ВОПРОСЫ ИНТЕГРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПРОИЗВОДСТВА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

  • Mikhail S. Temnov Тамбовский государственный технический университет
  • Yana V. Ustinskaya Тамбовский государственный технический университет
  • Maria A. Yeskova Тамбовский государственный технический университет
  • Stanislav I. Dvoretsky Тамбовский государственный технический университет
  • Dmitriy S. Dvoretsky Тамбовский государственный технический университет
  • Aleksandr N. Labutin Ивановский государственный химико-технологический университет
Ключевые слова: биотопливо, экстракция, микроводоросли, сточные воды, липиды, жирнокислотный состав, эфиры жирных кислот

Аннотация

Работа посвящена исследованию объектов полезных для создания технологий, удовлетворяющих требованиям строящейся экономики замкнутого цикла, основанной на широком использовании возобновляемых ресурсов, максимальной переработке вторичного сырья, имеющей в качестве одной из задач переход от ископаемого топлива к использованию возобновляемых источников энергии. Проведено исследование возможности производства эфиров жирных кислот (ЭЖК) из возобновляемого сырья растительного происхождения - микроводоросли Chlorella vulgaris с использованием муниципальных сточных вод. Рассмотрены подходы к созданию технологий производства ЭЖК и перспективные пути совершенствования ключевых стадий таких производств. Показано, что муниципальные сточные воды при определенных условиях (температуре 10-32 °С, освещенности 7-14 клк) могут подвергаться очистке и одновременно служить питательной средой в процессе культивирования биомассы микроводорослей с содержанием липидов 10-18 % от сухого вещества. В зависимости от условий культивирования клетки штамма микроводорослей Chlorella vulgaris IPPAS C-2 снижают концентрацию катионов аммония, фосфат-анионов и общего микробного числа в муниципальных сточных водах на 93 – 95% (масс.), 90 – 97% (масс.) и 86 – 95%, соответственно. Проанализировано влияние технологических условий проведения процесса на скорость роста биомассы и жирнокислотный состав накапливаемых липидов. Экспериментально установлено, что триглицериды, О-диалкилмоноглицериды и жирные кислоты оказывают наибольшее ингибирующее влияние на микрофлору сточных вод. С использованием теории растворимости Ч. Хансена выбрана система полярного и неполярного растворителей, состоящая из этанола и петролейного эфира в соотношении (1:2) об., обеспечивающая эффективное проведение процесса экстракции. Получен выход эфиров жирных кислот КЭЖК =45% при проведении реакции переэтерификации с использованием этанола в соотношении с липидами 6:1 (мол.) при температуре реакции 60 °С в присутствии щелочного катализатора – гидроксида натрия (3% от массы липидов).

Биография автора

Mikhail S. Temnov, Тамбовский государственный технический университет
Зав. редакцией журнала "Известия вузов. Химия и химическая технология"

Литература

Mofijur M., Rasul M.G., Hyde J., Azad A.K., Mamat R., Bhuiya M.M.K. Role of biofuel and their binary (diesel–biodiesel) and ter-nary (ethanol–biodiesel–diesel) bends on internal combustion engines emission reduction. Renew Sustain Energy Rev. 2016. V. 53. P. 265–278. DOI: 10.1016/j.rser.2015.08.046.

Ferreira G.F., Rios Pinto L.F., Filho R.M., Fregolente L.V. A review on lipid production from microalgae: Association between cultivation using waste streams and fatty acid profiles. Ren. Sus. En. Rev. 2019. V. 109. P. 448-466. DOI: 10.1016/j.rser.2019.04.052.

Gouveia L. Microalgae as a Feedstock for Biofuels. Springer. 2011. 69 p.

Wijanarko A. Effect of the Presence of Substituted Urea and Also Ammonia as Nitrogen Source in Cultivied Medium on Chlorella Lipid Content, Progress in Biomass and Bioenergy Production [Internet resource]. – Available from http://www.intechopen.com/books/ /progress-in-biomass-and-bioenergy-production/effect-of-the-presence-of- substituted-urea-and-also-ammonia-as-nitrogen-source-in-cultivied-medium-o (accessed 25.05.19).

Richardson J.W. A financial assessment of two alternative cultivation systems and their contributions to algae biofuel economic viability. Alg. Res. 2014. V. 4. P. 96-104. DOI: 10.1016/j.algal.2013.12.003.

Held P. Determination of Algal Cell Lipids Using Nile Red – Using Microplates to Monitor Neutral Lipids in Chlorella Vulgaris [Internet resource] – Available from http://www.biotek.com/resources/articles/nile-red-dye-algal.html (ac-cessed 25.05.19).

Rinna F., Buonoa S., Cabanelas I.T., Buono S., Nascimento I.A., Sansone G., Baron C.A. Wastewater treatment by microalgae can generate high quality biodiesel feedstock. J. Wat. Proc. Eng. 2017. V. 18. P. 144 – 149. DOI: 10.1016/j.jwpe.2017.06.006.

Nayak M., Karemore A., Sen R. Performance evaluation of microalgae for concomitant wastewater bioremediation, CO2 biofixation and lipid biosynthesis for biodiesel application. Alg. res. 2016. V. 16. P. 216 – 223. DOI: 10.1016/j.algal.2016.03.020.

Gupta P.L., Choi H.-J., Pawar R.R., Jung S.P., Lee S.-M. Enhanced biomass production through optimization of carbon source and utilization of wastewater as a nutrient source. J. Env. Man. 2016. V. 184. P. 585-595. DOI: 10.1016/j.jenvman.2016.10.018.

Ferro L., Colombo M., Posadas E., Funk C., Muñoz R. Wastewater treatment and biomass generation by Nordic microalgae Growth in subarctic climate and microbial interactions. J. App. Phyc. 2019. V. 31. N 4. P. 2299–2310. DOI: 10.1007/s10811-019-1741-1.

