Повышение эффективности производства чистой энергии за счет интенсификации анаэробной биоконверсии органических отходов с использованием солнечной энергии

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 22-49-02002

НазваниеПовышение эффективности производства чистой энергии за счет интенсификации анаэробной биоконверсии органических отходов с использованием солнечной энергии

Руководитель Ковалев Андрей Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" , 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 чистая энергия, анаэробная биоконверсия, темновая ферментация, солнечные теплофотоэлектрические преобразователи, микробная электрохимическая ячейка

Код ГРНТИ62.35.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интенсивное развитие производства и потребления приводит к соответствующему увеличению количества образующихся отходов и требует разработки новых энергоэффективных и экологически безопасных методов утилизации. Анаэробное сбраживание (АС) органических отходов, как один из методов обработки, заслуживает большего внимания, так как позволяет перейти на экологически чистую и ресурсосберегающую энергию за счет снижения выбросов парниковых газов, получения углеводородов (метана) и более глубокой переработки органических отходов, богатых питательными веществами, для производства чистой энергии в свете циркулярной экономики. Лимитирующей стадией АС является процесс гидролиза высокомолекулярных веществ, в связи с чем процесс предварительной обработки субстрата становится актуальным и необходимым. По данным многих научных издательств и веб-сайтов, за последние пять лет наблюдается рост количества публикаций в области АС, и многие авторы неоднократно подтверждали необходимость предварительной обработки ферментируемого субстрата для увеличения полноты и эффективности переработки и увеличения выхода биогаза. Одним из перспективных и энергоэффективных методов подготовки субстрата для ферментации является предлагаемая обработка в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц (АВС), который создается под действием вращающегося магнитного поля. В рабочей камере АВС реализуются все возможные механические воздействия на измельченный материал: удар, истирание, кавитация, даже электролиз происходит, если в системе есть вода. Ранее российская команда показала положительное влияние обработки различных органических субстратов в АВС на характеристики метаногенного брожения, в частности, на кинетику метаногенеза, полноту разложения органических веществ, содержание метана в биогазе и обеззараживание отходов. Индийская команда также имеет очень прочную основу, документальные свидетельства и многолетний опыт в области получения биогаза из различных видов сырья и технологий предварительной обработки. Интерес коллег из Индии к предлагаемым нами методам предварительной обработки подтверждает глобальную значимость предлагаемых исследований, что позволяет нам вывести совместную технологию на международный рынок. В данном проекте предлагается впервые исследовать комплексное применение способов интенсификации процесса анаэробной биоконверсии, предназначенное для повышения энергетической эффективности получения энергии из органических отходов, при компенсации энергетических затрат на процесс с помощью использования солнечной энергии. Научная новизна исследований заключается в: - использовании новых технических средств (аппарат вихревого слоя ферромагнитных частиц, микробная электролизная ячейка) для комплексного электрофизического воздействия на исходный (АВС) и обрабатываемый (микробная электрохимическая ячейка - МЭЯ) субстрат; - определении оптимальных параметров и режимов работы оборудования для темновой ферментации и метаногенеза при комплексном электрофизическом воздействии; - оценке влияния комплексного электрофизического воздействия и возможности стимуляции процесса прямого межвидового переноса электронов как на стадии темновой ферментации, так и на стадии метаногенеза; - разработке и применении преобразователей солнечной энергии для компенсации энергетических нужд технологической линии анаэробной обработки органических отходов (теплота для поддержания температурного режима процесса анаэробной биоконверсии, электроэнергия для подвода разницы потенциалов на электроды микробной электролизной ячейки). Исследования будут проводиться в анаэробных биореакторах промежуточного поколения (с интегрированной микробной электролизной ячейкой в реакторное пространство). Для организации процесса анаэробной биоконверсии будут определены оптимальные параметры и режимы работы реакторов, в которых будут протекать процессы анаэробной обработки при комплексном электрофизическом воздействии (гидравлическое время удержания в реакторах различных стадий, продолжительность комплексного электрофизического воздействия на исходный субстрат в АВС, частота электромагнитного поля, напряжение на электродах микробной электролизной ячейки). Для получения экспериментальных данных будет разработана и создана физическая модель технологической линии анаэробной обработки под комплексным электрофизическим воздействием. Лаборатория Биоэнергетических и сверхкритических технологий (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) располагает рядом анаэробных биореакторов повышенного объема (от 8 до 250 литров), оборудованных системами теплоснабжения и перемешивания субстрата для поддержания оптимальных условий тепломассообмена с возможностью регулирования температурного режима. Руководитель и исполнители проекта имеют опыт и соответствующие навыки выполнения научно-исследовательских, инженерных и конструкторских работ. Проект обеспечен практически всем необходимым аналитическим оборудованием. Консорциум российских и индийских институтов позволит сплотить молодой коллектив, обменяться опытом, повысить публикационную активность в высокорейтинговых журналах, а также позволит оценить эффективность предлагаемых нами методов стимуляции анаэробной конверсии при переработке реальных отходов, получить новые знания в области анаэробной конверсии органических отходов и международное признание. Создание совместного предприятия ожидается после успешного достижения целей проекта. Таким образом, планируемые исследования представляют интерес как для фундаментальной науки, так и для практического использования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.А.Панченко, Ю.В.Даус, А.А.Ковалев, И.В.Юдаев, Ю.В.Литти Prospects for the production of green hydrogen: Review of countries with high potential International Journal of Hydrogen Energy, Available online 28 October 2022, In Press, Corrected Proof (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijhydene.2022.10.084

