Biologiczne wytwarzanie wodoru – Wikipedia, wolna encyklopedia
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/Algae_hydrogen_production.jpg)
Biologiczne wytwarzanie wodoru przy użyciu alg jest metodą fotobiologicznego rozkładu wody, zachodzącego w zamkniętym fotobioreaktorze, opartą na produkcji wodoru przy użyciu promieni słonecznych jako źródła energii wykorzystywanego przez algi[1][2]. Do produkcji wodoru przez algi, konieczne jest zapewnienie im odpowiednich warunków. W 2000 roku odkryto, iż jeśli pozbawić algę C. reinhardtii siarki, zamieni ona produkcję tlenu w normalnym procesie fotosyntezy na produkcję wodoru[3][4].
Fotosynteza
[edytuj | edytuj kod]Podczas fotosyntezy cyjanobakterie i algi zielone rozkładają wodę na jony wodorowe i elektrony. Elektrony przenoszone są na ferredoksynę[5]. Fe-Fe hydrogenaza (enzym) łączy je do wodoru gazowego. Fotoukład II Chlamydomonas reinhardtii wytwarza w bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego 80% elektronów, które na koniec znajdują swoje miejsce w wodorze gazowym[6]. LHCBM9 – białko zbierające światło fotoukładu II w kompleksie zbierającym światło skutecznie wspomaga odbieranie energii słonecznej[7]. Fe-Fe-hydrogenaza wymaga warunków beztlenowych, gdyż tlen blokuje jej aktywność. Do badania dróg metabolicznych stosowana jest spektroskopia fourierowska[8].
Skrócony układ antenowy
[edytuj | edytuj kod]Chlorofilowe układy antenowe w zielonych algach są zmniejszone lub skrócone, by zmaksymalizować efektywność fotobiologicznej konwersji światła w H2. Skrócony układ minimalizuje pochłanianie i marnotrawne rozpraszanie światła poprzez poszczególne komórki, co w konsekwencji poprawia efektywność wykorzystania światła i ulepsza produktywność fotosyntezy w kolonii zielonych alg[9].
Historia
[edytuj | edytuj kod]W 1939 roku niemiecki badacz Hans Gaffron pracując na Uniwersytecie Chicago, zaobserwował, że badane przez niego algi Chlamydomonas reinhardtii (alga zielona) czasem zamieniają produkcję tlenu na produkcję wodoru[10]. Nigdy nie odkrył przyczyny takich zmian i przez wiele lat uczeni ponosili porażki podczas prób wyjaśnienia tego zjawiska. Pod koniec lat 90 XX wieku, profesor Anastasios Melis, badacz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkley, odkrył, że jeśli środowisko kultury alg pozbawione jest siarki, algi zamieniają produkcję tlenu (wynikającą z normalnej fotosyntezy) na produkcję wodoru. Odkrył on również, że enzymem odpowiedzialnym za tę reakcję jest hydrogenaza, lecz traci ona tę zdolność w obecności tlenu. Melis dowiódł, że uszczuplenie ilości siarki dostępnej algom, przerywa ich wewnętrzny obieg tlenu, pozwalając wytworzyć środowisko, w którym hydrogenaza indukuje produkcję wodoru przez te algi[11]. Chlamydomonas moewusii jest również dobrym szczepem do produkcji wodoru[12].
- Kamienie milowe
- 1997 – profesor Anastasios Melis, po pracy Hans’a Gaffron’a, odkrył, że zubożenie ilości siarki dostępnej algom powoduje zmianę produkcji tlenu na produkcję wodoru. Dowiódł, że enzymem odpowiedzialnym za tę reakcję jest hydrogenaza[13][14].
- 2006 – uczeni z Uniwersytetu w Bielefeld i Uniwersytetu w Queensland zmienili genom jednokomórkowej algi Chlamydomonas reinhardtii tak, by produkowała szczególnie duże ilości wodoru[15]. Stm6 może w dłuższym czasie wytworzyć pięciokrotność objętości jaką dają dzikie algi i do 1,6–2,0% sprawności energetycznej.
- 2007 – Odkryto, iż jeśli doda się miedzi do zablokowania wytwarzania tlenu, algi zmienią produkcję tlenu na wodór[16].
- 2007 – Anastasios Melis badający sprawność konwersji energii słonecznej na chemiczną w tlaX mutantach Chlamydomonas reinhardtii, osiągnął 15% sprawność, pokazując że rozmiar skróconego układu Chl antenowego[17] minimalizuje marnotrawne rozpraszanie promieniowania słonecznego przez poszczególne komórki[18]. Proces konwersji energii słonecznej na chemiczną może być połączony z produkcją różnorodnych biopaliw włącznie z wodorem.
- 2008 – Anastasios Melis badając konwersję energii słonecznej na chemiczną na tlaR mutantach Chlamydomonas reinhardtii, osiągnął 25% sprawność przy teoretycznym 30% maksimum[19].
- 2009 – Zespół z Uniwersytetu w Tennessee, Knoxville i Państwowego Laboratorium w Oak Ridge ustalił, że proces jest 10 krotnie bardziej wydajny przy podniesieniu temperatury[20].
- 2011 – Dodając modyfikowany bioinżynieryjnie enzym, zwiększa się poziom produkcji wodoru przez algi o około 400%.[21]
- 2011 – Zespół z Argonne’s Photosynthesis Group pokazał jak nanocząsteczki platyny mogą być przyłączone do kluczy proteinowych w algach by pięciokrotnie zwiększyć wydajność produkcji paliwa wodorowego[22][23].
- 2013 – Uniwersytet w Uppsali – fotoukład II Chlamydomonas reinhardtii wytwarza w bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego 80% elektronów, które na koniec znajdują swoje miejsce w wodorze gazowym[6].
Badania
[edytuj | edytuj kod]- 2008 – Naukowcy z amerykańskiej placówki naukowo-badawczej Argonne National Laboratory, starali się odnaleźć sposób na oddzielenie części hydrogenazy odpowiedzalnej za wytwarzanie gazowego wodoru i wprowadzenie jej do procesu fotosyntezy. Efektem miało by być otrzymanie dużej ilości gazowego wodoru, możliwie na równi z produkcją tlenu[24][25]
- 2009 – Przestrzeń badań wzrostu sprawności procesu, objęło wprowadzenie tolerującej tlen Fe-Fe hydrogenazy[26] i zwiększenie poziomu produkcji wodoru przez usprawniony przesył elektronów[27].
- Od 2009 roku, HydroMicPro testuje reaktor tarczowy[28].
- Od 2013 roku, Grow Energy wprowadziło nowy system wielkoskalowych produkcji wodoru w konstrukcjach bioreaktorów[29].
- 2014 – Uniwersytet Ruhr i Instytut Maxa Plancka wzbogaciły produkcję wodoru wytwarzanego przez mikroalgi dzięki przekierowywaniu elektronów z fotouładu I do hydrogenzy[30].
Ekonomia
[edytuj | edytuj kod]Potrzeba by około 25 000 kilometrów kwadratowych upraw aby dostatecznie zastąpić zapotrzebowanie na benzynę w Stanach Zjednoczonych. Porównując, obszar taki reprezentuje około 10% terenów jakie są obecnie poświęcone na uprawę soi w Stanach Zjednoczonych[31].
W 2004 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych ogłosił cenę sprzedaży na 2,60 $ za kilogram wodoru jako ustalenie wartości wymiany. 1 kg wodoru jest szacunkowo ekwiwalentem galonu benzyny (ok. 3,79 litra). Aby dojść do poziomu powszechnej sprzedaży rynkowej, konwersja „od światła do wodoru” musi osiągnąć sprawność 10% podczas gdy w 2004 roku był to jedynie 1%, zaś cena sprzedaży w 2004 roku ustaliła się na poziomie 13,53$ za kilogram[32].
Odnosząc się do szacunku Departamentu Energii, stacja paliw zaopatrująca 100 samochodów dziennie potrzebowałaby 300 kg wodoru. Przy obecnej technologii, 300 kg dziennie, samodzielny układ wymagałby 110 000 m² obszaru rozlewiskowego o 10 centymetrowej głębokości, gdzie koncentracja komórek mutantów ze skróconym układem antenowym wynosiła by 0,2g/l.[33]
Problemy w projektowaniu bioreaktorów
[edytuj | edytuj kod]- Ograniczenie fotosyntetycznej produkcji wodoru poprzez nagromadzenie gradientu protonowego.
- Zahamowanie fotosyntetycznej produkcji wodoru przez konkurencyjne działanie dwutlenku węgla.
- Potrzeba wodorowęglanów wiążących się z fotoukładem II dla sprawnej aktywności fotosyntetycznej.
- Odpływ elektronów w wyniku konkurencyjnego działania tlenu w czasie produkcji wodoru przez algi.
- Ekonomia całego procesu musi osiągnąć konkurencyjne osiągi względem pozostałych źródeł energetycznych, co zależy od wielu czynników.
- Główną przeszkodą techniczną jest sprawność w przekształceniu energii słonecznej na energię chemiczną zgromadzoną cząsteczkach wodoru.
