Отходы пищевых производств как возобновляемые источники энергии: перспективность и технологические решения
Автор: Потороко Ирина Юрьевна, Цирульниченко Лина Александровна, Попова Наталия Викторовна, Венката Мохан С.
Рубрика: Актуальные проблемы развития пищевых и биотехнологий
Статья в выпуске: 2 т.9, 2021 года.
Бесплатный доступ
В статье проанализированы основные подходы получения альтернативных источников энергии, способных заменить углеводородное топливо. Обзор сфокусирован на деструкции пищевых отходов и возможных методах их переработки. Пищевые отходы определены как возобновляемый ресурс, обладающий огромным энергетическим, химическим и материальным потенциалом из-за присутствия в них органических функциональных веществ. Авторами представлена доказательная база применимости пищевых отходов, а также сточных вод предприятий пищевых производств для получения биотоплива. В статье рассмотрены методы пиролиза, анаэробной ферментации и технология сжижения газов Фишера-Тропша. Процессы биоконверсии пищевых отходов представлены как наиболее перспективные. Однако для извлечения максимального количества редуцирующих сахаров из пищевых отходов необходимо подвергнуть их предварительной обработке, которая может проводиться либо индивидуально с помощью физических, химических, физико-химических, биологических и ферментативных методов, либо в сочетании этих технологий. Среди новейших подходов к производству биоэлектроэнергии из биомассы с использованием бактерий в статье приведен обзор технологии микробных топливных элементов (биокатализ). Прирост энергии микроорганизмами происходит за счет окисления донор-электронов и восстановления акцептор-электронов. Изменение условий акцептора электронов создает возможности использования энергии. Это гибридная биоэлектрохимическая система преобразует химическую энергию, хранящуюся в биоразлагаемых отходах в электрическую энергию через окислительно-восстановительные реакции, с помощью микроорганизмов, выступающих в качестве биокатализаторов. Таким образом, авторами приведен обзор современных достижений в области эффективного использования пищевых отходов для создания продуктов с добавленной стоимостью, которые позволят обеспечить устойчивость продовольственных систем и станут инструментом для решения глобальной проблемы сохранения ископаемых ресурсов и минимизации экологических рисков для биосферы планеты.
Анаэробная ферментация, биокатализ, биотопливо, биоконверсия пищевых отходов
Короткий адрес: https://sciup.org/147234338
IDR: 147234338 | УДК: 636.087.25 | DOI: 10.14529/food210202
Food waste as renewable energy sources: perspectivity and technological solutions
The article highlights the main approaches to obtaining alternative energy sources that can replace hydrocarbon fuel. The review focuses on food waste degradation and possible recycling methods. Food waste is defined as a renewable resource with enormous energy, chemical and material potential due to the presence of organic functional substances in them. The authors presented the evidence base for the applicability of food waste, as well as wastewater from food production enterprises for biofuel production. The article discusses the methods of pyrolysis, anaerobic fermentation and the technology of liquefaction of Fischer-Tropsch gases. The processes of bioconversion of food waste are presented as the most promising. However, in order to extract the maximum amount of reducing sugars from food waste, it is necessary to pre-process them, which can be carried out either individually using physical, chemical, physicochemical, biological and enzymatic methods, or in a combination of these strategies. Among the latest approach to the production of bioelectricity from biomass using bacteria, the article provides an overview of the technology of microbial fuel cells (biocatalysis). An increase in energy by microorganisms occurs due to the oxidation of donor electrons and reduction of acceptor electrons. Changing the conditions of the electron acceptor creates the ability to use energy. This hybrid bioelectrochemical system converts chemical energy stored in biodegradable waste into electrical energy through redox reactions using microorganisms acting as biocatalysts. Thus, the authors provided an overview of modern achievements in the efficient use of food waste to create value-added products that will ensure the sustainability of food systems and become a tool for solving the global problem of preserving fossil resources and minimizing environmental risks for the planet's biosphere.
Список литературы Отходы пищевых производств как возобновляемые источники энергии: перспективность и технологические решения
- Матковский П.Е., Яруллин Р.С., Старцева Г.П., Седов И.В. Биоэтанол: технологии получения из возобновляемого растительного сырья и области применения // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 6(86). C. 95-105. [Matkovskiy P.E., Yarullin R.S., Startseva G.P., Sedov I.V. Bioethanol: technologies of production from renewable vegetable raw materials and areas of applicaton/ P.E. Matkovskiy. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, 2010, no. 6 (86), pp. 95-105. (in Russ.)].
- Ahmed El Mekawy, Sandipam Srikanth, Suman Bajracharya, Hanaa M. Hegab, Poonam Singh Nigam, Anoop Singh, S. Venkata Mohan, Deepak Pant. Food and agricultural wastes as substrates for bioelectrochemical system (BES): The synchronized recovery of sustainable energy and waste treatment. Food Research International, 2015, vol. 73, pp. 213-225. DOI: 10.1016/j.foodres.2014.11.045
- Chandrasekhar K., Venkata Mohan S. Bio-electrohydrolysis as a pretreatment strategy to catabolize complex food waste in closed circuitry: Function of electron flux to enhance acidogenicbiohydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, pp. 11411-11422. DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2014.05.035
- Gildemyn S., Molitor B., Usack J.G., Nguyen M., Rabaey K., Angenent L.T. Upgrading syngas fermentation effluent using Clostridium kluyveri in a continuous fermentation Biotechnol Biofuels, 2017. DOI: 10.1186/s13068-017-0764-6.
- Gn Nikhil, Sarkar Omprakash, Venkata Mohan S. Biohydrogen Production: An Outlook of Fermentative Processes and Integration Strategies. Optimization and Applicability of Biopro-cesses, 2018, pp. 249-265. DOI: 10.1007/978-981-10-6863-8_12
- Hafid H.S., Rahman N.A., Abd-Aziz S., Hassan M.A. Enhancement of organic acids production from model kitchen waste via anaerobic digestion. African Journal of Biotechnology. Vol. 10(65), pp. 14507-14515. DOI: 10.5897/ AJB11.1360.
- Karmee Sanjib Kumar. Liquid biofuels from food waste: current trends, prospect and limitation. Renew. Sustain. Energy Rev, 2016, vol. 53, pp. 945-953. DOI: 10.1016/j.rser. 2015.09.041
- Kirsten J.J. Steinbusch, Hubertus V.M. Hamelers, Caroline M. Plugge, Cees J.N. Buisman. Biological formation of caproate and caprylate from acetate: fuel and chemical production from low grade biomass. Energy Environ. Sci, 2011, vol. 4, pp. 216-224. DOI: 10.1039/ c0ee00282h
- Lee W.S., Chua A.S.M., Yeoh H.K., Ngoh G.C. A review of the production and applications of waste-derived volatile fatty acids. Chem. Eng. J, 2014. vol. 235 pp. 83-99. DOI: 10.1016/j.cej.2013.09.002
- Li, Z., Yao, L., Kong, L., Liu, H. Electricity generation using a baffled microbial fuel cell convenient for stacking. Bioresour. Technol. 2008, vol. 99, pp.1650-1655. DOI: 10.1016/ j.biortech.2007.04.003
- Lummen N., Restbo E. V. Biowaste to hydrogen or Fischer-Tropsch fuels by gasificatione - AGibbs energy minimisation study forfinding carbon capture potentialand fossil carbon displacement on the road. Energy , 2020, vol. 211, p. 118996. DOI: 10.1016/j.energy.2020. 118996
- Marchese M., Chesta S., Santarelli M., Lanzini A. Techno-economic feasibility of a bi-omass-to-X plant: Fischer-Tropsch wax synthesis from digestate gasification. Energy, 2021, vol. 228, p. 120581. 10.1016/j .energy.2021.120581
- Reddy Motakatla, Hayashi Satoru, Choi Dubok, Cho Hoon, Chang YC. Short chain and medium chain fatty acids production using food waste under non-augmented and bio-augmented conditions. Journal of Cleaner Production, 2017, p. 176. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.166.
- Venkata Mohan S., Nikhil G.N., Chiranjeevi P., Nagendranatha Reddy C., Rohit M.V., Naresh Kumar A., Omprakash Sarkar. Waste biorefinery models towards sustainable circular bioeconomy: Critical review and future perspectives. Bioresource Technology, 2016, vol. 215, pp. 2-12. DOI: 10.1016/j.biortech. 2016.03.130
- Sarkar Omprakash, Amradi Naresh, DahiyaShikha, Krishna Kamaja, YeruvaDileep, Venkata Mohan S. Regulation of acidogenic metabolism towards enhanced short chain fatty acid biosynthesis from waste: metagenomic profiling. RSC Adv., 2016, vol. 6 (22), pp. 18641-18653. DOI: 10.1039/C5RA24254A
- Sarkar Omprakash, Katari John, Chatterjee Sulogna, Venkata Mohan S. Salinity induced acidogenic fermentation of food waste regulates biohydrogen production and volatile fatty acids profile. Fuel, 2020, vol. 276, pp. 1-9. DOI : 10.1016/j.fuel.2020.117794. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/ab s/pii/S0016236120307900?via %3Dihub.
- Sarkar Omprakash, Venkata Mohan S. Pre-aeration of food waste to augment acidogenic process at higher organic load: Valorizing biohydrogen, volatile fatty acids and biohythane. Bioresour. Technol., 2017. DOI: 10.1016/j.bior-tech.2017.05.053.
- Shikha Dahiya, A. Naresh Kumar, J. Shanthi Sravan, Sulogna Chatterjee, Omprakash Sarkar, S. Venkata Mohan Food waste biorefinery: Sustainable strategy for circular bioeconomy. Bioresource Technology, 2018, vol. 248, pp.2-12.
- Shikha Dahiya, Omprakash Sarkar, Swamy Y.V., Venkata Mohan S. Acidogenic fermentation of food waste for volatile fatty acid production with co-generation of biohydrogen. Bioresource Technology, 2015, vol. 182, pp. 103-113. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.01.007.