2. Сухайл М.А., Шривастава С., Паритош К., Парик Н., Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В., Панченко В.А., Большев В.Е., Вивекананд В. Advances in Applications of Cereal Crop Residues in Green Concrete Technology for Environmental Sustainability: A Review Agriculture, Agriculture 12, no. 8: 1266 (год публикации - 2022)
10.3390/agriculture12081266

3. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Панченко В.А. РАЗРАБОТКА БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Вестник МЭИ (год публикации - 2023)

4. Риквиндер Сингх, Раджеш Кумар, Пракаш Кумар Саранджи, Андрей А. Ковалев, Вивекананд Вивекананд Effect of physical and thermal pretreatment of lignocellulosic biomass on biohydrogen production by thermochemical route: A critical review Bioresource Technology, Volume 369, February 2023, 128458 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biortech.2022.128458

5. Панченко В.А., Даус Ю.В., Ковалев А.А., Литти Ю.В., Катраева И.В. Modeling the energy supply of a biogas plant based on solar modules of various designs International Journal of Hydrogen Energy, In Press, Corrected Proof, Available online 27 October 2023 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.09.320

6. Упадхьяй А., Ковалев А.А., Журавлёва Е.А., Парик Н., Вивекананд В. Enhanced production of acetic acid through bioprocess optimization employing response surface methodology and artificial neural network Bioresource Technology, Volume 376, May 2023, 128930 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biortech.2023.128930

7. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Журавлева Е.А., Лайкова А.А., Шехурдина С.В., Вивекананд Вивекананд, Литти Ю.В. Biochemical hydrogen potential assay for predicting the patterns of the kinetics of semi-continuous dark fermentation Bioresource Technology, Volume 376, May 2023, 128919 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biortech.2023.128919

8. Упадхьяй, А.; Ковалев А.А.; Журавлева Е.А.; Ковалев Д.А.; Литти, Ю.В.; Масакапалли, СК; Парик, Н.; Вивекананд, В. Recent Development in Physical, Chemical, Biological and Hybrid Biogas Upgradation Techniques Sustainability, 2023; 15(1):476. (год публикации - 2023)
10.3390/su15010476

9. Панченко В.А., Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В. Review of modern methods and technologies for using of solar energy in the operation of anaerobic digestion systems International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 53, 26 June 2023, Pages 20264-20278 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.02.109

