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 carbondioxide. 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-levelinhalation exposure to carbon dioxide in indoor environments: A shortreview on human health and psychomotor performance. EnvironmentInternational. 2018; 121(1): 51–56.https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.08.059

3. Шинкевич П.С., Политаева Н.А. Применение микроводорослейв 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. Biologicallymediated carbon capture and utilization by microalgae towardssustainable 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 sustainablebiofuels from microalgae with CO2 bio-sequestration and life cycleassessment. 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 фиксациии утилизации углекислого газа. Альтернативная энергетика иэкология. 2024; (10): 154–166.https://www.elibrary.ru/cqzywb

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

9. Velmozhina K. et al. Production of Biohydrogen from MicroalgaeBiomass 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 biogasproduction 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: RecentProgress 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-Digestionof Wastes: Reviewing Current Status and Approaches for EnhancingBiogas Production. Applied Sciences. 2022; 12(17): 8884.https://doi.org/10.3390/app12178884

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

16. Alharbi R.M. Anaerobic co-digestion of cow manure andmicroalgae to increase biogas production: A sustainable bioenergysource. 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 andanaerobic co-digestion with dairy wastewater to enhance bioenergyand 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 fromanaerobic digestion of solid microalgae residues generated ondifferent processes of microalgae-to-biofuel production. BiomassConversion 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 BiogasProduction from Microalgae Biomass and Microalgae Waste byAnaerobic 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 abattoireffluent (ADAE) using Chlorella sp. (Trebouxiophyceae). Journalof 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 digestateconcentrations on the growth performance and biomass compositionof 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 DioxideUtilization 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 Mixturefrom Duckweed Biomass. Sustainability. 2022; 14(1): 351.https://doi.org/10.3390/su14010351

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

26. Herrmann C., Kalita N., Wall D., Xia A., Murphy J.D. Optimisedbiogas production from microalgae through co-digestion with carbonrich 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., GonzálezFernández C., Angelidaki I. Ammonia tolerant inocula provide a goodbase for anaerobic digestion of microalgae in third generation biogasprocess. 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 fromMicroalgae through Anaerobic Digestion. Banu J.R. (ed.). AnaerobicDigestion. IntechOpen. 2019.https://doi.org/10.5772/intechopen.86090

29. Nolla-Ardèvol V., Strous M., Tegetmeyer H. Anaerobic digestionof the microalga Spirulina at extreme alkaline conditions: biogasproduction, metagenome, and metatranscriptome. Frontiersin Microbiology. 2015; 6: 597.https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00597

30. González‐Fernández C., Sialve B., Molinuevo-Salces B. Anaerobicdigestion of microalgal biomass: Challenges, opportunities andresearch 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 costeffective microalgae pretreatment for biogas production. BioresourceTechnology. 2021; 332: 125055.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125055

32. Xiao C. et al. Life cycle and economic assessments of biogasproduction from microalgae biomass with hydrothermal pretreatmentvia 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 anaerobicdigestion and microalgal cultivation for digestate bioremediation andbiogas upgrading. Bioresource Technology. 2019; 290: 121804.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121804