Концепция электрохимического кондиционирования биоводорода, получаемого в процессе темновой ферментации

Производство и накопление пищевых отходов ежегодно растёт, представляя угрозу человечеству и окружающей среде. При этом пищевые отходы являются потенциальным возобновляемым источником для получения зеленого водорода путем их темновой ферментации (ТФ). Последние исследования по интенсификации ТФ показали высокий потенциал процесса, сравнимый с электролизом по эффективности. Однако, несмотря на эффективность процесса ТФ, одним из препятствий для его внедрения является наличие в водородсодержащем биогазе значительного (до 94%) содержания углекислого газа. Таким образом, для дальнейшего использования биоводорода требуется его очистка от углекислого газа. В статье показано, что для очистки водородсодержащего биогаза наиболее приемлемо использование химического поглотителя, однако данный способ необходимо улучшить за счет применения принципов зеленой химии с возможностью дальнейшего использования улучшенного способа очистки в рамках циркулярной экономики. Целью данного исследования являлась разработка концепции электрохимического кондиционирования биоводорода, получаемого в процессе ТФ с использованием принципов циркулярной экономики и зеленой химии. Концепция предполагает очистку биоводорода при уменьшении выбросов углекислого газа в атмосферу на основе использования промежуточного носителя СО₂ для последующей его утилизации в фотобиореакторе. На основе химизма процесса разработан материальный баланс процесса. Для экспериментального подтверждения возможности кондиционирования биогаза в соответствии с представленной концепцией разработана экспериментальная установка. В среднем степень удаления СО₂ составила 68% при содержании биоводорода после электрохимического кондиционирования 84,9%. Полученные данные говорят о возможности использования разработанной системы для очистки биоводорода, полученного в процессе темновой ферментации, однако требуется модернизация и оптимизация отдельных элементов разработанной системы, что планируется в дальнейших исследованиях.

1. Abu Hatab A., Cavinato M. E. R., Lindemer A., Lagerkvist C. -J. Urban Sprawl. Food Security and Agricultural Systems in Developing Countries: A Systematic Review of the Literature // Cities. 2019; 94:129-142. https://doi.org/10.1016/j.cities.2019.06.001.

2. Food Waste Index Report 2024: Think Eat Save – Tracking Progress to Halve Global Food Waste. United Nations Environment Programme 2024. https://www.unep.org/resources/publication/food-waste-indexreport-2024.

3. Sinha S., Tripathi P. Trends and Challenges in Valorisation of Food Waste in Developing Economies: A Case Study of India // Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2021; 4:100162. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2021.100162.

4. Щербакова А. С. Анализ выброшенных продуктов в рамках бюджетного финансирования на бесплатное питание в школьных учреждениях (на материалах Республики Коми). Корпоративное управление и инновационное развитие экономики Севера // Вестник Научно-исследовательского центра корпоративного права, управления и венчурного инвестирования Сыктывкарского государственного университета. 2024; 4(3):260-272. https://doi.org/10.34130/2070-49922024-4-3-260.

5. Filimonau V., Ermolaev V. A. A Sleeping Giant? Food Waste in the Foodservice Sector of Russia // Journal of Cleaner Production. – 2021; 2.

6. Scherhaufer S., Moates G., Hartikainen H., Waldron K., Obersteiner G. Environmental Impacts of Food Waste in Europe // Waste Management. – 2018; 77:98113. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.04.038.

7. Иваненко А. А., Лайкова А. А., Журавлева Е. А., Шехурдина С. В., Вишнякова А. В., Ковалев А. А., Ковалев Д. А., Трчунян К. А., Литти Ю. В. Биологическое получение водорода: от базовых принципов к последним достижениям в улучшении процесса // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023; (10):103-141. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.10.103-141

8. Kovalev А. А., Kovalev D. А., Panchenko V. A.,Zhuravleva Е. А., Laikova А. А., Shekhurdina S. V., Vivekanand V., Litti Y. V. Approbation of an Innovative Method of Pretreatment of Dark Fermentation Feedstocks // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022; 47 (78):33272-33281. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.051.