10. А.А.Ковалев, Д.А.Ковалев, В.А.Панченко, Е.А.Журавлева, А.А.Лайкова, С.В.Шехурдина, В.Вивекананд, Ю.В.Литти Approbation of an innovative method of pretreatment of dark fermentation feedstocks International Journal of Hydrogen Energy, 47, 78, 33272-33281 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijhydene.2022.08.051

11. Талвар П., Упадхьяй А., Верма Н., Сингх Р., Линденбергер К., Парик Н., Ковалев А.А., Журавлева Е.А., Литти Ю.В., Шьям Кумар Масакапалли, Вивекананд В. Utilization of agricultural residues for energy and resource recovery towards a sustainable environment Environmental Science and Pollution Research, Environ Sci Pollut Res (2023). https://doi.org/10.1007/s11356-023-29500-x (год публикации - 2023)
10.1007/s11356-023-29500-x

12. Лайкова А.А., Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Журавлёва Е.А., Шехурдина С.В., Лойко Н.Г., Литти Ю.В. Feasibility of successive hydrogen and methane production in a single-reactor configuration of batch anaerobic digestion through bioaugmentation and stimulation of hydrogenase activity and direct interspecies electron transfer International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 34, 22 April 2023, Pages 12646-12660 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2022.12.231

13. В.А. Панченко, С.П. Чирский, А.А. Ковалев, Ю.В. Литти, Ю.В. Караева, И.В. Катраева Modeling and manufacturing of solar modules of different designs for energy supply of biogas plant International Journal of Hydrogen Energy, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 84, Pages 177-191 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.08.125

14. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Панченко В.А. Использование солнечной энергии для энергоснабжения микробной электролизной ячейки ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА, Вестник Московского энергетического института. – 2024. – № 3. – С. 42-49. (год публикации - 2024)
10.24160/1993-6982-2024-3-42-49

15. Сахил Сахил, Риквиндер Сингх, Шьям К. Масакапалли, Нидхи Парик, Андрей А. Ковалев, Юрий В. Литти, Сонил Нанда, Вивекананд Вивекананд Biomass pretreatment, bioprocessing and reactor design for biohydrogen production: a review Environmental Chemistry Letters, Environmental Chemistry Letters, Volume 22, pages 1665–1702, (2024) (год публикации - 2024)
10.1007/s10311-024-01722-6

16. А.А. Ковалев, Д.А. Ковалев, В.А. Панченко, Е.А. Журавлева, А.А. Лайкова, С.В. Шехурдина, А.А. Иваненко, Ю.В. Литти Energy efficiency of hydrogen production during dark fermentation International Journal of Hydrogen Energy, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 87, Pages 171-178 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.08.473

