Разработка технологии переработки биомассы сине-зеленых водорослей с использованием виброрезонансных кавитаторов

Рейтинг:   / 0
ПлохоОтлично 

Authors:

В. В. Никифоров, Доктор биологических наук, профессор, orcid.org/0000-0001-8917-2340, Кременчугский национальный университет имени М. Остроградского, г. Кременчуг, Украина

М. С. Мальованый, Доктор технических наук, профессор, orcid.org/0000-0002-3868-1070, Национальный университет „Львовская политехника“, г. Львов, Украина, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

И. С. Афтаназив, Доктор технических наук, профессор, orcid.org/0000-0003-3484-7966, Национальный университет „Львовская политехника“, г. Львов, Украина, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Л. И. Шевчук, Доктор технических наук, доцент, orcid.org/0000-0001-6274-0256, Национальный университет „Львовская политехника“, г. Львов, Украина, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Л. Р. Струтинская, Кандидат экономических наук, доцент, orcid.org/0000-0002-0401-5475, Национальный университет „Львовская политехника“, г. Львов, Украина, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 повний текст / full article



Abstract:

Биомасса сине-зеленых водорослей (цианобактерий) ‒ легкодоступное и дешевое сырье для переработки в биогаз. Годовые запасы накопления сине-зеленых водорослей на мелководьях только Кременчугского водохранилища составляют 4,14 ⋅107 тонн. Однако известные технологии „метанового брожения“ субстрата водорослей несовершенны из-за недостаточного уровня выхода готового продукта, т. е. биогаза. Это обусловлено повышенной устойчивостью стенок этих бактерий к разрушению, что снижает высвобождение их внутриклеточного содержимого, который и является основой субстрата биомассы.

Цель. Совершенствование технологического процесса ферментации сине-зеленых водорослей как сырья для производства, „метановым брожением“, биогаза путем гомогенизации биомассы водорослей виброрезонансной кавитационной обработкой.

В основные задачи исследования входили:

- совершенствование конструкции электромагнитного виброрезонансного кавитатора для его пригодности для гомогенизации субстанции сине-зеленых водорослей;

- разработка усовершенствованной принципиальной технологической схемы переработки биомассы сине-зеленых водорослей в биогаз с использованием виброрезонансних кавитаторов.

Методика. Использован комплексный подход, включающий сочетание аналитических и теоретико-экспериментальных исследований процессов анаэробного метанового брожения. Качественный состав производимого цианобактериями биогаза определяли с использованием методики спектрального анализа. Исследование динамики виброкавитаторов осуществляли методами теории колебаний систем с двумя степенями свободы. С использованием приближенных методов теории колебаний определены оптимальные параметры виброкавитационной гомогенизации водной суспензии цианобактерий.

Результаты. В основу совершенствования технологии переработки сине-зеленых водорослей в биогаз положено дополнительное включение в процесс блока гомогенизации биомассы. Гомогенизация, то есть полное выделение внутриклеточного содержимого бактерий, возложена на операцию кавитационной обработки водной суспензии водорослей виброрезонансными кавитаторами усовершенствованной конструкции. Виброкавитатор обеспечивает кавитационную гомогенизацию суспензий водорослей с производительностью 0,75‒1,0 м3/час. Предложенный технологический процесс переработки биомассы водорослей включает три основных этапа: этап накопления и подготовки суспензии водорослей; этап подготовки субстрата биомассы водорослей их гомогенизацией виброрезонансными кавитаторами; этап ферментации биогаза „метановым брожением“. Выход готового продукта, т. е. биогаза, благодаря увеличению виброкавитацией выделения из бактерий их внутриклеточного содержимого, увеличивается в 1,4 раза и достигает 33,0‒34,5 м3 биогаза из 1 тонны биомассы.

Научная новизна. Дополнение типовых технологических процессов переработки сине-зеленых водорослей этапом их гомогенизации виброкавитацией с конечной целью повышения выхода готового продукта авторами предложено впервые. Это решение обеспечивает более качественную дальнейшую ферментацию субстрата биомассы с повышением более чем на треть производительности образования биогаза. Обладает элементами научной новизны и впервые предложенная конструкция электромагнитного виброкавитатора резонансного действия. Специфическая форма его колеблющихся возбудителей кавитации предоставляет уникальную возможность качественной кавитационной обработки жидких субстанций повышенной, по сравнению с водой, плотности и вязкости. Именно это и позволяет возбуждать кавитационное поле высокой интенсивности в насыщенной водорослями жидкостной субстанции.

Практическая значимость. Заключается в совершенствовании технологического процесса ферментации биогаза из сине-зеленых водорослей. Для реализации кавитационной обработки биомассы предложена усовершенствованная конструкция виброкавитатора с учетом специфики кавитационной обработки жидкостей повышенных плотности и вязкости. Производительность виброкавитатора с поперечным сечением рабочей камеры 10 дюймов при обработке биомассы водорослей составляет 0,75‒1,0 м3/час. Этого достаточно для обеспечения двумя поочередно работающими виброкавитаторами безостановочной работы ферментационной камеры объемом 100 м3.

References.

