Biohydrogen - Biohydrogen

Biohydrogen je H2 který se vyrábí biologicky.[1] Zájem o tuto technologii je vysoký, protože H2 je čisté palivo a lze jej snadno vyrobit z určitých druhů biomasa.[2]
Mnoho výzev charakterizuje tuto technologii, včetně těch, které jsou vlastní H.2, jako je skladování a přeprava nekondenzovatelného plynu. Organismy produkující vodík jsou otráveny O2. Výnosy H2 jsou často nízké.
Biochemické principy
Hlavní reakce zahrnují kvašení cukrů. Důležité reakce začínají na glukóza, který je převeden na octová kyselina:[3]
- C6H12Ó6 + 2 H2O → 2 CH3CO2H + 2 CO2 + 4 H2
Související reakce dává mravenčan namísto oxid uhličitý:
- C6H12Ó6 + 2 H2O → 2 CH3CO2H + 2 HCO2H + 2 H2
Tyto reakce jsou exergonické o 216, respektive 209 kcal / mol.
H2 výroba je katalyzována dvěma hydrogenázy. Jeden se nazývá [FeFe] -hydrogenáza; druhá se nazývá [NiFe] -hydrogenáza. Mnoho organismů tyto enzymy exprimuje. Pozoruhodné příklady jsou členové rodů Clostridium, Desulfovibrio, Ralstonia a patogen Helicobacter. E-coli je tahounem pro genetické inženýrství hydrogenáz.[4]
Odhaduje se, že 99% všech organismů využívá dihydrogen (H2). Většina z těchto druhů jsou mikroby a jejich schopnost používat H2 protože metabolit vzniká expresí H2 metaloenzymy známé jako hydrogenázy.[5] Hydrogenázy se dále dělí na tři různé typy na základě obsahu kovů v aktivním místě: železo-železná hydrogenáza, nikl-železná hydrogenáza a železná hydrogenáza.

Produkce řas
The biologická výroba vodíku s řasy je metoda fotobiologického štěpení vody, která se provádí v a Zavřeno fotobioreaktor založeno na výroba vodíku jako solární palivo podle řasy.[6][7] Řasy za určitých podmínek vyrábět vodík. V roce 2000 bylo zjištěno, že pokud C. reinhardtii řasy jsou zbaveny síra přejdou od výroby kyslík, jako obvykle fotosyntéza, k výrobě vodíku.[8][9][10]
Fotosyntéza
Fotosyntéza v sinice a zelené řasy štěpí vodu na vodíkové ionty a elektrony. Elektrony jsou transportovány ferredoxiny.[11] Fe-Fe-hydrogenázy (enzymy) je kombinují do plynného vodíku. v Chlamydomonas reinhardtii Photosystem II produkuje přímou přeměnou slunečního světla 80% elektronů, které končí v plynném vodíku.[12] Komplex sběru světla fotosystém II protein získávající světlo LHCBM9 podporuje efektivní rozptyl světelné energie.[13] Fe-Fe-hydrogenázy potřebovaly an anaerobní prostředí, protože jsou inaktivovány kyslíkem. Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací se používá ke zkoumání metabolických drah.[14]
Specializovaný chlorofyl
The chlorofyl (Chl) velikost antény v zelených řasách je minimalizována nebo zkrácena, aby se maximalizovala fotobiologická účinnost přeměny slunce a H2 Výroba. Zkrácená velikost antény Chl minimalizuje absorpci a plýtvání slunečním světlem jednotlivými buňkami, což vede k lepší účinnosti využití světla a vyšší produktivitě fotosyntézy masovou kulturou zelených řas.[15]
Ekonomika
Trvalo by asi 25 000 kilometrů čtverečních chovu řas, než by se vyrobil biohydrogen ekvivalentní energii dodávané benzínem pouze v USA. Tato oblast představuje přibližně 10% plochy věnované pěstování sóji v USA.[16]
Problémy s designem bioreaktoru
- Omezení produkce fotosyntetického vodíku akumulací a protonový gradient.
