Биологическое получение водорода

Водород рассматривается в качестве главного энергоносителя будущего, в ряде отношений превосходящего основные современные энергоносители – нефть и природный газ.

По прогнозам экспертов, энергетическая система будущего столетия будет «водородной», то есть основанной на применении двух энергоносителей – электричества и водорода, наиболее удобного для использования на транспорте и в промышленных технологиях.

Преимущества водорода как источника энергии:

- теплотворная способность водорода достаточно высока – в 2.8 раза выше бензина

- водород легко транспортируется и аккумулируется в различных фазовых состояниях

- в газообразном состоянии водород не токсичен

- экологическая чистота: водород сгорает без дыма и копоти, единственным продуктом его сгорания является вода.

Особо перспективным представляется получение водорода с использованием солнечной энергии, в том числе из воды, которая является наиболее дешевым и доступным субстратом. Запасы воды в мировом океане составляют 1,3Х10¹⁸ т. То есть весьма значительны.

Разработки последних лет представлены различными биосистемами, включающими хлоропласты растений, ферредоксин и бактериальные гидрогеназы.

· Хлоропласты шпината и бактериальные структуры, содержащие гидрогеназы и ферредоксин в качестве переносчика электронов, способны образовывать водород после облучения видимым светом. При этом вода – субстрат фотолиза – присутствует в избытке, то есть исходное сырье не лимитировано. Источник энергии – в данном случае это солнечный свет – также неограничен.

· Хлоропласты, выделенные из шпината, в присутствие ферредоксина, как искусственного переносчика элетронов и бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуцировать водород. В смеси с хлоропластами гидрогеназы хемоавтотрофных водородоокисляющих бактерий катализируют протекание процесса образования водорода длительное время, если используется в качестве низкомолекулярного переносчика электронов медиатор. При этом стабильность процесса зависит, главным образом, от состояния хлоропластов.

· В принципе любая растительная фотосистема, использующая гидрогеназы, способна продуцировать водород. Целью исследований является разработка искусственных систем, действующих по схеме естественных водорослевых или бактериально-растительных систем.

· Перспективное и разрабатываемое в настоящее время направление – это получение водорода на основе растущих микробных популяций хемосинтезурующих организмов. Среди хемотрофных микроорганизмов в качестве продуцентов водорода привлекают внимание виды, способные расти на достаточно доступных и дешевых субстратах. Например, культура клостридий Cl. perfringens, сбраживая различную органику, способна продуцировать и десятилитровом аппарате до 23 л водорода в час. Создание крупномасштабной системе на такой основе не должно представлять затруднений, поскольку уже разработаны и внедрены в промышленность процессы получения ацето-бутилового брожения с использованием клостридий.

· Более перспективными продуцентами водорода являются фототрофные микроорганизмами, так как образование ими водорода связано с процессами поглощения энергии света с процессами поглощения энергии света и может повысить эффективность использования солнечной радиации. С наибольшей скоростью водород выделяют некоторые пурпурные бактерии. В качестве субстратов пурпурные бактерии используют различные органические соединения, которые они разлагают с образованием углекислоты и водорода. Например, при разложении 1 г лактата пурпурные бактерии образуют до 1 350 л водорода. При этом бактерии поглощают красные и инфракрасные лучи, которые не используются никакими другими фотосинтезирующими организмами. Важным обстоятельством является способность пурпурных бактерий продуцировать водород при использовании не только органических соединений, но также тиосульфта и других восстановленных соединений серы. В качестве субстрата возможно применение некоторых отходов, включая навоз. Эффективность продукции водорода при этом составляет до 50 кг водорода на 1 квадратный метр в год.

· Наиболее выгодным для микробиологического получения водорода является использование фототрофных организмов, способных к биофотолизу воды, то есть использующих воду в качестве донора электронов при фотосинтезе. Интересны в этом плане азотфиксирующих цианобактерии. Способные выделять водород на свету в аэробных условиях с одновременным образованием кислорода. В культуре цианобактерии получено устойчивое выделение водорода со скоростью 30-40 мл водорода в час.

· Для получения фотоводорода разрабатыватся различные, в том числе и многокомпонентные, биосистемы, содержащие, например, лиофилизированные клетки цианобактерий и пурпурных бактерий, цианобактерий и водоросли и т.д. как двух компонентную видообразующую систему можно рассматривать систему бобовых растений, имеющих клубеньки с азотфиксирующими бактериями. К аналогичному симбиотическому сообществу можно отнести комплекс из водного папоротника Azolla и цианобактерии. Однако до практического применения таких биосистем еще достаточно далеко.

Поиск по сайту: