Влияние добавки из микроводорослей после культивирования в условиях повышенного содержания СО2 на процесс анаэробного сбраживания органосодержащих отходов

В статье представлены результаты экспериментального изучения процесса анаэробного сбраживания биомассы микроводорослей Chlorella kessleri, предварительно культивированной при повышенных концентрациях CO2, с добавлением пищевых отходов и коровьего навоза в качестве инокулянта.

Цель работы — определение оптимального соотношения компонентов смеси для сбраживания (микроводоросли — пищевые отходы — инокулянт) по органическому углероду для максимального выхода биогаза и его энергетического потенциала (по содержанию метана в биогазе).

Установлено, что наилучшие результаты (1,018 л биогаза и 67,3% метана) достигаются при соотношении 1,0 г — 3,2 г — 4,0 г, тогда как максимальная доля метана (67,8%) зафиксирована при добавлении 1,2 г микроводорослей. Полученные данные позволяют рекомендовать использование добавки из биомассы микроводорослей Chlorella kessleri, предварительно культивированной при повышенных концентрациях CO2, для совместного анаэробного сбраживания с пищевыми отходами и инокулянтом в качестве энергоэффективного, экологичного и экономически целесообразного метода повышения биогазового потенциала композиционной смеси для сбраживания. 

1. Jacobson T.A., Kler J.S., Hernke M.T., Braun R.K., Meyer K.C., Funk W.E. Direct human health risks of increased atmospheric carbon dioxide. Nature Sustainability. 2019; 2(8): 691–701. https://doi.org/10.1038/s41893-019-0323-1

2. Azuma K., Kagi N., Yanagi U., Osawa H. Effects of low-level inhalation exposure to carbon dioxide in indoor environments: A short review on human health and psychomotor performance. Environment International. 2018; 121(1): 51–56. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.08.059

3. Шинкевич П.С., Политаева Н.А. Применение микроводорослей в CCU-технологиях. Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология. Международная научная конференция. Сборник докладов. Белгород: Белгородский государственный технологический университет. 2023; 329–334. https://www.elibrary.ru/dmxjsh

4. Daneshvar E., Wicker R.J., Show P.-L., Bhatnagar A. Biologically mediated carbon capture and utilization by microalgae towards sustainable CO2 biofixation and biomass valorization — A review. Chemical Engineering Journal. 2021; 427: 130884. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130884

5. Li S., Chang H., Zhang S., Ho S.-H. Production of sustainable biofuels from microalgae with CO2 bio-sequestration and life cycle assessment. Environmental Research. 2023; 227: 115730. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115730

6. Onyeaka H., Miri T., Obileke K., Hart A., Anumudu C., Al-Sharify Z.T. Minimizing carbon footprint via microalgae as a biological capture. Carbon Capture Science & Technology. 2021; 1: 100007. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2021.100007

7. Шинкевич П.С., Вельможина К.А., Политаева Н.А., Чусов А.Н. Роль микроводорослей в современных технологиях фиксации и утилизации углекислого газа. Альтернативная энергетика и экология. 2024; (10): 154–166. https://www.elibrary.ru/cqzywb

8. Зибарев Н.В., Политаева Н.А., Молодкина Л.М. Получение биодизеля из микроводорослей путем переэтерификации биомассы. Бутлеровские сообщения. 2023; 73(1): 101–108. https://www.elibrary.ru/apbich

9. Velmozhina K. et al. Production of Biohydrogen from Microalgae Biomass after Wastewater Treatment and Air Purification from CO2.Processes. 2023; 11(10): 2978. https://doi.org/10.3390/pr11102978

10. Kougias P.G., Angelidaki I. Biogas and its opportunities — A review. Frontiers of Environmental Science & Engineering. 2018; 12(3): 14. https://doi.org/10.1007/s11783-018-1037-8

11. Weiland P. Biogas production: current state and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology. 2010; 85(4): 849–860. https://doi.org/10.1007/s00253-009-2246-7

12. Ngabala F.J., Emmanuel J.K. Potential substrates for biogas production through anaerobic digestion–an alternative energy source. Heliyon. 2024; 10(23): e40632. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e40632

13. Atelge M.R. et al. Biogas Production from Organic Waste: Recent Progress and Perspectives. Waste and Biomass Valorization. 2020;11(3): 1019–1040. https://doi.org/10.1007/s12649-018-00546-0

14. González R., Peña D.C., Gómez X. Anaerobic Co-Digestion of Wastes: Reviewing Current Status and Approaches for Enhancing Biogas Production. Applied Sciences. 2022; 12(17): 8884. https://doi.org/10.3390/app12178884

