Разработка технологии утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей (ХД)НИР

Development of technology for the utilization of flue gases with the help of microalgae

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, а

Этапы НИР

# Сроки Название
1 17 ноября 2022 г.-16 декабря 2022 г. Скрининг штаммов микроводорослей и консорциумов микроорганизмов, потенциально пригодных для утилизации дымовых газов
Результаты этапа: Представлены результаты первого этапа исследований в рамках выполнения проекта «Разработка технологии утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей», ориентированного на поиск продуктивных штаммов микроводорослей, для которых будут разработаны методика и экспериментальные установки, позволяющие эффективно утилизировать углекислый газ и другие компоненты дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива. На первом этапе выполнения проекта (название этапа: «Скрининг штаммов микроводорослей и консорциумов микроорганизмов, потенциально пригодных для утилизации дымовых газов») коллективом исполнителей (МГУ имени М.В. Ломоносова (географический факультет)) выполнены следующие работы: – на основе патентных и литературных данных выявлены штаммы микроводорослей, потенциально пригодных для утилизации дымовых газов. Проведен также выбор и обоснование характеристик эффективности утилизации СО2 и компонентов дымовых газов микроводорослями; – подготовлено экспериментальное оборудование для скрининга штаммов с возможностью подачи искусственных газовых смесей с различной концентрацией газов в составе смеси и контроля продуктивности биомассы микроводорослей; – в лабораторных условиях проведены эксперименты в целях скрининга кандидатных штаммов микроводорослей и их консорциумов, способных к эффективному росту и утилизации компонентов дымовых газов.
2 27 декабря 2022 г.-5 марта 2023 г. Проверка жизнеспособности штаммов микроводорослей на высоких концентрациях СО2
Результаты этапа: На втором этапе выполнения проекта (название этапа: «Проверка жизнеспособности штаммов микроводорослей на высоких концентрациях СО2») коллективом исполнителей (МГУ имени М.В. Ломоносова (географический факультет)) выполнены следующие работы: – на основе литературных данных и результатов собственных исследований проведен обзор и обоснование методов определения и анализа жизнеспособности штаммов микроводорослей в применении к поставленной в проекте задаче; – подготовлено экспериментальное оборудование для проверки жизнеспособности штаммов микроводорослей при выращивании их на газовоздушных смесях с высокими концентрациями СО2; – разработана методика проведения экспериментов, а именно, культивирования микроводорослей на газо-воздушных смесях с высокой концентрацией СО2 в лабораторных условиях и определения характеристик их жизнеспособности; – проведены эксперименты по культивированию штаммов микроводорослей (всего 5 штаммов) при повышенных концентрациях СО2 и определены характеристики их жизнеспособности.
3 16 марта 2023 г.-21 июля 2023 г. Проверка жизнеспособности штаммов микроводорослей применительно к утилизации ими СО2 из дымовых газов
Результаты этапа: На третьем этапе выполнения проекта (название этапа – «Проверка жизнеспособности штаммов микроводорослей применительно к утилизации ими СО2 из дымовых газов») коллективом исполнителей (МГУ имени М.В. Ломоносова (географический факультет)) выполнены следующие работы: – на основе литературных данных проведен обзор результатов выращивания различных штаммов микроводорослей в атмосфере дымовых газов с различной их концентрацией в воздухе; – подготовлено экспериментальное оборудование для проверки жизнеспособности штаммов микроводорослей при выращивании их в атмосфере дымовых газов с различной их концентрацией; – методика, разработанная на предыдущем этапе проекта для культивирования микроводорослей на газо-воздушных смесях с высокой концентрацией СО2 в лабораторных условиях и определения характеристик их жизнеспособности, адаптирована и применена к выращиванию микроводорослей в атмосфере дымовых газов с различной их концентрацией в воздухе; – проведены эксперименты по культивированию штаммов микроводорослей (всего 5 штаммов) в атмосфере дымовых газов и определены характеристики их жизнеспособности. Полученные результаты являются необходимой основой для дальнейших работ по проекту, в частности для решения задач этапа 4 – селекция и адаптация отобранных микроводорослей к росту на дымовых газах. Проведенные эксперименты показали действенность выбранного алгоритма адаптации, позволившей получить значительную скорость роста биомассы выбранных штаммов микроводорослей.
