Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения работ по гранту были выполнены все запланированные на первый год работы, а именно: 1. Была создана и испытана физическая модель технологической линии темновой ферментации с техническими средствами интенсификации процесса (предварительное измельчение исходных отходов в аппарате вихревого слоя с одновременным внесением частиц железа в процессе предварительной обработки) и системой автоматического управления с элементами цифровизации, позволяющей регистрировать основные показатели процесса темновой ферментации (рН, температура, объемный выход биогаза, содержание водорода в биогазе, содержание метана в биогазе) каждые 5 минут, а также контролировать процесс темновой ферментации путем изменения кратности загрузки и гидравлического времени удержания за счет созданной системы дозирования и изменения температуры процесса. 2. Был проведен ряд экспериментальных исследований, включая (1) исследование процесса комплексного электрофизического воздействия на исходный модельный субстрат в аппарате вихревого слоя (АВС) при различных режимах его работы с проведением анализа химического состава исходного и предварительно обработанного субстрата и изменения концентрации ферромагнитных частиц в субстрате; (2) экспериментальное определение биохимического потенциала модели ооганической фракции тыердых бытовых отходов (ОФ ТКО), предварительно обработанной в АВС, в однофазной и двухфазной системе в периодическом режиме и исходного субстрата в полунепрерывном режиме; (3) экспериментальные исследования темновой ферментации модели ОФ ТКО, предварительно обработанной в АВС, в полунепрерывном режиме на разработанной физической модели; (4) предварительные экспериментальные исследования оригинальной стратегии последовательной продукции водорода и метана в одном реакторе за счет разделения стадий во времени. 3. Был проведен ряд теоретических исследований, включая (1) расчет необходимого тепло- и электроснабжения биогазовой установки с использованием фотоэлектрических, термо-фотоэлектрических и тепловых солнечных модулей собственной разработки с целью компенсации затрат на энергию для собственного энергоснабжения биогазовой установки; (2) определение состава и конструкции солнечной установки, состоящей из солнечных модулей различной конструкции собственной разработки, предназначенных для обеспечения необходимой теплотой и электроэнергией биогазовой установки для различных климатических условий. В ходе анализа и математической обработки данных, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований, в том числе на разработанной физической модели, были получены следующие результаты: 1. Была получена адекватная математическая модель зависимости концентрации ферромагнитных частиц от режимов работы АВС (продолжительность предобработки и масса рабочих тел в камере АВС) и концентрации органических веществ в исходном субстрате с коэффициентом детерминации 0,9994. 2. Была получена адекватная математическая модель зависимости максимальной скорости производства водорода (HPR) и метана (MPR) от режимов работы АВС (продолжительность предобработки и масса рабочих тел в камере АВС) и концентрации органических веществ в исходном субстрате. Данные модели обладают коэффициентами детерминации 0,8374 (HPR) и 0,8916 (MPR). 3. Была получена адекватная математическая модель зависимости удельной скорости производства энергии (ЕPR) от режимов работы АВС (продолжительность предобработки и масса рабочих тел в камере АВС) и концентрации органических веществ в исходном субстрате с коэффициентом детерминации 0,9860 4. Были получены адекватные математические модели, основанные на уравнениях Гомпертца и первого порядка, с коэффициентами детерминации в пределах 0,97–1,00, и определены кинетические константы для исследуемых процессов темновой ферментации исходного субстрата в периодическом и полунепрерывном режиме. 5. Согласно предварительному эксперименту использование предварительной обработки исходного субстрата позволило увеличить объемный выход водорода на 16% по сравнению с контрольным реактором при увеличении содержания водорода в биогазе до 52,2% в процессе темновой ферментации в полунепрерывном режиме. 6. Внесение растворимого сульфата железа с гранулированным активированным углем позволяет активировать гидрогеназную активность и протекание прямого межвидового переноса электронов (DIET) при последовательной продукции водорода и метана в одном реакторе с одновременным поддержанием низкого pH для снижения начальной активности метаногенов. 7. Согласно проведенному анализу, солнечные модули фотоэлектрического, теплового и теплофотоэлектрического типов могут обеспечить экономию централизованной энергии даже в московском регионе при использовании солнечной энергии в обеспечении энергоснабжения биогазовых установок. При этом использование “зелёного” водорода, полученного с их помощью, может обогатить получаемый биогаз. 8. Предложены новые конструкции солнечных модулей собственной разработки. 9. Разработаны технологические схемы биогазовых установок с двумя реакторами, микробными электролизными ячейками и описаны принципы их работы с параллельным энергоснабжением от солнечных модулей различных типов. 10. Проведён расчёт на разработанном российском программном обеспечении необходимого тепло- и электроснабжения биогазовых установок лабораторного и промышленного исполнения в различных климатических условиях. 11. Разработаны две конфигурации солнечных установок – на поверхностях реактора биогазовой установки и наземное расположение солнечных модулей с оптимальным углом наклона к горизонту. Участниками проекта было подготовлено и направлено в редакции рецензируемых журналов 10 статей, из которых 4 опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по SJR, одна принята к печати (журнал, входящий в перечень ВАК). Результаты проведенных по Проекту исследований были представлены на 7 Всероссийских и международных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации работ по гранту были выполнены все запланированные на второй год работы, в результате которых были: 1. Разработана и создана физическая модель технологической линии анаэробного сбраживания, состоящая из последовательно расположенных по потоку субстрата блоков: (1) дозирования исходного субстрата, (2) предварительной обработки в аппарате вихревого слоя, (3) темновой ферментации и (4) метаногенеза с интегрированной в реактор микробной электролизной ячейкой. Данные блоки были объединены интеллектуализированной системой контроля процессов с возможностью удаленного контроля. 