15. Dębowski M. et al. The Effects of Microalgae Biomass Co-Substrate on Biogas Production from the Common Agricultural Biogas Plants Feedstock. Energies. 2020; 13(9): 2186. https://doi.org/10.3390/en13092186

16. Alharbi R.M. Anaerobic co-digestion of cow manure and microalgae to increase biogas production: A sustainable bioenergy source. Journal of King Saud University — Science. 2024; 39(9):103380. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2024.103380

17. Kusmayadi A. et al. Integration of microalgae cultivation and anaerobic co-digestion with dairy wastewater to enhance bioenergy and biochemicals production. Bioresource Technology. 2023; 376:128858. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128858

18. Torres A., Padrino S., Brito A., Díaz L. Biogas production from anaerobic digestion of solid microalgae residues generated on different processes of microalgae-to-biofuel production. Biomass Conversion and Biorefinery. 2023; 13(6): 4659–4672. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01898-9

19. Vargas-Estrada L. et al. A Review on Current Trends in Biogas Production from Microalgae Biomass and Microalgae Waste by Anaerobic Digestion and Co-digestion. BioEnergy Research. 2022;15(1): 77–92. https://doi.org/10.1007/s12155-021-10276-2

20. Vadiveloo A., Matos A.P., Chaudry S., Bahri P.A., Moheimani N.R. Effect of CO2 addition on treating anaerobically digested abattoir effluent (ADAE) using Chlorella sp. (Trebouxiophyceae). Journal of CO2 Utilization. 2020; 38: 273–281. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.02.006

21. Sánchez-Quintero Á. et al. Effects of CO2 and liquid digestate concentrations on the growth performance and biomass composition of Tetradesmus obliquus and Chlorella vulgaris microalgal strains. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2024; 12: 1459756. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1459756

22. Politaeva N., Ilin I., Velmozhina K., Shinkevich P. Carbon Dioxide Utilization Using Chlorella Microalgae. Environments. 2023; 10(7): 109. https://doi.org/10.3390/environments10070109

23. Вельможина К.А. Совершенствование технологии анаэробного сбраживания органических отходов в энергетических целях. Выпускная квалификационная работа магистра. Санкт-Петербург 2023. https://doi.org/10.18720/SPBPU/3/2023/vr/vr23-2591

24. Chusov A., Maslikov V., Badenko V., Zhazhkov V., Molodtsov D., Pavlushkina Y. Biogas Potential Assessment of the Composite Mixture from Duckweed Biomass. Sustainability. 2022; 14(1): 351. https://doi.org/10.3390/su14010351

25. Magdalena J.A., Ballesteros M., González-Fernandez C. Efficient Anaerobic Digestion of Microalgae Biomass: Proteins as a Key Macromolecule. Molecules. 2018; 23(5): 1098. https://doi.org/10.3390/molecules23051098

26. Herrmann C., Kalita N., Wall D., Xia A., Murphy J.D. Optimised biogas production from microalgae through co-digestion with carbon-rich co-substrates. Bioresource Technology. 2016; 214: 328–337. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.04.119

27. Mahdy A., Fotidis I.A., Mancini E., Ballesteros M., González-Fernández C., Angelidaki I. Ammonia tolerant inocula provide a good base for anaerobic digestion of microalgae in third generation biogas process. Bioresource Technology. 2017; 225: 272–278. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.11.086

28. Wu N. et al. Techno-Economic Analysis of Biogas Production from Microalgae through Anaerobic Digestion. Banu J.R. (ed.). Anaerobic Digestion. IntechOpen. 2019. https://doi.org/10.5772/intechopen.86090

29. Nolla-Ardèvol V., Strous M., Tegetmeyer H. Anaerobic digestion of the microalga Spirulina at extreme alkaline conditions: biogas production, metagenome, and metatranscriptome. Frontiers in Microbiology. 2015; 6: 597. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00597

30. González‐Fernández C., Sialve B., Molinuevo-Salces B. Anaerobic digestion of microalgal biomass: Challenges, opportunities and research needs. Bioresource Technology. 2015; 198: 896–906. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.09.095

31. Kannah R.Y., Kavitha S., Karthikeyan O.P., Rene E.R., Kumar G.,Banu J.R. A review on anaerobic digestion of energy and cost effective microalgae pretreatment for biogas production. Bioresource Technology. 2021; 332: 125055. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125055

32. Xiao C. et al. Life cycle and economic assessments of biogas production from microalgae biomass with hydrothermal pretreatment via anaerobic digestion. Renewable Energy. 2020; 151: 70–78. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.10.145

33. Nagarajan D., Lee D.-J., Chang J.-S. Integration of anaerobic digestion and microalgal cultivation for digestate bioremediation and biogas upgrading. Bioresource Technology. 2019; 290: 121804. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121804