Биореактор для производства водорода

Микробиологическое получение водорода

Водородообразующие микроорганизмы широко распространены в природе. Например, растущая культура Rhodopseudomonas capsulata выделяет 200—300 мл водорода на 1 грамм сухой биомассы^[1]. Микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводного характера (крахмал, целлюлоза).

Биофотолиз воды

Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием микробиологических систем. Производство водорода происходит в биореакторе, содержащем водоросли. Водоросли производят водород при определенных условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т. е. нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода.

Особенности конструкции биореактора

• Ограничения фотосинтетического производства водорода путем аккумулирования протонного градиента.
• Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого газа.
• Эффективность фотосинтеза возрастает, если бикарбоната связан с фотосистемой II (PSII)
• Экономическая реализуемость. Энергетическая эффективность — коэффициент преобразования солнечного света в водород — должна достичь 7—10 % (водоросли в естественных условиях достигают в лучшем случае 0,1 %).

Основные вехи

2006 – Исследователи из университета Билефельда (en:University of Bielefeld) и университета Квинсленда(en:University of Queensland), генетически модифицировали одноклеточную водоросль en:Chlamydomonas reinhardtii таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода [1]. Новый мутант en:Stm6 может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.

2006 – Неопубликованная работа из Беркли (en:University of California en:Berkeley) — (Программа реализуется Мидвест Исследовательским Институтом( en:Midwest Research Institute), по контракту с en:NREL) — обещает разработку технологии с 10 процентной энергетической эффективностью. Утверждается, что путем укорочения стека хлорофилла, en:Tasios Melis возможно преодолел 10 процентный барьер [2]

Исследования

2006 — В Университете Карлсруэ, разрабатывается прототип биореактора, содержащего 500—1000 литров культуры водорослей. Этот реактор используется для доказательства реализуемости экономически эффективных систем такого рода в течение ближайших пяти лет.

Экономичность

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью со штат Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира. Около 25 тыс. квадратных километров достаточно для возмещения потребления бензина в США. (Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои) [3].

История

В 1939 году немецкий исследователь en:Hans Gaffron, работая в Чикагском университете (en:University of Chicago), обнаружил, что изучаемая им водоросль en:Chlamydomonas reinhardtii (зеленая водоросль), иногда переключается с производства кислорода на производство водорода. [4] Gaffron не обнаружил причину этого переключения. В течение многих лет причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х годов профессор en:Anastasios Melis, работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т. е. нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он обнаружил, что фермент гидрогеназа, и что она теряет эти функции в присутствии кислорода. Melis обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород. [5] Другой тип водорослей en:Chlamydomonas moeweesi также перспективен для производства водорода.

См. также

• en:Biological hydrogen production
• en:Hydrogen production
• en:Algaculture
• Водоросли
• Водородная энергетика

Примечания

1. ↑ Кондратьева Е. Н., Гоготов И.Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981. 342 с.

Литература

• Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Зацепин С. С. Проблемы преобразования солнечной энергии путем биофотолиза воды. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978

Ссылки

• Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии (Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory
• FAO
• Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures