+38 (044) 204-97-79
03056, м. Київ
вул. Академіка Янгеля, 3,корп. №4, к. 182
Пн-Пт 8:30-16:30
Неділя ЗАЧИНЕНО

Наукові напрями

Науково-дослідні роботи

 В рамках науково-інноваційної роботи на кафедрі екобіотехнології і біотехніки виконано науково-дослідні роботи, що фінансуються Міністерством освіти та науки України:

Фотобіоелектрохімічна конверсія відходів і біосировини з одержанням електричної енергії та енергоносіїв

2013 – 2014 рр.

Номер державної реєстрації теми – 0113U001650, НТУУ «КПІ» – 2661-п.
Науковий керівник – д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.

Суть розробки:

За результатами виконання досліджень буде розроблено новітні технологічні схеми біоелектрохімічної конверсії відходів та біосировини з отриманням електричної енергії та енергоносіїв, які поєднують різні біотехнологічні підходи у реалізації процесів перетворення енергії з використанням мікроорганізмів, водоростей та еукаріотичних організмів у процесах доочищення води та мінералізації біосировини та відходів. Досі були розроблені лише окремі складові технології, тоді як поєднання їх та розробка інтегральних біоелектрохімічних систем перетворення видів енергії буде здійснюватись вперше та не має аналогів у світі.

Пропонується розробка кількох інтегральних систем різних типів: інтегральний модифікований мікробний паливний елемент для продукування електричної енергії та водню, мікробний паливний фотоелемент та фотобіореактор для конверсії промислових викидів. Такі інтегральні системи дозволяють мінімізувати витрати на мікробний синтез водню, біогазу та біодизелю завдяки використанню сонячної енергії та енергії хімічних зв’язків субстратів. Варто відзначити, що технологія інтегральних модифікованих мікробних паливних елементів є безвідходною та дозволяє використовувати виключно альтернативні джерела енергії, а перебіг процесів відбувається за м’яких умов, наближених до умов навколишнього природного середовища. Ще однією привабливою вирізняльною особливістю є те, що інтегральні модифіковані мікробні паливні елементи не потребують значних капіталовкладень при інсталяції та можуть бути встановлені в спорудах очищення стічних вод та системах переробки відходів та біосировини. Для таких систем будуть досліджені технологічні умови перебігу процесів.
Новим буде поєднання процесів одержання електричної енергії та високоефективних енергоносіїв в новітніх системах біологічного очищення стічних вод від сполук Фосфору та Нітрогену, характерною особливістю яких є зниження приросту надлишкової біомаси за рахунок використання іммобілізованих носіїв та економічна привабливість завдяки скороченню енерговитрат на 40%.
Буде розроблено технологічну схему культивування біомаси мікроводоростей за використання промислових викидів, що відрізняється від існуючих виключенням потреби в попередньому очищенні газових викидів, покращеними характеристиками біомаси мікроводоростей як сировини для отримання біодизелю, біогазу та водню.

Біотехнологічне отримання енергії та енергоносіїв з відходів різноманітного походження

2011-2012 рр.

Номер державної реєстрації теми – 0111U000672, НТУУ «КПІ» – 2444-п.
Науковий керівник – д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.

Суть розробки, основні результати:

Розроблено анаеробно-аеробну технологію очищення  висококонцентрованих стічних вод із супутнім біотехнологічним продукуванням електричної енергії та водню. Технологія відрізняється від існуючих тим, що реалізується в системі біореакторів з створенням в них гідробіоценозів мікроорганізмів, організованих в біоконвеєр та іммобілізованих на синтетичних носіях з розвиненою площею поверхні. Крім того, на анаеробному етапі очищення вбудовано біоелектрохімічну систему, яка дозволяє реалізувати отримання електричної енергії та енергоносіїв за допомогою мікроорганізмів та їхніх ферментних систем. Це дозволяє створити конкурентоспроможну комбіновану систему отримання енергії та енергоносіїв з відходів для станцій очищення побутових та промислових стічних вод.
Перевагою розробленої технології над існуючими є підвищена ефективність видалення високих концентрацій органічних забруднень, зниження витрат електроенергії, зменшення об’єму та собівартості споруд, можливість синтезу енергоносіїв (водню та біогазу). Завдяки використанню синтетичних носіїв з розвиненою поверхнею, на яких іммобілізовані мікроорганізми, в аноксидних і аеробних біореакторах досягається висока окисна потужність, що дозволяє зменшити їх розміри в 5-10 разів, порівняно з класичними аеротенками. Компактність біореакторів дає змогу зменшити площу споруд і знизити витрати на їх будівництво.

