Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Розробка режиму отримання молекулярного водню при максимальній деструкції харчових відходів

Загальний вигляд горизонтального ферментера для отримання молекулярного водню при максимальній деструкції харових відходів

Області застосування

До стратегічно важливих областей застосування відносять промислові підприємства зі знешкодження екологічно небезпечних змішаних харчових відходів, підприємства отримання екологічно чистих джерел енергії (Н₂) з екологічно небезпечних харчових відходів. Розроблена нами біотехнологія дозволяє створити міжнародний консорціум, метою якого є розширення спектру послуг за рахунок надання цільовим клієнтам комплексних рішень для прискореної утилізації відходів з отриманням енергоносіїв та їх подальшої трансформації у електричну або теплову енергію.

Короткий опис

Ідея проекту полягає у розробленні режимів використання мікробного препарату, що забезпечуватиме не тільки стале отримання екологічно чистого енергоносія – біоводню, але і знешкодження екологічно небезпечних змішаних харчових відходів, яке полягає у їх максимальній деструкції (зменшення їх ваги та об’єму у десятки разів за короткий час). Для проведення досліджень буде використовуватися горизонтальний ферментер оптимізованої конструкції.
У сучасних біотехнологіях застосовуються переважно ферментери з вертикальним типом перемішування. Такі ферментери є підхожими для отримання енергоносіїв, зокрема Н₂, з рідких (розчинних) органічних сполук. При використанні мікробної деструкції твердих харчових відходів ферментери з вертикальним типом перемішування є принципово не підхожими з огляду на декілька причин.
Перша – це концентрування твердих важких часток відходів на дні ферментера.
Друга – спливання легких часток на поверхню рідкої фази.
Третя – неможливість одночасного ефективного перемішування неоднорідних складових відходів з огляду на їх відмінні реологічні властивості.
З огляду на викладене, нами запропоновано та виготовлено новий тип ферментера з горизонтальним лопасним перемішуванням. Стереометрія лопастей забезпечує рівномірне перемішування усіх складових по всьому об’єму ферментера. Очікується, що оптимальний ступінь диспергування частинок відходів, рівномірний розподіл на їх поверхні мікроорганізмів та оптимальний масообмін забезпечить швидку та ефективну деструкцію відходів та, відповідно, максимальний синтез молекулярного водню.
Згідно з викладеним передбачається, що дослідження та оптимізація режимів зброджування харчових відходів у розробленому нами горизонтальному ферментері забезпечить вищий вихід водню у порівнянні з використанням стандартних вертикальних ферментерів та ефективнішу деструкцію харчових відходів.

Очікувані властивості

Оптимізований режим масообміну відходів під час їх ферментації у горизонтальному ферментері. Оптимальне співвідношення об’єму твердої фази до об’єму рідкої, що забезпечить максимально ефективний процес деструкції відходів та синтезу водню. Оптимізовані фізико-хімічні умови (рН та ОВП) для ефективної деструкції харчових відходів з отриманням біоводню у горизонтальному ферментері.

Переваги

Екологічно безпечний гранульований препарат, що містить комбінацію мікроорганізмів та комплекс речовин, які зумовлюють їх найбільш ефективне функціонування забезпечує високоефективний процес отримання молекулярного водню при максимальній деструкції харчових відходів. Оптимізація режиму культивування за використання препарату забезпечує майже безвідходну економічно вигідну утилізацію складних органічних відходів. Швидкість руйнування відходів у 5-20 разів швидша у порівнянні з іншими методами, зменшення об'єму та маси органічних відходів досягає 70-98%. При оптимізації режиму зброджування з відходів утворюються цінні продукти: основні - метан (30-40 л з 1 кг відходів за абсолютно сухою масою) або молекулярний водень (24-190 л/кг), технічно чиста вода (залишкова концентрація органічних сполук не перевищує 50 мг/л за загальним вуглецем) та додаткові – рідке та тверде біопалива.

Конкуренти

Світовими лідерами розробки біотехнологічних процесів, заснованих на використанні водневого бродіння, є США, Нідерланди та країни Азії (Японія, Південна Корея та Китай). Також згадані країни є лідуючими за кількістю діючих патентів на розробки з отримання водню з органічної сировини.

Стан розробки

Протягом останніх 20 років отримання біологічного водню з органічних відходів розглядається як перспективний напрям альтернативної енергетики.
Основним біологічним методом отримання біоводню з харчових відходів є темнова ферментація - деструкція поживних речовин харчових відходів водень-синтезуючими гетеротрофними мікроорганізмами. Зацікавленість до такого способу обумовлюється доступністю, широким розповсюдженням і низькою вартістю харчових відходів як сировини для отримання водню. Ефективність отримання водню забезпечується рядом відмінних рис, спрямованих на підвищення ефективності продукції водню та підтримання сталих оптимальних умов ферментації. Зокрема це специфічні умови культивування (патент US 8003344 B2Microbial hydrogen-producing process and system thereofб NATIONAL CHUNG HSING UNIVERSITY, TAIWAN), підтримання оптимальних значень рН (патент US 20070161104 A1Waste management facilities for the production of hydrogen gas and reduction of greenhouse gases), використання методів попередньої обробки відходів та додаткових джерел живлення (патент CN 102363794 A Method for producing hydrogen through kitchen waste enzymolysis and reinforced dark fermentation), підтримання оптимальної концентрації джерел нітрогену (патент CN 102367455 B Method for producing hydrogen by improving anaerobic digestion of kitchen waste through controlling ammonia nitrogen concentration) та ін.
Водневе бродіння використовується як самостійний процес отримання молекулярного водню як енергоносія, а також як перший етап двохстадійного процесу водневого/метанового бродіння для отримання газоподібних енергоносіїв з органічних відходів (патент WO 2007075762 A2 Anaerobic phased solids digester for biogas production from organic solid wastes). Проте, впровадженню згаданих процесів у промисловість перешкоджають дві основні умови.
По-перше, це оцінка технологій як недостатньо рентабельних. Вважається, що рентабельними є процеси, для яких вихід водню наближений до теоретичного максимуму – 4 молі Н₂/ моль глюкози. При цьому при деструкції харчових відходів середній вихід водню складає - 2 молі Н₂/ моль глюкози.
Іншим аспектом є низька технологічність процесу – складність його відтворення та масштабування.

Інтелектуальна власність

Патент № 93789 від 10.03.2011 «Спосіб виробництва біогазу та органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату».

Контактна інформація

Виконавець: Інститут мікробіології і вірусології ім.Д.К.Заболотного НАН України

Проект №2 «Розробка режиму отримання молекулярного водню при максимальній деструкції харчових відходів»

Контактна особа:

Teл. +38 044 526-32-97

Е-mail: tach2007@ukr.net

Говоруха Віра Михайлівна

відповідальний виконавець

Teл. +38 095 906 72 84

Е-mail: vera_govor@mail.ru