1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 5, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 5, стр. 57-72

Эффективность поглощения CO2 микроводорослями Arthrospira platensis из смеси, моделирующей дымовые газы

М. С. Власкин a, b, c, *, С. В. Киселёва a, d, Н. И. Чернова a, d, А. В. Григоренко a, К. Г. Рындин a, О. С. Попель a, С. Я. Маланий e, О. В. Славкина e, Ф. де Фариас Навес f, В. Кумар b, c

a Объединенный институт высоких температур РАН
125412 Москва, Ленинский просп., д. 14, Россия

b Graphic Era Hill University, Clement Town
248002 Uttarakhand state, Dehradun, 566/6, Society Area, Bell Road, India

c Российский университет дружбы народов
117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Россия

d Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, Россия

e “Лукойл-Инжиниринг”
109028 Москва, Покровский бульвар, д. 3 стр. 1, Россия

f University of the State of Santa Catarina
Florianópolis, Av. Me. Benvenuta, 2007, Brazil

* E-mail: vlaskin@inbox.ru

Поступила в редакцию 17.10.2022
После доработки 19.11.2022
Принята к публикации 25.11.2022

Аннотация

Для достижения декарбонизации энергетики требуется поиск способов сокращения выбросов парниковых газов в окружающую среду, в том числе утилизации углекислого газа, образующегося при сжигании углеводородных топлив на энергетических объектах. Один из перспективных способов – это поглощение диоксида углерода биотой, причем не только наземными растениями, но и водными организмами, в том числе специально выращиваемыми микроводорослями. В данной работе проведено исследование эффективности абсорбции углекислого газа концентрацией около 6% из газовоздушной смеси микроводорослями Arthrospira platensis (Nordst.) Geitl. Такая концентрация была выбрана на основе экспериментального определения содержания CO2 в дымовых газах, образующихся на промышленных газопоршневых электростанциях. Эксперименты проводились с использованием закрытого фотобиореактора вместимостью 100 дм3, размещенного в газовой камере, позволяющей создавать повышенные концентрации СО2 в газовоздушной среде. Максимальная скорость роста биомассы микроводорослей – 0.140 г/(дм3 · сут). Эффективность поглощения СО2 микроводорослями составила 0.220 г/(дм3 · сут) по результатам определения продуктивности микроводорослей по биомассе и 0.235 г/(дм3 · сут) по результатам прямого измерения концентрации СО2 в камере. Концентрация основных питательных веществ (гидрокарбонатов, фосфатов и нитратов) в среде за период эксперимента снизилась на 25–50%. Проведен сравнительный анализ потребления микроводорослями углерод-содержащих компонентов среды (${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{CO}}_{3}^{{2 - }}$) при барботировании культуральных жидкостей газовоздушной смесью с различным содержанием углекислого газа. В целом, продемонстрирована хорошая жизнеспособность микроводорослей A. platensis (высокое качество биомассы и высокая скорость роста) при культивировании ее в атмосфере с повышенной концентрацией (6%) CO2.

Ключевые слова: микроводоросли, Arthrospira platensis, дымовые газы, фотобиореактор, газопоршневые мотор-генераторы, поглощение углекислого газа

Список литературы

  1. Mansour M. CO2 emissions from fuel combustion. Highlights. Paris, France: International Energy Agency, 2018.

  2. Yoro K.O., Daramola M.O. CO2 emission sources, greenhouse gases, and the global warming effect // Advances in Carbon Capture. Amsterdam: The Woodhead Publishing, 2020. P. 3–28.

  3. Methods and techniques for CO2 capture: Review of potential solutions and applications in modern energy technologies / P. Madejski, K. Chmiel, N. Subramanian, T. Kuś // Energies. 2022. V. 15. No. 3 (887). P. 1–21. https://doi.org/10.3390/en15030887

  4. Potential of CO2 capture from flue gases by physicochemical and biological methods: A comparative study / I. Matito-Martos, C. Sepúlveda, C. Gómez, G. Acién, J. Perez-Carbajo, J.A. Delgado, V.I. Águeda // Chem. Eng. J. 2020. V. 417. P. 128020. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128020

  5. CO2 sequestration by hybrid integrative photosynthesis (CO2-SHIP): A green initiative for multi-product biorefineries / M.S. Kareya, I. Mariam, A.A. Nesamma, P.P. Jutur // Mater. Sci. Energy Technol. 2020. V. 3. P. 420–428. https://doi.org/10.1016/j.mset.2020.03.002

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

  7. Chapter 17 – CO2 capture using microalgae / M.A. Vale, A. Ferreira, J.C.M. Pires, A.L. Gonçalves // Advances in Carbon Capture: Methods, Technol. Appl. United Kingdom: Woodhead Publishing, 2020. P. 381–405. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819657-1.00017-7

  8. Van Den Hende S., Vervaeren H., Boon N. Flue gas compounds and microalgae: (bio-)chemical interactions leading to biotechnological opportunities // Biotechnol. Adv. 2012. V. 30. No. 6. P. 1405–1424. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.02.015

  9. Biosequestration of atmospheric CO2 and flue gas-containing CO2 by microalgae / W.Y. Cheah, P.L. Show, J.-S. Chang, T.C. Ling, J.C. Juan // Bioresour. Technol. 2014. V. 184. No. 9. P. 190–201. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.11.026

  10. Zhao B., Su Y. Process effect of microalgal-carbon dioxide fixation and biomass production: A review // Renewable Sustainable Energy Rev. 2014. V. 31 (C). P. 121–132. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.11.054