Безмедіаторний екзоелектрогенез є основою біоелектрохімічного отримання енергії та синтезу водню в біоелектрохімічній системі. Так, за анаеробних умов мікроорганізми-екзоелектрогени здатні передавати електрони безпосередньо на електрод (анод), що призводить до створення різниці потенціалів між електродами в біоелектрохімічній системі і дозволяє реалізувати продукування електричної енергії за рахунок різниці потенціалів за анаеробних та аеробних умов.
Також, доведено можливість використання стічних вод молокозаводів для одержання водню біологічних шляхом. Продукування водню за використання сироватки як модельної сировини відбувалось за ацетатним шляхом  й складає 1,2 моль H2/г ХСК. Іммобілізація мікроорганізмів за використання стічних вод як субстрату підвищує вихід водню.
Розроблено та випробувано в умовах реального виробництва виробничо-експериментальну установку для анаеробно-аеробного очищення стічних вод,  створено лабораторні установки мікробних паливних елементів для отримання енергоносіїв та виділення інокуляту асоціації мікроорганізмів з екзоелектрогенною активністю.

 

Біотехнологія очищення стічних вод різноманітного походження з одночасним одержанням електрики

2009 – 2010 рр.

Номер державної реєстрації теми – 0109V000974, НТУУ «КПІ» – 2264-п
Науковий керівник – д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.

Суть розробки, основні результати:

Розроблена і впроваджена на очисних спорудах Славутського солодового заводу в м.Славута багатоступенева  анаеробно-аеробна технологія очищення стічних вод, яка  передбачає використання біореакторів, устаткованих носіями з полімерних волокон з іммобілізованими на них гідробіонтами,що дозволяє витримувати великі коливання концентрацій забруднень на вході, інтенсифікувати процес очищення у 2-5 разів, знизити ймовірність спухання вільно плаваючого активного мулу, забезпечувати більш високу якість очищеної води, збільшити концентрацію біомаси. Завдяки застосуванню анаеробного процесу та біоконвеєра  відбувається зменшення витрат повітря, і, відповідно, електроенергії у 2-3 рази,  а також зменшення приросту мулу (30% – 50%). Розроблена біотехнологія екологічно безпечна – спричиняє незначний вплив на довкілля.

Розроблено наукові засади одержання електричної енергії і біоводню на анаеробній стадії очищення стічної води.
Результати роботи впроваджено у навчальний процес зі спеціальності «Екологічна біотехнологія та біоенергетика» при викладанні таких дисциплін як Біотехнології очищення води, Гідроекологія, Біофізика, Біологічні та хімічні сенсорні системи.

Наукова школа

«Перетворення видів енергії – біоенергетика – екобіотехнологія»

Засновник школи «Перетворення видів енергії – біоенергетика – екобіотехнологія»: Кузьмінський Євген Васильович, доктор хімічних наук, професор, член Академії технологічних наук України, Американського та Міжнародного електрохімічних товариств, Нью-Йоркської академії наук, наукової ради НАН України з проблеми «Електрохімія», ряду вчених та спеціалізованих вчених рад, Independent expert of INTAS, редколегій наукових журналів (Міжнародний науково-технічний журнал «Наукові вісті Національного технічного університету України «КПІ», Науковий вісник Чернівецького університету ім. Ю.Федьковича),

Є.В. Кузьмінський веде активну науково-організаційну діяльність, має 5 ранг держслужбовця: працював у Президії АН УРСР науковим консультантом з хімії та хімічної технології (1980-1983рр.), директором Науково-інженерного центру «Техно­електрохім» НАН України (1990-1997рр.), керівником секретаріату Ради з питань науки та на­уково-технічної по­літики при Пре­зидентові України (1997-2004рр.), заступник декана ФБТ з наукової роботи (2001-2005рр.).

