Устойчивая утилизация дымовых газов фототрофно-гетеротрофными микробными консорциумами в сочетании с производством биоэлектричества и биотоплива

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-49-02003

НазваниеУстойчивая утилизация дымовых газов фототрофно-гетеротрофными микробными консорциумами в сочетании с производством биоэлектричества и биотоплива

Руководитель Власкин Михаил Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук , г Москва

Конкурс №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова биоэлектричество, биотопливо, микроводоросли, дымовые газы, CO2

Код ГРНТИ62.35.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Экологически чистое производство энергии вызывает сегодня большой интерес, поскольку способствует социальному развитию и повышению уровня жизни людей. Темпы роста мирового потребления ископаемых топлив указывают на то, что к концу текущего столетия потребность в энергии должна возрасти в 3-5 раз [1]. Кроме того, ископаемое топливо не обеспечивает устойчивого развития, так как оно приводит к увеличению уровня CO2 и накоплению парниковых газов в окружающей среде. Рост антропогенных выбросов парниковых газов только за последние 40 лет превысил 100 % [1]. При этом более 75 % выбросов парниковых газов исходит от энергетического сектора, от сжигания ископаемого топлива [2]. Средняя концентрация углекислого газа в атмосфере Земли сегодня (410 ppm) на 40 % выше, чем в середине XIX века, при этом с каждым годом она увеличивается в среднем на 2 ppm [1]. В ряде стран мира сегодня вводятся углеродные налоги, в связи с чем многие участники рынка ископаемых топлив вынуждены обращаться к «зеленым» решениям. Проблема утилизации парниковых газов является общемировой, в том числе для России и Индии, где большую долю в топливно-энергетическом балансе занимают традиционные углеводородные топлива. Одним из перспективных решений вышеуказанной проблемы является использование фотосинтезирующих микроорганизмов (микроводорослей и цианобактериий) для утилизации дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемых топлив. Использование фотосинтезирующих микроорганизмов для улавливания солнечной энергии, свободно доступного источника энергии, и разработка технологии для удовлетворения глобальных потребностей в энергии может изменить правила игры. Микроводоросли, являясь потенциальным экологически чистым источником биоэлектричества (микроводоросли и микробные топливные элементы - MMFC), и биотопливо могут ликвидировать разрыв между текущим спросом и предложением чистой энергии. Одно из главных преимуществ использования микроводорослей в качестве кандидата на биоэлектричество заключается в том, что во время выращивания в присутствии света им не требуется кислород. Вместо этого поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Следовательно, топливный элемент из микроводорослей может быть легко связан с секвестрацией дымовых газов. Однако, использование монокультур (микроводорослей и цианобактериий) в процессах утилизации дымовых газов теплоэлектростанций и других промышленных объектов связано с рядом трудностей. Прямая подача дымовых газов в фотобиореактор приводит к подкислению питательной среды и созданию неблагоприятных для роста водорослей условий [3]. Помимо CO2, дымовой газ, образующийся в процессе сжигания на промышленных предприятиях, обычно содержит ингибирующие токсичные загрязнители SOx и NOx, которые также могут негативно сказываться на росте микроводорослей [4]. Поиск устойчивых штаммов и условий культивирования водорослей в условиях утилизации дымовых газов, образуемых при сжигании органического топлива, является сегодня актуальной научной задачей. С целью обеспечения стабильного роста водорослей в условиях, приближенных к реальным на промышленных объектах, в данном проекте предлагается создание и исследование искусственных симбиотических