Poznań, dn

Poznań, dn. 1 kwietnia 2016 r.
Dr hab. inż. Jacek Dach, prof. nadzw.
Instytut Inżynierii Biosystemów
Wydział Rolnictwa i Bioinzynierii
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr Marty Oleszek
pt. „Wpływ poziomu nawożenia azotem wybranych gatunków roślin na jakość
biomasy i efektywność produkcji biogazu”,
wykonanej w Instytucie Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego
Polskiej Akademii Nauk
pod kierunkiem dra hab. Mariusza Matyki, prof. nadzw. IUNG-PIB
oraz promotora pomocniczego: dra Dariusza Wiącka
OCENA FORMALNA PRACY
Recenzję rozprawy doktorskiej wykonałem na zlecenie Dyrektora Instytutu Agrofizyki
im. Bohdana Dobrzańskiego, Pana prof. dra hab. Cezarego Sławińskiego, zgodnie z uchwałą
Rady Instytutu z dn. 29.01.2016 o powołaniu mnie na recenzenta.
Promotorem pracy jest Pan dr hab. dr hab. Mariusz Matyka, prof. nadzw. IUNG-PIB, a
promotorem pomocniczym Pan dr Dariusz Wiącek.
Rozprawa zawiera łącznie 138 stron, w tym 7 rysunków, 54 tabele, 1 fotografię oraz
202 pozycje literaturowe, wśród których dominuje literatura obcojęzyczna (129 pozycji), w
dużej mierze w postaci artykułów naukowych z renomowanych czasopism o zasięgu
ogólnoświatowym. Wykorzystanie w pracy tak szerokiego doboru źródeł (zwłaszcza przy
analizie uzyskanych wyników badań) wpływa na zwiększenie wartości naukowej dysertacji i
jest szczególnie pożądane w kontekście przyszłych publikacji wyników badań w
renomowanych czasopismach angielskojęzycznych. Z drugiej strony zakres cytowań
literatury krajowej świadczy również o głębokiej analizie krajowego stanu badań z tematyki
pracy wykonanej przez Doktorantkę.
Przedstawiona mi do oceny dysertacja ma układ typowy dla prac o charakterze
doświadczalnym z zakresu agronomii i zawiera kompletny układ wymaganych rozdziałów.
Ponadto została napisana poprawnym językiem, zawierającym również właściwie dobraną
specjalistyczną terminologię (dla czytelników spoza branży Doktorantka dodała na końcu
pracy 2-stronicowy wykaz skrótów i symboli).
W przedstawionej mi dysertacji Doktorantka wyróżniła łącznie 7 rozdziałów, wśród
których największy (66 stron) stanowi rozdział Wyniki i Dyskusja. Rozdział ten, zawierający
bardzo szeroko omówione wyniki badań, uważam za najcenniejszy z punktu widzenia
wartości naukowej pracy. Brak mi natomiast w pracy aneksu z listą rycin i tabel (ze względu
na obszerność pracy wyrywkowe znalezienie tabeli z danymi wynikami byłoby dzięki temu
łatwiejsze).
SZCZEGÓŁOWA OCENA PRACY
Praca podejmuje ważny temat pozyskiwania wysokiej jakości biomasy rolniczej pod
kątem wykorzystania jej jako substratu do produkcji biogazu. Należy bowiem podkreślić, że
w aktualnej sytuacji gospodarczej jak i politycznej (potrzeba dekarbonizacji gospodarki i
rozwój OZE) sektor biogazowy zaczyna, zwłaszcza w ostatnich miesiącach coraz bardziej
zyskiwać na znaczeniu. Jednakże, z uwagi na niski poziom dofinansowania cen wytwarzanej
w Polsce „zielonej energii”, kluczowym dla zapewnienia opłacalności eksploatacji biogazowni
jest pozyskiwanie tanich w uprawie i wydajnych energetycznie materiałów roślinnych. Jeżeli
bowiem średnia cena za MWh wyprodukowanej energii elektrycznej oscyluje obecnie w
Polsce na poziomie maksymalnie 90-96 euro (wliczając w to cenę żółtego certyfikatu), a w
innych krajach Europy Środkowej znacznie przewyższa ten poziom (Niemcy – do 270
Eur/MWh, Czechy – 138 Eur/MWh, Rumunia 182 Eur/MWh), oznacza to, że kwestia
pozyskania opłacalnych substratów dla biogazowni rolniczych jest kluczowa dla ich rozwoju i
uniknięcia bankructwa. Dlatego należy stwierdzić, że temat poruszany w ocenianej dysertacji
wpisuje się bardzo wyraźnie w aktualny kontekst gospodarczy i posiada – poza walorem
naukowym – także bardzo istotny potencjał aplikacyjny.