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения работ по гранту за третий год были выполнены все запланированные работы, а именно: 1. Был проведен ряд экспериментальных исследований, включая (1) темновой ферментации с последовательным метаногенезом в отдельном реакторе с интегрированной микробной электролизной ячейкой с подачей (2) 2,4 В на электроды; (3) натурные испытания изготовленных солнечных модулей различной конструкции. 2. Был проведен ряд теоретических исследований, включая (1) определение коэффициента преобразования энергии в лабораторной технологической линии для производства чистой энергии; (2) разработку рекомендаций по использованию (2) солнечных установок и (3) технологической линии получения чистой энергии за счет анаэробной биоконверсии органических отходов. 3. 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 и метанового сбраживания. В ходе анализа и математической обработки данных, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований, в том числе на разработанных физических моделях, были получены следующие результаты: Совокупность примененных методов позволила определить оптимальные режимы работы системы двухстадийной биоконверсии и увеличить энергетический выход на 15 % по сравнению с оптимальным режимом одностадийного периодического сбраживания и на 64% по сравнению с контролем (двухстадийная анаэробная биоконверсия без подачи разницы потенциалов на электроды микробной электролизной ячейки (МЭЯ)). Было установлено увеличение как объемного, так и удельного выхода метана при оптимальных режимах работы на 73% и 104%, соответственно, по сравнению с контролем. Установлено, что в исследуемом диапазоне самоустанавливающийся уровень рН в обоих реакторах не зависит от кратности подачи и напряжения на электродах МЭЯ. Установлено, что самые высокие показатели электрохимической емкости были у биопленок на катоде и аноде при разнице потенциалов на электродах МЭЯ 1,2 В, что свидетельствует о более быстром обмене электронами. Установлено, что в планктонном микробном сообществе реактора темновой ферментации преобладали ацидогенные водородпродуцирующие бактерии, а в метаногенном реакторе – синтрофные бактерии и метаногенные археи при обоих приложенных напряжениях, причем при напряжении 2,4 В наблюдался значительный вклад ацетокластического метаногенеза. В биопленках с поверхностей МЭЯ были широко представлены электроактивные микроорганизмы. В результате проделанных работ были разработаны методики проведения натурных испытаний фотоэлектрического, теплового и теплофотоэлектрического модулей планарной конструкции, а также испытательные стенды для определения основных электрических и тепловых параметров изготовленных солнечных модулей различной конструкции. Проведены натурные испытания по определению основных электрических и тепловых параметров разработанных фотоэлектрического, теплового и теплофотоэлектрического солнечных модулей, результаты которых были обработаны и проанализированы. На основе проведённых экспериментов и в результате изготовления фотоэлектрического, теплофотоэлектрического и теплового солнечных модулей были разработаны рекомендации, способствующие повышению эффективности работы разработанных солнечных модулей, а также варианты совершенствования конструкций и технологий изготовления разработанных солнечных модулей; рекомендации по использованию солнечной установки, на основе разработанных солнечных модулей, а также направления дальнейших исследований разработанных солнечных модулей различной конструкции. Получены оптимальные параметры работы технологической линии анаэробной переработки органических отходов для производства чистой энергии, включающие в себя оптимальные параметры аппарата вихревого слоя (продолжительность обработки не более 30 секунд, частота электромагнитного поля 50 Гц (промышленная), удельная масса загружаемых рабочих тел 0,5 кг/л рабочей камеры), анаэробных реакторов (темновой ферментации (гидравлическое время удержания не менее 1 суток, самоустанавливающийся уровень рН), анаэробного сбраживания (метаногенный) (нагрузка по органическому веществу не более 10 г ОВ/(л∙сут) при совокупном гидравлическом времени удержания не менее 3 суток, самоустанавливающийся уровень рН), микробной электролизной ячейки (напряжение не более 2,5 при самоустанавливающейся силе тока на электродах) и солнечной установки (использование трёх типов теплофотоэлектрических модулей) для тепло- и электроснабжения процессов анаэробной биоконверсии и ее интенсификации. Результаты проведенных по Проекту исследований были представлены на 6 Всероссийских и международных конференциях, а также опубликованы в 4 статьях, 3 из которых опубликовано в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по SJR.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Применение разработанных способов интенсификации позволяют увеличить скорость и глубину переработки органических отходов. 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: увеличение как объемного, так и удельного выхода метана при оптимальных режимах работы на 73% и 104%, соответственно, по сравнению с контролем. Кроме того, при анаэробной биоконверсии в термофильных условиях происходит дегельминтизация, девитализация семян сорных растений, конверсия биогенных веществ в легкоусвояемую растениями форму и значительное (до 94%) снижение запаха ОО и ППЖ, которые после анаэробной биоконверсии можно использовать в качестве органических удобрений (по ГОСТ 33380-2015). Таким образом применение разработанных способов интенсификации анаэробной биоконверсии позволяет повысить как энергоэффективность, так и скорость переработки органических отходов, тем самым оказывая положительное влияние на широкий спектр сфер за счёт: 1. Переработки органических отходов в удобрения (сельское хозяйство) 2. Снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду: снижения эмиссии парниковых газов, ликвидация эмиссии биогенных и органических веществ в грунтовые и поверхностные воды (экология) 3. Получения энергоносителей в виде биоводорода и биометана (энергетика) 4. Снижения запаха в области животноводческих предприятий и мест хранения органических отходов (социальная)