Получение биоводорода из молочной сыворотки методом непрерывной темновой анаэробной ферментации в аппаратах двух типов: этап запуска процесса

Э. Р.  Михеева; И. В.  Катраева; Д. Л.  Ворожцов

doi:10.25514/CHS.2020.2.18016

Э. Р. Михеева Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», г. Н. Новгород, Россия https://orcid.org/0000-0001-8659-3166
И. В. Катраева Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Н. Новгород, Россия https://orcid.org/0000-0002-5951-0430
Д. Л. Ворожцов Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», г. Н. Новгород, Россия https://orcid.org/0000-0002-4566-7699

DOI: https://doi.org/10.25514/CHS.2020.2.18016

Ключевые слова: биоводород, молочная сыворотка, темновая анаэробная ферментация, инактивация метаногенов, иммобилизация биомассы.

Аннотация

Производство биоводорода (H₂) из возобновляемых источников энергии (отходов производства и потребления) является перспективным направлением развития энергетической отрасли промышленности. H₂ считается уникальным энергоносителем с высоким выходом энергии (122 кДж/г). Представленная работа посвящена изучению процесса запуска непрерывной анаэробной ферментации молочной сыворотки в мезофильных условиях с получением водород содержащего биогаз в реакторах двух типов: с неподвижной загрузкой (затопленный биофильтр – anaerobic filter, AF) и подвижной загрузкой (аппарат с кипящим слоем загрузки – fluidized bed loading, AFB). Инактивацию метаногенов проводили термическим методом (30 мин, 90°С). На начальной стадии процесса оптимальным является режим с гидравлическим временем удерживания (hydraulic retention time, HRT) 12–14 сут, нагрузкой по органическому веществу (organic loading rate, OLR) 1,88–2,25 кг ХПК/(м³·сут). Данный режим позволяет начать работу со стабильной генерацией биогаза с содержанием водорода в нем 15,9% (для AF) и 11,4% (для АFB) и поддержанием рН среды 5,72. В реакторе AF-типа общее количество образовавшегося за 17 сут темновой анаэробной ферментации биогаза было больше, чем в реакторе с AFB-типа. Содержание масляной кислоты превышало содержание уксусной кислоты в обоих реакторах.

Литература

Banu, J.R., Kannah, R.Y., Kavitha, S., Usman, T.M.M., Gunasekaran, M., Kumar, G., & Kim, S-H. (2020). Biohydrogen: resource recovery from industrial wastewater. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering, 51 - 87. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64321-6.00004-5

Carvalho, F., Prazeres, A.R., & Rivas, J. (2013). Cheese whey wastewater: characterization and treatment. Sci. Total Environ., 445-446, 385 - 396. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.12.038

De Gioannis, G., Friargiu, M., Massi, E., Muntoni, A., Polettini, A., Pomi, R., & Spiga, D. (2014). Biohydrogen production from dark fermentation of cheese whey: influence of pH. Int. J. Hydrogen Energy, 39, 20930 - 20941.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.10.046

Calli, B., Schoenmaekers, K., Vanbroekhoven, K., & Diels, L. (2008). Dark fermentative H2 production from xylose and lactose – Effects of on-line pH control. Int. J. Hydrogen Energy, 33(2), 522 - 530.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.10.012

Pandey, A., Mohan, S.V., Chang, J.-S., Hallenbeck, P.C., & Larroche, C. (2019). Biomass, Biofuels, Biochemicals: Biohydrogen. Second Edition. Elsevier. DOI: 10.1016/B978-0-444-64203-5.00004-6

Davila-Vazquez, G., Alatriste-Mondragon, F., Leon-Rodriguez, A., & Razo-Flores, E. (2008). Fermentative hydrogen production in batch experiments using lactose, cheese whey and glucose: Influence of initial substrate concentration and pH. Int. J. Hydrogen Energy, 33(19), 4989 - 4997. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.06.065

Sivagurunathan, P., Kumar, G., Pugazhendhi, A., Zhen, G., Kobayashi, T., & Xu, K. (2017). Biohydrogen production from wastewaters. In: Biological wastewater treatment and resource recovery. IntechOpen. DOI: 10.5772/65891

