Біотехнологія отримання електрики в повному мікробному паливному елементі

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКузьмінський, Євгеній Васильович
dc.contributor.authorКолтишева, Діна Сергіївна
dc.date.accessioned2024-05-20T13:57:00Z
dc.date.available2024-05-20T13:57:00Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractКолтишева Д.С. Біотехнологія отримання електрики в повному мікробному паливному елементі. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 16 Хімічна та біоінженерія за спеціальністю 162 Біотехнології та біоінженерія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Розробка та дослідження відновлювальних джерел енергії є актуальним науково-технічним завданням, яке пов’язане із збереженням стану довкілля. Паризька угода (2015) в межах Рамкової конвенції ООН про зміну клімату передбачає зменшення темпів глобального потепління та розвиток технологій, що мають скоротити викиди парникових газів. На сьогодні виробництво електроенергії та теплової енергії відбувається переважно за використання невідновлювальних джерел енергії, таких як нафта та газ, які спричиняють емісію парникових газів, що кумулюються в атмосфері. Мікробні паливні елементи - біоелектрохімічні системи, які дають змогу за використання мікроорганізмів зменшувати кількість відходів, таких як стічні води, з одночасною генерацією електричного струму відноситься до другої генерації біопалив. Біотехнологічне генерування електрики здійснюють екзоелектрогенні мікроорганізми завдяки біоелектрохімічному перетворенню органічних сполук з виділенням електронів на анод. В Україні дослідженням мікробних паливних елементів займаються: Голуб Н. Б., Зубченко Л.С., Самаруха І.А. Закордонні дослідники, такі як González, Yadav, Reddy, Sun та ін., розглядають використання мікроводоростей в катодній камері мікробного паливного елемента задля подолання необхідності використання каталізаторів. Каталізатори та платина в мікробних паливних елементах можуть спричиняти вторинне забруднення та збільшувати витрати. Перспективним є використання мікробних паливних елементів для утилізації відходів, що містять високі концентрації органічних речовин. Повними мікробними паливними елементами називають такі, в яких присутні мікроорганізми, що беруть участь в генеруванні електричної енергії, як в анодній так і катодній камері, тобто в повних мікробних паливних елементах присутні біоанод та біокатод. Метою дослідження є розробка технологічних основ біотехнологічного отримання електрики в повному мікробному паливному елементі. Методи дослідження. Визначення сили струму та напруги в повному мікробному елементі здійснювали вольтамперометрією, рН католіту визначали потенціометрією. Біоплівку досліджували методом оптичної мікроскопії. Для дослідження динаміки приросту біомаси та вмісту хлорофілу а оптичну густину католіту з мікроводоростями досліджували за використання спектрофотометричного методу аналізу. Для визначення кількості біомаси використовували гравіметричний метод. Обробку даних здійснювали за використання програмного забезпечення MSExel. Креслення схем здійснювали в QCAD. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: Розроблено технологічну схему одержання електрики в повному мікробному паливному елементі та використання нарощеної біомаси мікроводоростей. Результати роботи впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців освітньої програми Біотехнології та використані при підготовці і викладанні лекцій в межах курсів, які опановують студенти, зокрема у «Відновлювані джерела енергії», «Біоенергетиці» (акт впровадження додаток А). Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: вперше: - встановлено умови отримання біоплівки на аноді за застосування періодичного прикладання зовнішньої напруги у 3 В; - визначено умови формування біоплівки на аноді та продукування електрики в залежності від послідовності внесення мікроводоростей в катодну камеру; - встановлено умови отримання електрики при тривалому використанні повних мікробних паливних елементів. В першому розділі проведено визначення ролі мікроводоростей в катодній камері в повному мікробному паливному елементі, а саме як продуцентів кисню, який є термінальним акцептором електронів на катоді. Встановлено вплив умов, таких як освітлення, рН, температура на фотосинтетичну активність мікроводоростей та на генрування електричної енергії в повних МПЕ. Визначено можливість поглинання вуглекислого газу, що утворюєтсья внаслідок метаболізму мікроорганізмів в анодній камері, мікроводоростями в катодній камері шляхом поєднання камер газовою трубкою з односторонньою пропускною здатністю. Проаналізовано можливі шляхи використання приросту біомаси мікроводоростей. Визначено, що застосування зовнішнього джерела напруги може бути використаним як селективний фактор для збагачення анодної біоплівки екзоелектрогенними мікроорганізмами. В другому розділі викладено методи дослідження, опис установок, методику виконання експериментів, склад анолітів та католітів, інокулятів, види мікроводоростей, які досліджували. В третьому розділі наведено результати досліджень одержання електрики при формуванні анодної біоплівки за умов застосування зовнішнього джерела напруги; за умов одночасного внесення інокуляту в анодну камеру та культури мікроводоростей в катодну камеру. Встановлено умови застосування різних джерел езоелектрогенних мікроорганізмів, таких як активний мул та зброджений залишок після метаногенезу. В четвертому розділі наведено результати дослідження тривалого застосування повного мікробного паливного елемента, а також проаналізовано втрати напруги та струму в мікробному паливному елементі. В п’ятому розділі наведено розроблену технологію генерування електричної енергії в повному мікробному паливному елементі. Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, відображені в дисертаційній роботі, отримано здобувачем особисто. Проаналізовані джерела та визначено напрямок досліджень. Проведено конструювання лабораторної установки генерування електричного струму в повному мікробному елементі. Проведено дослідження продукування електричної енергії в повному мікробному паливному елементі за використання різних субстратів та інокулятів. Дисертаційна робота виконана на кафедрі біоенергетики, біоінформатики та екобіотехнології Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», під керівництвом д.х.н., проф. Кузьмінського Є. В. Робота є результатом самостійних досліджень Колтишевої Д.С. Аналіз результатів та підготовка публікацій за результатами досліджень виконані за участі співавторів. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, в тому числі: 4 наукові статті, з яких 3 статті опубліковані в періодичних виданнях, що входять до наукометричної бази Scopus, 1 стаття в фаховому періодичному виданні, 7 тез доповідей на всеукраїнських та міжнародних конференціях.
dc.description.abstractotherKoltysheva D.S. Biotechnology of obtaining electricity in full microbial fuel cell. - Qualifying scientific work, the manuscript. PhD thesis for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 16 Chemical and bioengineering in the specialty 162 Biotechnology and bioengineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The development and research of renewable energy sources is an urgent scientific and technical task, which is related to the preservation of the environment. The Paris Agreement (2015) within the UN Framework Convention on Climate Change provides for the reduction of global warming and the development of technologies to reduce greenhouse gas emissions. Today, the production of electricity and thermal energy is mainly based on the use of non-renewable energy sources, such as oil and gas, which cause the emission of greenhouse gases that accumulate in the atmosphere. Microbial fuel cells are bioelectrochemical systems that make it possible to use microorganisms to reduce the amount of waste, such as wastewater, while simultaneously generating electricity. Biotechnological electricity generation is carried out by exoelectrogenic microorganisms by the bioelectrochemical transformation of organic compounds with the release of electrons at the anode. In Ukraine, microbial fuel cells are being researched by N. B. Holub, L. S. Zubchenko, and I. A. Samarukha. Foreign researchers such as González, Yadav, Reddy, Sun, etc. consider the use of microalgae in the cathode chamber of a microbial fuel cell to overcome the need for catalysts. Catalysts and platinum in microbial fuel cells can cause secondary pollution and increase costs. The use of microbial fuel cells for the disposal of waste containing high concentrations of organic substances is considered promising. Full microbial fuel cells are those in which there are microorganisms participating in the generation of electrical energy, both in the anode and cathode chambers, that is, in full microbial fuel cells there are bioanodes and biocathodes. The aim of the study is to develop the technological foundations of biotechnological electricity generation in a full microbial fuel cell. Research methods. Determination of the current and voltage in the full microbial cell was carried out by voltammetry, the pH of the catholyte was determined by potentiometry. The biofilm was studied by optical microscopy. The optical density of the catholyte to study the dynamics of biomass growth and the content of chlorophyll a with microalgae was studied using the spectrophotometric method of analysis. The gravimetric method was used to determine the amount of biomass. Data processing was carried out using MSExel software. Schemes were drawn in QCAD. The practical value of the obtained results is as follows: A technological scheme for obtaining electricity in a full microbial fuel cell and using the accumulated biomass of microalgae has been developed. The results of the work were implemented in the educational process of training specialists of the Biotechnology educational program and were used in the preparation and delivery of lectures within the courses that students master, in particular in "Renewable energy