Утилізація газових викидів мікроводоростями

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГолуб, Наталія Борисівна
dc.contributor.authorВдовиченко, Альона Андріївна
dc.date.accessioned2025-06-05T07:46:21Z
dc.date.available2025-06-05T07:46:21Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractВдовиченко 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.
dc.description.abstractotherVdovychenko A.A. Utilization of gaseous emissions by microalgae. – 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, 2025. The problem of waste in the world, including gaseous waste, is growing every year. The international community adopted the Paris Agreement (2015) to limit global warming due to the annual increase in temperature by reducing greenhouse gas emissions. This is an important step in global efforts to combat climate change and protect the environment. According to the 2024 United Nations Environment Program report, the required level of gas emission reductions has still not been achieved. Fossil fuels met two-thirds of the total increase in energy demand in 2023. According to the International Energy Agency, energyrelated carbon dioxide emissions reached a record level of 37.4 billion tons. The development of biotechnology for the utilization of gas emissions by microalgae is an urgent scientific and technical task, the solution of which will allow not only to reduce the anthropogenic load on the environment and greenhouse gas emissions but also to obtain biomass rich in valuable substances for further use in agriculture and various industries, including bioenergy. Research into the absorption of gas emissions by microalgae is becoming increasingly popular among scientists, in particular, Zieliński M., Dębowski M., Yadav G., Zhang X., Wang R., Holub N.B., Dyachok V.V., and others. They consider the need to reduce the harmful effects of high concentrations of toxic substances in gas emissions on microalgae and develop technical solutions for completely utilizing carbon dioxide and other impurities by microalgae. The possibility of using microalgae biomass grown using gas emissions in various industries is considered. The influence of concentrations of carbon, nitrogen, and sulfur oxides in gas emissions on the development of microalgae has not been sufficiently studied; the ratio of available oxides and their supply modes that do not harm the development of microalgae cells and their production of the target product has not been determined. Also, the change in metabolism under the influence of different concentrations of oxides and the rate of their entry into the photobioreactor has not been studied. The research aims to develop biotechnology to utilize gases emissions by microalgae. Research methods. Theoretical and empirical methods were used in the research process. The experimental part included using the gravimetric method to determine the content of dry organic and inorganic substances and biomass, microscopy - to observe cell size and color change, and visual detection of lipids in fluorescent irradiation. The spectrophotometry method was used to determine the concentration of microalgae and the content of pigments, and an automated cell counter was used to count cells. pH-metry was used to determine changes in acidity in the medium; photocolorimetry was used to determine the content of ions, and elemental analysis of biomass composition was used to determine the content of nitrogen, carbon, and sulfur. Gas analyzers measured the composition of gases. Ultrasonic treatment was used to destroy cells, lipids were isolated from biomass by the Soxhlet method, and their composition was determined by gas chromatography. Mathematical and statistical processing of the results, data generalization, graphic design, and construction of three-dimensional models were carried out using MSExel software. The practical value of the obtained results is as follows: Technological parameters for biotechnological utilization of gases emissions by microalgae have been established, affecting their qualitative and quantitative composition of components used in various industries. Utilization of gas emissions by microalgae has been implemented at LLC "ROSTOK-PRYLAD LTD" (Implementation Act Appendix A). The scientific novelty of the obtained results is as follows: for the first time: - the limiting concentrations of sulfur and nitrogen oxides in gas emissions were established, at which the development of the microalgae Chlorella vulgaris does not stop; - the rational size of the diffuser openings was determined, at which the maximum increase in biomass occurs during the bubbling of the CO2 culture medium; was further developed: - the dependence of the impact of gas emissions on the qualitative and quantitative composition of the microalgae Chlorella vulgaris was established. The first chapter presents the prerequisites for the need to utilize gas emissions and the importance of the role of microalgae in this process. The impact of such components of gas emissions as carbon, sulfur, and nitrogen oxides on microalgae cultivation has been established. The possibility of using gas emissions in cultivating Chlorella sp. microalgae has been determined. Possible options were analyzed, such as obstacles of using gas emissions to cultivate microalgae. The ways of using the increased biomass of microalgae are determined. The tasks that must be solved to create a technology for utilizing gases emissions are determined. The second chapter presents the used research methods, a description of the installations, the methodology for conducting experiments, the composition of the nutrient medium, used cultures, and the preparation of gas emissions for utilization by microalgae. The third chapter presents the results of studies on the influence of carbon dioxide supply parameters on microalgae cultivation. The effectiveness of using diffusers with different parametersfor dissolving carbon dioxide in the medium is considered. The optimal gas supply rate for a given concentration is determined. The rational periodicity of gas supply is established. The use of recirculation for microalgae's effective absorption of carbon dioxide is analyzed. The fourth chapter presents the study's results of utilizing gas emissions by microalgae and the effect of nitric and sulfuric acids on the cultivation. The influence of recycling gas emissions on the efficiency of their utilization and the composition of microalgae biomass, particularly lipids, was determined. The use of gas emissions from a coal-fired thermal power plant (CHP) for microalgae cultivation was investigated, and the influence of gas emissions on the biomass of microalgae and cyanobacteria after biogas combustion was determined. The fifth chapter provides a graphical representation of the dependence of biomass yield on the technological parameters of the gas emissions utilization process. A technological scheme of gas emissions utilization biotechnology was developed. Calculations of the cost of operation of the designed gas emissions utilization plant are provided. Personal contribution of the PhD student. All the main results reflected in the dissertation work were obtained personally by the student. The student analyzed literature data and designed a laboratory and industrial research facility for cultivating microalgae and utilizing gas emissions. A technological scheme for utilizing gas emissions was developed. Analysis of the results and preparation of publications based on the results of these studies were performed with co-authors' participation. The dissertation work was carried out 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 Technical Sciences, Assoc. Prof. Holub N.B. and at the Department of Environmental Engineering of the University of Warmia and Mazury in Olsztyn (Republic of Poland) under the supervision of Doctor of Technical Sciences, Prof. Zelinski M. (under grant No. 2022/01/4/NZ9/00019 for scientists from Ukraine who do not have a PhD degree from the National Science Center ( NCN, Republic of Poland) and the EEA and Norway Grants). Part of the work presented in sections 4.3 and 4.4 was done with Polish colleagues. 11 scientific works have been published on the topic of the dissertation, including 3 scientific articles, of which 2 articles are published in periodicals included in the Scopus scientometric database, belonging to Q2 and Q4 by SCImago Journal Rank, 2 articles in a professional periodical, 8 abstracts of reports at all-Ukrainian and international scientific and practical conferences.
dc.format.pagerange174 с.
dc.identifier.citationВдовиченко, А. А. Утилізація газових викидів мікроводоростями : дис. … д-ра філософії : 162 Біотехнології та біоінженерія / Вдовиченко Альона Андріївна. – Київ, 2025. – 174 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74088
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectгазові викиди
dc.subjectмікроводорості
dc.subjectутилізація
dc.subjectСО2
dc.subjectліпіди
dc.subjectаерація
dc.subjectвидалення поживних речовин
dc.subjectсульфати
dc.subjectнітрати
dc.subjectклімат
dc.subjectфотосинтез
dc.subjectChlorella vulgaris
dc.subjectзелені водорості
dc.subjectбіоплівка
dc.subjectбіотехнологія
dc.subjectgases emissions
dc.subjectmicroalgae
dc.subjectutilization
dc.subjectCO2
dc.subjectlipids
dc.subjectaeration
dc.subjectnutrient removal
dc.subjectsulfates
dc.subjectnitrates
dc.subjectclimate
dc.subjectphotosynthesis
dc.subjectgreen algae
dc.subjectbiofilm
dc.subjectbiotechnology
dc.subject.udc606:628;604
dc.titleУтилізація газових викидів мікроводоростями
dc.title.alternativeUtilization of gaseous emissions by microalgae
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
VdovychenkoAA_dys.pdf
Розмір:
6.62 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)