2. Проведен ряд экспериментальных исследований, включая исследование влияния кратности загрузки на эффективность и стабильность процессов (1) темновой ферментации с последовательным метаногенезом в отдельном реакторе с интегрированной микробной электролизной ячейкой (2) без подачи разницы потенциалов на электроды и (3) с подачей 1,2 В на электроды. 3. Проведен ряд теоретических исследований, включая (1) разработку плана эксперимента на 2023 и 2024 год на основе центрального композитного дизайна с использованием методологии поверхности отклика для определения оптимальных режимов работы технологической линии анаэробного сбраживания в диапазоне разницы потенциалов 0-2,4 В при кратности подачи свежего субстрата 8-24 часов; (2) определение коэффициентов преобразования подведенной к реактору темновой ферментации энергии. 4. Проведен анализ (1) профиля планктонного и прикреплённого микробных сообществ на основании секвенирования последовательности гена 16S рРНК; (2) электроактивности биопленок с помощью метода циклической вольтамперометрии (CV), образующихся на разных участках микробной электролизной ячейки и на инертном пространстве; (3) химического состава продуктов темновой ферментации. Кроме того, в результате проделанных работ изготовлены разработанные солнечные модули различной конструкции для тепло- и электроснабжения пилотной биогазовой установки с повышенной эффективностью производства биогаза с использованием микробиологической электролизной ячейки, предназначенные для компенсации затрат на энергию для собственного энергоснабжения биогазовой установки. Проведена оптимизация конструкции разработанных солнечных модулей для тепло- и электроснабжения биогазовой установки с повышенной эффективностью производства биогаза с использованием микробиологической электролизной ячейки. Разработана конструкция, технологическая инструкция изготовления и изготовлен фотоэлектрический модуль в форме сайдинг панели с использованием высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей с односторонней контактной сеткой и двухкомпонентным полисилоксановым компаундом, который имеет ряд преимуществ перед этиленвинилацетатными плёнками. Разработана конструкция, технологическая инструкция и изготовлен солнечный тепловой модуль в форме сайдинг панели простой и недорогой конструкции с использованием компонентов отечественного производства, в конструкции которого также предусмотрена возможность добавления дополнительных лицевого и тыльного теплоизоляционных экранов, что уменьшит тепловые потери модуля и увеличит его тепловую эффективность при небольшом удорожании конструкции. Разработана конструкция, технологическая инструкция изготовления и изготовлен теплофотоэлектрический модуль в форме сайдинг панели с использованием высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей с односторонней контактной сеткой и водяным охлаждением, а также двухкомпонентным полисилоксановым компаундом. Использование теплофотоэлектрического модуля позволяет экономить пространство и денежные средства при использовании солнечных модулей, охлаждение фотоэлектрических преобразователей позволяет увеличить их электрическую эффективность, водяное охлаждение имеет простую систему съёма тепла, а двухкомпонентный полисилоксановый компаунд обеспечит высокую оптическую прозрачность и большой срок номинальной электрической мощности. Проведена оптимизация конструкций разработанных солнечных модулей (при необходимости были внесены изменения в их конструкции), в процессе которой наряду с аналитическими расчётами использовался программный комплекс конечно-элементного анализа для моделирования и визуализации деформаций и тепловых процессов. В результате моделирование определена высокая установившаяся температура фотоэлектрических преобразователей модуля, для уменьшения которой и отвода тепловой энергии в виде нагрева теплоносителя, что увеличивает как электрическую эффективность, так и общую эффективность солнечного модуля, предложена конструкция теплофотоэлектрического модуля с водяным охлаждением, в результате моделирования жёсткости которого было оценено действие силы тяжести, когда значительных перемещений и деформаций теплофотоэлектрического модуля не выявлено. Основной задачей оптимизации конструкции теплофотоэлектрического и теплового модулей являлось определение оптимальных геометрических параметров теплосъёмного канала, отводящего тепловую энергию от теплового фотоприёмника, когда были рассмотрены различные геометрические параметры охлаждающего канала и различные режимы его работы. Разработан радиатор водяного охлаждения с прямоугольным каналом в сечении с целью обеспечения прямого и непосредственного контакта теплоносителя с тепловым металлическим фотоприёмником, где ширина канала может быть обеспечена в широком диапазоне, а его высота минимальна, когда прогрев слоёв теплоносителя будет равномерным со всех сторон благодаря высокой теплопроводности самого металлического канала. Также проведена оценка влияния расстояния между охлаждающими каналами на равномерность прогрева теплового фотоприёмника и отвод тепла теплоносителем, где в оптимизированном варианте заметно более равномерное распределение температур теплового фотоприёмника между каналами. Полученные экспериментальные данные показывают, что разработанный способ интенсификации процесса темновой ферментации крайне эффективен: предварительная обработка модели пищевых отходов в аппарате вихревого слоя перед темновой ферментацией позволяет повысить выход биоводорода более чем в 7 раз. Использование микробной электролизной ячейки в системе метанового сбраживания с подачей разницы потенциалов от солнечной фотоэлектрической панели позволяет конвертировать солнечную энергию и запасать ее в виде метана, при одновременном ускорении процесса анаэробной биоконверсии органического вещества отходов. Участниками проекта было подготовлено и направлено в редакции рецензируемых журналов 10 статей, из которых 7 опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по SJR. Результаты проведенных по Проекту исследований были представлены на 4 Всероссийских и международных конференциях.