«Розвиток наукових засад отримання, зберігання та використання водню в системах автономного енергозабезпечення»

Отримання інженерно-технологічних показників експериментально-промислової технології синтезу біоводню

Загальний вигляд експериментально-промислового ферментера об’ємом 240 л для отримання молекулярного водню за зброджування екологічно небезпечних багатокомпонентних харових відходів та модульна установка для очищення фільтрату від розчинених органічних сполук

Області застосування

Розроблена біотехнологія є перспективною для впровадження як на великотоннажних харчових підприємствах (заводи з переробки овочів і фруктів тощо), так і на дрібних підприємствах (кулінарні відходи ресторанів та готелів), а також відходів фермерських господарств. Розроблена біотехнологія може бути адаптована та масштабована відповідно до потреб підприємства. 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. Очищена від розчинених органічних сполук рідка фаза може повторно використовуватись у технологічному циклі, що підвищує рентабельність біотехнології.

Короткий опис

В основу роботи покладено термодинамічні розрахунки, що дозволили виділити оптимальні метаболічні шляхи мікробного синтезу молекулярного водню. Результатом дослідження процесу синтезу Н2 мікроорганізмами протягом більше 10 років стала розробка теоретичних основ процесу та їх експериментальне підтвердження. Досягнуто високих показників ефективності процесу синтезу молекулярного водню за зброджування багатокомпонентних харчових відходів. Висока ефективність процесу досягнута за рахунок розробки гранульованого мікробного препарату, що містить високо активні мікроорганізми-продуценти водню, стартові субстрати та регулятори мікробного метаболізму. Крім того, визначено ключові інженерно-технологічні параметри, оптимізація яких дозволила підвищити ефективність синтезу водню. Технологічна ефективність та функціональність біотехнології підтверджена при її масштабуванні для експериментального ферментеру об’ємом 20 л, а також експериментально-промислової установки об’ємом 240 л.
Ідеєю теперішніх досліджень є підвищення ефективності синтезу водню за деструкції харчових відходів у експериментально-промисловій установці об’ємом 240 л, а також очищення фільтрату, що залишається після ферментації з отриманням додаткового Н₂. Попередні дослідження показали, що оптимізація інженерно-технологічних параметрів зброджування у експериментальному ферментері об’ємом 20 л дозволила збільшити вихід водню у 10-20 разів порівняно з існуючими аналогами. Тому для промислового впровадження необхідним є оптимізація процесу при його масштабуванні у експериментально-промисловій установці об’ємом 240 л. В результаті оптимізації було підтверджено високу ефективність отримання молекулярного водню за зброджування багатокомпонентних твердих харчових відходів. Так, вихід водню VH2 становив 50 л/кг відходів, ефективність деструкції відходів Kd досягала 85, час зброджування складав 2,5 доби. Крім того, показано можливість очищення фільтрату, що утворився в результаті ферментації, аеробним та анаеробним методами. Перший спосіб полягав у окисненні органічних сполук фільтрату до СО₂ та Н₂О аеробними мікроорганізмами. Другий шлях очищення – анаеробне метанове зброджування органічних сполук фільтрату.
Обидва методи є екологічно безпечними та перспективними для застосування у комплексних енергетичних (отримання водню) та природоохоронних (утилізація твердих відходів та розчинних органічних сполук) біотехнологіях. Їх оптимізація та поєднання деструкції твердих органічних відходів з отриманням водню, а також очищення фільтрату від розчинних органічних сполук дозволить створити ефективну комплексну біотехнологію.

Очікувані властивості

Планується досягти високі інженерно-технологічні показники ефективності синтезу водню, отримання поверхнево-активних речовин (жирні кислоти), деструкції твердих харчових відходів та очищення токсичного фільтрату від розчинених органічних сполук. Отримані показники слугуватимуть підґрунтям для створення промислової біотехнології синтезу водню, знешкодження багатокомпонентних харчових відходів та очищення фільтрату.

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 при масштабуванні процесу забезпечує майже безвідходну економічно вигідну утилізацію складних органічних відходів. Швидкість руйнування відходів у 10-20 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 біопаливо. Очищення супутнього фільтрату створить підґрунтя для широкого застосування ефективної та екологічно безпечної біотехнології

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. Новим біологічним методом отримання біоводню з харчових відходів є темнова ферментація - деструкція поживних речовин харчових відходів водень-синтезувальними гетеротрофними мікроорганізмами. Зацікавленість до такого способу обумовлюється доступністю, широким розповсюдженням і низькою вартістю харчових відходів як сировини для отримання водню у промислових масштабах. 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. Іншим аспектом є низька технологічність процесу – складність його відтворення та масштабування.

Інтелектуальна власність

Контактна інформація

Виконавець:

Проект №1 «Отримання інженерно-технологічних показників експериментально-промислової технології синтезу біоводню»

Контактна особа:

Teл. +38 044 294-69-66

Е-mail: tach2007@ukr.net

Говоруха Віра Михайлівна

відповідальний виконавець проекту
науковий співробітник

Teл. +38 095 906 72 84

Е-mail: vira-govorukha@ukr.net