Биогидроген

Производство водорода микробами.

Биоводород - это H 2, который производится биологически. Интерес к этой технологии велик, потому что H 2 является чистым топливом и может быть легко получен из определенных видов биомассы.

. Эта технология характерна множеством проблем, в том числе присущих H 2., например, хранение и транспортировка неконденсируемого газа. Организмы, производящие водород, отравлены O 2. Выходы H 2 часто низкие.

• 1 Биохимические принципы
• 2 Производство водорослями
  • 2.1 Фотосинтез
  • 2.2 Специализированный хлорофилл
  • 2.3 Экономика
  • 2.4 Проблемы конструкции биореактора
• 3 История
• 4 Промышленность водород
• 5 См. также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Основные реакции включают ферментацию сахаров. Важные реакции начинаются с глюкозы, которая превращается в уксусную кислоту :

C6H12O6+ 2 H 2 O → 2 CH 3CO2H + 2 CO 2 + 4 H 2

Родственная реакция дает формиат вместо диоксида углерода :

C6H12O6+ 2 H 2 O → 2 CH 3CO2H + 2 HCO 2 H + 2 H 2

Эти реакции являются экзэргоническими на 216 и 209 ккал / моль соответственно.

H2продуцирование катализируется двумя гидрогеназами. Один из них называется [FeFe] -гидрогеназа; другой называется [NiFe] -гидрогеназа. Многие организмы экспрессируют эти ферменты. Яркими примерами являются представители родов Clostridium, Desulfovibrio, Ralstonia и патоген Helicobacter. Э. coli - это рабочая лошадка для генной инженерии гидрогеназ.

Было подсчитано, что 99% всех организмов используют дигидроген (H2). Большинство этих видов являются микробами, и их способность использовать H 2 в качестве метаболита возникает из-за экспрессии H 2металлоферментов, известных как гидрогеназы. Гидрогеназы подразделяются на три различных типа в зависимости от содержания металла в активном центре: гидрогеназа железо-железо, гидрогеназа никель-железо и гидрогеназа железа.

Структуры активных центров трех типов ферментов гидрогеназы.

биологическое производство водорода с помощью водорослей - это метод фотобиологического разделение воды, которое осуществляется в закрытом фотобиореакторе на основе производства водорода в качестве солнечного топлива водорослями. Водоросли производят водород при определенных условиях. В 2000 году было обнаружено, что если C. reinhardtii лишены серы, они переключатся с производства кислорода, как при обычном фотосинтезе, на производство водорода.

Фотосинтез

Фотосинтез у цианобактерий и зеленых водорослей расщепляет воду на ионы водорода и электроны. Электроны переносятся через ферредоксины. Fe-Fe-гидрогеназы (ферменты) объединяют их в газообразный водород. У Chlamydomonas reinhardtii Фотосистема II производит при прямом преобразовании солнечного света 80% электронов, которые попадают в водород. Светособирающий комплекс светособирающий белок фотосистемы II LHCBM9 способствует эффективному рассеиванию световой энергии. Fe-Fe-гидрогеназы нуждаются в анаэробной среде, поскольку они инактивируются кислородом. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье используется для изучения метаболических путей.

Специализированный хлорофилл

Размер антенны хлорофилла (Chl) у зеленых водорослей минимален, или усеченный, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования солнечной энергии и производство H 2. Усеченный размер Chl-антенны сводит к минимуму поглощение и бесполезное рассеяние солнечного света отдельными клетками, что приводит к лучшей эффективности использования света и большей продуктивности фотосинтеза в массовой культуре зеленых водорослей.

Экономика

Это займет около Выращивание водорослей площадью 25 000 квадратных километров для производства биогидрогена, эквивалентного энергии, обеспечиваемой бензином только в США. Эта площадь составляет примерно 10% площади, отведенной под выращивание сои в США.

