Кузьмінський, Євгеній ВасильовичКолтишева, Діна Сергіївна2024-05-202024-05-202024Колтишева, 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.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/66826Колтишева 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.141 с.ukбіоенергетикадруга генераціявідновлювальні джерела енергіїбіоплівкабіоелектрикамікроводростімікробний паливний елементанаеробні мікроорганізмибіотехнологіяіммобілізаціязброджуванняелектромагнітне поле та випромінюваннястічні водиbioenergysecond generationrenewable energy sourcesbiofilmbioelectricitymicroalgaemicrobial fuel cellanaerobic microorganismsbiotechnologyimmobilizationfermentationelectromagnetic field and radiationwastewaterThesis Doctoral606:628;604