микробных консорциумов фототрофов и гетеротрофов. Данный тип ассоциации часто встречается в природе (в биопленках, микробных матах, лишайниках и др.) и может успешно выживать при высыхании, нехватке питательных веществ, а также при повышенной солености или экстремальных температурах [5]. Данная способность выживать в экстремальных условиях отчасти объясняется разделением труда и последующим взаимодействием между членами сообщества. Создание искусственных сообществ гетеротрофов и фототрофов для различных биотехнологических приложений является сегодня актуальной научной задачей [5, 6]. Научная новизна проекта связана с созданием нового симбиотического микробного консорциума фототрофов (водорослей) и гетеротрофов (бактерий или дрожжей) для эффективного поглощения CO2 и других дымовых газов (NOx, SOx) и его интеграции с микроводорослевыми микробиальными топливными элементами для производства биоэлектричества и биомассы водорослей. В ходе работы коллекция микроводорослей и гетеротрофных микроорганизмов будет пополнена новыми штаммами, выделенными из озер и прудов Индии. Впервые будет исследована кинетика и эффективность утилизации дымовых газов как с помощью альгологически чистых культур (монокультур), так и с использованием консорциумов микроводорослей с гетеротрофами. Новые результаты мирового уровня будут получены при использование сточных вод в качестве питательной среды в процессе утилизации водорослями дымовых газов. Впервые биоэлектричество (в микробных топливных элементах из микроводорослей), бионефть и биоуголь (путем гидротермального сжижения и гидротермальной карбонизации, соответственно) будут получены из биомассы, выращенной с использованием дымовых газов. Наконец в проекте будет рассмотрен новый подход к захоронению углерода, полученного в результате утилизации CO2, который основан на конверсии выращенной биомассы в инертный биоуголь методом гидротермальной карбонизации и дальнейшем захоронении полученного биоугля (в шахтах, полигонах, почвах, грунтах). Данный проект будет являться продолжением успешного и плодотворного сотрудничества (имеется 17 совместных публикаций в высокорейтинговых изданиях, индексируемых в базах Web of Science Core Collection или Scopus) между коллективами из России и Индии, начатого в рамках гранта РФФИ Инд_а 18-58-45009. Литература 1. https://webstore.iea.org/co2-emissions-from-fuel-combustion-2018-highlights. 2. Yoro K.O., Daramola M.O. Chapter 1 - CO2 emission sources, greenhouse gases, and the global warming effect. In: Rahimpour MR, Farsi M, Makarem MA, editors. Advances in Carbon Capture: Woodhead Publishing; 2020. p. 3-28. 3. Yahya L., Harun R., Abdullah L.C. Screening of native microalgae species for carbon fixation at the vicinity of Malaysian coal-fired power plant // Scientific Reports. 2020. vol. 10. № 1. p. 22355. 4. Molitor H.R., Schnoor J.L. Using Simulated Flue Gas to Rapidly Grow Nutritious Microalgae with Enhanced Settleability // ACS Omega. 2020. vol. 5. № 42. p. 27269-27277. 5. Zuñiga C., Li T., Guarnieri M.T., Jenkins J.P., Li C.-T., Bingol K., Kim Y.-M., et al. Synthetic microbial communities of heterotrophs and phototrophs facilitate sustainable growth // Nature Communications. 2020. vol. 11. № 1. p. 3803. 6. Zhang B., Li W., Guo Y., Zhang Z., Shi W., Cui F., Lens P.N.L., et al. Microalgal-bacterial consortia: From interspecies interactions to biotechnological applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. vol. 118. № p. 109563.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Надежда И. Чернова, Анатолий В. Григоренко, Софья В. Киселева, Ольга М. Ларина, Винод Кумар и Михаил С. Власкин Comparative Evaluation of Pyrolysis and Hydrothermal Liquefaction for Obtaining Biofuel from a Sustainable Consortium of Microalgae Arthrospira platensis with Heterotrophic Bacteria Processes, 10, 2202 (год публикации - 2022)

