми, перспективи 2009. http/www.nbuv.gov.ua/portal/chem_biol/nvnau/2009_142_1/09sva.pdf
9. Грабовский Н.Б., Грабовская Т.А., Курило В.Л. Выращивание сорго сахарного и кукурузы как биоэнергетических культур в совместных посевах. Веснік Палескага дзяржаўнага універсітэта. Серыя прыродазнаўчых навук. Пинск, 2018. № 2. 33 С. 3–10.
10. Amon Th., Kryvoruchko V., Amon B., Bodiroza V., Zollitsch W., Boxberger J. Biogas Production from Energy Maize. Landtechnik. 2006. № 2. Р. 86–87.
11. Vozhehova R., Marchenko T., Piliarska O., Lavrynenko Y., Halchenko N., Lykhovyd P. (2021). Grain corn product yield and gross value depending on the hybrids and application of biopreparations in the irrigated conditions. Scientific Papers Series Management, Economic Engineering in Agriculture and Rural Development. 21(4), 611–619.
12. Amon T., Kryvoruchko V., Amon B. Methane production from maize, grassland and animal manures through anaerobic digestion. Sustainable Organic Waste Management for Environmental Protection and Food Safety II. 2004. Р. 175–182.
13. Weiland P., Bilitewski B., Werner P., Dornack C., Stegmann R., Rettenberger G., Faulstich M., Wittmaier M. Trockenfermentation in der Landwirtschaft-Welche Substrate und Techniken finden Anwendung. Anaerobe biologische Abfallbehandlung. 2008. p. 235–245.
14. Lewandowski I., Heinz A. Delayed harvest of miscanthus – influences on biomass quantity, quality, and environmental impacts of energy production. European Journal of Agronomy. 2003. № 19. Р. 45–63.
15. Oechsner H, Lemmer A. Was kann die Hydrolyse bei der Biogasvergärung leisten? VDI-Gesellschaft Energietechnik: Biogas 2009. Energieträger der Zukunft. 2009. Р. 37–46.
16. Козачок Ю.І. Бізнес-планування вирощування насіннєвої кукурудзи на біоетанол. Збірник наукових праць ВНАУ. Вінниця, 2010. Вип. 42. Т. 1. С. 34–38.
17. Новітні технології біоенергоконверсії: Монографія. Блюм Я.Б., Гелетуха Г.Г., Григорюк І.П. та ін. К.: «Аграр Медіа Груп», 2010. 326 с.
18. Калетнік Г.М. Біопаливо. Продовольча, енергетична та екологічна безпека України: монографія. К. : Хай-Тек Прес, 2010. 516 c.
19. Полішкевич О.Р. Ефективність використання кукурудзи для виробництва альтернативних палив. Вісник аграрної науки Причорномор’я. 2011. Вип. 3(60). С. 76–80.
20. Паламарчук В.Д., Віннік О.В., Коваленко О.А. Вміст крохмалю у зерні кукурудзи та вихід біоетанолу залежно від умов вегетації та факторів технології вирощування. Аграрні інновації. 2021. № 5. С. 135–143.
21. Аналітика українського ринку експорту кукурудзи. 2015. Інтернет клуб «Мій бізнес». URL: http://tradehub.com.ua/ru/5546obzory/view/5383/ analitika kukuruza.htm.
22. Прутська О.О. Державне регулювання розвитку ринку біопалива в Україні. Вісник Запорізького аграрного університету. 2010. № 1. С. 179–182.
23. Бразилія: в 2009 р. Споживання етанолу перевищить споживання бензину. URL: http://www.agribusiness. kiev.ua/uk/news/ukraine/11-03-008/2875. 11.03.2008
24. Титко Р., Калініченко В. Відновлювальні джерела енергії (досвід Польщі для України). Варшава : OWG, 2010. 533 с.
25. Каменщук Б.Д. Оцінка гібридів кукурудзи на придатність до виробництва біоетанолу. Агроном. 2013. № 3. C. 162–163.
26. Фадеев Л. Кукурудза на пути к миллиарду тонн в год. Зерно. 2015. № 4(109). С. 78–84.
