Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Характеристики процесса получения биоводорода из простых и комплексных субстратов с разным биополимерным составом

https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.09.010

Полный текст:

Аннотация

В работе исследовали характеристики процесса темновой ферментации (ТФ) ряда простых (крахмал, подсолнечное масло, пептон и их смесь) и комплексных (корм для собак, комбикорм для свиней, осадок сточных вод (ОСВ)) субстратов с использованием смешанной культуры, контроля рН (5.5), при 55оС. Пептон и подсолнечное масло характеризовались минимальной продукцией H2, составившей, соответственно, 5.0 и 2.3 мл H2/г ХПК. Удельный выход водорода в расчете на разложенный крахмал составил 1.55 моль Н2/моль. Добавление пептона и подсолнечного масла к крахмалу снижало удельный выход водорода из крахмала на 23%. Значительное отличие в продукции водорода наблюдалось при ТФ комплексных отходов. Удельный выход водорода из корма для собак составил 46.5 мл Н2/г ХПК или 143.4 мл Н2/г углеводов, из комбикорма для свиней – 32.1 мл Н2/г ХПК или 91.6 мл Н2/г углеводов, а из ОСВ – 9.3 мл Н2/г ХПК или 98.0 мл Н2/г углеводов. Возможные взаимосвязи между биополимерным составом субстратов и характеристиками процесса ТФ были проанализированы с применением коэффициентов ранговой корреляции Спирмена. Концентрация углеводов, а также соотношение углеводы/белки и углеводы/жиры были основными факторами, влияющими на высокий удельный выход Н2, его содержание в биогазе, а также соотношение Н2/растворимые метаболиты. Концентрация белков оказывала статистически значимое положительное влияние на накопление ацетата и сукцината, а углеводов – на накопление капроната.

Об авторах

Ю. В. Литти
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

Литти Юрий Владимирович - старший научный сотрудник лаборатории микробиологии антропогенных мест обитания, кандидат биологических наук 

119071 г. Москва, Ленинский проспект, д.33, стр. 2

тел. +7(926)369-92-43 

SPIN: 1487-7611

Researcher ID: C-4945-2014 



А. А. Ковалев
ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
Россия

Ковалев Андрей Александрович - старший научный сотрудник лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий, кандидат технических наук

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

SPIN: 4267-3026

Researcher ID: F-7045-2017

Scopus Author ID: 57205285134 



Д. А. Ковалев
ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
Россия

Ковалев Дмитрий Александрович - заведующий лабораторией биоэнергетических технологий, кандидат технических наук 

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

SPIN: 6513-5547

Researcher ID: K-4810-2015



И. В. Катраева
ФГБОУ ВО ННГАСУ
Россия

Катраева Инна Валентиновна - доцент кафедры водоснабжения, водоотведения, инженерной экологии и химии, кандидат технических наук 

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65

SPIN: 3369-3091

Researcher ID: O-4715-2016 



С. Н. Паршина
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

ФИЦ Биотехнологии РАН, старший научный сотрудник Лаборатории микробиологии антропогенных мест обитания, кандидат биологических наук 

119071 г. Москва, Ленинский проспект, д.33, стр. 2

SPIN: 1315-8275

ResearcherID: A-8607-2014

Scopus ID: 35511680900 



Е. А. Журавлева
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

Журавлева Елена Александровна - м.н.с. лаборатории микробиологии антропогенных мест обитания, аспирант

119071 г. Москва, Ленинский проспект, д.33, стр. 2

Scopus Author ID: 57216346570 



Е. А. Бочкова
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

Бочкова Екатерина Александровна - научный сотрудник лаборатории микробиологии антропогенных мест обитания, кандидат биологических наук 

119071 г. Москва, Ленинский проспект, д.33, стр. 2

SPIN: 5343-1389

Researcher ID: C-1974-2014

Scopus Author ID: 56674603800 



Список литературы

1. Tuck CO, Pérez E, Horváth IT, Sheldon RA, Poliakoff M. Valorization of biomass: deriving more value from waste. Science 2012;337:695–9. http://dx.doi.org/10.1126/science.1218930.

2. Ni M, Leung DYC, Sumathy MKH. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Process. Technol 2006;87:461–72. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuproc.2005.11.003.

3. Wang J, Wan W. Factors influencing fermentative hydrogen production: a review. Int. J. Hydrogen Energy 2009;34:799–811. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.015.

