Биотехнологическое получение водорода

Algae hydrogen production.jpg

Биологическое получение водорода при помощи водорослей — процесс биохимического расщепления воды, осуществляемый замкнутым фотобиореактором, основанный на получении водорода водорослями. Точные условия выделения водорода водорослями неизвестны. В 2000 году было обнаружено, что водоросли вида C. reinhardtii при нехватке серы перейдут от выделения кислорода (как при нормальном фотосинтезе) к выделению водорода.

Микробиологическое получение водородаПравить

Водородообразующие микроорганизмы широко распространены в природе. Например, растущая культура Rhodopseudomonas capsulata выделяет 200—300 мл водорода на 1 грамм сухой биомассы[1]. Микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводного характера (крахмал, целлюлоза).

Биофотолиз водыПравить

Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием микробиологических систем. Производство водорода происходит в биореакторе, содержащем водоросли. Водоросли производят водород при определенных условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, то есть нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода.

ФотосинтезПравить

Во время фотосинтеза цианобактерии и зеленые водоросли расщепляют воду на ионы водорода и электроны. Электроны переводятся в ферредоксин . Fe-Fe гидрогеназа (фермент) объединяет их с газообразным водородом. Фотосистема II Chlamydomonas reinhardtii производит в прямом солнечном излучении 80% электронов, которые в конечном итоге находят свое место в газообразном водороде. LHCBM9 - светосборный белок II в светосборном комплексе эффективно поддерживает солнечную энергию. Fe-Fe-гидрогеназа требует анаэробных условий, потому что кислород блокирует ее активность. Спектроскопия Фурье используется для изучения метаболических путей.

Укороченное расположение антеннПравить

Антенные системы хлорофилла в зеленых водорослях уменьшены или укорочены, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования света в H 2 . Укороченная система сводит к минимуму поглощение и расточительное рассеивание света через отдельные клетки, что, в свою очередь, повышает эффективность использования света и повышает продуктивность фотосинтеза в колониях зеленых водорослей.

Особенности конструкции биореактораПравить

  • Ограничения фотосинтетического производства водорода путём аккумулирования протонного градиента.
  • Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого газа.
  • Эффективность фотосинтеза возрастает, если бикарбоната связан с фотосистемой II (PSII)
  • Экономическая реализуемость. Энергетическая эффективность — коэффициент преобразования солнечного света в водород — должна достичь 7—10 % (водоросли в естественных условиях достигают в лучшем случае 0,1 %).

Основные вехиПравить

2006 год — исследователи из Университета Билефельда и Университета Квинсленда генетически модифицировали одноклеточную водоросль Chlamydomonas reinhardtii таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода[2]. Получившаяся водоросль-мутант Stm6 может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок, и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.

2006 год — неопубликованная работа из Калифорнийского университета в Беркли (программа реализуется организацией MRIGlobal (англ.), по контракту с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (англ. обещает разработку технологии с 10 процентной энергетической эффективностью. Утверждается, что путём укорочения стека хлорофилла Tasios Melis возможно преодолеть 10 процентный барьер[3].

ИсследованияПравить

2006 — В Университете Карлсруэ разрабатывается прототип биореактора, содержащего 500—1000 литров культуры водорослей. Этот реактор используется для доказательства реализуемости экономически эффективных систем такого рода в течение ближайших пяти лет.

ЭкономичностьПравить

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью равной площади штата Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира.[источник не указан 3116 дней] Около 25 000 км² достаточно для возмещения потребления бензина в США. Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои[4].

ИсторияПравить

В 1939 году немецкий исследователь Ханс Гаффрон (англ.), работая в Чикагском университете, обнаружил, что изучаемая им водоросль Chlamydomonas reinhardtii иногда переключается с производства кислорода на производство водорода[5]. Гаффрон не смог обнаружить причину этого переключения. В течение многих лет причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х годов профессор Анастасис Мелис (англ.), работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, то есть нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент гидрогеназу, теряющий эти функции в присутствии кислорода. Мелис обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород. Другой тип водорослей Chlamydomonas moeweesi (англ.) также перспективен для производства водорода.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Кондратьева Е. Н., Гоготов И. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981. 342 с.
  2. アーカイブされたコピー. Дата обращения 27 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  3. https://www.theregister.co.uk/2006/02/24/pond_scum_breakthrough/
  4. There has been an error - New Scientist
  5. Algae: Power Plant of the Future?

ЛитератураПравить

  • Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Зацепин С. С. Проблемы преобразования солнечной энергии путём биофотолиза воды. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978

СсылкиПравить