ПОЛУЧЕНИЕ БИОНЕФТИ ПУТЕМ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО СЖИЖЕНИЯ ВЛАЖНОЙ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ

Работа посвящена исследованию процесса гидротермального сжижения микроводорослей и изучению физико-химических свойств полученной бионефти. Приведено описание новой энергоэффективной установки, созданной для проведения процесса гидротермального сжижения микроводорослей с рекуперацией тепла, и результаты исследования процесса гидротермального сжижения биомассы микроводорослей Arthrospira platensis при температуре 280 ºС (время выдержки – 1 ч). В результате экспериментально проведённого гидротермального сжижения была получена бионефть со значительно боле е высоким содержанием углерода и более низким содержанием кислорода и азота по сравнению с исходной биомассой. Би онефть была получена без использования органических растворителей. Выход бионефти составил 29,5 % с тепл отой сгорания 34,2 МДж/кг. Для оценки фракционного состава бионефти был проведен термогравиметрический анализ: около 80 % пришлось на фракцию бионефти с температурой испарения до 400 ºС. Выход бензиновой фракции бионефти составил 26 %. Одним из основных преимуществ технологии гидротермального сжижения является возможность достижения относительно высокой термодинамической энергоэффективности процесса путем оптимизации теплотехнической схемы установки. Впервые проведены сравнительные термодинамические оценки затрат энергии при гидротермальном сжижении и сушке биомассы микроводорослей, а также вклада рекуперации тепловой энергии в повышение эффективности гидротермального сжижения. Представлены результаты расчетов, показывающие, что благодаря рекуперации тепла гидротермальное сжижение обладает высокой термодинамической эффективностью и поэтому представляется весьма перспективным способом переработки биомассы микроводорослей в биотопливо. Согласно полученным оценкам, рекуперация позволяет экономить до 35 % тепловой энергии, затрачиваемой на гидротермальное сжижение.

1. World Energy Outlook 2012. International Energy Agency. – 2012. – 690 p.

2. Adenle, A.A. Global assessment of research and development for algae biofuel production and its potential role for sustainable development in developing countries / A.A. Adenle, G.E. Haslam, L. Lee // Energy Policy. – 2013. – Vol. 61. – P. 182–195.

3. Alam, F. Biofuel from AlgaeIs It a Viable Alternative? / Alam F. [et al.] // Procedia Engineering. – 2012. – Vol. 49. – P. 221–227.

4. Raslavičius, L. Producing transportation fuels from algae: In search of synergy / L. Raslavičius [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 40. – P. 133–142.

5. Chernova N.I., Kiseleva S.V., Popel’ O.S. Efficiency of the biodiesel production from microalgae / N.I. Chernova, S.V. Kiseleva, O.S. Popel’ // Thermal Engineering. – 2014. – Vol. 61. – No. 6. – P. 399–405.

6. Vigani, M. Food and feed products from microalgae: Market opportunities and challenges for the EU / M. Vigani [et al.] // Trends Food Sci Technol. – 2015. – Vol. 42. – No. 1. – P. 81–92.

7. Pittman, J.K. The potential of sustainable algal biofuel production using wastewater resources / J.K. Pittman, A.P. Dean, O. Osundeko // Bioresour Technol. – 2011. – Vol. 102. – No. 1. – P. 17–25.

8. Kumar V., Kumar A., Nanda M. Pretreated animal and human waste as a substantial nutrient source for cultivation of microalgae for biodiesel production / V. Kumar, A. Kumar, M. Nanda // Environmental Science and Pollution Research. – 2018. – Vol. 25. – No. 22. – P. 22052–22059.

9. Taleb, A. Screening of freshwater and seawater microalgae strains in fully controlled photobioreactors for biodiesel production / A. Taleb [et al.] // Bioresour Technol. – 2016. – Vol. 218. – P. 480–490.

10. Hu, X. Selection of microalgae for high CO2 fixation efficiency and lipid accumulation from ten Chlorella strains using municipal wastewater / Hu X. [et al.] // JEnvS. – 2016. – Vol. 46. – P. 83–91.

11. Neofotis, P. Characterization and classification of highly productive microalgae strains discovered for biofuel and bioproduct generation / Neofotis P. [et al.] // Algal Research. – 2016. – Vol. 15. – P. 164–178.

12. Courchesne, N.M.D. Enhancement of lipid production using biochemical, genetic and transcription factor engineering approaches / N.M.D. Courchesne [et al.] // J Biotechnol. – 2009. – Vol. 141. – No. 1–2. – P. 31–41.

13. Zheng, Y. Two-stage heterotrophic and phototrophic culture strategy for algal biomass and lipid production / Zheng Y. [et al.] // Bioresour Technol. – 2012. – Vol. 103. – No. 1. – P. 484–488.

14. Yee, W. Feasibility of various carbon sources and plant materials in enhancing the growth and biomass productivity of the freshwater microalgae Monoraphidium griffithii NS16 / W. Yee // Bioresour Technol. – 2015. – Vol. 196. – P. 1–8.

15. Чернова, Н. И. Проблемы получения биотоплива третьего поколения: воздействие стрессоров на накопление нейтральных липидов в сине-зеленых водорослях (цианобактериях) / Н. И. Чернова [и др.] // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" (ISJAEE). – 2014. – № 12 (152). – С. 70–83.