4. De Gioannis G, Muntoni A, Polettini A, Pomi R. A review of dark fermentation hydrogen production from biodegradable municipal waste fractions. Waste Manage 2013;33:1345–61. http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2013.02.019

5. Vendruscolo F. Starch: a potential substrate for biohydrogen production. Int. J. Energy Res. 2014;39(3):293–302. http://dx.doi.org/10.1002/er.3224.

6. Cappai G, Gioannis GD, Muntoni A, Spiga D, Boni MR, Polettini A, Pomi R, Rossi A. Biohydrogen Production from Food Waste: Influence of the Inoculum-ToSubstrate Ratio. Sustainability 2018;10(12):4506. http://dx.doi.org/10.3390/su10124506.

7. Alibardi L, Cossu R. Effects of carbohydrate, protein and lipid content of organic waste on hydrogen production and fermentation products. Waste Manage 2016;47:69–77. http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2015.07.049.

8. Ito T, Nakashimada Y, Senba K, Matsui T, Nishio N. Hydrogen and ethanol production from glycerolcontaining wastes discharged after biodiesel manufacturing process. J Biosci Bioeng 2005;100(3):260–5. http://dx.doi.org/10.1263/jbb.100.260.

9. Dong L, Zhenhong Y, Yongming S, Xiaoying K, Yu Z. Hydrogen production characteristics of the organic fraction of municipal solid wastes by anaerobic mixed culture fermentation. Int J Hydrogen Energ 2009;34(2):812–20. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.031.

10. Bai M, Cheng S, Chao Y. Effects of substrate components on hydrogen fermentation of multiple substrates. Water Sci Technol 2004;50:209–16. http://dx.doi.org/10.2166/wst.2004.0517.

11. Kim S.-H, Han S.-K, Shin H.-S, Feasibility of biohydrogen production by anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge. Int J Hydrogen Energy 2004;29:1607–1616. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.02.018.

12. Campuzano R, González-Martínez S. Characteristics of the organic fraction of municipal solid waste and methane production: A review. Waste Manage 2016;54:3–12. http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.05.016.

13. Wei S, Xiao B, Liu J. Impact of alkali and heat pretreatment on the pathway of hydrogen production from sewage sludge. Chinese Sci Bull 2010;55(8):777– 86. http://dx.doi.org/10.1007/s11434-009-0591-7.

14. Lokshina L, Vavilin V, Litti Y, Glagolev M, Sabrekov A, Kotsyurbenko O, Kozlova M. Methane Production in a West Siberian Eutrophic Fen Is Much Higher than Carbon Dioxide Production: Incubation of Peat Samples, Stoichiometry, Stable Isotope Dynamics, Modeling. Water Resour 2019;46(S1):110–25. http://dx.doi.org/10.1134/S0097807819070133.

15. Litti Y, Nikitina A, Kovalev D, Ermoshin A, Mahajan R, Gunjan G, Nozhevnikova A. Influence of cationic polyacrilamide flocculant onhigh-solids’ anaerobic digestion of sewage sludge under thermophilic conditions. Environ Technol 2017;14:1-26 http://dx.doi.org/10.1080/09593330.2017.1417492.

16. Carrillo-Reyes J, Buitr ´on G, Moreno-Andrade I, Tapia-Rodr´ıguez AC, Palomo-Briones R, Razo-Flores E, Ju´arez OA, Arreola-Vargas J, Bernet N, Braga AFM, Braga L, Castell ´o E, Chatellard L, Etchebehere C, Fuentes L, Le´on-Becerril E, M´endez-Acosta HO, RuizFilippi G, Venegas ET, Trably E, Wenzel J, Zaiat M, Standardized protocol for determination of biohydrogen potential, MethodsX 2020;7:100754. http://dx.doi.org/10.1016/j.mex.2019.11.027.

17. Li C, Fang HHP. Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures. Crit Rev Environ Sci Technol 2007;37:1–39. http://dx.doi.org/10.1080/10643380600729071.

18. Elasharnouby O, Hafez H, Nakhla G, Naggar MHE. A critical literature review on biohydrogen production by pure cultures. Int J Hydrogen Energy 2013;38:4945–66. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.02.032.

19. Kargi F, Pamukoglu MY. Dark fermentation of ground wheat starch for bio-hydrogen production by fedbatch operation. Int J Hydrogen Energy 2009;34(7):2940–6. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.12.101.

20. Ковалев АА, Ковалев ДА, Литти ЮВ, Катраева ИВ. Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE) 2020;7-18(330- 341):87-100. http://dx.doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.087-100.

21. Bundhoo MAZ, Mohee R. Inhibition of dark fermentative bio-hydrogen production: A review. Int J Hydrogen Energy 2016;41(16):6713–33. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.057.

