Biologiczne wytwarzanie wodoru: Różnice pomiędzy wersjami
[wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
m Link tożsamy z tekstem linka |
poprawa kilku tłumaczeń źródeł |
||
Linia 1: | Linia 1: | ||
[[Plik:Algae hydrogen production.jpg|frame|Bioreaktor produkujący wodór przy użyciu alg.]] |
[[Plik:Algae hydrogen production.jpg|frame|Bioreaktor produkujący wodór przy użyciu alg.]] |
||
'''Biologiczne wytwarzanie wodoru''' przy użyciu [[Algi|alg]] jest metodą fotobiologicznego rozkładu wody, zachodzącego w zamkniętym fotobioreaktorze, opartą na produkcji wodoru przy użyciu promieni słonecznych jako źródła energii wykorzystywanego przez algi<ref>[http://labs.biology.ucsd.edu/schroeder/bggn227/2014%20Lectures/Mayfield/Gimpel%20COCB%202013.pdf 2013 - Gimpel JA, et al Advances in microalgae engineering and synthetic biology applications for biofuel production]</ref><ref name="HemschemeierMelis2009"> |
'''Biologiczne wytwarzanie wodoru''' przy użyciu [[Algi|alg]] jest metodą fotobiologicznego rozkładu wody, zachodzącego w zamkniętym fotobioreaktorze, opartą na produkcji wodoru przy użyciu promieni słonecznych jako źródła energii wykorzystywanego przez algi<ref>[http://labs.biology.ucsd.edu/schroeder/bggn227/2014%20Lectures/Mayfield/Gimpel%20COCB%202013.pdf 2013 - Gimpel JA, et al Advances in microalgae engineering and synthetic biology applications for biofuel production]</ref><ref name="HemschemeierMelis2009">{{Cytuj pismo | nazwisko = Hemschemeier | imię = Anja | nazwisko2 = Melis | imię2 = Anastasios | nazwisko3 = Happe | imię3 = Thomas | tytuł = Analytical approaches to photobiological hydrogen production in unicellular green algae | czasopismo = Photosynthesis Research | wolumin = 102 | wydanie = 2–3 | strony = 523–540 | rok = 2009 | issn = 0166-8595 | doi = 10.1007/s11120-009-9415-5 | pmid = 19291418 | język = en }}</ref>. Do produkcji wodoru przez algi, konieczne jest zapewnienie im odpowiednich warunków. W 2000 roku odkryto, iż jeśli pozbawić algę ''[[Chlamydomonas reinhardtii|C. reinhardtii]]'' siarki, zamieni ona produkcję tlenu w normalnym procesie fotosyntezy na produkcję wodoru<ref>[http://www.wired.com/news/technology/0,70273-0.html Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory]</ref><ref>http://www.science.org.au/nova/newscientist/111ns_002.htm</ref>. |
||
== Fotosynteza == |
== Fotosynteza == |
||
Podczas [[Fotosynteza|fotosyntezy]] [[Sinice|cyjanobakterie]] i [[algi zielone]] rozkładają wodę na jony wodorowe i elektrony. Elektrony przenoszone są na [[Ferredoksyna|ferredoksynę]]<ref name="PedenBoehm2013"> |
Podczas [[Fotosynteza|fotosyntezy]] [[Sinice|cyjanobakterie]] i [[algi zielone]] rozkładają wodę na jony wodorowe i elektrony. Elektrony przenoszone są na [[Ferredoksyna|ferredoksynę]]<ref name="PedenBoehm2013">{{Cytuj pismo | nazwisko = Peden | imię = E. A. | nazwisko2 = Boehm | imię2 = M. | nazwisko3 = Mulder | imię3 = D. W. | nazwisko4 = Davis | imię4 = R. | nazwisko5 = Old | imię5 = W. M. | tytuł = Identification of Global Ferredoxin Interaction Networks in Chlamydomonas reinhardtii | czasopismo = Journal of Biological Chemistry | wolumin = 288 | wydanie = 49 | strony = 35192–35209 | rok = 2013 | issn = 0021-9258 | doi = 10.1074/jbc.M113.483727 | pmid = 24100040 | język = en }}</ref>. [[Hydrogenaza|Fe-Fe hydrogenaza]] (enzym) łączy je do wodoru gazowego. [[Fotoukład|Fotoukład II]] ''[[Chlamydomonas reinhardtii]]'' wytwarza w bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego 80% elektronów, które na koniec znajdują swoje miejsce w wodorze gazowym<ref name="VolgushevaStyring2013">{{Cytuj pismo | nazwisko = Grewe | imię = S. | nazwisko2 = Ballottari | imię2 = M. | nazwisko3 = Alcocer | imię3 = M. | nazwisko4 = D'Andrea | imię4 = C. | nazwisko5 = Blifernez-Klassen | imię5 = O. | tytuł = Light-Harvesting Complex Protein LHCBM9 Is Critical for Photosystem II Activity and Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii | czasopismo = The Plant Cell | wolumin = 26 | wydanie = 4 | strony = 1598–1611 | rok = 2014 | issn = 1040-4651 | doi = 10.1105/tpc.114.124198 | pmid = 24706511 | język = en }}</ref>. LHCBM9 - [[białko zbierające światło fotoukładu II]] w [[Kompleksy zbierające światło|kompleksie zbierającym światło]] skutecznie wspomaga odbieranie energii słonecznej<ref name="GreweBallottari2014"><cite class="citation journal">Grewe, S.; Ballottari, M.; Alcocer, M.; D'Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, J. H.; Bassi, R.; Kruse, O. (2014). </cite></ref>. Fe-Fe-hydrogenaza wymaga warunków beztlenowych gdyż tlen blokuje jej aktywność. Do badania dróg metabolicznych stosowana jest [[spektroskopia fourierowska]]<ref name="pmid19054351"><cite class="citation journal">Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009). </cite></ref>. |
||
== Skrócony układ antenowy == |
== Skrócony układ antenowy == |
||
Linia 19: | Linia 19: | ||
* 2011 - Dodając modyfikowany bioinżynieryjnie enzym, zwiększa się poziom produkcji wodoru przez algi o około 400%.<ref name="YacobyPochekailov2011"><cite class="citation journal">Yacoby, I.; Pochekailov, S.; Toporik, H.; Ghirardi, M. L.; King, P. W.; Zhang, S. (2011). </cite></ref> |
* 2011 - Dodając modyfikowany bioinżynieryjnie enzym, zwiększa się poziom produkcji wodoru przez algi o około 400%.<ref name="YacobyPochekailov2011"><cite class="citation journal">Yacoby, I.; Pochekailov, S.; Toporik, H.; Ghirardi, M. L.; King, P. W.; Zhang, S. (2011). </cite></ref> |
||
* 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<ref name="UtschigDimitrijevic2011"><cite class="citation journal">Utschig, Lisa M.; Dimitrijevic, Nada M.; Poluektov, Oleg G.; Chemerisov, Sergey D.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). </cite></ref><ref name="UtschigSilver2011"><cite class="citation journal">Utschig, Lisa M.; Silver, Sunshine C.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). </cite></ref>. |
* 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<ref name="UtschigDimitrijevic2011"><cite class="citation journal">Utschig, Lisa M.; Dimitrijevic, Nada M.; Poluektov, Oleg G.; Chemerisov, Sergey D.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). </cite></ref><ref name="UtschigSilver2011"><cite class="citation journal">Utschig, Lisa M.; Silver, Sunshine C.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). </cite></ref>. |
||
* 2013 - [[Uniwersytet w Uppsali|Uniwersytet w Uppsali]] - [[fotoukład II]] ''Chlamydomonas reinhardtii'' wytwarza w bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego 80% elektronów, które na koniec znajdują swoje miejsce w wodorze gazowym <ref name="VolgushevaStyring2013" |
* 2013 - [[Uniwersytet w Uppsali|Uniwersytet w Uppsali]] - [[fotoukład II]] ''Chlamydomonas reinhardtii'' wytwarza w bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego 80% elektronów, które na koniec znajdują swoje miejsce w wodorze gazowym <ref name="VolgushevaStyring2013" />. |
||
== Badania == |
== Badania == |
Wersja z 02:49, 27 sty 2016
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
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
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 koloni zielonych alg.[9]
Historia
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 tą reakcję jest hydrogenaza, lecz traci ona tą 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 tą 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 energi 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
- 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 Planck'a wzbogaciły produkcję wodoru wytwarzanego przez mikroalgi dzięki przekierowywaniu elektronów z fotouładu I do hydrogenzy[30].
