Кіріспе

Биологиялық жолмен өндірілетін сутегі Биосутек - биологиялық жолмен өндірілетін H2. Бұл технологияға қызығушылық жоғары, өйткені Н2 таза отын болып табылады және оны биологиялық қалдықтарды қоса алғанда, белгілі бір биомассалардан оңай өндіруге болады. Сонымен қатар кейбір фотосинтездік микроорганизмдер жарықты энергия көзі ретінде пайдалана отырып, суды бөлуден тікелей H2 өндіре алады. Биологиялық сутегін өндірудің перспективалы мүмкіндіктерімен қатар, бұл технология көптеген қиындықтармен сипатталады. Бірінші қиындықтар Г2 үшін тән, мысалы жарылғыш конденсацияланбайтын газды сақтау және тасымалдау. Сонымен қатар, сутегін өндіретін организмдер О2 -тен уланып, H2 -нің өнімділігі жиі төмен болады.

Балықты өндіру

Алгамен биологиялық сутегін өндіру - судың фотобиологиялық бөліну әдісі, ол жабық фотобиореакторда сутегін сутегінің сутектік отын ретінде өндіруге негізделген. Алғалар белгілі бір жағдайларда сутегін өндіреді. 2000 жылы C. reinhardtii балдырларының күкіртсіз қалса, олар оттегін өндіруден, әдеттегі фотосинтездегідей, сутегін өндіруге ауысатыны анықталды. Жасыл балдырлар [FeFe] гидрогеназаларын экспресс етеді, олардың кейбіреулері 104 s-1-ден жоғары айналымдық жылдамдықпен ең тиімді гидрогеназалар болып саналады. Бұл таңғажайып каталитикалық тиімділік оның оттегіні өте сезімтал болуымен көлеңкеленеді, оларды O2 Fe Fe гидрогеназалары (ферменттер) оларды сутек газына біріктіреді. Chlamydomonas reinhardtii-де фотожүйе II тікелей күн сәулесін айналдырып, сутек газындағы электрондардың 80% -ын өндіреді. 2020 жылы ғалымдар ауа астында күндіз фотосинтез арқылы оттегімен немесе СО2мен бірге сутек шығаратын көп жасушалы сфералы микробтық реакторлар үшін балдырлар жасушасы негізінде микроэмульсияның жасалғанын хабарлады. Микрореакторларды синергетикалық бактериялармен жабу О2 концентрациясын төмендету арқылы сутегін өндіру деңгейін арттыратыны дәлелденді.

Жарық жинау антенналарын азайту арқылы өндірісті жақсарту

Клорофилл (Chl) антеннасының көлемі жасыл балдырларда фотобиологиялық күн конверсиясының тиімділігін және H2 өндірісін арттыру үшін барынша азайтылады немесе қысқартылады. Жарық жинауы II фотожүйесінің жарық жинауының белдеуі LHCBM9 жарық энергиясының тиімді таралуын қамтамасыз етеді. Қысқа Chl антеннасының өлшемі жеке жасушалардың күн сәулесін сіңіруін және ысырап етуін азайтады, нәтижесінде жасыл балдырлар биореакторларда жаппай мәдениет ретінде өсірілетін кезде жарықты пайдалану тиімділігі мен фотосинтез тиімділігі артады.

Экономика

Алға негізделген биогидроген туралы қазіргі есептер бойынша, АҚШ-та бензинмен қамтамасыз етілген энергияға тең биогидрогенді өндіру үшін 25000 шаршы шақырымға жуық балдыр шаруашылығы қажет. Бұл АҚШ-тағы соя өсіруге арналған жердің шамамен 10%-ын құрайды.

Биореакторды жобалау мәселелері

Протон градиенті жинақталуы арқылы фотосинтезденетін сутек өндірісін шектеу. Көмірқышқыл газының фотосинтезденетін сутегін өндіруді бәсекелестікпен тежеу. Тиімді фотосинтез белсенділігі үшін II фотожүйеде (PSII) бикарбонат байланысуы талап етіледі. Электрондарды сутегінің өндірісінде оттегімен бәсекелестік жолмен ағызу. Экономика басқа энергия көздеріне бәсекеге қабілетті бағаға жетуі керек және экономика бірнеше параметрлерге байланысты. Негізгі техникалық кедергі - күн энергиясын молекулалық сутекте сақталған химиялық энергияға айналдырудың тиімділігі. Қазіргі кезде биоинженерлік технология арқылы бұл проблемаларды шешудің барша шаралары қолға алынды.

Тарих

1933 жылы Марджори Стивенсон мен оның студенті Стикленд клеткалық суспензиялар метилен көкінің H2 арқылы кемуін катализдегенін хабарлады. Алты жылдан кейін Ханс Гафрон көк фотосинтезін жүргізетін Chlamydomonas reinhardtii балдырларының кейде сутегін шығаратынын байқады. 1990 жылдардың аяғында Анастасиос Мелис күкіртті айыру балдырлардың оттегі өндірісінен (әдеттегі фотосинтез) сутегі өндірісіне ауысуына себепші болатынын анықтады. Ол бұл реакцияға жауапты фермент - гидрогеназа екенін, бірақ гидрогеназаның оттегімен бірге бұл функцияны жоғалтып алғанын анықтады. Мелис сондай-ақ балдырлардың қолда бар күкірт мөлшерін азайту олардың ішкі оттегі ағынын үзіп, гидрогеназаға реакция жасай алатын ортаны беріп, балдырлардың сутегі өндіретінін анықтады. Chlamydomonas moewusii де сутегін өндіруде перспективалы тұқым болып табылады.