9. Ковалев А. А. Энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород- и метансодержащих биогазов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2020; (25-27):95-106. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.09.009

10. Zhang T., Jiang D., Zhang H., Jing Y., Tahir N., Zhang Y., Zhang, Q. Comparative Study on Bio-Hydrogen Production from Corn Stover: Photo-Fermentation, Dark-Fermentation and Dark-Photo Co-Fermentation // International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45 (6):3807-3814. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.170.

11. Lu C., Zhang Z., Zhou X., Hu J., Ge X., Xia C., Zhao J., Wang Y., Jing Y., Li Y., Zhang Q. Effect of Substrate Concentration on Hydrogen Production by Photo-Fermentation in the Pilot-Scale Baffled Bioreactor // Bioresource Technology. 2018; 247:1173-1176. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.07.122.

12. Lu C., Li W., Zhang Q., Liu L., Zhang N., Qu B., Yang X., Xu R., Chen J., Sun Y. Enhancing Photo-Fermentation Biohydrogen Production by Strengthening the Beneficial Metabolic Products with Catalysts // Journal of Cleaner Production. 2021; 317:128437. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128437.

13. Sengmee D., Cheirsilp B., Suksaroge T. T., Prasertsan P. Biophotolysis-Based Hydrogen and Lipid Production by Oleaginous Microalgae Using Crude Glycerol as Exogenous Carbon Source // International Journal of Hydrogen Energy. 2017; 42 (4):1970-1976. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.10.089.

14. Laikova A. A., Kovalev A. A., Kovalev D. A., Zhuravleva E. A., Shekhurdina S. V., Litti Y. V. The Feasibility of Single-Stage Biohythane Production in a Semi-Continuous Thermophilic Bioreactor: Influence of Operating Parameters on the Process Kinetics and Microbial Community Dynamics // International Journal of Hydrogen Energy. 2024; 55:1486-1494. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.140.

15. Casanova-Mina A. A., Suárez-Vázquez S. I., Acuña-Askar K., Alfaro-Barbosa J. M., Cruz-López A. Continuous Dark Fermentation by Industrial Food Wastewater: The Effect of Hydraulic Retention Time on Hydrogen Production and Microbial Variation // Biomass Conversion and Biorefinery. 2024; 14 (19):23909-23920. https://doi.org/10.1007/s13399-023-04596-w.

16. Xue S., Chen H., Wang F., Lv G., Tan L., Liu G. The Effect of Substrate Acidification on the Biohydrogen Production by Dark Fermentation // International Journal of Hydrogen Energy. 2024; 49. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.183.

17. Moussa R. N., Moussa N., Dionisi D. Hydrogen Production from Biomass and Organic Waste Using Dark Fermentation: An Analysis of Literature Data on the Effect of Operating Parameters on Process Performance // Processes. 2022. https://doi.org/10.3390/pr10010156.

18. Kovalev A. A., Mikheeva E. R., Panchenko V. А., Katraeva I. V., Kovalev D. A., Zhuravleva E. A., Litti Y. V. Optimization of Energy Production from TwoStage Mesophilic–Thermophilic Anaerobic Digestion of Cheese Whey Using a Response Surface Methodology Approach // Energies. 2022; 15 (23). https://doi.org/10.3390/en15238928.

19. Mikheeva E. R., Katraeva I. V., Kovalev A. A., Biryuchkova P. D., Zhuravleva E. A., Vishnyakova A. V., Litti Y. V. Pretreatment in Vortex Layer Apparatus Boosts Dark Fermentative Hydrogen Production from Cheese Whey // Fermentation. 2022. https://doi.org/10.3390/fermentation8120674.

20. Kovalev A. A., Mikheeva E. R., Katraeva I. V., Kovalev D. A., Kozlov A. M., Litti Y. V. Bioenergy Recovery from Two-Stage Mesophilic-Thermophilic Anaerobic Digestion of Cheese Whey // International Journal of Hydrogen Energy. 2023; 48 (12):4676-4685. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.003.

