Details

Данная работа посвящена исследованию возможности снижения концентрации CO2 в газовом потоке с использованием микроводоросли Chlorella kessleri, а также рассмотрению дальнейшей утилизации образующейся микроводорослевой биомассы для получения биогаза. Объектом исследования является процесс биофиксации углекислого газа при прохождении CO2-содержащего газового потока через суспензию микроводоросли Chlorella kessleri. Предметом исследования являются условия барботажной подачи газовой смеси, изменение концентрации CO2 на входе и выходе биореактора, прирост микроводорослевой культуры и система двухточечного контроля газовой фазы. Целью работы является разработка и теоретико-экспериментальное обоснование лабораторной методики биофиксации CO2 микроводорослью Chlorella kessleri при барботажной подаче CO2-содержащей газовой смеси, а также рассмотрение возможности последующего использования образующейся биомассы в качестве субстрата для анаэробного сбраживания. Задачи, которые выполнены в ходе работы: 1. Анализ современных подходов к снижению выбросов CO2 тепловой энергетики. 2. Рассмотрение особенностей дымовых газов ТЭЦ как объекта биологического улавливания. 3. Обоснование применения микроводоросли Chlorella kessleri для биофиксации CO2. 4. Описание лабораторной схемы биофиксации CO2 в 110-литровом фотобиореакторе. 5. Разработка и применение CO2-логгера для двухточечного контроля газовой фазы. 6. Оценка снижения концентрации CO2 и прироста микроводорослевой культуры. 7. Рассмотрение возможности утилизации микроводорослевой биомассы в метантэнке для получения биогаза. 8. Разработка концептуального варианта городской фотобиореакторной установки и рассмотрение возможности размещения таких установок вблизи ТЭЦ и участков с повышенной транспортной нагрузкой. В результате работы были рассмотрены теоретические основы биофиксации CO2 микроводорослями, особенности барботажной подачи газовой смеси и условия культивирования Chlorella kessleri. Проведена апробация процесса в 110-литровом фотобиореакторе-биофильтре, показано снижение концентрации CO2 после прохождения газового потока через микроводорослевую суспензию. Также разработан CO2-логгер на основе двух NDIR-датчиков, предназначенный для регистрации концентрации CO2 на входе и выходе биореактора. Для достижения данных результатов в работе были использованы такие информационные технологии, как Microsoft Excel, Microsoft PowerPoint, Arduino IDE, Python, Matlab, электронная библиотека СПбПУ, научная электронная библиотека eLIBRARY.RU и открытые научные базы данных. На основании проведенного исследования сделан вывод о целесообразности применения барботажной схемы с суспензией Chlorella kessleri для лабораторной оценки биофиксации CO2. Разработанный CO2-логгер может использоваться для получения временных рядов концентрации углекислого газа, а образующаяся микроводорослевая биомасса может рассматриваться как потенциальное сырье для дальнейшего анаэробного сбраживания.

This work is devoted to the study of CO2 concentration reduction in a gas flow using the microalga Chlorella kessleri, as well as to the consideration of further utilization of the produced microalgal biomass for biogas production. The object of the study is the process of carbon dioxide biofixation during the passage of a CO2-containing gas flow through a suspension of the microalga Chlorella kessleri. The subject of the study is the bubbling gas supply conditions, changes in CO2 concentration at the inlet and outlet of the bioreactor, the growth of the microalgal culture, and the two-point gas-phase monitoring system. The purpose of the work is to develop and provide a theoretical and experimental justification for a laboratory method of CO2 biofixation by Chlorella kessleri under bubbling supply of a CO2-containing gas mixture, as well as to consider the possibility of further using the produced biomass as a substrate for anaerobic digestion. During the work the following tasks were solved: 1. Analysis of modern approaches to reducing CO2 emissions from thermal power facilities. 2. Consideration of CHP flue gases as an object of biological capture. 3. Justification of the use of Chlorella kessleri for CO2 biofixation. 4. Description of a laboratory CO2 biofixation scheme in a 110 L photobioreactor. 5. Development and application of a CO2 logger for two-point gas-phase monitoring. 6. Assessment of CO2 concentration reduction and microalgal culture growth. 7. Consideration of microalgal biomass utilization in a methane tank for biogas production. 8. Development of a conceptual design of an urban photobioreactor unit and consideration of possible placement of such units near CHP plants and areas with high traffic load. As a result of the work, the theoretical basis of CO2 biofixation by microalgae, the features of bubbling gas supply, and the cultivation conditions of Chlorella kessleri were considered. The process was tested in a 110 L photobioreactor-biofilter, and a decrease in CO2 concentration after the gas flow passed through the microalgal suspension was shown. A CO2 logger based on two NDIR sensors was also developed to record CO2 concentration at the inlet and outlet of the bioreactor. To achieve these results, such information technologies as Microsoft Excel, Microsoft PowerPoint, Arduino IDE, Python, Matlab, the SPbPU electronic library, the eLIBRARY.RU scientific electronic library, and open scientific databases were used. Based on the conducted research, a conclusion was made on the feasibility of using a bubbling scheme with a Chlorella kessleri suspension for laboratory assessment of CO2 biofixation. The developed CO2 logger can be used to obtain time series of carbon dioxide concentration, while the produced microalgal biomass can be considered as a potential substrate for further anaerobic digestion. In addition, a conceptual option for urban placement of compact photobioreactor units near CHP plants and areas with high traffic load was proposed as a prospective direction for further development of the technology.