1. Nguyen-Quang, T., Lieou, K.-C., Hushchyna, K., Nguyen, T.-D., Mood, N. Sh., Nadeem, M., ... & Hirtle, R. (2016). The first step to sketch the spatio-temporal evolution of biochemical and physical parameters involving in the harmful algal blooms (hab) in mattatall lake (Nova Scotia, Canada). Еnvironmental problems, 1(1), 1-18.

2. Malyovanyy, M. S., Nikiforov, V. V., Kharlamova, O. V., & Sinelnikov, O. D. (2016). Reduction of the environmental threat from uncontrolled development of cyanobacteria in the waters of the Dnieper reservoirs. Environmental problems, 1(1), 61-64.

3. Milledge, J. J., & Heaven, S. (2017). Energy Balance of Biogas Production from Microalgae: Effect of Harvesting Method, Multiple Raceways, Scale of Plant and Combined Heat and Power Generation. Journal of Marine Science and Engineering, 5, 9-15. https://doi.org/10.3390/jmse5010009.

4. Milledge, J. J., Nielsen, B. V., Maneein, S., & Harvey, PJ. (2019). A Brief Review of Anaerobic Digestion of Algae for Bioenergy. Energies, 12(6):1166, 1-22. https://doi.org/10.3390/en12061166.

5. Jesús Velazquez-Lucio, Rosa M. Rodríguez-Jasso, Luciane M. Colla, Aide Sáenz-Galindo, Daniela E. CervantesCisneros, Cristóbal N. Aguilar, ... & Héctor A. Ruiz (2018). Microalgal biomass pretreatment for bioethanol production: a review. Biofuel Research Journal, 17, 780-791. https://doi.org/10.18331/BRJ2018.5.1.5.

6. Hielscher Ultrasound Technology (n.d.). Biodiesel from Algae using Ultrasonication. Retrieved from https://www.hielscher.com/algae_extraction_01.htm.

7. Hutňan, M., & Bodík, I. (2015). Biogas production from biodegradable wastes. Upravlinnia vidkhodamy, 2015/07, Retrieved from http://www.energie-portal.sk/Dokument/produkcia-bioplynu-z-biologicky-rozlozitelnych-odpadov-102475.aspx>

8. Hutňan, M., & Bodík, I. (2015). Biogas plants and biodegradable wastes. A chance for biodegradable wastes? Waste Management, 2015/07, Retrieved from http://www.odpady-portal.sk/Dokument/102502/co-by-vam-nemalo-ujst-odpadovehospodarstvo-201507.aspx.

9. Raheem, A., Prinsen, P., Vuppaladadiyam, A. K., Zhao, M., & Luque, R. (2018). A review on sustainable microalgae based biofuel and bioenergy production: Recent developments. Journal of Cleaner Production, 181, 42-59. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.125.

10. Greenly, J. M., & Tester, J. W. (2015). Ultrasonic cavitation for disruption of microalgae. Bioresource Technology, 184, 276–279. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.11.036.

11. Malovanyy, M., .Nikiforov, V., Kharlamova, O., & Synelnikov, O. (2016) Production of renewable energy resources via complex treatment of cyanobacteria biomass. Chemistry & Chemical Technology, 10(2), 251-254.

12. Janiš, S. (2014). End of biogas in Slovakia? Bratislava. Retrieved from http://www.oenergetike.sk/oze/bioplyn-na-slovensku-DEFINITIVNYKONIEC/>

13. Janiš, S. (2014). Biogas in Slovakia, the ultimate end? Retrieved from http://www.oenergetike.sk/oze/bioplyn-na-slovensku-definitivny-koniec/>

14. Ros, P., Silva, C., Silva-Stenico, M., Fiore, M., & Castro, H. (2013). Assessment of chemical and physicochemical properties of cyanobacterial lipids for biodiesel production. Marine Drugs, 11(7), 2365-2381. https://doi.org/10.3390/md11072365.

15. Malovanyy, M. S., Nykyforov, V. V., & Kharlamova, O. V. (2016). Method for obtaining biogas from blue-green algae. Patent No. 105896, Ukraine.

16. Aftanaziv, I. S., Strohan, O. I., Shevchuk, L. I., & Starchevskyi, V. L. (2014). Vibrational electromagnetic cavitator. Patent No. 107769, Ukraine.

Предыдущие статьи из текущего раздела:

Посетители

3369866
Сегодня
За месяц
Всего
248
6518
3369866

Гостевая книга

Если у вас есть вопросы, пожелания или предложения, вы можете написать их в нашей «Гостевой книге»

Регистрационные данные

ISSN (print) 2071-2227,
ISSN (online) 2223-2362.
Журнал зарегистрирован в Министерстве юстиции Украины.
 Регистрационный номер КВ № 17742-6592ПР от 27.04.2011.

Контакты

40005, г. Днепр, пр. Д. Яворницкого, 19, корп. 3, к. 24 а
Тел.: +38 (056) 746 32 79.
e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Вы здесь: Главная Архив журнала по выпускам 2019 Содержание №6 2019 Разработка технологии переработки биомассы сине-зеленых водорослей с использованием виброрезонансных кавитаторов