2
Przechodząc do merytorycznej oceny pracy stwierdzam, że jej tytuł odpowiada
zarówno analizie literaturowej dokonanej przez Doktorantkę, jak i zgodny jest z zakresem
realizowanych przez Nią badań.
We Wstępie Doktorantka nakreśla skrótowo aktualną sytuację w zakresie rozwoju
energetyki biomasowej w Polsce i Europie oraz umiejętnie wplata uzasadnienie podjęcia
realizacji tematu stwierdzając, iż „konieczne jest podjęcie badań mających na celu
wyjaśnienie zależności pomiędzy poziomem nawożenia azotem wybranych gatunków roślin,
a wydajnością procesu fermentacji metanowej oraz efektywnością energetyczną produkcji
biogazu z jednostki powierzchni”. Ze swej strony dodałbym jeszcze, że takie badania są
niezwykle istotne dla właścicieli biogazowni rolniczych bowiem mogą dać odpowiedź na
kluczowe pytanie dla tego sektora: jak w sposób najbardziej opłacalny wyprodukować
biomasę roślinną mającą największą wartość energetyczną dla procesu fermentacji
metanowej.
W Przeglądzie Literatury Doktorantka analizuje zagadnienia związane zarówno z
podstawami teoretycznymi procesu fermentacji metanowej, jak i substratami obecnie
wykorzystywanymi do produkcji biogazu. Opisując zalety wytwarzania biogazu rolniczego i
jego korzystny wpływ na zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych Doktorantka omija
niestety bardzo istotny problem jakim jest redukcja emisji metanu ze składowanego w
pryzmach obornika. Należy bowiem podkreślić, że ze składowanych kilkudziesięciu milionów
ton obornika rocznie wydziela się ogromna, liczona w setkach tysięcy ton ilość metanu, który
to gaz wywiera 21-krotnie silniejszy wpływ na efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla.
Tymczasem powszechne przeznaczenie obornika do zastosowania w biogazowniach
rolniczych może prawie całkowicie zredukować tę emisję. Opisując proces fermentacji
Doktorantka popełniła także dość istotny lapsus językowy pisząc, iż „powstają także
niewielkie ilości siarkowodoru […], co odpowiada 1-2% udziałowi w fazie gazowej” (strona
17). Jako specjalista od eksploatacji instalacji chciałbym zwrócić Autorce uwagę, że 1-2%
siarkowodoru w biogazie to stężenie 10000-20000 ppm i takie stężenie jest prawdziwą
katastrofą dla eksploatatora instalacji, bowiem maksymalne dopuszczalne stężenie H2S
akceptowalne przez silniki układów kogeneracyjnych to 120-170 ppm – wyższe grozi trwałym
uszkodzeniem elementów silnika przy dłuższej pracy. W praktyce - już stężenie na poziomie
2000-3000 ppm wymaga zastosowania rozbudowanych układów odsiarczających. Z uwag do
3
części literaturowej mógłbym jeszcze dodać, że wyjaśniając na stronie 18 sposób łączenia
substratów („łącząc ze sobą substraty uwodnione (gnojowicę, serwatkę, wywar gorzelniany)
oraz bogate w materię organiczną”) Doktorantka wyraziła się nieprecyzyjnie – wszak
serwatka czy wywar gorzelniany posiadają znacznie ponad 90% udział materii organicznej i
znikomy frakcji mineralnej.
Autorka w bardzo szeroki i gruntowny sposób analizuje możliwości zastosowania jako
substratów różnych upraw rolniczych produkowanych w warunkach polskich. W kontekście
opisu czynników ograniczających stosowanie najpopularniejszego substratu jakim jest
kiszonka kukurydzy brakuje mi tylko stwierdzenia, że czynnikiem najbardziej ograniczającym
jest jej cena. Poziom 120-150 zł/tonę kiszonki, jaki aktualnie występuje na większości
terenów kraju jest zaporowy dla stosowania tego substratu w biogazowniach przy krajowym,
aktualnie najniższym w Europie Środkowej poziomie cen za energię z OZE.
