мини|189x189п|Производња водоника из алги Биоводоник (Biohydrogen) је водоник произведен из биомасе или путем биолошких процеса, представља чистије гориво будућности, где се разматрају могућности за његову производњу и коришćenje у хибридним и водоничним возилима. Технологије су још увек у развоју и фокусирају се на адаптацију постојеће инфраструктуре.
Биоводоник је водоник добијен из природе, најчешће из алги и бактерија. Биоводоник је моћно биогориво које се може добити узгојем или из отпадних органских материјала. Тренутно постоји глобална потражња за биоводоником.
Примена Потражња за хемијски произведеним водоником је тренутно огромна. Не постоје записи о количини водоника произведеног и потрошеног широм света, али се процењује да је потрошња достигла око 900 милијарди кубних метара у 2011. години. Највећи произвођачи и потрошачи биоводоника су рафинерије. Данас се чак 96% водоника добија из фосилних горива. Од тога се 48% добија из природног гаса, 30% из угљоводоника, 18% из угља и око 4% из електролизе. Прерада нафтних пескова, процеси претварања гаса у течност и гасификација угља захтевају велике количине водоника, па се очекује да ће потражња за водоником нагло порасти у наредних неколико година.
Следећа велика примена водоника вероватно ће бити као алтернатива фосилним горивима, када се преостале резерве исцрпе. Ова примена у великој мери зависи од развоја техника складиштења како би се омогућило боље складиштење, дистрибуција и сагоревање водоника. Ако се трошкови производње, дистрибуције и технологије потребне за прераду водоника могу смањити, водоник би могао бити комерцијално доступан као гориво до 2030. године.
Биоводоник из алги Године 1939, немачки научник Ханс Графрон, док је радио на Универзитету у Чикагу, приметио је да алге које је проучавао, Chlamydomonas reinhardtii, понекад прелазе са производње кисеоника на производњу водоника. Графрон никада није открио узрок овог преласка, нити су то учинили многи научници дуго после њега. Крајем 1990-их, професор Анастосиос Мелис, научник на Универзитету Калифорније у Берклију, открио је да ако се алгама ускрати сумпор, оне прелазе са производње кисеоника на производњу водоника. Открио је да је ензим одговоран за ову реакцију хидрогеназа, али да она губи ову функцију у присуству кисеоника. Мелис је открио да смањење количине сумпора доступног алгама ремети њихов унутрашњи проток кисеоника, стварајући окружење за реакцију хидрогеназе, што резултира производњом водоника. Chlamydomonas moewusii је такође добар начин за производњу водоника. Научници у Националној лабораторији Аргон Министарства енергетике су у процесу проналажења начина да одвоје део ензима хидрогеназе који производи водоник и уведу га у процес фотосинтезе. Резултат би била огромна количина производње водоника, једнака количини произведеног кисеоника. Било би потребно 25.000 квадратних километара да се употреба гаса замени водоником у Сједињеним Државама. Другим речима, ово представља око 10% површине посвећене узгоју соје у Сједињеним Државама. Министарство енергетике је одредило продајну цену од 2,60 долара/кг како би обновљиви водоник био економски исплатив. 1 кг водоника има исту енергетску вредност као 1 галон бензина. Да би се ово постигло, ефикасност конверзије светлости у водоник мора достићи 10%, у односу на тренутних 1%, а трошкови се процењују на 13,53 долара/кг. Према проценама Министарства енергетике САД, бензинској станици која снабдева 100 аутомобила дневно било би потребно 300 кг водоника. Са тренутном технологијом, за 300 кг водоника дневно, систему би било потребно 110.000 м2 површине базена, концентрација ћелија од 0,2 г/л, конвертор антене у облику прстена и базен дубине 10 цм. Да би се побољшала ефикасност, научници развијају FeFe хидрогеназу толерантну на кисеоник и повећавају производњу водоника побољшањем преноса електрона.
Биоводоник из бактерија
Захтеви процеса Ако се процес производње водоника ферментацијом индустријализује, процес ферментације ће зависити од органских киселина као супстрата за фотоферментацију. Органске киселине су неопходне за високе стопе производње водоника.
Органске киселине могу се добити из извора органских материјала као што су канализација или пољопривредни отпад. Најважније органске киселине су сирћетна, бутерна и пропионска киселина. Главна предност производње водоника ферментацијом је то што не захтева глукозу као супстрат.
Ферментација водоника мора бити континуирани процес да би се одржале високе стопе производње, јер се време потребно за достизање високог нивоа производње мери у данима.
Ферментација У литератури се може наћи неколико метода за производњу водоника ферментацијом у лабораторији. Међутим, ниједна још увек није доступна за индустријску производњу. Да би се дефинисала производња у индустријским размерама, информације добијене у лабораторијским експериментима се теоријски повећавају на индустријске размере. Генерално, методе ферментације водоника подељене су у три главне категорије.
Прва категорија је тамна ферментација, ферментација која не укључује светлост. Друга категорија је фотоферментација, или ферментација која захтева светлост као извор енергије. Трећа је комбинована ферментација и, као што име сугерише, представља комбинацију претходне две.
