Повышение эффективности производства чистой энергии за счет интенсификации анаэробной биоконверсии органических отходов с использованием солнечной энергии

Интенсивное развитие производства и потребления приводит к соответствующему увеличению количества образующихся отходов и требует разработки новых энергоэффективных и экологически безопасных методов утилизации. Анаэробное сбраживание (АС) органических отходов, как один из методов обработки, заслуживает большего внимания, так как позволяет перейти на экологически чистую и ресурсосберегающую энергию за счет снижения выбросов парниковых газов, получения углеводородов (метана) и более глубокой переработки органических отходов, богатых питательными веществами, для производства чистой энергии в свете циркулярной экономики. Лимитирующей стадией АС является процесс гидролиза высокомолекулярных веществ, в связи с чем процесс предварительной обработки субстрата становится актуальным и необходимым. По данным многих научных издательств и веб-сайтов, за последние пять лет наблюдается рост количества публикаций в области АС, и многие авторы неоднократно подтверждали необходимость предварительной обработки ферментируемого субстрата для увеличения полноты и эффективности переработки и увеличения выхода биогаза. Одним из перспективных и энергоэффективных методов подготовки субстрата для ферментации является предлагаемая обработка в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц (АВС), который создается под действием вращающегося магнитного поля. В рабочей камере АВС реализуются все возможные механические воздействия на измельченный материал: удар, истирание, кавитация, даже электролиз происходит, если в системе есть вода. Ранее российская команда показала положительное влияние обработки различных органических субстратов в АВС на характеристики метаногенного брожения, в частности, на кинетику метаногенеза, полноту разложения органических веществ, содержание метана в биогазе и обеззараживание отходов. Индийская команда также имеет очень прочную основу, документальные свидетельства и многолетний опыт в области получения биогаза из различных видов сырья и технологий предварительной обработки. Интерес коллег из Индии к предлагаемым нами методам предварительной обработки подтверждает глобальную значимость предлагаемых исследований, что позволяет нам вывести совместную технологию на международный рынок. В данном проекте предлагается впервые исследовать комплексное применение способов интенсификации процесса анаэробной биоконверсии, предназначенное для повышения энергетической эффективности получения энергии из органических отходов, при компенсации энергетических затрат на процесс с помощью использования солнечной энергии. Научная новизна исследований заключается в: - использовании новых технических средств (аппарат вихревого слоя ферромагнитных частиц, микробная электролизная ячейка) для комплексного электрофизического воздействия на исходный (АВС) и обрабатываемый (микробная электрохимическая ячейка - МЭЯ) субстрат; - определении оптимальных параметров и режимов работы оборудования для темновой ферментации и метаногенеза при комплексном электрофизическом воздействии; - оценке влияния комплексного электрофизического воздействия и возможности стимуляции процесса прямого межвидового переноса электронов как на стадии темновой ферментации, так и на стадии метаногенеза; - разработке и применении преобразователей солнечной энергии для компенсации энергетических нужд технологической линии анаэробной обработки органических отходов (теплота для поддержания температурного режима процесса анаэробной биоконверсии, электроэнергия для подвода разницы потенциалов на электроды микробной электролизной ячейки). Исследования будут проводиться в анаэробных биореакторах промежуточного поколения (с интегрированной микробной электролизной ячейкой в реакторное пространство). Для организации процесса анаэробной биоконверсии будут определены оптимальные параметры и режимы работы реакторов, в которых будут протекать процессы анаэробной обработки при комплексном электрофизическом воздействии (гидравлическое время удержания в реакторах различных стадий, продолжительность комплексного электрофизического воздействия на исходный субстрат в АВС, частота электромагнитного поля, напряжение на электродах микробной электролизной ячейки). Для получения экспериментальных данных будет разработана и создана физическая модель технологической линии анаэробной обработки под комплексным электрофизическим воздействием. Лаборатория Биоэнергетических и сверхкритических технологий (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) располагает рядом анаэробных биореакторов повышенного объема (от 8 до 250 литров), оборудованных системами теплоснабжения и перемешивания субстрата для поддержания оптимальных условий тепломассообмена с возможностью регулирования температурного режима. Руководитель и исполнители проекта имеют опыт и соответствующие навыки выполнения научно-исследовательских, инженерных и конструкторских работ. Проект обеспечен практически всем необходимым аналитическим оборудованием. Консорциум российских и индийских институтов позволит сплотить молодой коллектив, обменяться опытом, повысить публикационную активность в высокорейтинговых журналах, а также позволит оценить эффективность предлагаемых нами методов стимуляции анаэробной конверсии при переработке реальных отходов, получить новые знания в области анаэробной конверсии органических отходов и международное признание. Создание совместного предприятия ожидается после успешного достижения целей проекта. Таким образом, планируемые исследования представляют интерес как для фундаментальной науки, так и для практического использования.