22. Karadag D, Puhakka JA. Direction of glucose fermentation towards hydrogen or ethanol production through on-line pH control. Int J Hydrogen Energy 2010;35(19):10245–51. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.139.

23. Hawkes F, Hussy I, Kyazze G, Dinsdale R, Hawkes D. Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora: Principles and progress. Int J Hydrogen Energy 2007;32:172–84. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.08.014.

24. Kothari R, Kumar V, Pathak VV, Ahmad S, Aoyi O, Tyagi VV. A critical review on factors influencing fermentative hydrogen production. Front BiosciLandmrk 2017;22:1195-220. http://dx.doi.org/10.2741/4542.

25. Angelidaki I, Sanders W. Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Rev Environ Sci Biotechnol 2004;3:117–29. http://dx.doi.org/10.1007/s11157-004-2502-3.

26. Gavazza S, Amorim NCS, Kato MT, Florencio L, Amorim ELC. Caproic Acid Formation by Carbon Chain Elongation During Fermentative Hydrogen Production of Cassava Wastewater. Waste Biomass Valorization 2020. http://dx.doi.org/10.1007/s12649-020-01174-3.

27. Zhu X, Zhou Y, Wang Y, Wu T, Li X, Li D, Tao Y. Production of high-concentration n-caproic acid from lactate through fermentation using a newly isolated Ruminococcaceae bacterium CPB6. Biotechnol Biofuels 2017;10:102. http://dx.doi.org/10.1186/s13068-017-0788-y.

28. Heyndrickx M, Vos PD, Vancanneyt M, Ley JD. The fermentation of glycerol by Clostridium butyricum LMG 1212t2 and 1213t1 and C. pasteurianum LMG 3285. Appl Microbiol Biot 1991;34(5):637–47. http://dx.doi.org/10.1007/BF00167914.

29. Vlassis T, Stamatelatou K, Antonopoulou G, Lyberatos G. Anaerobic treatment of glycerol for methane and hydrogen production. Global NEST J 2012;14(2):149-56. http://dx.doi.org/10.30955/gnj.000864.

30. Sales A. Production of biodiesel from sunflower oil and ethanol by base catalyzed transesterification [Internet] [Dissertation]. 2011. Available from: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-41158

31. Nagase M, Matuo T. Interactions between aminoacid degrading bacteria and methanogenic bacteria in anaerobic digestion. Biotechnol Bioeng. 1982;24(10):2227–39. http://dx.doi.org/10.1002/bit.260241009.

32. Xiao N, Chen Y, Chen A, Feng L. Enhanced Biohydrogen Production from Protein Wastewater by Altering Protein Structure and Amino Acids Acidification Type. Sci Rep 2014;4(1):3992. http://dx.doi.org/10.1038/srep03992.

33. Łukajtis R, Hołowacz I, Kucharska K, Glinka M, Rybarczyk P, Przyjazny A, Kamiński M. Hydrogen production from biomass using dark fermentation. Renew Sust Energ Rev 2018;91: 665–94. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.043.

34. Yuan X, Shi X, Zhang P., Wei Y, Guo R, Wang L. Anaerobic biohydrogen production from wheat stalk by mixed microflora: Kinetic model and particle size influence. Bioresour Technol 2011;102(19):9007–12. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2011.06.045.

35. Hiroshi Y, Takahiro Y, Akifumi O, Mitsuyoshi I, Yasuo T. Hydrogen Fermentation of Cow Manure Mixed with Food Waste. Jpn Agric Res Q 2010;44:399–404. http://dx.doi.org/10.6090/jarq.44.399.

36. Cai M, Liu J, Wei Y. Enhanced Biohydrogen Production from Sewage Sludge with Alkaline Pretreatment. Environ Sci Technol 2004;38(11):3195–202. http://dx.doi.org/10.1021/es0349204.

37. Xiao B, Liu J. Biological hydrogen production from sterilized sewage sludge by anaerobic selffermentation. J Hazard Mater 2009;168(1):163–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.02.008.


Для цитирования:


Литти Ю.В., Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Катраева И.В., Паршина С.Н., Журавлева Е.А., Бочкова Е.А. Характеристики процесса получения биоводорода из простых и комплексных субстратов с разным биополимерным составом. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020;(25-27):107-121. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.09.010

For citation:


Litti Yu.V., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Katraeva I.V., Parshina S.N., Zhuravleva E.A., Bochkova E.A. Characteristics of biohydrogen production from simple and complex substrates with different biopolymeric composition. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(25-27):107-121. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.09.010

Просмотров: 14


ISSN 1608-8298 (Print)