Biologiczne wytwarzanie wodoru – Wikipedia, wolna encyklopedia

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]