Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках выполнения проекта был произведен анализ современных данных о способности микроводорослей поглощать углекислый газ в различных условиях культивирования. Проведен сравнительный анализ роста различных штаммов микроводорослей и их способности фиксировать углекислый газ, включая использование промышленных выбросов. Помимо этого, изучены ключевые параметры, влияющие на рост биомассы и фиксацию углекислого газа: температура, уровень освещенности, фотопериод, кислотность среды, состав питательных веществ. Проведен литературный обзор о влиянии стрессовых условий (нехватка азота) на накопление липидов в биомассе. Установлено, что регулирование рН и интенсивности света способствует увеличению продуктивности и содержания ценных компонентов в биомассе. Исследовано влияние газов, таких как SOₓ, NOₓ, на процесс поглощения углекислого газа микроводорослями. Анализ научной литературы показал, что низкие концентрации оксидов азота могут использоваться водорослями как источник азота, тогда как повышенные концентрации угнетают их рост. Рассмотрены ключевые патенты, охватывающие механизмы улавливания СО₂, влияние газовых примесей и адаптацию микроводорослей к промышленным условиям. На основе научных работ сделано предположение, что поглощение данных газов будет проходит по принципу абсорбции газов в жидкости (культуральная жидкость) и переход в слабокислотные растворы. При этом рН культуральной жидкости будет смещаться в кислую сторону. При небольших концентрации газов: CO, H₂, CH₄, N₂ изменение состава культуральной жидкости будет не значительным и не будет оказывать влияние на скорость культивирования биомассы микроводорослей Проведены эксперименты с использованием микроводорослей Chlorella kessleri, Chlamydomonas sp., и Chloromonas typhlos для определения скорости поглощения углекислого газа. Для проведения экспериментов были созданы герметичные фотобиореакторы из стекла, объемом 5,4 л, цилиндрической формы, оснащенные теплонагревателями и распылителями для аэрации суспензии. Для осуществления аэрации и соблюдения герметичности газовоздушная смесь из незанятой части фотобиореактора циркулировала по трубкам через аэратор. Подача углекислого газа осуществлялась из баллона, который во время подачи газа подключался к газовой линии с распылителем внутри фотобиореактора. В исследовании определено влияние температуры, состава питательной среды и аэрации на процесс поглощения углекислого газа микроводорослями Chlorella kessleri, а также проведено сравнение скорости поглощения углекислого газа с Chlamydomonas sp., Chloromonas typhlos. Оптимальными условиями для поглощения углекислого газа микроводорослями Chlorella kessleri являются: температура – 30 ⁰С, освещенность – 3000 лк, наличие аэрации, наличие соединений азота в питательной среде. При таких внешних условиях достигается максимальная скорость поглощения углекислого газа (0,187 гр·л⁻¹·день⁻¹.) данным видом микроводорослей. Отсутствие аэрации и дефицит азота негативно сказываются на процессе поглощения CO₂ и снижают скорость его поглощения вплоть до 0,042 гр·л⁻¹·день⁻¹. Полученные данные подчеркивают потенциал микроводорослей для решения экологических и энергетических задач. В частности, использование биомассы микроводорослей позволяет утилизировать углеродные выбросы, производить биотопливо и ценные биопродукты. Наиболее перспективными микроводорослями для масштабных применений признаны Chlorella kessleri.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде в рамках проекта выполнен комплекс экспериментальных работ, направленных на развитие технологий биологической очистки дымовых выбросов от углекислого газа микроводорослями с последующей переработкой полученной биомассы в энергетически ценные продукты (биогаз, биодизель). Исследования включали культивирование микроводорослей в закрытых и открытых фотобиореакторах, изучение влияния подачи CO₂ на рост и липидный состав биомассы, разработку и испытание прототипов фотобиореактора открытого типа для очистки воздуха в помещениях, а также эксперименты по анаэробному сбраживанию микроводорослей и оценке перспектив получения биодизеля. На первом этапе были проведены исследования трёх штаммов микроводорослей (Chlorella kessleri ВКПМ AI–11 ARW, Chlamydomonas sp. LABIK 2150, Chloromonas typhlos LABIK 2407) в герметичном фотобиореакторе объёмом 100 л при контролируемой подаче CO₂. Показано, что дополнительная подача углекислого газа (до 20 % в газовой фазе) существенно повышает скорость роста биомассы всех изученных штаммов по сравнению с культивированием без подачи углекислого газа. При этом общий выход суммы липидов остаётся прежним (10-16%), но их