4 16 ноября 2023 г.-5 апреля 2024 г. Наработка водной суспензии микроводорослей для проведения исследования на экспериментальном образце установки утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей
Результаты этапа: По итогам научно-исследовательских работ, проведенных на 4 этапе проекта «Разработка технологии утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей» (тема работ по 4 этапу – ««1. Наработка водной суспензии микроводорослей для проведения исследований на экспериментальном образце установки утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей. 2. Селекция и адаптация отобранных микроводорослей к росту на дымовых газах»), были проведены экспериментальные исследования по адаптации микроводорослей к высоким концентрациям СО2, сравнение полученных результатов с ранее проведенными процедурами адаптации и селекция наиболее устойчивых и технологичных штаммов МКВ. Эксперименты по адаптации были проведены с использованием того же алгоритма экспериментов, что и на этапах 2 и 3 – в газовой герметичной камере, где были расположены цилиндрические фотобиореакторы объемом 5 л каждый (рабочий объем суспензии микроводорослей – 4 л). Эксперименты по культивированию 4 ранее отобранных штаммов микроводорослей (Chlorella vulgaris, Elliptochloris subsphaerica, Gloeotila pulchra), Arthrospira platensis проводились в трехкратной повторности, каждый эксперимент длился 12 суток. Водоросли выращивались при непрерывном барботаже газовоздушной смесью с концентрацией СО2 = 2, 5, 10%. Задачей экспериментов данного этапа являлось подтверждение результативности самой процедура адаптации микроводорослей к стрессовым условиям (высокие концентрации СО2), определение скорости роста и характеристика состояния клеток МКВ, а также селекция наиболее продуктивных и технологичных штаммов для дальнейших экспериментов в установке утилизации дымовых газов. Для проверки устойчивости адаптации микроводорослей к стрессовым условиям (высоким концентрациям СО2) результаты текущего эксперимента (эксперимент СО2-2) сопоставлялись с результатами аналогичных экспериментов по выращиванию МКВ в газовоздушной смеси (СО2+воздух) на втором этапе проекта (эксперимент СО2-1) и в разбавленных дымовых газах (эксперимент ДГ). При этом скорости роста биомассы сравнивались для одинаковых условий по концентрации СО2. Анализ результатов экспериментальных работ на текущем этапе и сопоставление с ранее проведенными исследованиями показали, что: 1. Обнаружена значимая положительная динамика скорости роста каждого штамма от эксперимента СО2-1 к эксперименту СО2-2 при всех значениях концентрации СО2. Максимальное увеличение скорости роста зафиксировано для штамма С vulgaris (от 0,32 до 0,70 г/л в сутки при содержании СО2 в газовой смеси 5-6%). 2. Для каждого штамма МКВ наибольшая скорость роста была достигнута в экспериментах с дымовыми газами при всех значениях содержания СО2 в газовой смеси (от 2 до 10 %). 3. В эксперименте СО2-2, который был проведен спустя 6 месяцев после окончания эксперимента с дымовыми газами на 3 этапе проекта, были достигнуты в целом более низкие скорости роста биомассы каждого штамма, однако превышающие таковые для эксперимента СО2-1 (2 этап проекта). Объяснением этого может служить тот факт, что между указанными экспериментами биомасса микроводорослей сохранялась в условиях барботажа воздухом, в котором содержание СО2 = 0,04%. Можно предположить, что приобретенная адаптация к высоким концентрациям СО2 была частично утрачена. 4. На основе достигнутой скорости роста при повышенной концентрации углекислого газа наиболее перспективным можно считать штамм Chlorella vulgaris. Штамм Elliptochloris subsphaerica при всех концентрациях СО2 показал несколько более низкие (в максимуме – на 10%) скорости роста биомассы. Штамм Gloeotila pulchra в атмосфере дымовых газов показал достаточно высокие скорости роста биомассы (0,42-0,49 г/с в сутки), однако в экспериментах в газовоздушных смесях (СО2+воздух) скорость роста была практически в 2-3 раза ниже, что показывает неустойчивость достигнутых результатов. Более низкие, но устойчивые значения скорости роста были получены в экспериментах со штаммом Arthrospira platensis. 5. Несмотря на существенно более низкую скорость роста штамма A platensis, его также можно рассматривать как перспективный для пилотных экспериментов на крупномасштабной установке поглощения углекислого газа из дымовых выбросов в связи с высокой технологичностью его производства и ценным биохимическим составом. Под технологичностью в данном случае подразумевается минимальная контаминация его при культивировании и возможность отделения биомассы от культуральной жидкости гравитационным методом на ситах с низкими энергетическими и материальными затратами. Выбор штаммов для экспериментов в установке утилизации дымовых газов подтвердился микроскопированием и оценкой состояния клеток МКВ. Наиболее устойчивой к высоким концентрациям СО2 оказалась культура Chlorella vulgaris, клетки которой не подвергались морфологическим изменениям и не окрашивались метиленовым синим при всех значениях содержания СО2 в газовоздушной смеси. Культура A.platensis также проявила слабую чувствительность к повышенным концентрациям СО2, т.е. является толерантной к такого рода стрессу После селекции наиболее эффективных штаммов микроводорослей была проведена наработка водной суспензии МКВ для проведения исследований на экспериментальном образце установки утилизации дымовых газов объемом не менее 250 л. С учетом необходимой начальной плотности биомассы для успешного роста микроводорослей (0,25 г/л) была подготовлена суспензия штамма Chlorella vulgaris объемом 24 л с плотностью биомассы 4 г/л и суспензия штамма A platensis объемом 40 л с плотностью биомассы 3,2 г/л. Таким образом, на этапе проекта были подготовлены суспензии двух штаммов, достаточных для засева экспериментальных установок утилизации дымовых газов объемом не менее 250 л. Выбор конкретного штамма для экспериментов может быть сделан непосредственно перед началом экспериментов. Созданная лабораторная установка позволяет сохранять штаммы, адаптированные к высоким концентрациям СО2 и готовые к засеву. Следует указать также, что при проведении крупномасштабного выращивания микроводорослей необходимым является лабораторный бокс с фотобиореакторами малого объема. В них должна постоянно поддерживаться (выращиваться) культура выбранных штаммов микроводорослей в атмосфере с содержанием углекислого газа, максимально близкой к таковой в дымовых газах. Такой лабораторный бокс позволит в случае гибели культуры в основной установке, или при расширении установки поглощения СО2 из дымовых газов быстро восстановить или расширить объемы культивируемой биомассы. Барботаж культуральных жидкостей газовоздушной смесью газом может осуществляться с использованием баллонного СО2 и компрессоров (при необходимости – с использованием промежуточных газгольдеров для подготовки газовых смесей необходимого состава). Возможным вариантом лабораторного бокса может являться герметичная газовоздушная камера, по аналогии с разработанной и использованной на этапах текущего проекта. Количество и размеры фотобиореакторов определяются размерами пилотной установки.
5 16 апреля 2024 г.-5 октября 2024 г. Исследование характеристик биомассы микроводорослей, полученной в результате утилизации дымовых газов микроводорослями и сравнение с контролем (без использования дымовых газов)
Результаты этапа: В ходе выполнения 5 этапа проекта «Разработка технологии утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей» (тема работ 5 этапа – Исследование характеристик биомассы микроводорослей, полученной в результате утилизации дымовых газов микроводорослями и сравнение с контролем (без использования дымовых газов)) были проведены экспериментальные исследования по культивированию штаммов микроводорослей, отобранных и адаптированных к выращиванию в атмосфере дымовых газов с высокими концентрациями СО2. Проведено определение характеристик биомассы, в том числе ее биохимического и элементного состава при различных условиях. Результаты позволили провести анализ этих характеристик биомассы и сравнение с таковыми для микроводорослей, выращенных в воздушной атмосфере и в газовоздушных смесях с низким содержанием СО2. Эксперименты по культивированию микроводорослей были проведены в атмосферной газовой камере, в которой где были размещены фотобиореакторы (ФБР), и в которой с помощью установки генерации дымовых газов (ДГ) создавалась атмосфера заданного состава. На 5 этапе проекта в камере размещали три типа фотобиореакторов объемом 300, 70, 15 и 4 л общим объемом суспензии микроводорослей в них 438 л. Биомасса штаммов Chlorella vulgaris и Arthrospira platensis (сине-зеленая микроводоросль/цианобактерия) выращивалась в атмосфере ДГ с концентрацией СО2=8%. Освещенность (200 мкмоль/м2/с) соответствовала ранее определенным оптимальным условиям роста микроводорослей, длительность экспериментов составляла 15 суток. В течение эксперимента проводились периодические отборы проб, а также итоговый анализ, позволивший выявить ряд важнейших характеристик биомассы, в том числе биохимический и элементный состав биомассы. Полученные результаты сопоставлялись характеристиками биомассы МКВ, выращенных на 3 этапе проекта в атмосфере ДГ, а также с биомассой, полученной при нормальных условиях (в воздушной среде). На 3 этапе проекта в атмосфере дымовых газов с содержанием CO2 = 3, 6 и 8%.