- Konkurenční inhibice fotosyntetické produkce vodíku oxidem uhličitým.
- Požadavek na vázání hydrogenuhličitanu na fotosystém II (PSII) pro efektivní fotosyntetická aktivita.
- Konkurenční odtok elektronů kyslíkem při výrobě vodíku v řasách.
- Ekonomika musí dosáhnout konkurenceschopné ceny vůči jiným zdrojům energie a ekonomika závisí na několika parametrech.
- Hlavní technickou překážkou je účinnost přeměny sluneční energie na chemickou energii uloženou v molekulárním vodíku.
Probíhají pokusy o vyřešení těchto problémů prostřednictvím bioinženýrství.
Dějiny
V roce 1933 Marjory Stephenson a její student Stickland uvedl, že buněčné suspenze katalyzovaly snížení methylenová modř s H.2. O šest let později Hans Gaffron pozoroval, že zelená fotosyntetická řasa Chlamydomonas reinhardtii, by někdy produkoval vodík.[17] Na konci 90. let Anastasios Melis objevil, že deprivace síry vede řasu k přechodu od produkce kyslíku (normální fotosyntéza) k produkci vodíku. Zjistil, že enzym za tuto reakci odpovídá hydrogenáza, ale že hydrogenáza ztratila tuto funkci v přítomnosti kyslíku. Melis také zjistil, že vyčerpání množství síry dostupné pro řasy přerušilo jejich vnitřní tok kyslíku, což umožnilo hydrogenáze prostředí, ve kterém může reagovat, což způsobilo, že řasy produkovaly vodík.[18] Chlamydomonas moewusii je také slibným kmenem pro výrobu vodíku.[19][20]
Průmyslový vodík
Soutěžit o biohydrogen, přinejmenším pro komerční aplikace, je mnoho vyspělých průmyslových procesů. Parní reformování z zemní plyn - někdy označovaný jako reforma parního methanu (SMR) - je nejběžnější metodou výroby sypkého vodíku na přibližně 95% světové produkce.[21][22][23]
Viz také
Reference
- ^ M. Rögner, vyd. (2015). Biohydrogen. De Gruyter. ISBN 978-3-11-033673-3.
- ^ Y.-H. Percival Zhang „Výroba vodíku ze sacharidů: Mini-recenze“ v „Udržitelné produkci paliv, chemikálií a vláken z lesní biomasy“ ACS Symposium Series, 2011, svazek 1067, strany = 203-216.
- ^ Thauer, R. K. (1998). „Biochemistry of Methanogenesis: a Hold to Marjory Stephenson“. Mikrobiologie. 144: 2377–2406. doi:10.1099/00221287-144-9-2377. PMID 9782487.
- ^ Cammack, R .; Frey, M .; Robson, R. (2001). Vodík jako palivo: poučení z přírody. Londýn: Taylor & Francis.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
- ^ Lubitz, Wolfgang; Ogata, Hideaki; Rüdiger, Olaf; Reijerse, Edward (2014). "Hydrogenázy". Chemické recenze. 114 (8): 4081–148. doi:10.1021 / cr4005814. PMID 24655035.
- ^ 2013 - Gimpel JA, et al. Pokroky v oblasti aplikace mikrořas a syntetické biologie pro výrobu biopaliv
- ^ Hemschemeier, Anja; Melis, Anastasios; Happe, Thomas (2009). „Analytické přístupy k fotobiologické produkci vodíku v jednobuněčných zelených řasách“. Fotosyntetický výzkum. 102 (2–3): 523–540. doi:10.1007 / s11120-009-9415-5. ISSN 0166-8595. PMC 2777220. PMID 19291418.