21. Kovalev А. А., Kovalev D. А., Panchenko V. A., Zhuravleva Е. А., Laikova А. А., Shekhurdina S. V., Vivekanand V., Litti Y. V. Approbation of an Innovative Method of Pretreatment of Dark Fermentation Feedstocks // International Journal of Hydrogen Energy. 2022; 47 (78):33272-33281. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.051.

22. Mikheeva E. R., Katraeva I. V., Kovalev A. A., Kovalev D. A., Litti Y. V. Effects of Pretreatment in a Vortex Layer Apparatus on the Properties of Confectionery Wastewater and Its Dark Fermentation // International Journal of Hydrogen Energy. 2022; 47 (55):23165-23174. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.183.

23. Mikheeva E. R., Katraeva I. V., Vorozhtsov D. L., Kovalev D. A., Kovalev A. A., Grigoriev V. S., Litti Y. V. Dark Fermentative Biohydrogen Production from Confectionery Wastewater in Continuous-Flow Reactors // International Journal of Hydrogen Energy. 2022; 47 (53):22348-22358. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.131.

24. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Nozhevnikova A. N., Zhuravleva E. A., Katraeva I. V., Grigoriev V. S., Litti Y. V. Effect of Low Digestate Recirculation Ratio on Biofuel and Bioenergy Recovery in a Two-Stage Anaerobic Digestion Process // International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46 (80):39688-39699. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.239.

25. Algapan, D. E., Qiao W., Ricci M., Bianchi D., M. Wandera S., Adani F., Dong R. Bio-Hydrogen and Bio-Methane Production from Food Waste in a Two-Stage Anaerobic Digestion Process with Digestate Recirculation // Renewable Energy. 2019; 130:1108-1115. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.079.

26. Qin Y., Li L., Wu J., Xiao B., Hojo T., Kubota K., Cheng J., Li Y. -Y. Co-Production of Biohydrogen and Biomethane from Food Waste and Paper Waste via Recirculated Two-Phase Anaerobic Digestion Process: Bioenergy Yields and Metabolic Distribution // Bioresource Technology. 2019; 276:325-334. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.01.004.

27. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Zhuravleva E. A., Katraeva I. V., Panchenko V. А., Fiore U., Litti Y. V. Two-Stage Anaerobic Digestion with Direct Electric Stimulation of Methanogenesis: The Effect of a Physical Barrier to Retain Biomass on the Surface of a Carbon Cloth-Based Biocathode // Renewable Energy. 2022; 181: 966-977. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.09.097.

28. Копылов А. Ю., Насретдинов Р. Г., Вильданов А. Ф., Мазгаров А. М. Совместное поглощение сероводорода и двуокиси углерода водно-щелочным раствором. Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2010; 53(8):92-96.

29. Silva-Martínez R. D., Aguilar-Juárez O., Díaz-Jiménez L., Valdez-Guzmán B. E., Aranda-Jaramillo B., Carlos-Hernández S. Biological Hydrogen Production Through Dark Fermentation with High-Solids Content: An Alternative to Enhance Organic Residues Degradation in Co-Digestion with Sewage Sludge // Fermentation. 2025. https://doi.org/10.3390/fermentation11070398

30. Tian G., Xi J., Yeung M., Ren G. Characteristics and Mechanisms of H2S Production in Anaerobic Digestion of Food Waste // Science of The Total Environment. 2020; 724:137977. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137977.

31. Tippayawong N., Thanompongchart P. Biogas Quality Upgrade by Simultaneous Removal of CO2 and H2S in a Packed Column Reactor // Energy. 2010; 35 (12):4531-4535. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.04.014.

32. Karthick C., Nanthagopal K., Ashok B., Saravanan S. V. Chapter 12 – Influence of Alcohol and Gaseous Fuels on NOx Reduction in IC Engines; Ashok, B. B. T. -No. E. C. T. in S. and A. I. C. E., Ed. // Elsevier. 2022; pp. 347-385. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-8239551.00012-7.

33. Anastas P., Eghbali N. Green Chemistry: Principles and Practice // Chem. Soc. Rev. 2010; 39 (1):301312. https://doi.org/10.1039/B918763B.

34. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Panchenko V. A., Vivekanand V., Zhuravleva E. A., Litti Y. V. Bioelectrochemical System for Green Energy Production in a Circular Bioeconomy: Conversion of Solar Energy and Organic Waste into Hydrogen Carrier Gases // International Journal of Hydrogen Energy. 2025; 152:150206. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.150206.

35. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Panchenko V. A., Zhuravleva E. A., Laikova A. A., Shekhurdina S. V., Ivanenko A. A., Litty Y. V. Energy Efficiency of Hydrogen Production during Dark Fermentation // International Journal of Hydrogen Energy. 2024; 87:171-178. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.473.

36. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Grigoriev V. S., Panchenko V. А. Heat Recovery of Low-Grade Energy Sources in the System of Preparation of Biogas Plant Substrates // International Journal of Energy Optimization and Engineering. 2022; 11 (1):1-17. https://doi.org/10.4018/ijeoe.298693.

37. Kovalev A. A. Energy Analysis of the System of Two-Stage Anaerobic Processing of Liquid Organic Waste with Production of Hydrogen- and Methane-Containing Biogases // International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46 (63):31995-32002. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.187.

38. Kovalev A. A., Kovalev D. A., Grigoriev V. S. Energy Efficiency of Pretreatment of Digester Synthetic Substrate in a Vortex Layer Apparatus // Engineering Technologies and Systems. 2020; 30 (1):92-110. https://doi.org/10.15507/2658-4123.030.202001.092-110.

39. Сафонов А. В., Ковалев Д. А., Дорохов А. С., Павкин Д. Ю., Карелина М. Ю., Филатов В. В., Ковалев А. А. Интеграция технологий утилизации органических отходов АПК: производство кормовых добавок, снижение эмиссии углекислого газа и получение водорода для устойчивого сельского хозяйства // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2025; (5):12-42. https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.05.012-042

40. Ковалев А. А., Ковалев Д. А., Панченко В. А., Вивекананд В., Журавлева Е. А., Литти Ю. В. Биоэлектрохимическая система для получения зеленой энергии в биоэкономике замкнутого цикла: преобразование солнечной энергии и органических отходов в газообразные носители водорода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2025; (5):91-124. https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.05.091-124

41. Safonov A. V., Kovalev D. A., Dorokhov A. S., Pavkin D. Y., Karelina M. Y., Filatov V. V., Kovalev A. A. Integration of Technologies for Utilization of Organic Agrowaste: Production of Feed Additives, Reduction of Carbon Dioxide Emissions and Production of Hydrogen for Sustainable Agriculture // International Journal of Hydrogen Energy. 2025; 151518. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.151518.

42. Chusut W., Kanchanasuta S., Inthorn D. Optimization for Biohydrogen Purification Process by Chemical Absorption Techniques // Sustainable Environment Research. 2023; 33 (1):35. https://doi.org/10.1186/s42834-023-00196-5.

43. Deheri C., Acharya S. K. Purified Biohythane (Biohydrogen + biomethane) Production from Food Waste Using CaO2+CaCO3 and NaOH as Additives // International Journal of Hydrogen Energy. 2022; 47 (5):28622873. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.10.232.

44. Maile O. I., Muzenda E. Carbon Dioxide Removal Using Ammonia in Biogas Upgrading and Purification // Stud U Babes-Bol Che. 2017; 62:471-482.

45. Maile O. I., Muzenda E., Tesfagiorgis H. Chemical Absorption of Carbon Dioxide in Biogas Purification // Procedia Manufacturing. 2017; 7:639-646.

46. Azira A., Asli U. Purification of Biohydrogen from Fermentation Gas Mixture Using Two-Stage Chemical Absorption. E3S Web of Conferences. 2019; 90:1012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199001012.

47. Tippayawong N., Thanompongchart P. Biogas Quality Upgrade by Simultaneous Removal of CO2 and H2S in a Packed Column Reactor // Energy. 2010; 35 (12):4531-4535. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.04.014.