  11. Lam M.K., Lee K.T. Renewable and sustainable bioenergies production from palm oil mill effluent (POME): Win–win strategies toward better environmental protection // Biotechnol. Adv. 2010. V. 29. No. 1. P. 124–141. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2010.10.001

  12. Integration of microalgae cultivation with industrial waste remediation for biofuel and bioenergy production: opportunities and limitations / P.J. McGinn, K.E. Dickinson, S. Bhatti, J.-C. Frigon, S.R. Guiot, S.J.B. O’Leary // Photosynth. Res. 2011. V. 109. No. 1. P. 231–247. https://doi.org/10.1007/s11120-011-9638-0

  13. Molitor H.R., Schnoor J.L. Using simulated flue gas to rapidly grow nutritious microalgae with enhanced settleability // ACS Omega. 2020. V. 5. № 42. P. 27269–27277. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03492

  14. Long-term cultivation of a native Arthrospira platensis (Spirulina) strain in Pozo Izquierdo (Gran Canaria, Spain): technical evidence for a viable production of food-grade biomass / F. Guidi, Z. Gojkovic, M. Venuleo, P.A.C.J. Assunçao, E. Portillo // Processes. 2021. V. 9. No. 8. P. 1333. https://doi.org/10.3390/pr9081333

  15. Effect of CO2 concentration on growth and photosynthesis of Spirulina platensis / S.-G. Kim, C.-S. Park, Y.‑H. Park, S.-T. Lee, H.-M. Oh // Conf. Proc.: Studies in surface science and catalysis. Amsterdam, The Netherland, 2004. P. 295–298.

  16. Effects of CO2 concentration on carbon fixation capability and production of valuable substances by Spirulina in a columnar photobioreactor / B. Zhu, T. Xiao, H. Shen, Y. Li, X. Ma, Y. Zhao, K. Pan // Algal Res. 2021. V. 56. P. 102310. https://doi.org/10.1016/j.algal.2021.102310

  17. Growth response of Spirulina platensis PCC9108 to elevated CO2 levels and flue gas / S.M. Hoseini, A. Almodarres, S. Afsharzadeh, M. Hatamipur, F. Montazeri // Biol. J. Microorg. 2014. V. 2. No. 8. P. 29–36

  18. Impact of CO2 concentration and ambient conditions on microalgal growth and nutrient removal from wastewater by a photobioreactor / F. Almomani, A.M.D. Al Ketife, S.J. Judd, M. Shurair, R.R. Bhosale, H. Znad, M. Tawalbeh // Sci. Total Environ. 2019. V. 662. P. 662–671. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.01.144

  19. Ramirez-Perez J.C., Janes H. Impact of salinity on the kinetics of CO2 fixation by Spirulina platensis cultivated in semi-continuous photobioreactors // Ecle’tica Quimica. J. 2021. V. 46. No. 1. P. 21–34. https://doi.org/10.26850/1678-4618eqj.v46.1.2021.p21-34

  20. Large-scale cultivation of Spirulina for biological CO2 mitigation in open raceway ponds using purified CO2 from a coal chemical flue gas / B. Zhu, H. Shen, Y. Li, Q. Liu, G. Jin, J. Han, Y. Zhao, K. Pan // Front. Bioeng. Biotechnol. 2020. V. 7. P. 441. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00441

  21. Kim Y.S., Lee S.-H. Quantitative analysis of Spirulina platensis growth with CO2 mixed aeration // Environ. Eng. Res. 2018. V. 23. No. 2. P. 216–222. https://doi.org/10.4491/eer.2017.193

  22. Liu W., Wang J., Liu T. Low pH rather than high CO2 concentration itself inhibits growth of Arthrospira // Sci. Total Environ. 2019. V. 666. P. 572–580. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.02.312

  23. Spirulina platensis culture with flue gas feeding as a cyanobacteria-based carbon sequestration option / S. Arata, C. Strazza, A. Lodi, A. Del Borghi // Chem. Eng. Technol. 2013. V. 36. No. 1. P. 91–97

  24. Iamtham S., Sornchai P. Biofixation of CO2 from a power plant through large-scale cultivation of Spirulina maxima // South African J. of Botany. 2022. V. 147. P. 840–851. https://doi.org/10.1016/j.sajb.2022.03.028

  25. Setiawan Y., Asthary P.B., Saepulloh. CO2 flue gas capture for cultivation of Spirulina platensis in paper mill effluent medium// AIP Conf. Proc. 2019. V. 2120. P. 040005. https://doi.org/10.1063/1.5115643

  26. Application of power plant flue gas in a photobioreactor to grow Spirulina algae, and a bioactivity analysis of the algal water-soluble polysaccharides / H.-W. Chen, T.-S. Yang, M.-J. Chen, Y.-C. Chang, C.-Y. Lin, E.I.C. Wang, C.-L. Ho, K.-M. Huang, C.-C. Yu, F.‑L. Yang, S.-H. Wu, Y.-C. Lu, L. K.-P. Chao // Bioresour. Technol. 2012. V. 120. P. 256–263. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.04.106

  27. Гидротермальное сжижение микроводорослей для получения биотоплив: современное состояние и перспективы развития / М. С. Власкин, Н. И. Чернова, С. В. Киселева, О. С. Попель, А. З. Жук // Теплоэнергетика. 2017. № 9. С. 5–16. https://doi.org/10.1134/S0040363617090107

  28. Чернова Н.И., Киселева С.В., Попель О.С. Эффективность производства биодизеля из микроводорослей // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 14–21. https://doi.org/10.1134/S0040363614060010

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал