Biovodik je vodik dobiven iz prirode, a najčešće se dobiva iz algi i bakterija. Biovodik je potentno biogorivo koje se može dobiti kultivacijom ili iz otpadnih organskih materijala. Trenutno je u svijetu prisutna potreba za biovodikom.Demirbas, A. (2009). Biohydrogen: For Future Engine Fuel Demands. Trabzon: Springer.
Uvod Potražnja kemijski dobivenog vodika trenutno je ogromna. Ne postoje zapisi o količini proizvedenog i potrošenog vodika na svjetskoj razini, ali procjenjuje se da je potrošnja dosegla oko 900 milijardi kubičnih metara u 2011. Najveći proizvođači i potrošači biovodika su rafinerije. Danas je čak 96 % vodika dobiveno iz fosilnih goriva. Od toga je 48 % dobiveno iz prirodnog plina, 30 % iz ugljikovodika, 18 % iz ugljena i oko 4 % elektrolizom. Obrada naftnog pijeska, proces pretvorbe plina u tekućinu i uplinjavanje ugljena zahtijevaju velike količine vodika, pa se očekuje da će zahtjev za vodikom naglo porasti u sljedećih nekoliko godina.
Buduća važna primjena vodika vjerojatno će biti kao alternativa fosilnim gorivima, nakon iscrpljivanja preostalih rezervi. Ova primjena uvelike ovisi o razvoju tehnike skladištenja, kako bi se omogućila bolja pohrana, distribucija i izgaranje vodika. Ako se cijena proizvodnje, distribucije i tehnologije potrebne za obradu vodika smanji, vodik će kao gorivo biti na tržištu već 2020.
Biovodik iz alga Njemački znanstvenik Hans Graffron 1939. je, dok je radio na sveučilištu u Chicagu, opazio da alge koje je proučavao, Chlamydomonas reinhardtii, ponekad prijeđu s proizvodnje kisika na proizvodnju vodika.Algae: Power Plant of the Future? Graffron nikada nije otkrio uzrok ovakve promjene, kao ni mnogi znanstvenici dugo poslije njega. U kasnim 1990-im profesor Anastosios Melis, znanstvenik na sveučilištu Berkeley, otkrio je da ako se kulturi algi uskrati sumpor, one će prijeći s proizvodnje kisika na proizvodnju vodika. Otkrio je da enzim odgovoran za ovakvu reakciju jest hidrogenaza, ali da je ovu funkciju izgubio u prisustvu kisika. Melis je otkrio da smanjivanje količine sumpora dostupnog algama, poremećuje njihov unutarnji tok kisika, stvarajući hidrogenazi okoliš unutar kojeg može reagirati, što za posljedicu ima proizvodnju vodika.Reengineering Algae To Fuel The Hydrogen Economy Chlamydomonas moewusii je isto tako dobar način za proizvodnju vodika. Znanstvenici na odjelu energetike Nacionalnog laboratorija Argonne su u procesu traženja načina kako odvojiti dio enzima hidrogenaze koji proizvodi vodik i uvesti ga u proces fotosinteze. Rezultat bi bila ogromna količina proizvedenog plina vodika, jednaka količini proizvedenog kisika.Algae Could One Day be Major Hydrogen Fuel Source Newswise, pristupljeno 30. lipnja 2008. Trebalo bi 25000 kvadratnih kilometara da bi se zamijenila upotreba plina vodikom u SAD-u. Drugim riječima, ovo predstavlja otprilike 10 % površine namijenjene ugoju soje u SAD-u.Growing hydrogen for the cars of tomorrow Državni odjel za energetiku je postavio prodajnu cijenu od 2.60 $/kg kako bi obnovljivi vodik bio ekonomski sposoban za život. 1 kg vodika ima energetsku vrijednost jednaku 1 galonu benzina. Da bi ovo postigli, učinkovitost promjene svjetlost-vodik mora doseći 10 %, dok je trenutno na samo 1 %, a cijena je procijenjena na 13.53 $/kg.2004-Updated Cost Analysis of Photobiological Hydrogen Prema procjenama DOE-a, pumpna stanica koja bi opskrbljivala 100 automobila dnevno, trebala bi 300 kg vodika. Sa sadašnjom tehnologijom, za 300 kg vodika dnevno, sustav bi zahtijevao 110000 m2 površine bazena, 0,2 g/l koncentracije stanica, zarubljena pretvarač antena i 10 cm dubok bazen.2004- Updated cost analysis of photobiological hydrogen production from chlamydomonas reinhardtii green algae Za poboljšanje učinkovitosti znanstvenici razvijaju FeFe hidrogenazu koja je otporna na kisik i povećavaju proizvodnju vodika poboljšanim transferom elektrona.2005-A prospectus for biological H2 production
Biovodik iz bakterija Potrebe procesa Ako će postupak dobivanja vodika fermentacijom biti industrijaliziran, fermentacijski proces će biti ovisan o organskim kiselinama kao podlozi za foto-fermentaciju. Organske kiseline su nužne za visoke stope proizvodnje vodika.
Organske kiseline mogu biti derivirane iz izvora organskih matrijala kao što su kanalizacijski ili poljoprivredni otpad. Najvažnije organske kiseline su octena, butanska i propionska kiselina. Velika prednost proizvodnje vodika fermentacijom je ta, što joj kao podloga ne treba glukoza.
Fermentacija vodika mora biti kontinuiran proces, da bi se zadržala visoka stopa proizvodnje jer je vremensko razdoblje potrebno da bi proizvodnja dosegla višu razinu brojen u danima.
Fermentacija Nekoliko načina proizvodnje vodika fermentacijom u laboratoriju može se pronaći u literaturi. Međutim, za industrijsku proizvodnju ih još uvijek nema. Da bi se definirala proizvodnja na industrijskoj razini, informacije dobivene u laboratorijskim eksperimentima skaliraju se na industrijsku razinu po teoretskoj osnovi. Općenito se metoda fermentacije vodika dijeli na tri glavne kategorije. Prva kategorija je tamna fermentacija, fermentacija koja ne uključuje svjetlost. Druga kategorija je foto-fermentacija ili fermentacija koja zahtijeva svjetlost kao izvor energije. Treća je kombinirana fermentacija i, kako samo ime kaže, kombinacija je prethodne dvije.
Tamna fermentacija Postoji nekoliko bakterija s potencijalom proizvodnje vodika. Gram-pozitivna bakterija iz roda Clostridium ima obećavajuća svojstva zbog svoje prirodno velike stope proizvodnje vodika. Uz to su i brzorastuće i sposobne oformiti endospore, što ih čini jednostavnim za upotrebu u industriji. Vrste roda Clostridium dopuštaju proizvodnju vodika u miješanim kulturama, pod mezofilnim ili termofilnim uvjetima u okvirima pH vrijednosti od 5,0 do 6,5. Tamna fermentacija s miješanim kulturama djeluje obećavajuće, jer miješani bakterijski okoliš unutar fermentera dopušta međudjelovanje različitih vrsta da učinkovitije degradira i pretvori organski otpad u vodik, popraćen formiranjem organskih kiselina. Clostridia producira vodik putem reverzibilne hidrogenaze (2H + 2e <=> H2), a ova je reakcija važna zbog postizanja redoks ravnoteže fermentacije.Redwood MD, Paterson-Beedle M, Macaskie LE (2009) Integrating dark and light biohydrogen production strategies: towards the hydrogen economy. Rev Environ Sci Bio/Technol 8:149-185.Nath K, Das D (2004) Improvement of fermentative hydrogen production: various approaches. Appl Microbiol Biotechnol 65:520-529. Enterične bakterije kao Escherichia coli i Enterobacter aerogenes su također zanimljive fermentaciji biovodika.Redwood MD, Mikheenko IP, Sargent F, Macaskie LE (2008),Rai Pankaj K, Singh S.P, Asthana R.K (2012) Biohydrogen production from cheese whey wastewater in a two-step anaerobic process. Applied Biochemistry and Biotechnology.,167 (6) 1540–1549. Za razliku od clostridie, enterične bakterije proizvode vodik primarno, dijeljenjem molekula (HCOOH--> H2 + CO2) koje služe za detoksifikaciju spoja. Dijeljenje nije redoks reakcija i nema nikakav utjecaj na redoks ravnotežu fermentacije. Ova detoksifikacija je posebno važna za E. coli, pošto se ona ne može sama zaštititi prilikom formiranja endospora. Dijeljenje spoja je nepovratna reakcija, stoga je proizvodnja vodika neovisna o parcijalnom tlaku vodika u fermenteru. E. coli se smatra kao radni stroj molekularne mikrobiologije i mnogi radnici su istraživali pristupe metaboličkog inženjerstva, kako bi poboljšali fermentaciju biovodika u E. coli.Akhtar MK, Jones PR (2009) Construction of a synthetic YdbK-dependent pyruvate:H2 pathway in Escherichia coli BL21(DE3). Metab Eng 11:139-47.Das D, Veziroglu TN (2008) Advances in biological hydrogen production processes. Int J Hydrog Energy 33:6046–6057.Dharmadi Y, Murarka A, Gonzalez R (2006) Anaerobic fermentation of glycerol by Escherichia coli: A new platform for metabolic engineering. Biotechnol Bioeng 94:821-829.Hallenbeck PC, Ghosh D (2009) Advances in fermentative