Autorka porusza także istotną dla realizowanej pracy kwestię wpływu nawożenia
azotem na produkcję roślinną, a zwłaszcza na wielkość i jakość plonu. Kończąc część
literaturową Doktorantka nakreśliła problem badawczy w postaci tak sformułowanego
zagadnienia: „zarówno plon jak i jakość biomasy zmieniają się pod wpływem nawożenia
azotem, a odpowiednie właściwości chemiczne surowca warunkują wysoką wydajność
fermentacji metanowej”, którego rozwiązanie przeprowadziła w części pracy prezentującej
wyniki badań. Uważam, że tak sformułowany problem badawczy jest poprawny, choć
powinien on być znacznie wyraźniej uwypuklony – wszak stanowi istotę dysertacji
doktorskiej.
Następnie Doktorantka przedstawiła Cel Pracy, który streściła jako „ocenę wpływu
zróżnicowanego poziomu nawożenia azotem, gatunku rośliny i pokosu na plon świeżej i
suchej masy kiszonek, ich właściwości chemiczne, a także uzysk biogazu i kinetykę procesu
fermentacji metanowej”. Brakuje mi w celu pracy wypunktowanych zadań badawczych,
które zresztą Doktorantka opisuje w części wynikowej dysertacji.
Cel pracy uważam za odpowiednio sformułowany, mam tylko do Doktorantki pytanie:
w celu pracy użyła ona wyrażenia „kiszonek” – a czy bardziej poprawnie nie powinno być
„zielonek”?
Kolejny rozdział dysertacji to Materiał Badawczy i Metodyka Badań. W tym rozdziale
Doktorantka opisuje sposób prowadzenia doświadczeń polowych i pozyskiwania materiału
badawczego. Nie mam uwag do wykorzystywanej metodyki, mam natomiast pytanie do
4
Doktorantki: jakie są optymalne potrzeby nawożenia azotem dla roślin używanych w
badaniach i jak się te potrzeby odnoszą do zastosowanych trzech poziomów nawożenia N?
Mam również pytanie odnośnie sposobu zakiszania zebranej biomasy: czy w trakcie
zakiszania,
celem
wypchnięcia
powietrza
stosowano
tylko
ugniatanie,
czy
też
wpompowywano np. CO2 do pojemników?
W przypadku analizy właściwości chemicznych biomasy nie mam żadnych uwag,
natomiast w przypadki metodyki procesu fermentacji jedną, ale istotną uwagę: badanie nie
zostało przeprowadzone zgodnie z normą VDI4630, ale zgodnie ze zmodyfikowaną normą.
Norma VDI4630 określa bowiem maksymalny stosunek s.m.o. substratu do s.m.o. inokulum
na 0,5 - tymczasem w opisanej metodyce przyjęto stosunek 1:1. Pozostałe warunki
prowadzenia procesu fermentacji były zgodne z metodyką niemiecką opisaną w normie VDI.
W rozdziale 4., najbardziej rozbudowanym (Wyniki i Dyskusja) Doktorantka
prezentuje rezultaty przeprowadzonych doświadczeń i obliczeń, jednocześnie komentując je
i zestawiając z wynikami uzyskiwanymi w literaturze. Dane dotyczące plonowania roślin
przedstawiono w sposób czytelny i przystępny do analizy. Dzięki temu można zaobserwować
duże zróżnicowanie w poziomie planowania roślin, w zależności od stopnia nawożenia
azotem. Moją uwagę przyciągnęła natomiast duża różnica pomiędzy zawartością suchej
masy a suchej masy organicznej w przypadku mozgi (rys. 2 oraz tab. 13), która w skrajnym
przypadku (mozga 3P/40 kg) oznaczała aż 23,7% zawartości popiołu – znacznie więcej niż w
przypadku innych roślin. Stąd mam pytanie do Doktorantki: czy tak duża zawartość frakcji
mineralnej jest typowa dla mozgi, czy też może być wynikiem zanieczyszczenia próbek
biomasy glebą np. w czasie zbioru wyległych roślin w trudnych warunkach pogodowych?