sources", "Bioenergetics" (implementation act appendix A). The scientific novelty of the obtained results is as follows: for the first time: - the conditions for obtaining a biofilm on the anode with the periodic application of an external voltage of 3 V have been established; - the conditions for the formation of a biofilm on the anode and the production of electricity were determined, depending on the sequence of microalgae introduction into the cathode chamber; - the conditions for obtaining electricity during the long-term use of full microbial fuel cells have been established. In the first chapter, the role of microalgae in the cathode chamber in a full microbial fuel cell was determined, namely as producers of oxygen, which is the terminal acceptor of electrons on the cathode. The influence of conditions such as lighting, pH, and temperature on the photosynthetic activity of microalgae and on the generation of electrical energy in full MFCs was determined. The possibility of absorption of carbon dioxide, which is formed as a result of the metabolism of microorganisms in the anode chamber, by microalgae in the cathode chamber by combining the chambers with a gas tube with one-way throughput is determined. Possible ways of using the growth of microalgae biomass were analyzed. It was determined that the application of an external voltage source can be used as a selective factor for enriching the anodic biofilm with exoelectrogenic microorganisms. In the second chapter, research methods, description of installations, methods of performing experiments, composition of anolytes and catholytes, inoculates, types of microalgae that were studied are outlined. In the third chapter, the results of research on the production of electricity during the formation of an anodic biofilm under the conditions of application of an external voltage source are given; under conditions of simultaneous introduction of the inoculum into the anode chamber and microalgae culture into the cathode chamber. Conditions for the use of various sources of exoelectrogenic microorganisms, such as activated sludge and fermented residue after methanogenesis, have been established. In the fourth chapter, the results of the study of the long-term use of the full microbial fuel cell are given, and the voltage and current losses in the microbial fuel cell are also analyzed. In the fifth chapter, the developed technology for generating electrical energy in a full microbial fuel cell is given. Personal contribution of the PhD student. All the main results reflected in the dissertation were obtained by the student personally. The sources were analyzed and the direction of research was determined. The construction of a laboratory installation of electric current generation in a full microbial cell was carried out. A study of the production of electrical energy in a full microbial fuel cell using various substrates and inoculates was conducted. The dissertation work was completed at the Department of Bioenergetics, Bioinformatics and Ecobiotechnology of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", under the supervision of Doctor of Science, prof. Kuzminskyi Ye. V. The work is the result of independent research by D. S. Koltysheva. The analysis of the results and the preparation of publications based on the research results were carried out with the participation of co-authors. 11 scientific works were published on the topic of the dissertation, including: 4 scientific articles, of which 3 articles were published in periodicals included in the Scopus scientometric database, 1 article in a professional periodical, 7 abstracts of reports at Ukrainian and International conferences.
dc.format.extent141 с.
dc.identifier.citationКолтишева, Д. С. Біотехнологія отримання електрики в повному мікробному паливному елементі : дис. … д-ра філософії : 162 Біотехнології та біоінженерія / Колтишева Діна Сергіївна. – Київ, 2024. – 141 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/66826
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectбіоенергетика
dc.subjectдруга генерація
dc.subjectвідновлювальні джерела енергії
dc.subjectбіоплівка
dc.subjectбіоелектрика
dc.subjectмікроводрості
dc.subjectмікробний паливний елемент
dc.subjectанаеробні мікроорганізми
dc.subjectбіотехнологія
dc.subjectіммобілізація
dc.subjectзброджування
dc.subjectелектромагнітне поле та випромінювання
dc.subjectстічні води
dc.subjectbioenergy
dc.subjectsecond generation
dc.subjectrenewable energy sources
dc.subjectbiofilm
dc.subjectbioelectricity
dc.subjectmicroalgae
dc.subjectmicrobial fuel cell
dc.subjectanaerobic microorganisms
dc.subjectbiotechnology
dc.subjectimmobilization
dc.subjectfermentation
dc.subjectelectromagnetic field and radiation
dc.subjectwastewater
dc.subject.udc606:628;604
dc.titleБіотехнологія отримання електрики в повному мікробному паливному елементі
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Koltysheva_dys.pdf
Розмір:
3.21 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КББЕ)
Дисертації (вільний доступ)