27. Каменщук Б.Д. Агроекологічний вплив умов вирощування на зернову продуктивність гібридів кукурудзи різних груп стиглості. Стан та перспективи розвитку рослинницької галузі в умовах змін клімату: 4-та міжнар. наук.-практ. конф. молодих учених, 1–3 липня 2009 р.: тези доповідей. Харків : ІР ім. В.Я. Юр’єва УААН, 2009. С. 125–126.
28. Дудка Т.В. Доцільність отримання біоетанолу із зерна кукурудзи. Сортовивчення та охорона прав на сорти рослин. 2012. № 1. C. 44–47.
29. Рибалка О.I., Червоніс М.В., Моргун Б.В., Починок В.М., Поліщук С.С. Генетичні та селекційні критерії створення сортів зернових культур спирто-дистилятного напряму технологічного використання зерна. Физиология и биохимия культ. растений. 2013., Т. 45. № 1. С. 3–20.
30. Павлов А.Н. Накопление белка в зерне пшеницы и кукурузы. М.: Издательство Наука, 1967. 340 с.
31. Гулюк Н.Г., Жушман А.И., Ладур Т.А., Штыркова Е.А. Интенсивные технологии. Крохмал и крахмалопродукты. Под ред. Н.Г. Гулюка. М. : Агропромиздат, 1985. 240 с.
32. Sujit K.Mohanty, Manas R.Swain. Chapter 3 – Bioethanol Production From Corn and Wheat: Food, Fuel, and Future. Bioethanol Production from Food Crops. Sustainable Sources, Interventions, and Challenges. 2019. P. 45–59. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813766-6.00003-5
33. Karimi K., Chisti Y. Future of bioethnol... Biofuel Research Journal. Winter 2015.: 147-147. DOI:10.18331/BRJ2015.2.1.2.
34. Katherine Bautista, Yuwalee Unpaprom, Ramesprabu Ramaraj. Bioethanol production from corn stalk juice using Saccharomyces cerevisiae TISTR 5020. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2019. Vol. 41, Iss. 13. https://doi.org/10.1080/15567036.2018.1549136
35. Hanyu Yangcheng, Hongxin Jiang, Michael Blanco and Jay-lin Jane Characterization of Normal and Waxy Corn Starch for Bioethanol Production. J. Agric. Food Chem. 2013. Vol. 61. Iss.2. Р. 379–386. https://doi.org/10.1021/jf305100n.
36. Gumienna M., Szwengiel A., Lasik M., Szambelan K., Majchrzycki D., Adamczyk J., Nowak J., Czarnecki Z. Effect of corn grain variety on the bioethanol production efficiency. Fuel. 2016. Vol. 164, P. 386–392. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.10.033.
37. Грабовський М. Б. Особливості технології вирощування кукурудзи як сировини для виробництва біогазу. Рослинництво та ґрунтознавство. Київ, 2019. Т. 10. № 2. С. 12–17.
38. В Україні зареєстровано гібрид кукурудзи для виробництва біоетанолу. URL: https://superagronom.com/n e w s / 4 9 9 6 - v - u k r a y i n i - z a r e y e s t r o v a n o - g i b r i d - kukurudzidlya-virobnitstva-bioetanolu
39. Коноплі / за ред. М. Д. Мигаля, В. М. Кабанця. Суми, 2011. 384 с.
40. Міщенко С. В., Лайко І. М., Ткаченко С. М. Перспективи створення і впровадження сортів промислових конопель на основі конвергентних схрещувань в аспекті сталого розвитку сільських територій. Стійкий розвиток сільських територій у контексті реалізації державної екологічної політики та енергозбереження: колективна монографія / за заг. ред. Т. О. Чайки. Полтава, 2021. С. 78–89.
41. Żuk-Gołaszewska K., Gołaszewski J. Cannabis sativa L. – cultivation and quality of raw material. J. Elem. 2018. Vol. 23, Iss. 3. P. 971–984. DOI: 10.5601/jelem.2017.22.3.1500.
