Біотехнологічні методи отримання біоводню

Abstract

Винник Р.Р., Русин І.Б. (керівник). Біотехнологічні методи отримання біоводню Бакалаврська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025 рік. Кількість сторінок – 150 с.

РОЗШИРЕНА АНОТАЦІЯ Розвиток технологій виробництва біоводню є актуальним завданням у контексті переходу до сталої енергетики, зменшення залежності від викопного палива та боротьби зі змінами клімату. Біоводень, що виробляється біологічними методами, зокрема за допомогою фотосинтезуючих мікроорганізмів, має значний потенціал як екологічно чисте паливо з нульовим викидом вуглекислого газу. Його отримання можливе із використанням відновлюваної сировини, зокрема органічних відходів, що зменшує навантаження на довкілля [222]. У зв’язку зі зростанням глобального попиту на енергію та необхідністю зниження викидів парникових газів, біоводень розглядається як стратегічна альтернатива викопним видам палива. Очікується, що до 2050 року водень, включно з біоводнем, становитиме значну частину енергетичного балансу країн, які декларують вуглецеву нейтральність [223]. Біоводень можна отримувати різними біотехнологічними шляхами, зокрема темновим бродінням та фотобіологічними процесами за участю водоростей та ціанобактерій. Основними перешкодами для широкого впровадження біоводню залишаються низька ефективність виробництва, необхідність розробки стабільних та економічно доцільних біореакторів, а також масштабування процесів без втрати рентабельності [224] Тому подальші дослідження мають бути спрямовані на вдосконалення метаболічних шляхів мікроорганізмів, оптимізацію умов культивування та інтеграцію з іншими технологіями переробки відходів.

Мета дослідження: Провести аналіз технологічних та екологічних аспектів біологічного виробництва водню з лігноцелюлозної біомаси шляхом комбінованих процесів: темнового бродіння та фотоферментації для оптимізації параметрів процесу, вибору ефективних методів передобробки сировини і оцінки сталості системи. Об’єкт дослідження: Процес біологічного виробництва водню з використанням сільськогосподарських залишків лігноцелюлозного походження. Предмет дослідження: Технологічні параметри, методи передобробки лігноцелюлозної біомаси та екологічні характеристики (LCA-оцінка) біоводневих систем на основі темнового бродіння та фотоферментації. Проведено комплексне дослідження біологічного виробництва водню з лігноцелюлозної біомаси сільськогосподарських відходів за допомогою комбінованих процесів: темнового бродіння та фотоферментації. Визначено оптимальні технологічні параметри для максимізації виходу водню, зокрема температуру та довжину хвилі освітлення, проаналізовано ефективність дефлекторного реактора безперервної дії, а також досліджено вплив різних типів передобробки на доступність ферментованих субстратів. Проведено оцінку екологічних та енергетичних характеристик запропонованої системи порівняно з традиційними методами, а також економічні розрахунки та розрахунки систем пожежогасіння.Vynnyk R.R., Rusyn I.B. (curator). Biotechnological methods for producing biohydrogen. Bachelor's qualification work. – “Lviv Polytechnic” National University, Lviv, 2025. Number of pages – 150.

EXTENDED ABSTRACT The development of biohydrogen production technologies is a relevant task in the context of the transition to sustainable energy, reducing dependence on fossil fuels, and combating climate change. Biohydrogen, produced through biological methods—particularly by photosynthetic microorganisms—has significant potential as a clean fuel with zero carbon emissions. It can be obtained using renewable feedstocks, including organic waste, which helps to reduce environmental impact [222] Due to the growing global demand for energy and the need to reduce greenhouse gas emissions, biohydrogen is considered a strategic alternative to fossil fuels. It is expected that by 2050, hydrogen—including biohydrogen—will constitute a significant part of the energy mix in countries striving for carbon neutrality [223]. Biohydrogen can be produced via various biotechnological pathways, such as dark and photofermentation, as well as with the help of algae and cyanobacteria. The main barriers to large-scale implementation of biohydrogen remain its low production efficiency, the need to develop stable and economically viable bioreactors, and the challenges of scaling up processes without losing cost-effectiveness [224].Therefore, further research should focus on improving the metabolic pathways of microorganisms, optimizing cultivation conditions, and integrating biohydrogen production with other waste processing technologies. Research Objective: To analyze the technological and environmental aspects of biological hydrogen production from lignocellulosic biomass through combined dark and photofermentation, in order to optimize process parameters, select effective pretreatment methods for raw materials, and assess the sustainability of the system. Object of the Study:The process of biological hydrogen production using lignocellulosic agricultural residues. Subject of the Study:Technological parameters, pretreatment methods of lignocellulosic biomass, and environmental characteristics (LCA assessment) of biohydrogen systems based on dark and photofermentation. A comprehensive analysis of biological hydrogen production from lignocellulosic agricultural waste using combined dark and photofermentation was conducted. Optimal technological parameters for maximizing hydrogen yield, including temperature and light wavelength, were determined. The efficiency of a continuous-flow deflector-type reactor was analyzed, along with the impact of various pretreatment methods on the availability of fermentable substrates. The environmental and energy performance of the proposed system was evaluated in comparison with conventional methods, as well as economic calculations and fire suppression system calculations.