Є.В. Кузьмінський є автором більше 260 наукових публікацій, з яких 30 авторських свідоцтв СССР і патентів України, зокрема статті в J. Electroanal. Chem.,  J. Power Sources, Solid State Ionics, Solar Energy Materials and Solar Cells, Координационной химии, Электрохимии, Журнале прикладной химии, Прямом преобразовании различных видов энергии, Журнале неорганической химии та в ряді вітчизняних наукових журналів. Його великий багаторічний досвід у науковій та педагогічній роботі узагальнений у 4-х монографіях: «Неізотермічність електрохімічних систем» (1997р.), «Нетрадиційні електрохімічні системи перетворення енергії» (2002р.), «Біоелектрохімічне продукування електричної енергії та водню» (2012р.) та Bioelectrochemical Hydrogen and Electricity Production // Monografie.- Lublin, 2013, Politechnica lubelska, підручнику «Біофізика» (гриф МОН України, 2007р.), 10-и навчальних посібниках (2 з грифом МОН України), 8 інших методичних видань.

Коло наукових інтересів: спеціаліст в галузі перетворення видів енергії; спеціалізація: біоенергетика, електрохімія, біофізика, термодинаміка, термоелектричні явища, термогальванічні, сонячні та біопаливні елементи, хімічні джерела струму, природоохоронні технології.

Є одним із засновників Науково-інженерного центру «Техноелектрохім» НАН України (1990р.) – організації зі створення літієвих джерел струму нового покоління та кафедри екобіотехнології та біоенергетики НТУУ «КПІ» (2004р.), яка однією з перших здобула ліцензійне право і здійснила перші в Україні випуски бакалаврів, спеціалістів і магістрів зі спеціальності «Екологічна біотехнологія та біоенергетика».

Головні розробки школи: теорія, що описує взаємозв’язок основних параметрів електрохімічної системи  з термоелектричними ефектами стосовно процесів прямого перетворення теплової і хімічної енергії в електричну; розвиток теорії теплопродуктивності високоенергоємних хімічних джерел струму; критерії прогнозної оцінки енергоперетворюючої здатності та цілеспрямованого вибору електроактивних матеріалів позитивного електрода літієвих джерел струму. Ці роботи мали також велике прикладне значення – розвиток теорії теплопродуктивності, обґрунтування критеріїв прогнозної оцінки енергоперетворюючої здатності та результати досліджень різних класів електрохімічних систем гальванічних та термогальванічних елементів послугували  підґрунтям для розроблення, виготовлення на потужностях НІЦ «Техноелектрохім» НАН України та впровадження у виробництво технологій виготовлення електродних матеріалів, багатокомпонентних органічних електролітів, регламенту безпечної експлуатації високоенергоємних літієвих джерел струму та ін.

У 2000-х роках ці роботи віднайшли свою подальшу реалізацію в розробці біопаливних елементів та водневої тематики на кафедрі екобіотехнології та біоенергетики. Біопаливні елементи є  іншим прикладом вирішення енергетичних проблем на біоенергетичній основі – це пристрої, в яких енергія хімічних зв’язків безпосередньо перетворюється в електричний струм за біохімічних перетворень. Біопаливні елементи потенційно можуть вирішити, окрім енергетичної, й екологічні проблеми утилізації відходів, оскільки ферментні системи мікроорганізмів здатні до деструкції практично всіх низько- та високомолекулярних сполук. Тому при роботі таких установок відбувається очищення стоків і одночасна генерація електрики чи біоводню. За результатами досліджень було розроблено новітній біоелектрохімічний спосіб отримання водню, обґрунтовано раціональні параметри біотехнологічного отримання водню в процесах очищення різноманітних стічних вод.

У 2009-2014рр. на підставі теоретичного аналізу процесів фізико-хімічного та біологічного очищення і з врахуванням особливостей складу висококонцентрованих стічних вод різних галузей промисловості (шкіряної, хутряної, текстильної, харчової та інших) створено комплексні технології, які забезпечують високоякісне очищення стічних вод до норм скиду у водойму.  Аналітичним і математичним моделюванням встановлено функціональні взаємозв’язки між гідродинамічними і конструктивними  параметрами біореакторів. Розроблено, досліджено в експериментальних та виробничих умовах і впроваджено ефективні екологічно спрямовані технології попереднього фізико-хімічного очищення з наступним біологічним очищенням анаеробно-аеробним методом в прямоточній системі біореакторів з іммобілізованими мікроорганізмами.

 

Провідні вчені школи:

Л.А. Саблій – докторант кафедри (2009-2011рр., вчасно підготовлена і у 2012 році захищена докторська дисертація на тему «Фізико-хімічне та біологічне очищення висококонцентрованих стічних вод», науковий консультант – проф. Кузьмінський Є.В.),   сьогодні – професор кафедри, доктор технічних наук, професор, член докторської спеціалізованої вченої ради при Інституті колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України. Автор понад 230 наукових праць, з яких більше 20 авторських свідоцтв та патентів на винаходи. Підготувала 5 кандидатів наук. Її багаторічний досвід у науковій та педагогічній роботі узагальнений у 2-х монографіях: «Екологічна біотехнологія очищення стічних вод та культивування кормових організмів» (2011р.) та «Фізико-хімічне та біологічне очищення висококонцентрованих стічних вод» (2013р.), 2-х підручниках з грифом МОН України), 7-и навчальних посібниках та 25-и інших методичних розробках. Її роботи дозволили вирішити важливу народногосподарську проблему очищення висококонцентрованих стічних вод шляхом встановлення раціональних умов і меж застосування фізико-хімічних методів перед використанням сучасних біологічних процесів, розробки і впровадження технології комплексного очищення висококонцентрованих за органічними забрудненнями стічних вод.

Н.Б. Голуб – доцент кафедри, докторант – здобувач (2011-2014рр.), кандидат хімічних наук, доцент, заступник декана ФБТ та завідувача кафедри. Автор більше 110 наукових праць, з них 10 патентів України, підручника «Біофізика» з грифом МОН України, 4 навчальних посібників (3 з грифом МОН України), більше 10 інших методичних видань, у тім числі для абітурієнтів. Спеціаліст з біоенергетики. Займається питаннями мікробіологічного синтезу енергії та енергоносіїв з відходів органічного походження, розробкою технології культивування мікроводоростей. Приділяє увагу вивченню біохімічної складової процесів перетворення видів енергії. До захисту підготовлена докторська дисертація на тему «Комплексна переробка біоенергетичної сировини з метою одержання газоподібних та рідких енергоносіїв», науковий консультант – проф. Кузьмінський Є.В.

Здобутки  кафедри  також плідно примножують учні провідних вчених кафедри:

Жукова В.С. , к.т.н. (дисертація на тему «Очищення стічних вод від сполук азоту з використанням іммобілізованих мікроорганізмів», науковий керівник д.т.н., проф. Саблій Л.А.),

Щурська К.О. (дисертація на тему «Обґрунтування параметрів біотехнологічного процесу отримання водню», науковий керівник д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.),

Козар М.Ю. (дисертація на тему «Розробка технології біологічного очищення стічних вод від сполук фосфору в системі анаеробно-аеробних біореакторів», науковий керівник д.т.н., проф. Саблій Л.А.),