16. Salam, K.A. A sustainable integrated in situ transesterification of microalgae for biodiesel production and associated co-product-a review / K.A. Salam, S.B. Velasquez-Orta, A.P. Harvey // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 65. – P. 1179–1198.

17. Vlaskin, M.S. Hydrothermal liquefaction of microalgae to produce biofuels: state of the art and future prospects / M.S. Vlaskin [et al.] // Thermal Engineering. – 2017. – Vol. 64. – No. 9. – P. 627–636.

18. Chernova, N.I. Renewable energy technologies: enlargement of biofuels list and co-products from microalgae / N.I. Chernova [et al.] // MATEC Web Conf. – 2017. – Vol. 112. – No. 10010.

19. Elliott, D.C. Review of recent reports on process technology for thermochemical conversion of whole algae to liquid fuels / D.C. Elliott // Algal Research. – 2016. – Vol. 13. – P. 255–263.

20. Jena, U. Comparative Evaluation of Thermochemical Liquefaction and Pyrolysis for Bio-Oil Production from Microalgae / U. Jena, K.C. Das // Energy & Fuels. – 2011. – Vol. 25. – No. 11. – P. 5472–5482.

21. Jena, U. Effect of operating conditions of thermochemical liquefaction on biocrude production from Spirulina platensis / U. Jena, K.C. Das, J.R. Kastner // Bioresour Technol. – 2011. – Vol. 102. – No. 10. – P. 6221–6229.

22. Chernova, N.I. Microalgae biofuels: Induction of lipid synthesis for biodiesel production and biomass residues into hydrogen conversion / N.I. Chernova, S.V. Kiseleva // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – No. 5. – P. 2861–2867.

23. Пат. 2322489 C1 Российская Федерация, МПК6 C12N 1/12, C12R 1/89 Штамм Arthrospira platensis (Nordst.) Geitl. 1/02-T/03-5 – продуцент белковой биомассы / Коробкова Т.П., Чернова Н.И., Киселева С.В., Зайцев С.И.; заявители и патентообладатели Коробкова Т.П., Чернова Н.И., Киселева С.В., Зайцев С.И. – №2006122671/13; заявл. 27.06.06; опубл. 2008/04/20, Бюл. № 11. – 7 с: 3 ил., 3 табл.

24. Zarrouk C. Contribution a l'etude d’ une cyanophycee. Influence de diverse facteursphysiques et chimiques sur la croissance et la photosynthese de Spirulina maxima (Setch et Gardner) Geitler: University of Paris, France; 1966.

25. Toor, S.S. Hydrothermal liquefaction of Spirulina and Nannochloropsis salina under subcritical and supercritical water conditions / S.S. Toor [et al.] // Bioresour Technol. – 2013. – Vol. 131. – P. 413–419.

26. Biller, P. Effect of hydrothermal liquefaction aqueous phase recycling on bio-crude yields and composition / P. Biller [et al.] // Bioresour Technol. – 2016. – Vol. 220. – P. 190–199.

27. Lu, J. Simultaneous production of biocrude oil and recovery of nutrients and metals from human feces via hydrothermal liquefaction / J. Lu [et al.] // Energy Convers Manage. – 2017. – Vol. 134. – P. 340–346.

28. Zhou, Y. A synergistic combination of algal wastewater treatment and hydrothermal biofuel production maximized by nutrient and carbon recycling / Y. Zhou [et al.] // Energy & Environmental Science. – 2013. – Vol. 6. – No. 12. – P. 3765–3779.

29. Bagnoud-Velásquez, M. First developments towards closing the nutrient cycle in a biofuel production process / M. Bagnoud-VelAsquez [et al.] // Algal Research. – 2015. – Vol. 8. – P. 76–82.

30. Garcia Alba, L. Microalgae growth on the aqueous phase from Hydrothermal Liquefaction of the same microalgae / L. Garcia Alba [et al.] // Chem. Eng. J. – 2013. – Vol. 228. – P. 214–223.

31. Biller P., Nutrient recycling of aqueous phase for microalgae cultivation from the hydrothermal liquefaction process / P. Biller [et al.] // Algal Research. – 2012. – Vol. 1. – No. 1. – P. 70–76.

32. Lopez Barreiro, D. Cultivation of microalgae with recovered nutrients after hydrothermal liquefaction / D. Lopez Barreiro [et al.] // Algal Research. – 2015. – Vol. 9. – P. 99–106.

33. Chen, L. Recycling nutrients from a sequential hydrothermal liquefaction process for microalgae culture / L. Chen // Algal Research. – 2017. – Vol. 27. – P. 311–317.

34. Leng, L. Use of microalgae to recycle nutrients in aqueous phase derived from hydrothermal liquefaction process / L. Leng [et al.] // Bioresour Technol. – 2018. – Vol. 256. – P. 529–542.

35. Valdez, P.J. Hydrothermal liquefaction of Nannochloropsis sp.: Systematic study of process variables and analysis of the product fractions / P.J. Valdez [et al.] // Biomass Bioenergy. – 2012. – Vol. 46. – P. 317–331.