Akinbomi, J., Wikandari, R., & Taherzadeh, M.J. (2015). Enhanced fermentative hydrogen and methane production from an inhibitory fruit-flavored medium with membrane-encapsulated cells. Membranes, 5(4), 616 - 631. https://doi.org/10.3390/membranes5040616

Andreani C.L., Torres D.G., Schultz L., de Carvalho K.Q., Gomes S.D. (2015). Hydrogen production from cassava processing wastewater in an anaerobic fixed bed reactor with bamboo as a support material. Eng. Agríc., 35(3), 578 - 587. http://dx.doi.org/10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v35n3p578-587/2015

Kirli, B., & Kapdan, I.K. (2016). Selection of microorganism immobilization particle for dark fermentative biohydrogen production by repeated batch operation. Renew. Energy, 87(1), 697 - 702. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.11.003

Gokfiliz, P., & Karapinar, I. (2017). The effect of support particle type on thermophilic hydrogen production by mobilized batch dark fermentation. Int. J. Hydrogen Energy, 42(4), 2553 - 2561. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.041

Lima, D.M.F., Inoue, R.K., Rodrigues, J.A. D., Ratusznei, S.M., & Zaiat, M. (2015). Biohydrogen from cheese whey treatment in an AnSBBR: achieving process stability. Brazilian J. Chem. Engin., 32(2). https://doi.org/10.1590/0104-6632.20150322s00003342

Preethic, Usman, T.M.M., Banu, J.R., Gunasekaran, M., & Kumar, G. (2019). Biohydrogen production from industrial wastewater: An overview. Bioresource Technology Reports, 7, 100287. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100287

Ren, N.-Q., Guo, W.-Q., Wang, X.-J., Xiang, W.-S., Liu, B.-F., Wang, X.-Z., Ding, J., & Chen, Z.-B. 2008). Effects of different pretreatment methods on fermentation types and dominant bacteria for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 33(16), 4318 - 4324. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.06.003

Kumar, G., Bakonyi, P., Sivagurunathan, P., Nemestóthy, N., Bélafi‐Bakó, K., & Lin, C‐Y. (2015). Improved microbial conversion of de‐oiled Jatropha waste into biohydrogen via inoculum pretreatment: process optimization by experimental design approach. Biofuel Research Journal, 5, 209 - 14. DOI: 10.18331/BRJ2015.2.1.7

Mikheeva, E.R., Katraeva, I.V., Vorozhtsov, D.L., Litti, Yu.V., & Nozhevnikova, A.N. (2020). Efficiency of two-phase anaerobic fermentation and the physicochemical properties of the organic fractionof municipal solid waste processed in a vortex-layer apparatus. Applied Biochemistry and Microbiology, 56(6), 736 - 742. https://doi.org/10.1134/S0003683820060113

Chen, W.-H., Sung, S., & Chen, S.-Y. (2009). Biological hydrogen production in an anaerobic sequencing batch reactor: pH and cyclic duration effects. International Journal of Hydrogen Energy, 34(1), 227 - 234. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.09.061

Van Ginkel, S.W., Oh, S-E., & Logan, B.E. (2005). Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters. Int. J. Hydrogen Energy, 30(15), 1535 - 1542. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.09.017

Walichnowski, A.Z., & Lawrence, S.G. (1982). Studies into the effects of cadmium and low pH upon methane production. Hydrobiologia, 91, 559 - 569. https://doi.org/10.1007/BF00000054

Kim, I.S., Hwang, M.H, Jang, N.J., Hyun, S.H., & Lee, S.T. (2004). Effect of low pH on the activity of hydrogen utilizing methanogen in bio-hydrogen process. Int. J. Hydrogen Energy, 29(11), 1133 - 1140. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.08.017

Tsavkelova, E.A., & Netrusov, A.I. (2012). Biogas production from cellulose-containing substrates: A review. Applied Biochemistry and Microbiology, 48(5), 421 - 433. https://doi.org/10.1134/S0003683812050134