Проблемы конструкции биореактора

• Ограничение производства фотосинтетического водорода путем накопления протонного градиента.
• Конкурентное ингибирование фотосинтетического производство водорода диоксидом углерода.
• Требование связывания бикарбоната в фотосистеме II (ФСII) для эффективной фотосинтетической активности.
• Конкурентный отвод электронов кислородом при производстве водорода водорослями.
• Экономика должна быть конкурентоспособной по цене по сравнению с другими источниками энергии, а экономика зависит от нескольких параметров.
• Основным техническим препятствием является эффективность преобразования солнечной энергии в химическую энергию, хранящуюся в молекулярном водороде.

Предпринимаются попытки решить эти проблемы с помощью биоинженерии.

В 1933 году Марджори Стивенсон и ее ученик Стикленд сообщили, что суспензии клеток катализируют сокращение метиленовый синий с H 2. Шесть лет спустя Ханс Гаффрон заметил, что зеленые фотосинтетические водоросли Chlamydomonas reinhardtii иногда производят водород. В конце 1990-х Анастасиос Мелис обнаружил, что лишение серы заставляет водоросли переключаться с производства кислорода (нормальный фотосинтез) на производство водорода. Он обнаружил, что ферментом, ответственным за эту реакцию, является гидрогеназа, но что гидрогеназа утратила эту функцию в присутствии кислорода. Мелис также обнаружил, что истощение количества серы, доступной водорослям, прерывает их внутренний поток кислорода, позволяя гидрогеназе создать среду, в которой она может реагировать, заставляя водоросли производить водород. Chlamydomonas moewusii также является многообещающим штаммом для производства водорода.

Конкуренцией за биоводород, по крайней мере для коммерческого применения, являются многие зрелые промышленные процессы. Паровой риформинг природного газа - иногда называемый паровым риформингом метана (SMR) - является наиболее распространенным методом производства объемного водорода примерно на 95% мирового производства.

CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2

• Альгакультура
• Производство водорода
• Гидрогеназа
• Фотоводород
• Хронология развития водородных технологий