Самаруха І.А. (дисертація на тему «Біоелектрохімічне отримання електричної енергії за використання асоціації хемоорганотрофних мікроорганізмів», науковий керівник д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.),

Зубченко Л.С. (дисертація на тему «Отримання водню в біоелектрохімічних системах с фотокатодом», науковий керівник д.х.н., проф. Кузьмінський Є.В.),

Воєвода Д.В. (дисертація на тему «Вплив джерел сульфуру та карбону на приріст біомаси мікроводорості Chlorella vulgaris», науковий керівник к.х.н., доц. Голуб Н.Б.),

Жураховська Д.І. (дисертація на тему «Одержання водню з целюлозовмісних відходів», науковий керівник к.х.н., доц. Голуб Н.Б.).

Монографії, підручники:

  1. Кузьмінський Є.В. Неізотермічність електрохімічних систем: Монографія  / Є.В. Кузьмінський, В.Д.Присяжний, Я.Ю. Тевтуль. – Київ: «Слов’янська бесіда», 1997.- 248с.
  2. Кузьмінський Є.В. Нетрадиційні електрохімічні системи перетворення енергії: Монографія  / Є.В. Кузьмінський, Г.Я.Колбасов, Я.Ю.Тевтуль, Н.Б.Голуб. – Київ: «Академперіодика», 2002.- 182с. (гриф МОНУ)
  3. Кузьмінський Є.В., Голуб Н.Б. Біофізика: Підручник для студентів вищих навчальних закладів – К.: Видавничий дім «Комп’ютерпрес», 2007. – 424с. (гриф МОНУ)
  4. Саблій Л.А. Екологічна біотехнологія очищення стічних вод та культивування кормових організмів / Л.А. Саблій,  С. В.Кононцев, Ю. Р.Гроховська. – Монографія,  Рівне: НУВГП, 2011. – 151 с.
  5. Кузьмінський Є.В. Біоелектрохімічне продукування електричної енергії та водню: Монографія  / Є.В. Кузьмінський, К.О. Щурська, І.А. Самаруха. –  Київ: «Видавничий дім    «Комп’ютер-прес», 2012. –  226с.
  6. Kuzminskiy Y. Bioelectrochemical hydrogen and electricity production Theoretical bases, description and modeling of the process / Y. Kuzminskiy, K. Shchurska, I. Samarukha, G. Łagod. – Monographic, Lublin: Politechnika Lubelska, 2013. – 102 р.
  7. Саблій Л.А. Фізико-хімічне та біологічне очищення висококонцентрованих стічних вод. – Монографія, Рівне, НУВГП, 2013. – 292 с.

Наукові напрями КЕБ

Виконувана на кафедрі тематика НДР відповідає пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки – «Національне природокористування» та стратегічним пріоритетним напрямам інноваційної діяльності в Україні – «Вдосконалення хімічних технологій, нові матеріали, розвиток біотехнологій» та «Охорона і оздоровлення людини та навколишнього середовища». Окрім того, орієнтиром для виконання фундаментальних досліджень і науково-дослідних розробок виступає нормативний документ НАН України «Основні наукові напрями й найважливіші проблеми фундаментальних досліджень у галузі природничих, технічних і гуманітарних наук».

В рамках цих пріоритетів для КЕБ обов’язковим є вибір комплексних кафедральних тем наукових досліджень, при виконанні яких забезпечується досягнення такої інтеграції науки й освіти, при якій навчальний процес спирається на наукові дослідження, що проводять викладачі спільно з аспірантами й студентами. Виходячи з викладеного пріоритетна тематика та відповідальні виконавці НДР кафедри можуть бути представлені наступною схемою:

За результатами НДР напрацьовано наукову концепцію, яка полягає в комплексному підході до утилізації різноманітних відходів, очищення висококонцентрованих стічних вод промислових і комунальних підприємств з отриманням електричної енергії та енергоносіїв [Біотехнологія очищення стічних вод різноманітного походження з одночасним одержанням електрики: звіт про НДР (заключ.), наук. керівник Є.Кузьмінський. – К., 2010. – 258 л. + CD-ROM. – Д/б №2264-п та Біотехнологічне отримання енергії та енергоносіїв з відходів різноманітного походження : звіт про НДР (заключ.), наук. керівник Є.Кузьмінський. – К., 2012. – 169 л. + CD-ROM. – Д/б №2444-п. Виконується тема «Фотобіоелектрохімічна конверсія відходів і біосировини з одержанням електричної енергії та енергоносіїв» – наук. керівник Є.Кузьмінський. – 2013-2014рр. – Д/б №2661-п; на 2015-2016рр. разом з НДІ природничих та гуманітарних наук НУБіП України заявлено на конкурс комплексну тему «Отримання енергоносіїв з відходів виробництва біодизельного палива, промислових стоків, мікроводорості  та відходів її культивування» – наук. керівник Є.Кузьмінський].

Анаеробно-аеробну біотехнологію очищення стічних вод впроваджено на очисних спорудах ВАТ «Славутський солодовий завод» м. Славута (2010р.); на очисній станції РОВКП ВКГ «Рівнеоблводоканал» впроваджено технологію багатоступеневого анаеробно-аеробного очищення міських стічних вод з використанням іммобілізованих мікроорганізмів (2012р.) та ін.

Результати НДР використані в низці дисциплін: «Гідробіологія», «Біотехнології очищення води», «Гідроекологія», «Біологічні та хімічні сенсорні системи», «Біохімія ксенобіотиків»,  «Біоелектрохімічні основи біоенергетики» та ін., послугували підґрунтям для започаткування ряду нових дисциплін навчального плану спеціальності «Екологічна біотехнологія та біоенергетика».

За використання результатів цих НДР докторантом кафедри доц. Саблій Л.А. вчасно підготовлена і у 2012 році захищена докторська дисертація на тему «Фізико-хімічне та біологічне очищення висококонцентрованих стічних вод», доц. Голуб Н.Б. підготовлена до захисту докторська дисертація на тему «Комплексна переробка біоенергетичної сировини з метою одержання газоподібних та рідких енергоносіїв»;  4 кандидатських дисертації (Жукова В.С., Щурська К.О., Козар М.Ю., Бляшина М.А.;     видано чотири монографії: «Біоелектрохімічне продукування електричної енергії та водню» – Кузьмінський Є.В., Щурська К.О., Самаруха І.А.; «Екологічна біотехнологія очищення стічних вод та культивування кормових організмів» та «Фізико-хімічне та біологічне очищення висококонцентрованих стічних вод» – Саблій Л.А.; «Bioelectrochemical Hydrogen and Electricity Production» – Lublin, Politechnica lubelska – Ye.Kuzminskiy, K.Shchurska, I.Samarukha, Gr.Lagod; опублікована низка навчальних посібників, статей, отримано більше 10 патентів України. Кількість аспірантів і докторантів зростає з кожним роком (на кінець 2014р. – 8 осіб), що сприяє підвищенню якості підготовки наукових кадрів, розширенню меж науково-дослідної роботи кафедри, упровадженню наукових результатів у навчальний процес.

Для забезпечення змістовного розвитку задекларованих напрямів співробітниками кафедри за участі студентів за десятилітній період становлення КЕБ опубліковано: 9 монографій, з них 2 – зарубіжні; 170 статей у фахових виданнях, 10 – за участі студентів; 380 тез доповідей, 220 – за участі студентів – з яких 170 – студентами самостійно; 17 патентів, 2 – за участі студентів;успішно виконано і впроваджено у виробництво та навчальний процес, окрім перерахованого вище, низку НДР в рамках державного замовлення (базове фінансування МОН України, в інтересах Національного антарктичного наукового центру Держінформнауки України, ДНТП та ін.).