Совместная работа химиков-инженеров и зоотехников из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне привела к созданию инновационной системы нанофильтрации. Эта технология позволяет извлекать ценные летучие жирные кислоты (ЛЖК) непосредственно из коровьего навоза, что является значительным шагом к развитию экономики замкнутого цикла и повышению экологической устойчивости.
В основе разработки лежит процесс окислительно-восстановительной электродиализа, усовершенствованный за счет включения новых селективных ионообменных мембран. Система предназначена для разделения и извлечения ЛЖК из коровьего навоза, предварительно ферментированного в биореакторах. Ключевым достижением является способность системы различать ЛЖК по их химической структуре, например, отделять кислоты с меньшим молекулярным весом от более длинноцепочечных.
Летучие жирные кислоты, такие как ацетат, бутират и пропионат, являются важными органическими молекулами. Они служат критически важными строительными блоками для производства тонких химических веществ, используемых во многих отраслях, включая косметику, пищевые добавки, фармацевтику и производство пластмасс.
Новая технология решает две острые проблемы. Во-первых, это утилизация отходов животноводства с крупных ферм, которые являются значительным источником загрязнения окружающей среды. Во-вторых, это снижение зависимости от традиционного производства ЛЖК, которое основано на углеродоемкой переработке нефтехимического сырья.
Хотя микробное анаэробное сбраживание биомассы является более энергоэффективным источником ЛЖК, до сих пор не существовало действенных методов их извлечения из сложных химических смесей, образующихся в результате ферментации. Стандартные методы электродиализа, применяемые, например, для опреснения воды, используют ионообменные мембраны, не способные эффективно разделять различные типы ценных ЛЖК.
Разработанная система использует электрохимический метод разделения — окислительно-восстановительный электродиализ. Применение «редокс»-молекул, способных изменять электрические структуры по требованию, позволяет значительно снизить энергопотребление — на 80% эффективнее по сравнению со стандартными электрохимическими процессами. Принципиально новые селективные ионообменные мембраны с особыми свойствами обеспечивают идентификацию и разделение конкретных ЛЖК по размеру и структуре.
Эффективность системы была продемонстрирована в ходе эксперимента, проведенного группой профессора химической и биомолекулярной инженерии Сяо Су совместно с профессором зоотехнии Родериком Иэном Макки. Исследователи ферментировали бульон из коровьего навоза, а затем обработали его с помощью системы нанофильтрации на основе окислительно-восстановительного электродиализа. Эксперимент успешно подтвердил возможность извлечения ЛЖК с низким молекулярным весом и их отделения от более длинноцепочечных ЛЖК и других компонентов смеси.
Ключевую роль в разработке сыграли профессор Сяо Су, возглавлявший химико-инженерную часть проекта и специализирующийся на окислительно-восстановительном электродиализе и дизайне мембран, и постдокторант его исследовательской группы Вансук О, который руководил исследованием. Профессор Родерик Иэн Макки предоставил экспертизу в области ферментации навоза и аспектов обращения с отходами животноводства. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Эта технология представляет собой важный шаг к циркулярности, превращая отходы в ценные ресурсы и повышая экологическую устойчивость. Как отметил Сяо Су, использование электрических методов разделения значительно эффективнее химических и генерирует гораздо меньше вторичных отходов. Технология считается легко адаптируемой для промышленных условий, что открывает путь к более эффективному и устойчивому производству химикатов.
Следующим этапом является внедрение технологии в полномасштабный промышленный процесс. Для этого потребуется дальнейшая детальная разработка материалов и создание еще более селективных мембран. Конечная цель — дальнейшее снижение общих затрат и энергопотребления процесса, делая его экономически выгодным и экологически безопасным решением для переработки отходов и производства химикатов.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе разработки лежит процесс окислительно-восстановительной электродиализа, усовершенствованный за счет включения новых селективных ионообменных мембран. Система предназначена для разделения и извлечения ЛЖК из коровьего навоза, предварительно ферментированного в биореакторах. Ключевым достижением является способность системы различать ЛЖК по их химической структуре, например, отделять кислоты с меньшим молекулярным весом от более длинноцепочечных.
Летучие жирные кислоты, такие как ацетат, бутират и пропионат, являются важными органическими молекулами. Они служат критически важными строительными блоками для производства тонких химических веществ, используемых во многих отраслях, включая косметику, пищевые добавки, фармацевтику и производство пластмасс.
Новая технология решает две острые проблемы. Во-первых, это утилизация отходов животноводства с крупных ферм, которые являются значительным источником загрязнения окружающей среды. Во-вторых, это снижение зависимости от традиционного производства ЛЖК, которое основано на углеродоемкой переработке нефтехимического сырья.
Хотя микробное анаэробное сбраживание биомассы является более энергоэффективным источником ЛЖК, до сих пор не существовало действенных методов их извлечения из сложных химических смесей, образующихся в результате ферментации. Стандартные методы электродиализа, применяемые, например, для опреснения воды, используют ионообменные мембраны, не способные эффективно разделять различные типы ценных ЛЖК.
Разработанная система использует электрохимический метод разделения — окислительно-восстановительный электродиализ. Применение «редокс»-молекул, способных изменять электрические структуры по требованию, позволяет значительно снизить энергопотребление — на 80% эффективнее по сравнению со стандартными электрохимическими процессами. Принципиально новые селективные ионообменные мембраны с особыми свойствами обеспечивают идентификацию и разделение конкретных ЛЖК по размеру и структуре.
Эффективность системы была продемонстрирована в ходе эксперимента, проведенного группой профессора химической и биомолекулярной инженерии Сяо Су совместно с профессором зоотехнии Родериком Иэном Макки. Исследователи ферментировали бульон из коровьего навоза, а затем обработали его с помощью системы нанофильтрации на основе окислительно-восстановительного электродиализа. Эксперимент успешно подтвердил возможность извлечения ЛЖК с низким молекулярным весом и их отделения от более длинноцепочечных ЛЖК и других компонентов смеси.
Ключевую роль в разработке сыграли профессор Сяо Су, возглавлявший химико-инженерную часть проекта и специализирующийся на окислительно-восстановительном электродиализе и дизайне мембран, и постдокторант его исследовательской группы Вансук О, который руководил исследованием. Профессор Родерик Иэн Макки предоставил экспертизу в области ферментации навоза и аспектов обращения с отходами животноводства. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Эта технология представляет собой важный шаг к циркулярности, превращая отходы в ценные ресурсы и повышая экологическую устойчивость. Как отметил Сяо Су, использование электрических методов разделения значительно эффективнее химических и генерирует гораздо меньше вторичных отходов. Технология считается легко адаптируемой для промышленных условий, что открывает путь к более эффективному и устойчивому производству химикатов.
Следующим этапом является внедрение технологии в полномасштабный промышленный процесс. Для этого потребуется дальнейшая детальная разработка материалов и создание еще более селективных мембран. Конечная цель — дальнейшее снижение общих затрат и энергопотребления процесса, делая его экономически выгодным и экологически безопасным решением для переработки отходов и производства химикатов.