Ekonomia
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
- 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.
- ↑ 2013 - Gimpel JA, et al Advances in microalgae engineering and synthetic biology applications for biofuel production
- ↑ Anja Hemschemeier, Anastasios Melis, Thomas Happe. Analytical approaches to photobiological hydrogen production in unicellular green algae. „Photosynthesis Research”. 102 (2–3), s. 523–540, 2009. DOI: 10.1007/s11120-009-9415-5. ISSN 0166-8595. PMID: 19291418. (ang.).
- ↑ Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory
- ↑ http://www.science.org.au/nova/newscientist/111ns_002.htm
- ↑ E. A. Peden, M. Boehm, D. W. Mulder, R. Davis i inni. Identification of Global Ferredoxin Interaction Networks in Chlamydomonas reinhardtii. „Journal of Biological Chemistry”. 288 (49), s. 35192–35209, 2013. DOI: 10.1074/jbc.M113.483727. ISSN 0021-9258. PMID: 24100040. (ang.).
- ↑ a b S. Grewe, M. Ballottari, M. Alcocer, C. D'Andrea i inni. Light-Harvesting Complex Protein LHCBM9 Is Critical for Photosystem II Activity and Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii. „The Plant Cell”. 26 (4), s. 1598–1611, 2014. DOI: 10.1105/tpc.114.124198. ISSN 1040-4651. PMID: 24706511. (ang.).
- ↑ Grewe, S.; Ballottari, M.; Alcocer, M.; D'Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, J. H.; Bassi, R.; Kruse, O. (2014).
- ↑ Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009).
- ↑ H. Kirst i inni, Truncated Photosystem Chlorophyll Antenna Size in the Green Microalga Chlamydomonas reinhardtii upon Deletion of the TLA3-CpSRP43 Gene, „Plant Physiology”, 4 (160), 2012, s. 2251–2260, DOI: 10.1104/pp.112.206672, ISSN 0032-0889, PMID: 23043081 .
- ↑ Algae: Power Plant of the Future?
- ↑ Reengineering Algae To Fuel The Hydrogen Economy
- ↑ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013).
- ↑ Department of Energy report winter 2000
- ↑ 2005-The anaerobic life of the photosynthetic alga
- ↑ Hydrogen from algae - fuel of the future?
- ↑ Surzycki, R.; Cournac, L.; Peltier, G.; Rochaix, J.-D. (2007).
- ↑ Kirst, H; García-Cerdán, JG; Zurbriggen, A; Melis, A (2012).
- ↑ Tetali, SD; Mitra, M; Melis, A (2007).
- ↑ DOE 2008 Report 25 %
- ↑ Iwuchukwu, IJ; Vaughn, M; Myers, N; O'Neill, H; Frymier, P; Bruce, BD (2010).
- ↑ Yacoby, I.; Pochekailov, S.; Toporik, H.; Ghirardi, M. L.; King, P. W.; Zhang, S. (2011).
- ↑ Utschig, Lisa M.; Dimitrijevic, Nada M.; Poluektov, Oleg G.; Chemerisov, Sergey D.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011).
- ↑ Utschig, Lisa M.; Silver, Sunshine C.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011).
- ↑ Algae Could One Day be Major Hydrogen Fuel Source Newswise, Retrieved on June 30, 2008.
- ↑ Melis A and Happe T , Hydrogen Production: Green Algae as a Source of Energy, „Plant Physiology”, 127 (3), 2001, s. 740–748, DOI: 10.1104/pp.010498, PMID: 11706159, PMCID: PMC1540156 .
- ↑ Photobiological hydrogen production—prospects and challenges
- ↑ 2005-A prospectus for biological H2 production
- ↑ Hydrogen from microalgae
- ↑ Hydral Energy Systems
- ↑ Sigrun Rumpel i inni, Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to hydrogenase, „Energy Environ. Sci.”, 7 (10), 2014, s. 3296–3301, DOI: 10.1039/C4EE01444H, ISSN 1754-5692 .
- ↑ Growing hydrogen for the cars of tomorrow
- ↑ 2004-Updated Cost Analysis of Photobiological Hydrogen
- ↑ 2004- Updated cost analysis of photobiological hydrogen production from chlamydomonas reinhardtii green algae