Науковий вісник НГУ

Розробка технології переробки біомаси синьо-зелених водоростей із використанням віброрезонансних кавітаторів

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №6 2019

Останнє оновлення: 13 січня 2020

Опубліковано: 13 січня 2020

Перегляди: 2980

Authors:

В. В. Никифоров, Доктор біологічних наук, професор, orcid.org/0000-0001-8917-2340, Кременчуцький національний університет імені М. Остроградського, м. Кременчук, Україна

М. С. Мальований, Доктор технічних наук, професор, orcid.org/0000-0002-3868-1070, Національний університет „Львівська політехніка“, м. Львів, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

І. С. Афтаназів, Доктор технічних наук, професор, orcid.org/0000-0003-3484-7966, Національний університет „Львівська політехніка“, м. Львів, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Л. І. Шевчук, Доктор технічних наук, доцент, orcid.org/0000-0001-6274-0256, Національний університет „Львівська політехніка“, м. Львів, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Л. Р. Струтинська, Кандидат економічних наук, доцент, orcid.org/0000-0002-0401-5475, Національний університет „Львівська політехніка“, м. Львів, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

 повний текст / full article

Біомаса синьо-зелених водоростей (ціанобактерій) ‒ легкодоступна й дешева сировина для переробки на біогаз. Річні запаси накопичення синьо-зелених водоростей на мілководдях лише Кременчуцького водосховища сягають 4,14 ⋅10⁷ тон. Однак відомі технології „метанового бродіння“ субстрату водоростей недосконалі через недостатній рівень виходу готового продукту, тобто біогазу. Це обумовлено підвищеною стійкістю стінок цих бактерій до руйнування, що знижує вивільнення їх внутріклітинного вмісту, який і є основою субстрату біомаси.

Мета. Удосконалення технологічного процесу ферментації синьо-зелених водоростей як сировини для виготовлення, „метановим бродінням“, біогазу шляхом гомогенізації біомаси водоростей віброрезонансною кавітаційною обробкою.

У основні задачі дослідження входили:

- удосконалення конструкції електромагнітного віброрезонансного кавітатора задля його придатності для гомогенізації субстанцій синьо-зелених водоростей;

- розробка вдосконаленої принципової технологічної схеми переробки біомаси синьо-зелених водоростей на біогаз із використанням віброрезонансних кавітаторів.

Методика. Застосовано комплексний підхід, що включає поєднання аналітичних і теоретико-експериментальних досліджень процесів анаеробного метанового бродіння. Якісний вміст продукованого ціанобактеріями біогазу визначали із використанням методики спектрального аналізу. Дослідження динаміки віброкавітатора здійснювали методами теорії коливань систем із двома ступенями вільності. Із використанням наближених методів теорії коливань визначені оптимальні параметри віброкавітаційної гомогенізації водної суспензії ціанобактерій.

Результати. До основи вдосконалення технології переробки сиьо-зелених водоростей у біогаз покладемо додаткове включення до процесу блоку гомогенізації біомаси. Гомогенізація, тобто повне виділення внутріклітинного вмісту бактерій, покладена на операцію кавітаційної обробки водяної суспензії водоростей віброрезонансними кавітаторами вдосконаленої конструкції. Віброкавітатор забезпечує кавітаційну гомогенізацію суспензій водоростей із продуктивністю 0,75‒1,0 м³/год. Запропонований технологічний процес переробки біомаси водоростей включає три основні етапи: етап накопичення й підготовки суспензії; етап підготовки субстрату біомаси водоростей та їх гомогенізацією віброрезонансними кавітаторами; етап ферментації біогазу „метановим бродінням“. Вихід готового продукту, тобто біогазу, при цьому, завдяки збільшенню віброкавітацією виділення із бактерій їх внутріклітинного вмісту, збільшується в 1,4 рази і сягає 33,0‒34,5 м³ біогазу із 1 тони біомаси.

Наукова новизна. Доповнення типових технологічних процесів переробки синьо-зелених водоростей етапом їх гомогенізації віброкавітацією з кінцевою метою підвищення виходу готового продукту авторами запропоновано вперше. Це рішення забезпечує більш якісну подальшу ферментацію субстрату біомаси з підвищенням більш ніж на третину продуктивності утворення біогазу. Має елементами наукової новизни й уперше запропонована конструкція електромагнітного віброкавітатора резонансної дії. Специфічна форма його коливних збурювачів кавітації надає унікальну можливість якісної кавітаційної обробки рідинних субстанцій підвищеної, порівняно з водою, густини й в’язкості. Саме це й дозволяє збурювати кавітаційне поле високої інтенсивності в насиченій водоростями рідинній субстанції.

Практична значимість. Полягає у вдосконаленні технологічного процесу ферментації біогазу із синьо-зелених водоростей. Для реалізації кавітаційної обробки біомаси запропонована вдосконалена конструкція віброкавітатора з урахуванням специфіки кавітаційної обробки рідин підвищених густини та в’язкості. Продуктивність віброкавітатора з поперечним перерізом робочої камери 10 дюймів при обробці біомаси становить 0,75‒1,0 м³/год. Цього достатньо для забезпечення двома почергово працюючими віброкавітаторами безперебійної роботи ферментаційної камери об’ємом 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.

• < Попередня