Aktualnie podejmowane są próby rozwiązania tych problemów w drodze modyfikacji bioinżynieryjnych.
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ 2013 – Gimpel JA, et al Advances in microalgae engineering and synthetic biology applications for biofuel production.
- ↑ Anja Hemschemeier, Anastasios Melis, Thomas Happe. Analytical approaches to photobiological hydrogen production in unicellular green algae. „Photosynthesis Research”. 102 (2–3), s. 523–540, 2009. DOI: 10.1007/s11120-009-9415-5. ISSN 0166-8595. PMID: 19291418. (ang.).
- ↑ Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory.
- ↑ Further reading - New Scientist [online], science.org.au [dostęp 2024-04-22] [zarchiwizowane z adresu 2012-09-09] .
- ↑ E.A. Peden, M. Boehm, D.W. Mulder, R. Davis i inni. Identification of Global Ferredoxin Interaction Networks in Chlamydomonas reinhardtii. „Journal of Biological Chemistry”. 288 (49), s. 35192–35209, 2013. DOI: 10.1074/jbc.M113.483727. ISSN 0021-9258. PMID: 24100040. (ang.).
- ↑ a b S. Grewe, M. Ballottari, M. Alcocer, C. D’Andrea i inni. Light-Harvesting Complex Protein LHCBM9 Is Critical for Photosystem II Activity and Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii. „The Plant Cell”. 26 (4), s. 1598–1611, 2014. DOI: 10.1105/tpc.114.124198. ISSN 1040-4651. PMID: 24706511. (ang.).
- ↑ Grewe, S.; Ballottari, M.; Alcocer, M.; D’Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, J. H.; Bassi, R.; Kruse, O. (2014)..
- ↑ Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009)..
- ↑ H. Kirst i inni, Truncated Photosystem Chlorophyll Antenna Size in the Green Microalga Chlamydomonas reinhardtii upon Deletion of the TLA3-CpSRP43 Gene, „Plant Physiology”, 4 (160), 2012, s. 2251–2260, DOI: 10.1104/pp.112.206672, ISSN 0032-0889, PMID: 23043081 .
- ↑ Algae: Power Plant of the Future?
- ↑ Reengineering Algae To Fuel The Hydrogen Economy.
- ↑ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013)..
- ↑ Department of Energy report winter 2000. [dostęp 2016-01-13]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-02-12)].
- ↑ 2005-The anaerobic life of the photosynthetic alga.
- ↑ Hydrogen from algae – fuel of the future?. [dostęp 2016-01-13]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-09-27)].
- ↑ Surzycki, R.; Cournac, L.; Peltier, G.; Rochaix, J.-D. (2007)..
- ↑ Kirst, H; García-Cerdán, JG; Zurbriggen, A; Melis, A (2012)..
- ↑ Tetali, SD; Mitra, M; Melis, A (2007)..
- ↑ DOE 2008 Report 25 %.
- ↑ Iwuchukwu, IJ; Vaughn, M; Myers, N; O’Neill, H; Frymier, P; Bruce, BD (2010)..
- ↑ Yacoby, I.; Pochekailov, S.; Toporik, H.; Ghirardi, M. L.; King, P. W.; Zhang, S. (2011)..
- ↑ Utschig, Lisa M.; Dimitrijevic, Nada M.; Poluektov, Oleg G.; Chemerisov, Sergey D.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011)..
- ↑ Utschig, Lisa M.; Silver, Sunshine C.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011)..
- ↑ Algae Could One Day be Major Hydrogen Fuel Source Newswise, Retrieved on June 30, 2008.
- ↑ Melis A and Happe T , Hydrogen Production: Green Algae as a Source of Energy, „Plant Physiology”, 127 (3), 2001, s. 740–748, DOI: 10.1104/pp.010498, PMID: 11706159, PMCID: PMC1540156 .
- ↑ Photobiological hydrogen production – prospects and challenges.
- ↑ 2005-A prospectus for biological H2 production.
- ↑ Hydrogen from microalgae.
- ↑ Hydral Energy Systems. growenergy.org. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-09-17)]..
- ↑ Sigrun Rumpel i inni, Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to hydrogenase, „Energy Environ. Sci.”, 7 (10), 2014, s. 3296–3301, DOI: 10.1039/C4EE01444H, ISSN 1754-5692 .
- ↑ Growing hydrogen for the cars of tomorrow.
- ↑ 2004-Updated Cost Analysis of Photobiological Hydrogen.
- ↑ 2004- Updated cost analysis of photobiological hydrogen production from chlamydomonas reinhardtii green algae.