Tikhonov I.V., Ruban E.A., Gryazneva T.N., Samuiylenko A.Ya. Biotrkhnologiya. SpB: GIORD. 2008. 704 p. (in Russian).

Lee S.Y., Cho J.M., Chang Y.K., Oh Y.-K. Cell disruption and lipid extraction for microalgal biorefineries: a review. Bioresour. Technol. 2017. V. 244. P. 1317–28. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.06.038.

Dixon C., Wilken L.R. Green microalgae biomolecule separations and recovery. Bioresour. Bioproc. 2018. 5 (14). DOI: 10.1186/s40643-018-0199-3.

Halim R., Danquah M.K., Webley P.A. Extraction of oil from microalgae for biodiesel production: a review. Biotechnol. Adv. 2012. V. 30. P. 709–32. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2012.01.001.

Santana A., Jesus S., Larrayoz M.A., Filho R.M. Supercritical carbon dioxide extraction of algal lipids for the biodiesel production. Procedia Eng. 2012. V. 42. P. 1755–1761. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.569.

Mendes R.L., Nobre B.P., Cardoso M.T., Pereira A.P., Palavra A.F. Supercritical carbon dioxide extraction of compounds with pharmaceutical importance from microalgae. Inorg. Chim. Acta. 2003. V. 356. P. 328–334. DOI: 10.1016/S0020-1693(03)00363-3.

Bjornsson W.J., MacDougall K.M., Melanson J.E., O’Leary S.J.B., McGinn P.J. Pilot-scale supercritical carbon dioxide extractions for the recovery of triacylglycerols from microalgae: a practical tool for algal biofuels research. J. Appl. Phycol. 2012. V. 24. P. 547–55. DOI: 10.1007/s10811-011-9756-2.

Saveliev G.S. Production and use of rapeseed biodiesel. M .: VIM. 2007.95 p. (in Russian).

Nagornov S.A., Meshcheryakova Yu.V. Synthesis of bifunctional oxygen-containing compounds. Nauka Tsentr. Ross. 2014. N 1 (7). P. 69-78 (in Russian).

Prommuak C., Pavasant P., Quitain A. Microalgal Lipid Extraction and Evaluation of Single-Step Biodiesel Production. Eng. J. 2012. V. 16. P. 157-166. DOI: 10.4186/ej.2012.16.5.157.

Vladimirova M.G., Semenenko V.E. Intensive cultivation of unicellular algae. M.: USSR Academy. 1962. 61 p. (in Russian).

PND F 14.1: 2.1-95. Quantitative chemical analysis of water. Methodology for measuring the mass concentration of ammonium ions in natural and wastewater using the photometric method with Nessler's reagent. M.: Ministry of Environmental Protection and Natural Resources of the Russian Federation. 2004. [Electronic resource]. - Access mode: http://gostrf.com/normadata/1/4293850/4293850892.htm (accessed: 06/22/19).(in Russian).

PND F 14.1: 2.112-97. Quantitative chemical analysis of water. The methodology for measuring the mass concentration of phosphate ions in samples of natural and treated wastewater using the photometric method of ascorbic acid reduction. M .: Ministry of Environmental Protection and Natural Resources of the Russian Federation. 2004. [Electronic resource]. - Access mode: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293846/4293846501.htm (accessed date: 06/22/19). (in Russian).

Lysak V.V., Zheldakova R.A., Fomina O.V. Microbiology. Practical course. Minsk: BSU. 2015.115 p. (in Russian).

MUK 4.2.1890-04. Determination of the sensitivity of microorganisms to antibacterial drugs. Methodical instructions. M .: Federal Center for State Sanitary and Epidemiological Supervision of the Minis-try of Health of Russia. 2004. [Electronic resource]. - Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200038583 (accessed: 06.22.19). (in Russian).

Dvoretsky D.S., Dvoretsky S.I., Temnov M.S., Akulinin E.I., Zuorro A. The effect of the complex processing of microalgae Chlorella Vulgaris on the intensification of the lipid extraction process. Chem. Eng. Trans. 2017. V. 57. P. 721-726. DOI: 10.3303/CET1757121.

Kates M. Lipid extraction procedures. Techniques of lipidology isolation, analysis, and identification of lipids. Amsterdam: Elsevier Science Publisher. 1986. 342 p.

Dvoretsky D.S., Dvoretsky S.I., Temnov M.S. Akulinin E.I., Markin I.V., Golubyatnikov O.O., Ustinskaya Y.V., Eskova M.A. Experimental research into the antibiotic properties of chlorella vulgaris algal exometabolites. Chem. Eng. Trans. 2019. V. 74. P. 1429 – 1434. DOI: 10.3303/CET1974239.

Hansen Solubility Parameters [Internet resource] Available from http://www.hansen-solubility.com/downloads.php (accessed 22.06.19).

Dvoretsky D.S., Dvoretsky S.I., Temnov M.S. Akulinin E.I., Markin I.V., Golubyatnikov O.O., Ustinskaya Y.V., Eskova M.A. Enhanced lipid extraction from microalgae Chlorella vulgaris biomass: experiments, modelling, optimization. Chem. Eng. Trans. 2016. V. 49. P. 175 – 180. DOI: 10.3303/CET1649030.

Опубликован
2019-12-08
Как цитировать
Temnov, M. S., Ustinskaya, Y. V., Yeskova, M. A., Dvoretsky, S. I., Dvoretsky, D. S., & Labutin, A. N. (2019). ВОПРОСЫ ИНТЕГРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПРОИЗВОДСТВА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 62(12), 125-134. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196212.6108
Раздел
Экологические проблемы химии и химической технологии