- ^ Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory Archivováno 27. Srpna 2006 v Wayback Machine
- ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 2008-10-31. Citováno 2009-03-11.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Melis, Anastasios; Zhang, Liping; Forestier, Marc; Ghirardi, Maria L .; Seibert, Michael (01.01.2000). „Trvalá fotobiologická produkce plynného vodíku při reverzibilní deaktivaci vývoje kyslíku v zelené řaseChlamydomonas reinhardtii“. Fyziologie rostlin. 122 (1): 127–136. doi:10.1104 / pp.122.1.127. ISSN 1532-2548. PMC 58851. PMID 10631256.
- ^ Peden, E. A .; Boehm, M .; Mulder, D. W .; Davis, R .; Old, W. M .; King, P. W .; Ghirardi, M. L .; Dubini, A. (2013). „Identifikace globálních sítí pro interakci ferredoxinu u Chlamydomonas reinhardtii“. Journal of Biological Chemistry. 288 (49): 35192–35209. doi:10.1074 / jbc.M113.483727. ISSN 0021-9258. PMC 3853270. PMID 24100040.
- ^ Volgusheva, A .; Styring, S .; Mamedov, F. (2013). „Zvýšená stabilita fotosystému II podporuje produkci H2 v síře zbaveném Chlamydomonas reinhardtii“. Sborník Národní akademie věd. 110 (18): 7223–7228. doi:10.1073 / pnas.1220645110. ISSN 0027-8424. PMC 3645517. PMID 23589846.
- ^ Grewe, S .; Ballottari, M .; Alcocer, M .; D'Andrea, C .; Blifernez-Klassen, O .; Hankamer, B .; Mussgnug, J. H .; Bassi, R .; Kruse, O. (2014). „Komplexní protein získávající světlo LHCBM9 je kritický pro aktivitu fotosystému II a produkci vodíku u Chlamydomonas reinhardtii“. Rostlinná buňka. 26 (4): 1598–1611. doi:10.1105 / tpc.114.124198. ISSN 1040-4651. PMC 4036574. PMID 24706511.
- ^ Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009). „Energetická bilance z absorbovaných fotonů do nové biomasy pro Chlamydomonas reinhardtii a Chlamydomonas acidophila za neutrálních a extrémně kyselých podmínek růstu“. Plant Cell Environ. 32 (3): 250–8. doi:10.1111 / j.1365-3040.2008.01917.x. PMID 19054351.
- ^ Kirst, H .; Garcia-Cerdan, J. G .; Zurbriggen, A .; Ruehle, T .; Melis, A. (2012). „Velikost zkráceného chlorofylového fotosystému v zelené mikrořase Chlamydomonas reinhardtii po odstranění genu TLA3-CpSRP43“. Fyziologie rostlin. 160 (4): 2251–2260. doi:10.1104 / pp.112.206672. ISSN 0032-0889. PMC 3510145. PMID 23043081.
- ^ Rostoucí vodík pro automobily zítřka
- ^ Algae: Power Plant of the Future?
- ^ Reengineering řasy na palivo vodíkové ekonomiky
- ^ Melis A, Happe T (2001). „Výroba vodíku. Zelené řasy jako zdroj energie“. Plant Physiol. 127 (3): 740–748. doi:10.1104 / pp.010498. PMC 1540156. PMID 11706159.
- ^ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013). „De novo transkriptomická analýza produkce vodíku v zelené řase Chlamydomonas moewusii prostřednictvím RNA-Seq“. Biotechnologie pro biopaliva. 6 (1): 118. doi:10.1186/1754-6834-6-118. ISSN 1754-6834. PMC 3846465. PMID 23971877.
- ^ P. Häussinger, R. Lohmüller, A. M. Watson, „Hydrogen, 2. Production“ v Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002 / 14356007.o13_o03
- ^ Ogden, J. M. (1999). „Vyhlídky na vybudování vodíkové energetické infrastruktury“. Výroční zpráva o energii a životním prostředí. 24: 227–279. doi:10.1146 / annurev.energy.24.1.227.
- ^ „Výroba vodíku: reforma zemního plynu“. Ministerstvo energetiky. Citováno 6. dubna 2017.