Введение
Водород, который производится биологически Биоводород - это H2, который производится биологически. Интерес к этой технологии высок, потому что водород - это чистое топливо, которое можно легко получить из определенных видов биомассы, включая биологические отходы. Кроме того, некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны производить H2 непосредственно из воды, расщепляя ее, используя свет в качестве источника энергии. Помимо перспективных возможностей биологического производства водорода, эта технология характеризуется многими проблемами. Первые проблемы включают те, которые присущи H2, такие как хранение и транспортировка взрывоопасного неконденсируемого газа. Кроме того, водородные организмы отравлены О2, и урожайность Н2 часто низкая.
Biohydrogen is H2 that is produced biologically. Interest is high in this technology because H2 is a clean fuel and can be readily produced from certain kinds of biomass, including biological waste. Furthermore some photosynthetic microorganisms are capable to produce H2 directly from water splitting using light as energy source. Besides the promising possibilities of biological hydrogen production, many challenges characterize this technology. First challenges include those intrinsic to H2, such as storage and transportation of an explosive noncondensible gas. Additionally, hydrogen producing organisms are poisoned by O2 and yields of H2 are often low.
Производство водорослями
Биологическое производство водорода водородами - это метод фотобиологического расщепления воды, который осуществляется в закрытом фотобиореакторе на основе производства водорода в качестве солнечного топлива водородами. Водороду в определенных условиях способны производить водороды водороды. В 2000 году было обнаружено, что если водоросли C. reinhardtii лишены серы, они перейдут от производства кислорода, как в нормальном фотосинтезе, к производству водорода. Зеленые водоросли экспрессируют [FeFe] гидрогеназы, некоторые из которых считаются наиболее эффективными гидрогеназами с скоростью оборота более 104 s-1. Эта замечательная каталитическая эффективность тем не менее омрачена его чрезвычайной чувствительностью к кислороду, необратимо инактивируемой O2 Fe Fe гидрогеназами (ферментами), объединяющими их в газообразный водород. В Chlamydomonas reinhardtii фотосистема II производит при прямом преобразовании солнечного света 80% электронов, которые попадают в газообразный водород. В 2020 году ученые сообщили о разработке микроэмульсии на основе водорослей для многоклеточных сфероидных микробных реакторов, способных производить водород вместе с кислородом или CO2 посредством фотосинтеза при дневном свете под воздухом. Было показано, что закрытие микрореакторов синергетическими бактериями увеличивает уровень производства водорода за счет снижения концентрации O2.
Улучшение производства за счет сокращения антенн для сбора света
Размер антенны хлорофилла (Chl) в зеленых водорослях минимизируется или укорочивается, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования солнца и производство H2. Было показано, что светособирающий комплекс фотосистемы II светособирающий белок LHCBM9 способствует эффективному рассеиванию световой энергии. Укороченный размер антенны Chl минимизирует поглощение и расточительную рассеивание солнечного света отдельными клетками, что приводит к лучшей эффективности использования света и большей эффективности фотосинтеза, когда зеленые водоросли выращиваются в качестве массовой культуры в биореакторах.
Экономика
С учетом текущих отчетов о биогидрогене на основе водорослей, для производства биогидрогена, эквивалентного энергии, получаемой только бензином в США, потребуется около 25 000 квадратных километров водорослеводства. Эта площадь составляет примерно 10% площади, отведенной для выращивания сои в США.
Проблемы проектирования биореактора
Ограничение фотосинтетической выработки водорода путем накопления градиента протонов. Конкурентное ингибирование фотосинтезирующего производства водорода диоксидом углерода. Требование для связывания бикарбоната в фотосистеме II (PSII) для эффективной фотосинтетической активности. Конкурентный отвод электронов кислородом при производстве водорода водородями. Экономика должна достичь конкурентоспособной цены на другие источники энергии, и экономика зависит от нескольких параметров. Основным техническим препятствием является эффективность преобразования солнечной энергии в химическую энергию, хранящуюся в молекулярном водороде. В настоящее время предпринимаются попытки решить эти проблемы с помощью биоинженерии.
История
В 1933 году Марджори Стивенсон и ее ученик Стикленд сообщили, что клеточные суспензии каталитизируют сокращение метиленового синего с помощью H2. Шесть лет спустя Ганс Гафрон заметил, что зеленые фотосинтетические водоросли Chlamydomonas reinhardtii иногда производят водород. В конце 1990-х годов Анастасиос Мелис обнаружил, что лишение сера побуждает водоросли переходить от производства кислорода (нормальный фотосинтез) к производству водорода. Он обнаружил, что фермент, ответственный за эту реакцию, является гидрогеназой, но гидрогеназа потеряла эту функцию в присутствии кислорода. Мелис также обнаружил, что истощение количества серы, доступной водорослям, прерывало их внутренний поток кислорода, позволяя гидрогеназе среду, в которой она может реагировать, заставляя водоросли производить водород. Chlamydomonas moewusii также является перспективным штаммом для производства водорода.