выращивались штаммы микроводорослей (C. vulgaris, C. ellipsoidea, E. subsphaerica и G. pulchra, A. platensis), ранее адаптированные к высоким концентрациям CO2. По результатам сравнительного анализа биохимического и элементного состава микроводорослей можно сделать следующие выводы: 1. Наиболее явно в биохимических характеристиках микроводорослей, выращенных в атмосфере дымовых газов в серии экспериментов 3 этапа (в тексте отчета это – 1 серия экспериментов) и 5 этапа (в тексте отчета это – 2 серия экспериментов) проявились следующие тенденции: - рост содержания белков для четырех штаммов (C. vulgaris, C. ellipsoidea, E. subsphaerica и G. pulchra) от СО2 = 0% до концентрации СО2=6%; - постоянное снижение содержания белков для A. platensis по мере роста концентрации дымовых газов от СО2 = 0% до СО2 = 8%, - резкое снижение содержания белков в диапазоне концентрации дымовых газов от СО2=6 до СО2=8% для всех штаммов. 2. Концентрация липидов (жиров) для двух штаммов Chlorella не демонстрирует каких-либо направленных тенденций: при изменении концентрации дымовых газов наблюдаются слабые колебания в пределах 5-10%. Для штаммов E. subsphaerica и G.pulchra, как и в вариациях содержания белков, наблюдается максимум содержания липидов при концентрации СО2=6% в дымовых газах. Штамм A. platensis показывает слабый рост содержания липидов до практически постоянного значения порядка 20% при концентрациях СO2 = 3, 6 и 8%. Следует отметить, что, как показали наши ранее проведенные эксперименты, накопление липидов (жиров) в условиях стресса (голодание по азоту, высокая освещенность, низкие температуры) весьма характерно для этой микроводоросли/цианобактерии. 3. Содержание углеводов в биомассе штаммов Chlorella гораздо ниже по сравнению с белками и липидами во всех условиях экспериментов. При выращивании в воздушной атмосфере, и при концентрации дымовых газов от 1 до 6% СО2 концентрация углеводов не превышает 10-12%, в то время как при 8% СО2 в дымовых газах эта величина резко возрастает до 26-28%. В биомассе штаммов E. subsphaerica и G.pulchra содержание углеводов колеблется в противофазе с белками, но выраженной тенденции в диапазоне концентраций дымовых газов от СО2 = 3% до СО2 = 8% выявить не удалось. Содержание углеводов в биомассе A. platensis значимо увеличилось от 15 до 30%. в диапазоне изменения условий культивирования (от воздушной атмосферы до дымовых газов с содержанием СО2=8%). 4. Элементный состав определялся для биомассы, выращенной в атмосфере дымовых газов, а также выращенной в газовоздушной атмосфере (воздух + СО2) и в воздушной среде. Для биомассы микроводорослей, выращенных в 1 серии экспериментов были характерны следующие тенденции. Содержание азота в штаммах Chlorella остается практически постоянным (с учетом погрешности) со слабой тенденцией к увеличению при переходе от выращивания в воздушной среде к дымовым газам с СО2 = 6 и 8%. В биомассе штаммов E. subsphaerica и G. pulchra в атмосфере дымовых газов (СО2=6%) содержание азота значимо повышается (соответственно на 17,7 и 35,0 относительных %). Содержание азота в биомассе A. platensis не испытывает значимых изменений при переходе от условий выращивания в воздушной атмосфере к дымовым газам. Содержание углерода и водорода в биомассе всех штаммов незначительно колеблется при изменении условий культивирования, однако для Chlorella vulgaris следует отметить рост содержания углерода при переходе от воздуха к дымовым газам с СО2 = 6 и 8% (на 10 относительных %), а для Arthrospira platensis - некоторое снижение (не более чем на 5%). Содержание серы во всех штаммах повышается в биомассе, выращенной в атмосфере дымовых газов, кроме штамма C. vulgaris. Однако следует учесть, что в целом содержание серы в биомассе очень низкое (в максимуме 1,4% масс.), и ошибка определений в ряде случаев выше выявленных вариаций. Таким образом стрессовые условия, каковыми являются дымовые газы с высокой концентрацией СО2 не обнаружили в обоих сериях экспериментов каких-либо значимых последствий для элементного состава биомассы микроводорослей в целом, и A. platensis особенно. 5. Результаты микроскопирования и прижизненного окрашивания штаммов микроводорослей показали отсутствие или минимальное количество мертвых клеток по окончании культивирования при всех условиях проведения экспериментов в атмосфере дымовых газов Практически вся масса клеток пяти штаммов микроводорослей, выращенных при высоких концентрациях дымовых газов (СО2 = 3, 6 и 8%), в 1 серии экспериментов длительностью 12 суток и во второй серии длительностью 15 суток, остались живыми, что свидетельствует о сохранении жизнеспособности культур.