Na podkreślenie w uzyskanych wynikach dotyczących właściwości chemicznych
wytworzonej biomasy zasługuje fakt, że nawożenie azotem miało istotny wpływ na jej skład.
Doktorantka stwierdziła bowiem, że „Wraz ze zwiększeniem dawki azotu w kiszonkach
wzrastała istotnie zawartość azotu ogólnego (N.), białka ogólnego (BO) oraz tłuszczu
surowego (TS), istotnie malała natomiast zawartość ligniny (ADL), celulozy (CEL)”. Widać
więc, że wraz ze wzrostem dawki azotu wzrastała zawartość białka i tłuszczu czyli
najcenniejszych biogazowo składników, a malała trudno rozkładalnych ligniny i celulozy (nota
bene lignina w zasadzie w ogóle nie rozkłada się w warunkach beztlenowych).
5
Analizując skład uzyskanej biomasy chciałbym prosić Doktorantkę o szersze
wyjaśnienie możliwych przyczyn niejednoznacznego wzrostu procentowej zawartości azotu w
kukurydzy (tabela 16) oraz stosunku C:N (tabela 18), a zwłaszcza bardzo dużego zawężenia
C:N pomiędzy II a III poziomem nawożenia.
Analizując część pracy dotyczącą badań produkcji biogazu z biomasy roślinnej
natrafiłem na stwierdzenie Doktorantki (strona 84), że „Wzrost poziomu nawożenia azotem
w przypadku wszystkich badanych gatunków ogółem powodował istotny spadek zawartości
metanu w biogazie”. Jednak wcześniej, analizując wpływ nawożenia azotem Autorka
wykazała wzrost zawartości m.in. tłuszczu i białka – związków dających w procesie
fermentacji biogaz o zawartości powyżej 70% metanu. Stąd chciałbym prosić Doktorantkę o
wyjaśnienie tej sprzeczności – dlaczego zwiększenie dawek azotu powodowało wzrost
zawartości związków „wysokometanowych” i jednocześnie istotnie obniżało zawartość CH4 w
biogazie?
W rozdziale 4.3.2. Parametry kinetyczne procesu fermentacji metanowej Doktorantka
przedstawia wyniki w zakresie czasu fermentacji, przyrost skumulowanego uzysku biogazu w
czasie, długość fazy zastoju i specyficzne tempo produkcji biogazu. Podsumowując wyniki
stwierdziła, że poziom nawożenia azotem, gatunek rośliny i pokos wpływały istotnie na
kinetykę procesu fermentacji metanowej. Jest to twierdzenie poprawne ale pod warunkiem,
że rozdrobnienie badanych próbek substratów było na podobnym poziomie (stopień
rozdrobnienia ma bowiem ogromny wpływ na kinetykę procesu fermentacji).
W związku z tym mam pytanie do Doktorantki: jaki był średni rozmiar cząstek
stosowanych substratów jak też w jaki sposób prowadzono rozdrobnienie materiału po
zbiorze a przed zakiszaniem (w metodyce brak jest szczegółów w tym zakresie).
Na podkreślenie zasługuje zestawienie współczynników korelacji uzysku biogazu,
metanu, stężenia metanu i parametrów kinetycznych z właściwościami chemicznymi badanej
biomasy, które Doktorantka przedstawiła w tabeli 54. Niektóre z uzyskanych wyników nieco
zaskakują jak np. ujemna korelacja wzrostu zawartości białka i uzysku biogazu.
Przedstawione przez Autorkę wyjaśnienie, iż jedną z przyczyn negatywnego oddziaływania
białka na uzysk biogazu i metanu może być powstawanie amoniaku, który w zbyt dużych
stężeniach powoduje inhibicję procesu fermentacji metanowej – nie może raczej dotyczyć
fermentacji substratów roślinnych, gdyż w praktyce nigdy nie występuje wtedy problem
nadmiaru azotu (stężenia jonów amonowych powyżej 3 g/litr). Ewentualne ryzyko mogłoby
6
się wiązać z użyciem inokulum o podwyższonej zawartości azotu – co należy raczej wykluczyć
biorąc pod uwagę substraty używane w biogazowni w Siedliszczkach.
Należy pokreślić dużą wartość naukową dyskusji uzyskanych przez Doktorantkę
wyników z rezultatami opublikowanymi przez innych autorów. Dyskusja wyników jest
przeprowadzona w sposób bardzo rzetelny i szeroki, jest cennym elementem podnoszącym
wartość naukową pracy. Sugeruję, aby uzyskane w pracy wyniki wraz z ich dyskusją przesłać
do publikacji w renomowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym z zakresu
energetyki biomasowej/biogazowej i agronomii.
Część badawczą pracy kończy rozdział 5. (Wnioski), w którym Doktorantka formułuje
11 wniosków o charakterze naukowym i utylitarnym, zawierających jednocześnie
rozwiązanie postawionego problemu naukowego. Autorka potwierdziła bowiem, że wzrost
poziomu nawożenia azotem wpłynął istotnie na zwiększenie plonu suchej masy i suchej masy
organicznej (wniosek nr 1), białka ogólnego i tłuszczu surowego (wniosek 2) i na uzysk
biogazu i metanu (wniosek 4), choć ta ostatnia zależność nie we wszystkich przypadkach
roślin została potwierdzona statystycznie. Doktorantka udowodniła także, ze zwiększenie
poziomu nawożenia azotem wpłynęło na wybrane parametry kinetyczne fermentacji jak np.
maksymalna produkcja biogazu po czasie tc oraz specyficzne tempo produkcji biogazu
(wniosek 7). Wreszcie Autorka wykazała, że choć zwiększenie poziomu nawożenia azotem, w
większości badanych roślin, wpłynęło na wzrost produktywności biogazu, metanu i energii z
jednostki powierzchni (wniosek 10), to jednak przekładało się to na wzrost energochłonności
produkcji biomasy (wniosek 11). Należy więc podkreślić, że uzyskane w wyniku realizacji
pracy wyniki mają, oprócz dużych walorów naukowych, także wysoką wartość praktyczną i
powinny być koniecznie szeroko rozpropagowane w serii publikacji popularno-naukowych w
czasopismach branżowych.
Kończąc ocenę merytoryczną pracy należy wspomnieć o drobnych uwagach
krytycznych. Zdarzyło mi się natrafić na drobne błędy stylistyczne czy interpunkcyjne, czy też
w niektórych tabelach (np. tabeli 26) brak było jednostek. Powyższe uchybienia w żaden
sposób nie umniejszają jednak wartości naukowej pracy.
7
WNIOSKI KOŃCOWE
Przedstawiona mi do recenzji praca podejmuje mało dotychczas zbadany, ale ważny
dla nauki i praktyki gospodarczej problem związany z wpływem nawożenia azotem na
plonowanie upraw i ich potencjał energetyczny jako substratów dla biogazowni rolniczych.
Stwierdzam, że badania zostały przeprowadzone w sposób bardzo kompleksowy, rzetelnie i
wg uznanej na forum międzynarodowym metodyki, a uzupełnione zostały rozbudowaną
analizą statystyczną. Zachęcam Doktorantkę do publikacji uzyskanych wyników w
renomowanych czasopismach z zakresu energetyki odnawialnej (zwłaszcza biomasy i
biogazu), jak i do rozpowszechnienia rezultatów w prasie branżowej – przede wszystkim z
powodu braku tego typu udokumentowanych danych w obliczu coraz silniejszych tendencji
do oparcia dalszego rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce na rynku biogazowym.
Reasumując stwierdzam, że rozprawa doktorska przedłożona przez mgr Martę
Oleszek spełniła ustawowe wymagania do ubiegania się o stopień naukowy doktora w
dyscyplinie agronomia, zawarte w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o
stopniach i tytule w zakresie sztuki z dn. 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65, poz. 595, z późn.
zm.). Niewielkie niedociągnięcia popełnione przez Doktorantkę w żaden znaczący sposób nie
pomniejszają wysokiej wartości przedłożonej do recenzji dysertacji. Na tej podstawie kieruję
wniosek do Rady Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego w Lublinie o dopuszczenie
mgr Martę Oleszek do dalszych etapów przewodu doktorskiego.
8