жирнокислотный состав заметно изменяется. Возрастает доля моно- и полиненасыщенных жирных кислот при умеренном содержании насыщенных жирных кислот. Газохроматографический анализ показал, что липиды микроводорослей характеризуются преобладанием кислот С₁₆–С₁₈ с существенной долей олеиновой кислоты (C18:1), что отвечает требованиям к сырью для производства биодизеля. Таким образом, обогащение культур CO₂ позволяет не только ускорить рост биомассы, но и улучшить свойства липидной фракции для получения биодизеля. На основании сравнения темпов роста биомассы, скорости поглощения CO₂ и содержания липидов был выбран наиболее энергоэффективный штамм для дальнейших исследований – Chlamydomonas sp. LABIK 2150. Его культивирование в герметичном 100-литровом закрытом фотобиореакторе при подаче газовой смеси с содержанием CO₂ = 15 % обеспечило рост оптической плотности суспензии микроводорослей с 0,7 до 2,84 и среднюю скорость фиксации 0,216 г CO₂/(л·сут), и 108 г CO₂ за 5 суток. Важным результатом отчётного периода стала разработка, создание и испытание прототипов открытого фотобиореактора каскадного типа для снижения концентрации CO₂ в замкнутых пространствах. Создан открытый фотобиореактор каскадного типа, включающий несколько ярусов, по которым тонким слоем стекает суспензия микроводорослей, освещаемая светодиодными источниками. Проведён цикл конструкторских доработок. На основе доработанного прототипа подготовлена и подана заявка на полезную модель открытого фотобиореактора каскадного типа для поглощения CO₂ из воздуха и одновременного культивирования микроводорослей. Эффективность разработанного устройства была оценена в серии экспериментов в замкнутом помещении объёмом около 25 м³. В каждом опыте начальная концентрация CO₂ в воздухе доводилась до 750 ppm, после чего включался фотобиореактор с суспензией микроводорослей (объём 5 л) и поддерживалась работа установки в течение 8 часов при заданных условиях освещённости и температуры воды. Показано, что при работе биореактора с микроводорослями концентрация CO₂ снижалась до 380–400 ppm, тогда как в контрольном опыте (те же условия, но в фотобиореакторе использовалась вода) – до 467 ppm. В отчётном периоде выполнен комплекс работ по оценке возможностей дальнейшей переработки биомассы микроводорослей в качестве добавки для анаэробного сбраживания органических отходов. Проведены эксперименты по анаэробному сбраживанию микроводорослей, полученных в процессе поглощения CO₂, совместно с модельной смесью пищевых отходов и навозом как инокулянтом. Анаэробное сбраживание осуществлялось в мезофильном режиме в лабораторных реакторах - метантенках. Установлено, что добавление биомассы микроводорослей позволяет стабилизировать процесс и повысить энергетические характеристики биогаза. Доля метана в газовой смеси достигала порядка 65–68 %, что выше типичных значений при сбраживании только пищевых отходов. Для получения биодизеля методом прямой переэтерификации установлено оптимальное соотношение реагентов (2 г биомассы, 0,7 л этанола и 0,04 л H₂SO₄), обеспечивающее выход 93,5–93,7 % по массе. Результаты проведенных исследований опубликованы в следующих статьях: 1. Вельможина К.А., Шинкевич П.С., Политаева Н.А., Чусов А.Н., Масликов В.И., Опарина А.М. Влияние добавки из микроводорослей после культивирования в условиях повышенного содержания СО2 на процесс анаэробного сбраживания органосодержащих отходов // Аграрная наука, 2025. Т. 401, № 12. С. 171 – 178. DOI: 10.32634/0869-8155-2025-401-12-171-178 2. А. Н. Чусов, П. С. Шинкевич, Н. А. Политаева, К. А. Вельможина, А. М. Опарина, Н. В. Зибарев Использование биомассы микроводорослей для улавливания СО2 из дымовых газов и получения биодизеля // Теоретическая и прикладная экология (справка о принятии статьи). Подана заявка на полезную модель «Устройство для поглощения углекислого газа». Дата регистрации в ФИПС: 16.10.2025 Регистрационный номер: 2025128399 Результаты выполненных работ представлены на 12 конференциях. Проекту посвящено 3 публикации в сети Интерент: 1. В Инженерно-строительном институте СПбПУ установили фотобиореактор для экологических исследований https://www.spbstu.ru/media/news/nauka_i_innovatsii/v-inzhenerno-stroitelnom-institute-spbpu-ustanovili-fotobioreaktor-dlya-ekologicheskikh-issledovaniy/ 2. В ИСИ установлен инновационный фотобиореактор для экологических исследований в рамках гранта РНФ https://ice.spbstu.ru/news/v_isi_ustanovlen_innovacionnyy_fotobioreaktor_dlya_ekologicheskih_issledovaniy_v_ramkah_granta_rnf/ 3. Ученые ИСИ создают технологии «зеленой» энергетики на основе микроводорослей https://ice.spbstu.ru/news/uchenye_isi_sozdaut_tehnologii_zelenoy_energetiki_na_osnove_mikrovodorosley/