6 16 октября 2024 г.-5 декабря 2024 г. Проведение расчетов энергетических и материальных балансов модельного технологического процесса утилизации дымовых газов в помощью микроводорослей
Результаты этапа: В качестве технологий поглощения парниковых газов, и в первую очередь углекислого газа, широко рассматриваются и апробируются технологии, основанные на культивировании биомассы, т.е. на процессах фотосинтеза, в входе которого на свету происходит поглощение СО2 и связывание углерода в органические соединения в составе клеток фотосинтезирующих организмов. В зависимости от дальнейшей траектории использования полученной биомассы возможно обеспечить средне- или долгосрочное депо (накопление) углерода, т.е. сократить нетто-выброс СО2 в атмосферу. Микроводоросли являются привлекательным видом живых организмов для поглощения углекислого газа: они характеризуются одним из самых высоких значений кпд фотосинтеза, способны расти в широком спектре условий, часто непригодных для наземной растительности, а, будучи подвергнутыми реакциям карбонизации/пиролиза/газификации или сжижения, – обеспечивать получение жидких, газообразных и твердых видов биотоплива, например, биоугля. Микроводоросли весьма лабильны, т.е. способны приспосабливаться к изменению условий роста, в том числе к стрессовым условиям, каковыми являются высокие концентрации СО2 или дымовых газов. Биомасса микроводорослей, будучи захороненной в почвах или переработанной во вторичные продукты, представляет собой среднесрочное депо углерода. В соответствии с целью проекта, на первом этапе выполнения работ на основе патентных и литературных данных был определен перечень штаммов микроводорослей, потенциально пригодных для утилизации дымовых газов; выбраны и обоснованы характеристики эффективности утилизации компонентов дымовых газов микроводорослями; подготовлено оборудование для экспериментов по культивированию микроводорослей с возможностью подачи искусственных газовых смесей с различной концентрацией газов в составе смеси и контроля продуктивности биомассы микроводорослей; был проведен скрининг кандидатных штаммов микроводорослей и их консорциумов, способных к эффективному росту и утилизации компонентов дымовых газов на основе экспериментальных исследований в лабораторных условиях; на втором этапе проекта был проведен обзор методов определения и анализа жизнеспособности штаммов микроводорослей; подготовлено оборудование для культивирования микроводорослей и проверки их жизнеспособности при высоких концентрациях СО2 в газовоздушных смесях, которыми барботаровали культуральные жидкости с МКВ. На этом же этапе была предложена методика и проведены лабораторные эксперименты в целях определения характеристик жизнеспособности штаммов микроводорослей, выращенных при высоких концентрациях СО2; на третьем этапе на основе методики 2 этапа были проведены исследования жизнеспособности отобранных штаммов МКВ при их культивировании в атмосфере дымовых газов; работы четвертого этапа проекта обеспечили наработку водной суспензии микроводорослей для проведения исследований на экспериментальном образце установки утилизации ДГ с помощью микроводорослей, а также селекцию и адаптацию отобранных микроводорослей к росту на дымовых газах; на пятом этапе проекта было проведено исследование характеристик биомассы микроводорослей, полученной в результате утилизации ДГ микроводорослями и сравнение с контролем (без использования ДГ). В качестве характеристик (помимо скорости роста биомассы) рассмотрен биохимический (содержание липидов, белков и углеводов) и элементный состав (содержание углерода, водорода, азота и серы) биомассы МКВ. Исследования, проведенные на заключительном этапе работ по проекту позволили получить следующие результаты и выводы: 1. Современный уровень исследований в области технологий культивирования микроводорослей позволяет реализовать многие из них для улавливания углекислого газа с попутным производством ценных энергетических и неэнергетических продуктов из биомассы (биотопливо, биологически активные кормовые и пищевые добавки и др.). 2. Эффективность улавливания СО2 микроводорослями определяется комплексом факторов: продуктивностью (скоростью роста) микроводорослей, способами выращивания (открытые культиваторы, закрытые фотобиореакторы), методом сбора урожая (гравитационный сбор на ситах, центрифугирование и др.). 3. Диапазон удельных затрат энергии на улавливание СО2 микроводорослями довольно широк: от 26 до 770 ГДж/т при культивировании микроводорослей A. platensis в плоских открытых культиваторах с различной степенью использования дополнительной энергии, от 42 до 373 ГДж/т при выращивании микроводорослей C. vulgaris в закрытых фотобиореакторах. 4. Сократить удельные затраты энергии на поглощение СО2 микроводорослями можно путем повышения и поддержания высокой скорости их роста в процессе культивирования, максимального использования солнечного света и сбросного тепла объектов теплоэнергетики или иных отраслей промышленности, применения минимально энергозатратных методов отделения биомассы от культуральной жидкости. 

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".