biohydrogen production: the way forward? Trends Biotechnol 27:287-297.Sode K, Yamamoto S, Tomiyama M, 2001. Metabolic engineering approaches for the improvement of bacterial hydrogen production based on Escherichia coli mixed acid fermentation. in: Miyake J, Matsunaga T, San Pietro A (Eds.), Biohydrogen II : An Approach to Environmentally Acceptable Technology. Pergamon, str. 195-204.Penfold DW, Forster CF, Macaskie LE (2003) Increased hydrogen production by Escherichia coli strain HD701 in comparison with the wild-type parent strain MC4100. Enz Microb Technol 33:185-189.Penfold DW, Sargent F, Macaskie LE (2006) Inactivation of the Escherichia coli K-12 twin arginine translocation system promotes increased hydrogen production. FEMS Microbiol Lett 262:135-137.Mathews J, Wang G (2009) Metabolic pathway engineering for enhanced biohydrogen production. Int J Hydrog Energy 34:7404–7416. Dok kisik ubija clostridiju, enterične bakterije su neobvezni anaerobi; rastu jako brzo dok su u prisustvu kisika i progresivno prelaze s aerobnog na anaerobni metabolizam kako se količina kisika smanjuje. Stopa rasta je puno manja za vrijeme anaerobne fermentacije nego za vrijeme aerobne respiracije zato što fermentacija koristi manje metaboličke energije od iste podloge. U praksi, neobvezni anaerobi su korisniji zato što mogu brzo narasti do velike koncentracije, za vrijeme prisutstva kisika, dok za vrijeme nestašice kisika proizvode vodik na visokoj razini.Redwood MD, Orozco R, Majewski AJ, Macaskie LE (2012) Electro-extractive fermentation for efficient biohydrogen production. Bioresour Technol 107:166–174. Da bi fermentacija bila održiva u pogledu industrije, nužno je kontrolirati zajednicu bakterija unutar fermentera. Sirovine mogu sadržavati mikro-organizme, koji mogu uzrokovati promjene unutar fermentera. Enterične bakterije i većina clostridia bakterija su mezofilne. Imaju optimalnu temperaturu oko 30 stupnjeva Celzijevih, kao i većina drugih mikroorganizama. Stoga su ove fermentacije osjetljive na promjene mikrobne zajednice osim ako je sirovina sterilizirana. Za primjer, tamo gdje je sirovina podvrgnuta hidrotermalnom predtretmanu, sterilizacija je nuspojava.Orozco RL, Redwood MD, Reza A, Leeke G, Santos R, Macaskie LE (2012) Hydrothermal hydrolysis of starch with CO2 and detoxification of the hydrolysates with activated carbon for bio-hydrogen fermentation. Int J Hydrog Energy 37:6545–6553. Način na koji bi se mogao spriječiti utjecaj štetnih mikroorganizama na bakterijsku zajednicu jest da u fermenter dodamo poželjne bakterije. Hipertermofilna arheja kao Thermotoga neapolitana se također može koristiti za fermentaciju vodika.Eriksen NT, Nielsen TM, Iversen N (2008) Hydrogen production in anaerobic and microaerobic Thermotoga neapolitana. Biotechnol Lett 30:103-109. Zbog toga što može raditi na temperaturi od 70 °C, postoji mala šansa da ce sirovina biti kontaminirana. Fermentacija proizvodi organske kiseline koje su otrovne bakterijama. Velike količine sprječavaju proces fermentacije i mogu aktivirati promjene u metabolizmu i obrambenim mehanizmima, kao što je sporulacija, kod raznih vrsta. Ovakva fermentacija vodika je popraćena proizvodnjom ugljičnog dioksida, koji se može odvojiti od vodika procesom pasivne separacije. Fermentacija ce pretvoriti neke od učesnika u biomasu umjesto u vodik. Biomasa je, međutim, bogata ugljikovodicima koji se mogu vratiti natrag u fermenter da bi se osigurala stabilnost procesa. Fermentacija vodika tamnom fermentacijom je ograničena nepotpunim raspadom organskog materijala u organske kiseline i to je razlog zbog kojeg trebamo foto-fermentaciju. Razdvajanje organskih kiselina od biomase se vrši u posebnom spremniku unutar odvodnog voda, gdje se mulj pumpa natrag u fermenter da bi povećao stopu proizvodnje vodika.