ИСТИНА

Разработка научно-технических основ технологии утилизации дымовых газов с помощью микроводорослей

The purpose of this research work is to develop the scientific and technical foundations for the technology of flue gas utilization using microalgae. The relevance of this topic is determined by the great scientific and practical interest in the removal (absorption) of carbon dioxide and other components of flue gases from the atmosphere. One of the most attractive types of biomass for the tasks set is microalgae, which are characterized by one of the highest photosynthesis efficiency values, are able to grow in a wide range of conditions, often unsuitable for terrestrial vegetation, and, when subjected to carbonization/pyrolysis/gasification or liquefaction reactions, provide obtaining liquid, gaseous types of biofuels or biochar. The latter can be buried in soils to provide a medium-term carbon depot. Thus, the relevance of the purpose of the work is quite high. The task of the first stage of the project is formulated as screening (selection) of microalgae strains and resistant consortiums of microorganisms capable of efficiently utilizing CO2 from flue gases or artificial gas mixtures similar in composition to flue gases. As part of the main task at the 1st stage of the projects, the following works were performed: – determination, based on patent and literature data, of microalgae strains potentially suitable for flue gas utilization. Selection and justification of the characteristics of the efficiency of utilization of flue gas components by microalgae; – preparation of experimental equipment for screening strains with the possibility of supplying artificial gas mixtures with different concentrations of gases in the mixture and monitoring the productivity of microalgae biomass; – screening of candidate strains of microalgae and their consortia capable of efficient growth and utilization of flue gas components based on experimental studies in the laboratory.

Скрининг штаммов микроводорослей и консорциумов микроорганизмов, потенциально пригодных для утилизации дымовых газов.

У научного коллектива имеется существенный научный задел по проекту и наличие опыта реализации проектов. В частности, был выполнен международный грант РФФИ 18-58-45009-Инд_а «Теоретические и экспериментальные исследования эффективности применения микроводорослей в очистке муниципальных сточных вод и производстве биотоплива гидротермальным сжижением для обеспечения устойчивого и эффективного использования возобновляемых ресурсов» (2018-2020). В рамках сотрудничества с ОИВТ РАН проведены актуальные работы по подбору штаммов микроводорослей и консорциумы микроорганизмов, способных эффективно расти в муниципальных сточных водах, и разработана эффективная технология получения биотоплива из биомассы таких микроводорослей. Из выращенной в сточных водах биомассы микроводорослей методом гидротермального сжижения получена бионефть и изучены ее физико-химические свойства. Коллектив исполнителей обладает приборной и экспериментальной базой необходимой для проведения всего комплекса исследований в рамках предлагаемого проекта: 1. Коллекция изолятов и оригинальных штаммов микроводорослей, а также устойчивых консорциумов микроводорослей и цианобактерий с гетеротрофными бактериями, обладающих высокой продуктивностью при росте на различных питательных средах; 2. Оборудование для проведения микробиологических исследований (микроскоп Axioplan 2 Imaging с цветной цифровой камерой AxioCam, люминесцентный микроскоп Микмед-2 и др.); 3. Культиваторная установка для выращивания микроводорослей и цианобактерий; 4. Бокс абактериальной воздушной среды БАВнп-01-«Ламинар-С»-1,2; 5. Спектрофотометры (СФ102, Specord UV VIS, Specord M40), титраторы, аналитические весы, фотоколориметр «Спектр – 003»; 6. Низкотемпературные камеры с освещением для хранения коллекции микроводорослей.

– собраны, проанализированы и систематизированы научные публикации и патенты в тематической области проекта (всего более 50 источников с глубиной поиска 15 лет), а именно экспериментальные работы по исследованию реакции различных штаммов микроводорослей на повышенные концентрации СО2 и/или дымовые газы, которые подавались в культиваторы различного типа посредством барботажа (аэрации) культуральных сред газоводушными смесями. В каждом источнике данных нами фиксировались использованные виды/штаммы микроводорослей, условия проведения экспериментов, контролируемые характеристики микроводорослей, а также эффективность утилизации (поглощения) СО2/ДГ из газовоздушной смеси. Анализ литературного материала обобщен в виде таблицы, позволяющей делать выборки информации по различным признакам. В таблицу включены также штаммы, находящиеся в рабочей коллекции микроводорослей, ранее созданной и поддерживаемой исполнителями проекта (МГУ имени М.В.Ломоносова (географический факультет)). Детальный анализ фактических данных показывает, что наиболее часто в экспериментах используются, как перспективные, следующие МКВ: сине-зеленая микроводоросль/цианобактерия Ahrtrospira platensis (в текстах чаще встречается устаревшее название этой микроводоросли/цианобактерии – Spirulina platensis), зеленые МКВ Chlorella, Nannochloropsis, Haematococcus, Dunaliella, Desmodesmus, Scenedesmus и др. На основе этих выводов для дальнейшего скрининга были выбраны следующие культуры микроводорослей и консорциумы их с бактериями из коллекции исполнителей проекта, которые можно культивировать открытым (наиболее дешевым) способом: Arhtrospira platensis P (Bios), Arhtrospira platensis T, Arhtrospira platensis 1-02, Chlorella ellipsoidea, Chlorella vulgaris, Nannochloropsis sp., Neochloris oleoabundans. Основными характеристиками эффективности утилизации СО2/компонентов ДГ является в первую очередь абсолютное снижение концентрации этих газов в газовоздушных смесях, проходящих через культиваторы/фотобиореакторы, а также скорость снижения концентрации этих газов. Поскольку поглощение СО2/компонентов ДГ происходит в результате роста биомассы, не менее значимой характеристикой является продуктивность микроводорослей и скорость роста биомассы за заданный промежуток времени. Для контроля состояния биомассы, а, следовательно, поглощения СО2/компонентов дымовых газов, важными являются характеристики состояния культуры микроводорослей, а именно, биохимический состав биомассы МКВ, интенсивность поглощения микроводорослями питательных веществ из культуральной жидкости. Состояние микроводорослей должно контролироваться также путем микроскопирования; - для экспериментальных исследований штаммов микроводорослей, потенциально пригодных для поглощения СО2/дымовых газов из газовоздушных смесей, было подготовлено экспериментальное оборудование, обеспечивающее подачу искусственных газовых смесей с различной концентрацией газов в фотобиореакторы, выбраны методики контроля продуктивности и определения иных характеристик биомассы МКВ, позволяющие судить о состоянии культур. В тексте отчета приведено описание данных методик, культуральных сред для выращивания выбранных микроводорослей, а также методов контроля за составом культуральной жидкости и биомассы маикроводорослей; - проведен скрининг кандидатных штаммов микроводорослей и их консорциумов, способных к эффективному росту и утилизации компонентов дымовых газов на основе экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Определены характеристики роста биомассы микроводорослей при концентрации СО2 в газовых смесях от 2, 5 до 6,5%: скорость роста биомассы, динамика биохимического состава, pH и содержания углерод-содержащих компонентов культуральной жидкости. Показана устойчивость к повышенным концентрациям СО2 отобранных штаммов из рабочей коллекции исполнителей проекта. Для дальнейших экспериментов с высокой концентрацией СО2, характерной для дымовых газов (11-15%), были выбраны следующие кандидатные штаммы и консорциумы Arhtrospir platensis P (Bios), Chlorella ellipsoidea, Chlorella vulgaris, Neochloris oleoabundans, Geminella pulchra, Nannochloropsis sp.