Исследования в области снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду в лаборатории CIRETEC-GT

Проблема увеличения содержания углекислого газа (CO₂) в атмосфере представляет собой серьезную экологическую угрозу, связанную с глобальным потеплением. Микроводоросли, обладая уникальными свойствами, могут эффективно преобразовывать углекислый газ в органические вещества благодаря фотосинтезу. Результаты исследований показали высокий потенциал фиксации СО2 (содержание в фотобиореакторе-биофильтре от 30% до 40% по свободному объему) микроводорослями Chlorella kessleri, Chlorella vulgaris и Chlorella sorokiniana. Данный потенциал может быть использован для поглощения СО2 от выбросов энергоустановок. Максимальная скорость поглощения СО2 = 0,255 г/л*день и максимальный объем СО2, утилизированный за 1 сутки = 7,18 л достигается суспензией микроводорослей Chlorella vulgaris при Т=30 °С и освещённостью =3000 Лк. Однако, по содержанию липидов остаточная биомасса Chlorella vulgaris уступает остаточной биомассе Chlorella kessleri, культивируемой в стрессовых условиях.

Результаты исследования легли в основу магистерской диссертации аналитика лаборатории Шинкевич Полины «Разработка способа утилизации углекислого газа микроводорослями», успешно защищённой в 2023 году, и послужили отправной точкой для формирования нового направления в аспирантуре.

Для решения экологических задач по декарбонизации выбросов, доочистке сточных вод, эффективной утилизации органосодержащих отходов и получению биотоплива была разработана интегрированная схема на основе применения микроводорослей (рисунок 1).

Рисунок 1. Интегрированная схема снижения антропогенного воздействия на ОС на основе использования микроводорослей: 1 – предприятие, как источник сточных вод (СВ) и углекислого газа (CO₂), 2 – фотобиореактор с микроводорослями, 3 – блок разделения очищенных сточных вод (ОСВ) и биомассы микроводорослей, 4 – блок накопления биомассы микроводорослей, 5 – блок темновой ферментации, 6 – блок очистки биогаза, 7 – блок получения биодизеля, 8 – блок анаэробного сбраживания

В предложенной на рисунке 1 схеме от предприятия (1) в блок с фотобиореактором с суспензией микроводорослей (2) поступают сточные воды и дымовые газы в качестве источника углекислого газа. В блоке (2) при поддержании оптимальных условий для культивирования микроводорослей (температура – 26 – 28°С, освещенность – 2700 Лк) осуществляется процесс утилизации углекислого газа и поглощения биогенных элементов из сточных вод, необходимых для роста биомассы микроводорослей. Далее в блоке (3) происходит разделение очищенных сточных вод и биомассы микроводорослей, накопление которой происходит в блоке (4). Накопленная биомасса может быть возвращена в (2) для дальнейшего применения, либо использоваться для получения биотоплива. В блоке (5) биомасса микроводорослей после предварительной кислотной и температурной обработки с добавлением крахмала помещается в условия темной ферментации (анаэробный режим, отсутствие света, поддержание температуры T=55°C, поддержание pH в диапазоне от 5,5 до 6,5) с целью получения биогаза, который содержит водород. В блоке (6) происходит очистка образующегося биогаза (криогенная очистка). Из биомассы микроводорослей (4) могут быть получены липиды для производства биодизеля (7). После данного процесса образуется отход – остаточная биомасса микроводорослей, которую предлагается анаэробно сбраживать в блоке (8) с пищевыми отходами и инокулянтом в соотношении остаточная биомасса Chlorella kessleri – пищевые отходы – инокулянт 10 – 40 – 50% соответственно при температуре 35^оС. Полученный биогаз может быть очищен от посторонних примесей в блоке (6) для выделения метана, который может быть использован на нужды предприятия (1).

По результатам исследований в данном направлении в ходе реализации мегагранта была опубликована статья в высокорейтинговом журнале первого квартиля:

Politaeva, N.; Ilin, I.; Velmozhina, K.; Shinkevich, P. Carbon Dioxide Utilization Using Chlorella Microalgae. Environments 2023, 10, 109. https://doi.org/10.3390/environments10070109.