Biohydrogen - Biohydrogen

Mikrobiell hydrogenproduksjon.

Biohydrogen er H 2 som produseres biologisk. Interesse er høy i denne teknologien fordi H 2 er et rent brennstoff og kan lett fremstilles fra visse typer biomasse .

Mange utfordringer kjennetegner denne teknologien, inkludert de som er iboende i H 2 , for eksempel lagring og transport av en ikke -kondenserbar gass. Hydrogenproduserende organismer forgiftes av O 2 . Utbytter av H- 2 er ofte lavt.

Biokjemiske prinsipper

Hovedreaksjonene innebærer gjæring av sukker. Viktige reaksjoner starter med glukose , som omdannes til eddiksyre :

En beslektet reaksjon gir formiat i stedet for karbondioksid :

Disse reaksjonene er eksergoniske med henholdsvis 216 og 209 kcal/mol.

H 2 produksjon katalyseres av to hydrogenases . Den ene kalles [FeFe] -hydrogenase; den andre kalles [NiFe] -hydrogenase. Mange organismer uttrykker disse enzymene. Viktige eksempler er medlemmer av slektene Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia og patogenet Helicobacter . E. coli er arbeidshesten for genteknologi av hydrogenaser.

Det er anslått at 99% av alle organismer bruker dihydrogen (H 2 ). De fleste av disse artene er mikrobene og deres evne til å bruke H- 2 som en metabolitt oppstår fra et uttrykk for H 2 metallo-enzymene som er kjent som hydrogenases. Hydrogenaser er underklassifisert i tre forskjellige typer basert på metallinnholdet på det aktive stedet: jern-jernhydrogenase, nikkel-jernhydrogenase og jernhydrogenase.

De aktive stedets strukturer for de tre typene hydrogenaseenzymer.

Produksjon av alger

Den biologiske hydrogenproduksjonen med alger er en metode for fotobiologisk vannsplitting som utføres i en lukket fotobioreaktor basert på produksjon av hydrogen som solbrensel av alger . Alger produserer hydrogen under visse forhold. I 2000 ble det oppdaget at hvis C. reinhardtii -alger blir fratatt svovel , vil de gå fra produksjon av oksygen , som ved normal fotosyntese , til produksjon av hydrogen.

Fotosyntese

Dannelse av Chlorella cellebaserte sfæroider
Skjematisk illustrasjon som viser montering, romlig organisering og dobbel funksjonalitet til flercellede dråpe-baserte levende mikroreaktorer
Algal cellebaserte bioreaktorer som kan produsere hydrogen

Fotosyntese i cyanobakterier og grønne alger deler vann i hydrogenioner og elektroner. Elektronene transporteres over ferredoksiner . Fe-Fe-hydrogenaser (enzymer) kombinerer dem til hydrogengass. I Chlamydomonas reinhardtii Photosystem II produserer 80% av elektronene som havner i hydrogengass ved direkte konvertering av sollys. Lys-høsting kompleks photosystem II lette innhøsting av protein LHCBM9 fremmer effektiv lysenergi spredning. Fe-Fe-hydrogenasene trenger et anaerobt miljø da de inaktiveres av oksygen. Fourier transform infrarød spektroskopi brukes til å undersøke metabolske veier. I 2020 rapporterte forskere utviklingen av algecellebaserte mikrodråper for flercellede sfæroide mikrobielle reaktorer som er i stand til å produsere hydrogen sammen med enten oksygen eller CO 2 via fotosyntese i dagslys under luft. Å inneslutte mikroreaktorene med synergistiske bakterier viste seg å øke nivåene av hydrogenproduksjon.

Spesialisert klorofyll

Den klorofyll (Chl) antennestørrelse i grønnalger er minimert, eller avkortet, for å maksimalisere fotobiologisk solenergi omdannelseseffektiviteten og H- 2- produksjon. Den avkortede Chl -antennestørrelsen minimerer absorpsjon og bortkastet spredning av sollys av individuelle celler, noe som resulterer i bedre lysutnyttelseseffektivitet og større fotosyntetisk produktivitet av den grønne algemassekulturen.

Økonomi

Det ville ta omtrent 25 000 kvadratkilometer algedyrking å produsere biohydrogen som tilsvarer energien fra bensin alene i USA. Dette området representerer omtrent 10% av arealet som er brukt til dyrking av soya i USA.

Bioreaktors designproblemer

  • Begrensning av fotosyntetisk hydrogenproduksjon ved akkumulering av en protongradient .
  • Konkurransedyktig hemming av fotosyntetisk hydrogenproduksjon av karbondioksid.
  • Krav til bikarbonatbinding ved fotosystem II (PSII) for effektiv fotosyntetisk aktivitet .
  • Konkurransedyktig drenering av elektroner med oksygen i algenhydrogenproduksjon.
  • Økonomien må nå konkurransedyktig pris til andre energikilder, og økonomien er avhengig av flere parametere.
  • Et stort teknisk hinder er effektiviteten ved å konvertere solenergi til kjemisk energi lagret i molekylært hydrogen.

Det pågår forsøk på å løse disse problemene via bioingeniør .

Historie

I 1933, Marjory Stephenson og hennes student Stick rapportert at cellesuspensjoner katalysert reduksjon av metylenblått med H- 2 . Seks år senere observerte Hans Gaffron at den grønne fotosyntetiske algen Chlamydomonas reinhardtii , noen ganger ville produsere hydrogen. På slutten av 1990 -tallet oppdaget Anastasios Melis at mangel på svovel får algen til å bytte fra produksjon av oksygen (normal fotosyntese) til produksjon av hydrogen. Han fant ut at enzymet som er ansvarlig for denne reaksjonen er hydrogenase , men at hydrogenasen mistet denne funksjonen i nærvær av oksygen. Melis oppdaget også at tømming av mengden svovel som er tilgjengelig for alger, avbrøt deres indre oksygenstrøm, noe som tillot hydrogenasen et miljø der det kan reagere, og forårsaket at algene produserte hydrogen. Chlamydomonas moewusii er også en lovende stamme for produksjon av hydrogen.

Industrielt hydrogen

Å konkurrere om biohydrogen, i hvert fall for kommersielle applikasjoner, er mange modne industrielle prosesser. Dampreformering av naturgass - noen ganger referert til som dampmetanreformering (SMR) - er den vanligste metoden for å produsere bulkhydrogen til omtrent 95% av verdens produksjon.

Se også

Referanser

  1. ^ M. Rögner, red. (2015). Biohydrogen . De Gruyter. ISBN 978-3-11-033673-3.
  2. ^ Y.-H. Percival Zhang "Hydrogen Production from Carbohydrates: A Mini-Review" i "Sustainable Production of Fuels, Chemicals and Fibers from Forest Biomass" ACS Symposium Series, 2011, Volume 1067, pages = 203-216.
  3. ^ Thauer, RK (1998). "Biokjemi for metanogenese: en hyllest til Marjory Stephenson" . Mikrobiologi . 144 : 2377–2406. doi : 10.1099/00221287-144-9-2377 . PMID  9782487 .
  4. ^ Cammack, R .; Frey, M .; Robson, R. (2001). Hydrogen som drivstoff: Læring fra naturen . London: Taylor & Francis.CS1 maint: bruker forfatterparameter ( lenke )
  5. ^ Lubitz, Wolfgang ; Ogata, Hideaki; Rüdiger, Olaf; Reijerse, Edward (2014). "Hydrogenaser". Kjemiske vurderinger . 114 (8): 4081–148. doi : 10.1021/cr4005814 . PMID 24655035 .  
  6. ^ 2013 - Gimpel JA, et al Fremskritt innen mikroalgteknikk og applikasjoner av syntetisk biologi for produksjon av biodrivstoff
  7. ^ Hemschemeier, Anja; Melis, Anastasios; Happe, Thomas (2009). "Analytiske tilnærminger til fotobiologisk hydrogenproduksjon i encellede grønne alger" . Fotosynteseforskning . 102 (2–3): 523–540. doi : 10.1007/s11120-009-9415-5 . ISSN  0166-8595 . PMC  2777220 . PMID  19291418 .
  8. ^ Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory Arkivert 27. august 2006 på Wayback Machine
  9. ^ "Arkivert kopi" . Arkivert fra originalen 2008-10-31 . Hentet 2009-03-11 .CS1 maint: arkivert kopi som tittel ( lenke )
  10. ^ Melis, Anastasios; Zhang, Liping; Forestier, Marc; Ghirardi, Maria L .; Seibert, Michael (2000-01-01). "Vedvarende fotobiologisk hydrogengassproduksjon ved reversibel inaktivering av oksygenutvikling i Green AlgaChlamydomonas reinhardtii" . Plantefysiologi . 122 (1): 127–136. doi : 10.1104/s.122.1.127 . ISSN  1532-2548 . PMC  58851 . PMID  10631256 .
  11. ^ a b Xu, Zhijun; Wang, Shengliang; Zhao, Chunyu; Li, Shangsong; Liu, Xiaoman; Wang, Lei; Li, Mei; Huang, Xin; Mann, Stephen (25. november 2020). "Fotosyntetisk hydrogenproduksjon av dråpebaserte mikrobielle mikroreaktorer under aerobe forhold" . Naturkommunikasjon . 11 (1): 5985. doi : 10.1038/s41467-020-19823-5 . ISSN  2041-1723 . PMC  7689460 . PMID  33239636 . CC-BY icon.svgTilgjengelig under CC BY 4.0 .
  12. ^ Peden, EA; Boehm, M .; Mulder, DW; Davis, R .; Gammel, WM; King, PW; Ghirardi, ML; Dubini, A. (2013). "Identifikasjon av globale ferredoksininteraksjonsnettverk i Chlamydomonas reinhardtii" . Journal of Biological Chemistry . 288 (49): 35192–35209. doi : 10.1074/jbc.M113.483727 . ISSN  0021-9258 . PMC  3853270 . PMID  24100040 .
  13. ^ Volgusheva, A .; Styring, S .; Mamedov, F. (2013). "Økt fotosystem II-stabilitet fremmer H2-produksjon i svovelberøvet Chlamydomonas reinhardtii" . Prosedyrer ved National Academy of Sciences . 110 (18): 7223–7228. Bibcode : 2013PNAS..110.7223V . doi : 10.1073/pnas.1220645110 . ISSN  0027-8424 . PMC  3645517 . PMID  23589846 .
  14. ^ Grewe, S .; Ballottari, M .; Alcocer, M .; D'Andrea, C .; Blifernez-Klassen, O .; Hankamer, B .; Mussgnug, JH; Bassi, R .; Kruse, O. (2014). "Lyshøstingskompleks protein LHCBM9 er kritisk for fotosystem II-aktivitet og hydrogenproduksjon i Chlamydomonas reinhardtii" . Plantecellen . 26 (4): 1598–1611. doi : 10.1105/tpc.114.124198 . ISSN  1040-4651 . PMC  4036574 . PMID  24706511 .
  15. ^ Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009). "En energibalanse fra absorberte fotoner til ny biomasse for Chlamydomonas reinhardtii og Chlamydomonas acidophila under nøytrale og ekstremt sure vekstforhold" . Plantecelle -miljø . 32 (3): 250–8. doi : 10.1111/j.1365-3040.2008.01917.x . PMID  19054351 .
  16. ^ "Forskning skaper hydrogenproduserende levende dråper, som baner vei for en alternativ fremtidig energikilde" . phys.org . Hentet 9. desember 2020 .
  17. ^ Kirst, H .; Garcia-Cerdan, JG; Zurbriggen, A .; Ruehle, T .; Melis, A. (2012). "Avkortet fotosystem klorofyllantennestørrelse i den grønne mikroalgen Chlamydomonas reinhardtii ved sletting av TLA3-CpSRP43-genet" . Plantefysiologi . 160 (4): 2251–2260. doi : 10.1104/s.112.206672 . ISSN  0032-0889 . PMC  3510145 . PMID  23043081 .
  18. ^ Å dyrke hydrogen for morgendagens biler
  19. ^ Alger: Fremtidens kraftverk?
  20. ^ Reengineering av alger til drivstoff til hydrogenøkonomien
  21. ^ Melis A, Happe T (2001). "Hydrogenproduksjon. Grønne alger som energikilde" . Plantefysiol . 127 (3): 740–748. doi : 10.1104/s.010498 . PMC  1540156 . PMID  11706159 .
  22. ^ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013). "De novo transkriptomisk analyse av hydrogenproduksjon i grønnalgen Chlamydomonas moewusii gjennom RNA-Seq" . Bioteknologi for biodrivstoff . 6 (1): 118. doi : 10.1186/1754-6834-6-118 . ISSN  1754-6834 . PMC  3846465 . PMID  23971877 .
  23. ^ P. Häussinger, R. Lohmüller, AM Watson, "Hydrogen, 2. Produksjon" i Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002/14356007.o13_o03
  24. ^ Ogden, JM (1999). "Utsikter for å bygge en hydrogenenergiinfrastruktur" . Årlig gjennomgang av energi og miljø . 24 : 227–279. doi : 10.1146/annurev.energy.24.1.227 .
  25. ^ "Hydrogenproduksjon: reformering av naturgass" . Institutt for energi . Hentet 6. april 2017 .

Eksterne linker