42. Adamovics A. M., Ivanovs S. A., Dubrovskis V. S. Methane production from industrial hemp. Agricultural Machinery and Technologies. 2019. Vol. 13, Iss. 2. P. 20–26. DOI: 10.22314/2073-7599-2018-13-2-20-26
43. Asquer C., Melis E., Scano E.A. et al. Opportunities for green energy through emerging crops: biogas valorization of Cannabis sativa L. residues. Climate. 2019. Vol. 7, Iss. 12. 142. DOI: 10.3390/cli7120142
44. Kraszkiewicz A., Kachel M., Parafiniuk S. et al. Assessment of the possibility of using hemp biomass (Cannabis sativa L.) for energy purposes: a case study. Appl. Sci. 2019, Vol. 9. 4437. DOI: 10.3390/app9204437
45. Rehman M. S. U., Saif A., Mahmood T. et al. Potential of bioenergy production from industrial hemp (Cannabis sativa): Pakistan perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 18. P. 154–164. DOI: 10.1016/j.rser.2012.10.019.
46. Prade T. Industrial hemp (Cannabis sativa L.) – a high-yielding energy crop: doctoral thesis. Alnarp, 2011. 93 p.
47. Prade T., Svensson S. E., Mattsson J. E. Energy balances for biogas and solid biofuel production from industrial hemp. Biomass and Bioenergy. 2012. Vol. 40. P. 36–52. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.01.045
48. Kim D. Physico-chemical conversion of lignocellulose: inhibitor effects and detoxification strategies: a mini review. Molecules. 2018. Vol. 23, Iss. 2. 309. DOI: 10.3390/molecules23020309.
49. Rahikainen J. L., Martin-Sampedro R., Heikkinen H. et al. Inhibitory effect of lignin during cellulose bioconversion: the effect of lignin chemistry on non-productive enzyme adsorption. Bioresource Technology. 2013. Vol. 133. Р. 270–278. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.01.075.
50. Wawro A., Batog J., Gieparda W. Chemical and enzymatic treatment of hemp biomass for bioethanol production. Appl. Sci. 2019. Vol. 9, Iss. 24. 5348. DOI: 10.3390/app9245348.
51. Kumar A. K., Sharma S. Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: a review. Bioresour. Bioprocess. 2017. Vol. 4. 7. DOI: 10.1186/s40643-017-0137-9.
52. Parawira W., Tekere M. Biotechnological strategies to overcome inhibitors in lignocellulose hydrolysates for ethanol production: review. Crit. Rev. Biotechnol. 2011. Vol. 31, Iss. 1. P. 20–31. DOI: 10.3109/07388551003757816
53. Lee C. R., Sung B., Lim K. M. et al. Co-fermentation using recombinant Saccharomyces cerevisiae yeast strains hyper-secreting different cellulases for the production of cellulosic bioethanol. Sci Rep. 2017. Vol. 7. 4428. DOI: 10.1038/s41598-017-04815-1
54. Kuglarz M., Alvarado-Morales M., Karakashev D. et al. Integrated production of cellulosic bioethanol and succinic acid from industrial hemp in a biorefinery concept. Bioresource Technology. 2016. Vol. 200. P. 639–647. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.10.081
55. Zhao J., Xu Y., Wang W. et al. Conversion of liquid hot water, acid and alkali pretreated industrial hemp biomasses to bioethanol. Bioresource Technology. 2020. Vol. 309. 123–135. DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123383
56. Frankowski J., Wawro A., Batog J. et al. New Polish oilseed hemp cultivar Henola – cultivation, properties and utilization for bioethanol production. Journal of Natural Fibers. 2021. DOI: 10.1080/15440478.2021.1944439
57. Moscariello C., Matassa S., Esposito G. et al. From residue to resource: the multifaceted environmental and bioeconomy potential of industrial hemp (Cannabis sativa L.). Resources, Conservation and Recycling. 2021. Vol. 175. 105–120. DOI: 10.1016/j.resconrec.2021.105864
Published
2022-05-03
Section
MELIORATION, ARABLE FARMING, HORTICULTURE