2. Власкин М.С., Киселева С.В., Чернова Н.И., Григоренко А.В., Рындин К.Г., Попель О.С., Маланий С.Я., Славкина О.В., де Фариас Навес Ф., Кумар В Эффективность поглощения CO2 микроводорослями Arthrospira platensis из смеси, моделирующей дымовые газы Теплоэнергетика, №06, 2023 (год публикации - 2023)

Публикации

1. Чунжук Е.А., Григоренко А.В., Чернова Н.И., Киселева С.В., Рындин К.Г., Попель О.С., Маланий С.Я., Славкина О.В., де Фариас Невес Ф., Ленг Л., Кумар В. и Власкин М.С. Direct Study of CO2 Capture Efficiency during Microalgae Arthrospira platensis Cultivation at High CO2 Concentrations Energies, 16(2), 822 (год публикации - 2023)
10.3390/en16020822

2. Рындин К.Г., Бутырин А.В., Григоренко А.В., Чунжук Е.А., Чернова Н.И., Киселева С.В., Маланий С.Ю., Бакуменко Е.А., Славкина О.В., Осипов К., Марютина Т.А., Кумар В., Власкин М.С. From the Cultivation of Arthrospira platensis at an Increased CO2 Concentration to the Bio-Oil Production by Hydrothermal Liquefaction Applied Sciences, 13(17), 9950 (год публикации - 2023)
10.3390/app13179950

3. Рават Дж., Джайсвал К.К., Дас Н., Кумар С., Гурурани П., Бишт Б., Власкин М.С., Наяк М., Кумар В. Hydrothermal liquefaction of freshwater microalgae biomass using Fe3O4 nanoparticle as a catalyst Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, VOL. 45, NO. 4, 12988–13000 (год публикации - 2023)
10.1080/15567036.2023.2277892

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В работе были проведены экспериментальные и теоретические исследования по оценке состояния микроводорослей, выращенных в атмосфере дымовых газов с содержанием CO2 = 3, 6 и 8%. Для проведения экспериментов были выбраны штаммы микроводорослей (A. platensis, C. ellipsoidea, C. vulgaris, E. subsphaerica и G. pulchra), адаптированные на предыдущем этапе работы к высоким концентрациям CO2. Культивирование проводили в контролируемых лабораторных условиях в ФБР, помещенных в закрытую АГК, подача дымовых газов осуществлялась с помощью специально разработанного на предыдущем этапе блока генерации дымовых газов. По результатам экспериментов получена скорость роста плотности биомассы микроводорослей, находящаяся на уровне средних показателей, представленных в научных публикациях: максимальная у штаммов Chlorella vulgaris, Chlorella ellipsoidea (до 0,8 г/л в сутки), минимальная – у Arthrospira platensis (до 0,27 г/л в сутки). При этом ни в одном эксперименте за 12 суток не достигнуто выхода на нулевую скорость роста (постоянное значение плотности биомассы). Проведена оценка эффективности поглощения СО2 микроводорослями. Полученные значения скорости роста плотности биомассы микроводорослей и эффективности поглощения СО2 могут использоваться при проектировании установок по утилизации СО2 из дымовых газов на основе микроводорослевой биофиксации СО2. Изменения pH культуральной жидкости были незначительными по величине, также, не было существенного падения pH во всей серии экспериментов, которое приводит к ингибированию микроводорослей. На этапе увеличения концентрации CO2 с 3 до 6 % не наблюдается драматического изменения наиболее значимых биохимических составляющих – липидов и белков. При увеличении концентрации CO2 с 6 до 8 % содержание белков в штаммах Chlorella и A. platensis уменьшилось, что может являться результатом воздействия стрессовых условий при выращивании их в атмосфере дымовых газов с достаточно высоким содержанием CO2. Микроскопия штаммов микроводорослей показала отсутствие или минимальное количество мертвых клеток штаммов при всех условиях проведения экспериментов в атмосфере дымовых газов. Таким образом, штаммы микроводорослей продемонстрировали устойчивость к дымовым газам, при этом получены более высокие результаты, чем в экспериментах со смесью воздуха и CO2. Можно сделать вывод о том, что предварительная адаптация к различным стрессорам улучшает устойчивость культур и способствует увеличению скорости роста биомассы микроводорослей. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего развития технологий улавливания и хранения CO2, а также при создании промышленных установок по утилизации дымовых газов с целью сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу. Проведены эксперименты по получению биотоплива гидротермальным методом из биомассы микроорганизмов, выращенных в условиях повышенной концентрации CO2. Данные эксперименты проводились с использованием биомассы Arthrospira platensis, выращенной при концентрации СО2 6 об.% (полученной на предыдущем этапе работы). Результаты сравнивались с биомассой Arthrospira platensis, выращенной при атмосферной концентрации СО2. Установлено, что выход бионефти в процессе ГТС с увеличением температуры от 270 до 330 °С для биомассы Arthrospira platensis, выращенной при концентрации СО2 0.04 об. %, увеличивается от 27.3 до 35.1 масс. %, а для биомассы Arthrospira platensis, выращенной при концентрации СО2 6 об. %, увеличивается от 13.1 до 17.1 масс. %. Установлено, что с увеличением температуры ГТС от 270 до 330 °С содержание углерода в бионефти, полученной в процессе ГТС биомассы Arthrospira platensis, выращенной при концентрации СО2 0.04 об. %, увеличивается от 73.5 до 74.5 масс. %, а для биомассы Arthrospira platensis, выращенной при концентрации СО2 6 об. %, содержание углерода в бионефти увеличивается от 75.1 до 75.9 масс. %. По результатам проведенной серии экспериментов выбрана оптимальная для проведения процесса ГТС биомассы Arthrospira platensis температура Т= 330 °C, которая, с одной стороны, обеспечивает высокий выход и качество бионефти, с другой не приводит к образованию экстремально высоких давлений (свыше 20 МПа). Проведена оценка эффективности улавливания СО2 из дымовых газов путем выращивания микроводорослей и последующей переработки их биомассы в биотопливо метом гидротермального сжижения/карбонизации с позиций затрат энергии и ресурсов. Показано, что эффективность улавливания СО2 микроводорослями определяется комплексом факторов: продуктивностью (скоростью роста) микроводорослей, способами выращивания (открытые культиваторы, закрытые ФБР), методом сбора урожая (гравитационный сбор на ситах, центрифугирование и др.). Диапазон удельных затрат энергии на улавливание СО2 микроводорослями оказался довольно широк: от 26 до 770 ГДж/т при культивировании микроводорослей A. platensis в плоских открытых культиваторах с различной степенью использования дополнительной энергии, от 42 до 373 ГДж/т при выращивании микроводорослей C. vulgaris в закрытых ФБР. Сокращение удельных затрат энергии на поглощение СО2 микроводорослями можно путем повышения и поддержания высокой скорости их роста в процессе культивирования, максимального использования солнечного света и сбросного тепла объектов теплоэнергетики или иных отраслей промышленности, применения минимально энергозатратных методов отделения биомассы от культуральной жидкости.