Тамна ферментација Постоји неколико бактерија са потенцијалом да производе водоник. Грам-позитивне бактерије рода Clostridium показују потенцијал због своје природно високе стопе производње водоника. Такође брзо расту и способне су да формирају ендоспоре, што их чини лаким за употребу у индустрији. Врсте Clostridium омогућавају производњу водоника у мешовитим културама, под мезофилним или термофилним условима у pH опсегу од 5,0 до 6,5. Тамна ферментација са мешовитим културама показује потенцијал, јер мешовито бактеријско окружење унутар ферментора омогућава интеракцију различитих врста да ефикасније разграде и претворе органски отпад у водоник, праћено формирањем органских киселина.
Клостридије производе водоник путем реверзибилне хидрогеназе (2H + 2e <=> H2), а ова реакција је важна за постизање редокс равнотеже ферментације.
Ентеричне бактерије као што су Escherichia coli и Enterobacter aerogenes такође су од интереса за ферментацију биоводоника. За разлику од клостридија, ентеричне бактерије производе водоник првенствено раздвајањем молекула (HCOOH--> H2 + CO2) који служе за детоксикацију једињења. Разлагање није редокс реакција и нема утицаја на редокс равнотежу ферментације. Ова детоксикација је посебно важна за E. coli, јер не може да се заштити током формирања ендоспора.
Фотоферментација Фотоферментација се односи на метод ферментације где је светлост потребна као извор енергије. Ова врста ферментације се ослања на способност фотосинтезе да одржи ниво енергије ћелија. Фотоферментација фотосинтезом има предност у односу на друге ферментације јер користи светлост као извор енергије уместо шећера. Шећер је обично доступан у ограниченим количинама. Све биљке, алге и неке бактерије су способне за фотосинтезу користећи светлост као извор енергије. Цијанобактерије се често помињу као способне да производе водоник оксидативном фотосинтезом. Међутим, љубичасте (PNS) бактерије показују обећање у производњи водоника оксидативном фотосинтезом и фотоферментацијом.
Комбинована ферментација Показало се да је комбиновање тамне и фото ферментације најбоља метода за производњу водоника ферментацијом. Комбинована ферментација омогућава употребу органских киселина, произведених тамном ферментацијом из отпадног материјала, као супстрата у процесу фотоферментације.
Многе независне студије су показале да је ова техника ефикасна и веома практична. Да би ферментација водоника била економски исплатива у индустрији, нуспроизводи ферментације морају се минимизирати. Комбинована ферментација има јединствену предност коришћења бескорисних производа ферментације, као што су органске киселине, путем фотосинтезе. Многи отпади су погодни за ферментацију и еквивалентни су почетним фазама анаеробне дигестије, тренутно најважније биотехнологије за добијање енергије из отпада. Један од главних изазова комбиноване ферментације је тај што ферментација садржи не само употребљиве органске киселине већ и вишак азотних једињења и амонијака, који инхибирају нитрогеназну активност ПНС бактерија. Потрошња енергије електро-раздвајања органских киселина показала се прихватљивом у комбинованој ферментацији.
Електро-ферментација има споредни ефекат континуиране, високо продуктивне тамне ферментације водоника. Као метода за производњу водоника, комбинована ферментација је тренутно веома перспективна.
ЛЕД - ферментер Да би се направио фото-ферментер за индустријске потребе, без коришћења превеликих површина земљишта, користи се ферментер са светлосним диодама као извором светлости. Овај дизајн спречава самосенчење унутар ферментера, захтева малу количину енергије за спровођење фотосинтезе и има веома ниске трошкове инсталације. Уређај би се могао користити и у јефтиним моделима у образовне сврхе. Међутим, немогуће је да било који фотобиореактор користи вештачко светло за генерисање енергије. Максимална ефикасност конверзије светлости у водоник је око 10%, максимална ефикасност производње електричне енергије из водоника је око 80%, а максимална ефикасност производње светлости из електричне енергије је око 80%. Ово представља циклус опадајућих приноса. За производњу горива или енергије, сунчева светлост је потребна, али за вештачки покретане фотобиореакторе као што су ЛЕД ферментори, она се може користити за производњу других вредних производа.
Метаболички инжењеринг Постоји огроман потенцијал за побољшање доприноса водоника кроз метаболички инжењеринг. Бактерије Clostridium могу бити инжењерисане да производе водоник смањењем активности хидрогеназе или онемогућавањем система кисеоника. Ово ће побољшати производњу водоника и повећати допринос водоника у процесу ферментације у мраку. Део Rhodobacteria који се бави фотоферментацијом је део који ће вероватно имати највише користи од метаболичког инжењеринга. Алтернатива би могла бити онемогућавање активности хидрогеназе или онемогућавање система фотосинтетске мембране. Још једно побољшање би могло бити смањење експресије пигмента који штити фотосистем.
Референце
Категорија:Водоник Категорија:Биогорива