Утилізація газових викидів мікроводоростями
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Вдовиченко А.А. Утилізація газових викидів мікроводоростями. –
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, 2025.
Щороку наростає проблема відходів у світі, зокрема, й газоподібних. Міжнародна спільнота прийняла Паризьку угоду (2015) щодо обмеження
глобального потепління внаслідок щорічного зростання температури шляхом зменшення викидів парникових газів. Це є важливим кроком у глобальних зусиллях протидії зміни клімату та захисту довкілля. Згідно звіту Програми ООН з довкілля за 2024 рік, на сьогодні не вдалось досягти необхідного рівня скорочення газових викидів. Дві третини загального збільшення попиту на енергію у 2023 році було задоволено за рахунок викопного палива. Згідно даних Міжнародного енергетичного агентства пов’язані з енергетикою викиди вуглекислого газу досягли
рекордного рівня в 37,4 мільярдів тон. Розробка біотехнології утилізації газових викидів мікроводоростями є актуальним науково-технічним завданням, вирішення якого дозволить не лише зменшити антропогенне навантаження на довкілля та скоротити викиди парникових газів, але й отримати біомасу, багату на корисні речовини, для подальшого застосування в різних галузях промисловості та сільського господарства, зокрема і
в біоенергетиці. Дослідження поглинання газових викидів мікроводоростями набуває все більшого поширення серед науковців, зокрема, цією темою займаються Zieliński M., Dębowski M., Yadav G., Zhang X., Wang R., Голуб Н.Б., Дячок В.В. та інші. Ними розглядається необхідність зменшити шкідливий вплив високих концентрацій токсичних речовин, що містяться у газових викидах, на мікроводорості, а також проводиться розробка технічних рішень для повної утилізації вуглекислого газу та інших домішок мікроводоростями. Розглядається можливість використання у різних галузях біомаси мікроводоростей, вирощеної з використанням газових викидів. Не достатньо досліджено вплив концентрацій оксидів карбону, нітрогену і сульфуру в газових викидах на розвиток мікроводоростей, не визначено співвідношення наявних оксидів та режими їх подачі, які не мають негативного впливу на розвиток клітин мікроводоростей та продукування ними цільового продукту. Також не досліджено зміну метаболізму при дії різних концентрацій
оксидів та швидкості їх надходження до фотобіореактора.
Метою дослідження є розробка біотехнології утилізації газових викидів мікроводоростями.
Методи дослідження. В процесі досліджень використовувались теоретичні і емпіричні методи. Експериментальна частина включала використання
гравіметричного методу для визначення вмісту сухих органічних, неорганічних речовин та біомаси, мікроскопіювання – для спостереження за розміром клітин, зміною забарвлення та візуального виявлення ліпідів у флуоресцентному опроміненні. Для визначення концентрації мікроводоростей і вмісту пігментів використовувався метод спектрофотометрії, для підрахунку клітин – автоматизований лічильник клітин. Для визначення змін кислотності у середовищі застосовувалась pH-метрія, для визначення вмісту йонів – фотоколориметрія, вмісту азоту, вуглецю та сірки – елементний аналіз складу біомаси. Склад газів вимірювався газоаналізаторами. Для руйнування клітин використовувалась ультразвукова обробка, виділення ліпідів з біомаси проводилось методом Сокслета, їх склад визначався методом газової хроматографії. Математична і статистична обробка результатів, узагальнення даних, графічне оформлення та побудова тривимірних моделей здійснювались за допомогою програмного забезпечення
MSExel. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:
Встановлено технологічні параметри біотехнологічної утилізації газових викидів мікроводоростями, які впливають на якісний та кількісний склад
компонентів їх біомаси, що можна використовувати в різних галузях промисловості.
Утилізацію газових викидів мікроводоростями впроваджено на ТОВ «РОСТОК-ПРИЛАД ЛТД» (акт впровадження додаток А).
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
вперше:
- встановлено максимальні граничні концентрації оксидів сульфуру
та нітрогену в газових викидах, за яких не відбувається припинення розвитку
мікроводоростей Chlorella vulgaris;
- визначено раціональний розмір отворів дифузора, за якого
відбувається максимальний приріст біомаси в процесі барботування
культурального середовища СО2;
набуло подальшого розвитку:
- встановлення залежності впливу газових викидів на якісний і
кількісний склад мікроводоростей Chlorella vulgaris.
В першому розділі наведено передумови необхідності утилізації газових викидів та значення ролі мікроводоростей в цьому процесі. Встановлено вплив на
культивування мікроводоростей таких компонентів газових викидів, як оксиди вуглецю, сірки, азоту. Визначено можливість використання газових викидів при культивуванні мікроводоростей Chlorella sp. Проаналізовано можливі перешкоди застосування газових викидів для культивування мікроводоростей. Визначено шляхи використання нарощеної біомаси мікроводоростей. Визначено завдання, які необхідно вирішити для створення технології утилізації газових викидів. В другому розділі наведено використані методи дослідження, опис установок, методику
виконання експериментів, склад поживного середовища, використані культури, підготовку газових викидів до утилізації мікроводоростями. В третьому розділі наведено результати досліджень впливу параметрів подачі вуглекислого газу на культивування мікроводоростей. Розглянуто ефективність використання дифузорів з різними параметрами для розчинення вуглекислого газу в середовищі. Визначено оптимальну швидкість подачі газу за заданої концентрації. Встановлено раціональну періодичність подачі газу. Проаналізовано застосування рециркуляції для
ефективного поглинання вуглекислого газу мікроводоростями. В четвертому розділі наведено результати дослідження утилізації газових викидів
мікроводоростями, вплив на культивування азотної та сульфатної кислот. Визначено вплив рециркуляції газових викидів на ефективність їх утилізації та склад біомаси мікроводоростей, зокрема, ліпідів. Досліджено використання газових викидів з вугільної ТЕЦ для культивування мікроводоростей. Визначено вплив на біомасу мікроводоростей та ціанобактерій газових викидів після спалювання біогазу. В п’ятому розділі наведено графічну модель залежності швидкості росту клітин від технологічних параметрів процесу утилізації газових викидів. Розроблено технологічну схему біотехнології утилізації газових викидів мікроводоростями. Наведено розрахунки собівартості роботи спроектованої установки для утилізації
газових викидів.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, відображені в дисертаційній роботі, отримано здобувачем особисто. Здобувачем проведено аналіз
літературних даних, сконструйована лабораторна та промислово-дослідна установки для культивування мікроводоростей та утилізації газових викидів.
Розроблено технологічну схему утилізації газових викидів. Аналіз результатів та підготовка публікацій за результатами цих досліджень виконані за участі співавторів. Дисертаційна робота виконана на кафедрі біоенергетики, біоінформатики таекобіотехнології Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», під керівництвом д.т.н., доц. Голуб Н.Б. та на кафедрі інженерії навколишнього середовища Вармінсько-Мазурського університету в Ольштині (Республіка Польща) за наставництва д.т.н., проф.Зелінського М. (в рамках гранту №2022/01/4/NZ9/00019 для науковців з України, які не мають ступеня PhD від Національного Наукового Центру (NCN, Республіка Польща) та Грантів Європейської Економічної Зони і Норвегії (EEA and NorwayGrants)). Частина роботи, яка наведена в розділах 4.3 та 4.4 проведена разом з польськими колегами.
За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, в тому числі: 3 наукові статті, з яких 2 статті опубліковані в періодичних виданнях, що входять до
наукометричної бази Scopus, та відносяться до Q2 та Q4 SCImago Journal Rank, 2 статті в фахових періодичних виданнях, 8 тез доповідей на всеукраїнських та міжнародних науково-практичних конференціях.
Опис
Ключові слова
газові викиди, мікроводорості, утилізація, СО2, ліпіди, аерація, видалення поживних речовин, сульфати, нітрати, клімат, фотосинтез, Chlorella vulgaris, зелені водорості, біоплівка, біотехнологія, gases emissions, microalgae, utilization, CO2, lipids, aeration, nutrient removal, sulfates, nitrates, climate, photosynthesis, green algae, biofilm, biotechnology
Бібліографічний опис
Вдовиченко, А. А. Утилізація газових викидів мікроводоростями : дис. … д-ра філософії : 162 Біотехнології та біоінженерія / Вдовиченко Альона Андріївна. – Київ, 2025. – 174 с.