Публикации

1. Чунжук Е.А.; Григоренко А. В.; Киселева, С. В.; Чернова, Н.И.; Волков Д.А.; Нургалиев Р.Г.; Ленг, Л.; Кумар, В.; Власкин, М.С. Features of the Microalgae and Cyanobacteria Growth in the Flue Gas Atmosphere with Different CO2 Concentrations Sustainability, 16(16), 7075 (год публикации - 2024)
10.3390/su16167075

2. Киселёва С. В., Чернова Н. И., Власкин М. С., Григоренко А. В., Чунжук Е. А., Маланий С. Я., Бакуменко Е. А., Росицкая Т. В. ПОГЛОЩЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА МИКРОВОДОРОСЛЯМИ: АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ Теплоэнергетика/Thermal Engineering, 2024, № 12, с. 19–31 (год публикации - 2024)
10.56304/S0040363624700504

Возможность практического использования результатов
Как показали результаты выполнения проекта, выращивание биомассы микроводорослей на газовоздушных смесях с повышенной концентрацией СО2 или дымовых газах может рассматриваться как метод снижения выбросов парниковых газов, особенно для предприятий топливно-энергетического комплекса. При этом именно на таких предприятиях возможно снижение энергетических затрат на выращивание за счет низко потенциальной тепловой энергии и элементов инфраструктуры станций. Установленные в ходе работы оптимальные режимы и методики культивирования микроводорослей, а также оптимальные условия конверсии биомассы в биотопливо могут использоваться при разработке технологических регламентов на технологические процессы утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей и переработки биомассы микроводорослей в бионефть методом гидротермального сжижения. Результаты, полученные при проведении исследований, могут обеспечить задел для создания систем крупномасштабного культивирования микроводорослей в целом, и для поиска путей снижения энергетических затрат на культивирование, в частности.