1. ^М. Рёгнер, изд. (2015). Биоводород. Де Грюйтер. ISBN 978-3-11-033673-3.
2. ^Y.-H. Персиваль Чжан «Производство водорода из углеводов: мини-обзор» в серии симпозиумов ACS «Устойчивое производство топлива, химикатов и волокон из лесной биомассы», 2011 г., том 1067, страницы = 203-216.
3. ^Тауер, Р. К. (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон». Микробиология. 144 : 2377–2406. DOI : 10.1099 / 00221287-144-9-2377. PMID 9782487.
4. ^Cammack, R.; Frey, M.; Робсон, Р. (2001). Водород как топливо: уроки природы. Лондон: Taylor Francis. CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка )
5. ^Lubitz, Wolfgang ; Ogata, Hideaki; Rüdiger, Olaf; Reijerse, Edward (2014). «Hydrogenases». Chemical Обзоры. 114 (8): 4081–148. doi : 10.1021 / cr4005814. PMID 24655035.
6. ^2013 - Гимпель Дж. А. и др. Достижения в области инженерии микроводорослей и применения синтетической биологии для производства биотоплива
7. ^Хемшемайер, Аня; Мелис, Анастасиос; Хаппе, Томас (2009). «Аналитические подходы к фотобиологическому производству водорода в одноклеточных зеленых водорослях». Исследования фотосинтеза. 102 (2–3): 523–540. doi : 10.1007 / s11120-009-9415-5. ISSN 0166-8595. PMC 2777220. PMID 19291418.
8. ^Связанные мутантные водоросли - это водород Завод Архивировано 27 августа 2006 г. на Wayback Machine
9. ^«Архивная копия». Архивировано с оригинала 31 октября 2008 г. Проверено 11 марта 2009 г. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка )
10. ^Мелис, Анастасий; Чжан, Липин; Форестье, Марк; Ghirardi, Maria L.; Зайберт, Майкл (2000-01-01). «Устойчивое фотобиологическое производство газообразного водорода при обратимой инактивации выделения кислорода в зеленых водорослях Chlamydomonas reinhardtii». Физиология растений. 122 (1): 127–136. doi : 10.1104 / pp.122.1.127. ISSN 1532-2548. PMC 58851. PMID 10631256.
11. ^Peden, E.A.; Boehm, M.; Малдер, Д. В.; Davis, R.; Old, W. M.; King, P.W.; Ghirardi, M. L.; Дубини, А. (2013). «Идентификация глобальных сетей взаимодействия ферредоксина у Chlamydomonas reinhardtii». Журнал биологической химии. 288 (49): 35192–35209. doi : 10.1074 / jbc.M113.483727. ISSN 0021-9258. PMC 3853270. ПМИД 24100040.
12. ^Волгушева А.; Styring, S.; Мамедов Ф. (2013). «Повышенная стабильность фотосистемы II способствует выработке H2 в лишенных серы Chlamydomonas reinhardtii». Труды Национальной академии наук. 110 (18): 7223–7228. doi : 10.1073 / pnas.1220645110. ISSN 0027-8424. PMC 3645517. PMID 23589846.
13. ^Grewe, S.; Баллоттари, М.; Alcocer, M.; D'Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, J. H.; Bassi, R.; Круз, О. (2014). «Светоуборочный комплексный белок LHCBM9 имеет решающее значение для активности фотосистемы II и производства водорода у Chlamydomonas reinhardtii». Растительная клетка. 26 (4): 1598–1611. doi : 10.1105 / tpc.114.124198. ISSN 1040-4651. PMC 4036574. PMID 24706511.
14. ^Langner, U; Якоб, Т; Stehfest, K; Вильгельм, К. (2009). «Энергетический баланс от поглощенных фотонов до новой биомассы для Chlamydomonas reinhardtii и Chlamydomonas acidophila в нейтральных и чрезвычайно кислых условиях роста». Plant Cell Environ. 32 (3): 250–8. DOI : 10.1111 / j.1365-3040.2008.01917.x. PMID 19054351.
15. ^Кирст, Х.; Garcia-Cerdan, J. G.; Zurbriggen, A.; Ruehle, T.; Мелис, А. (2012). «Размер усеченной фотосистемы антенны хлорофилла у зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii при делеции гена TLA3-CpSRP43». Физиология растений. 160 (4): 2251–2260. doi : 10.1104 / pp.112.206672. ISSN 0032-0889. PMC 3510145. PMID 23043081.
16. ^Выращивание водорода для автомобилей завтрашнего дня
17. ^Водоросли: электростанция будущего?
18. ^Реинжиниринг водорослей для подпитки водородной экономики
19. ^Мелис А., Хаппе Т. (2001). «Производство водорода. Зеленые водоросли как источник энергии». Plant Physiol. 127 (3): 740–748. doi : 10.1104 / pp.010498. PMC 1540156. PMID 11706159.
20. ^Ян, Шихуэй; Guarnieri, Michael T; Смолинский, Шарон; Гирарди, Мария; Пиенко, Филипп Т (2013). «De novo транскриптомный анализ продукции водорода в зеленой водоросли Chlamydomonas moewusii с помощью RNA-Seq». Биотехнология для биотоплива. 6 (1): 118. doi : 10.1186 / 1754-6834-6-118. ISSN 1754-6834. PMC 3846465. PMID 23971877.
21. ^стр. Хойссингер, Р. Лохмюллер, А. М. Ватсон, «Водород, 2. Производство» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012 г., Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002 / 14356007.o13_o03
22. ^Огден, Дж. М. (1999). «Перспективы построения инфраструктуры водородной энергетики». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды. 24 : 227–279. doi : 10.1146 / annurev.energy.24.1.227.
23. ^«Производство водорода: риформинг природного газа». Министерство энергетики. Проверено 6 апреля 2017 г.

• DOE - Проспект биологического производства водорода
• ФАО
• Максимизация эффективности использования света и производства водорода в культурах микроводорослей
• DIY Algae / Hydrogen Bioreactor 2004
• EERE-ЦИКЛИЧЕСКОЕ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО АЛГАЛА H2