Mikrobiologiczna produkcja wodoru

Mikrobiologiczna produkcja wodoru... Jednym z priorytetowych celów nauki jest znalezienie taniego, wydajnego, odnawialnego, bezpiecznego dla środowiska źródła energii, które pozwoli zastąpić stosowane dotychczas paliwa kopalne. Kryteria te spełnia wodór. Jego wysoka wydajność energetyczna, możliwość wykorzystania w wysokosprawnych ogniwach paliwowych oraz możliwość bezpośredniego przetworzenia w tych ogniwach na energię elektryczną powodują, że staje się on paliwem energetycznym przyszłości. Rzeczywistością są już przecież samochody o napędzie wodorowym i pojawiające się pierwsze komercyjne dystrybutory gazowego wodoru, z roku na rok rośnie też wykorzystywanie wysokowydajnych ogniw wodorowych. Problemem jest jednak to, że wodór w środowisku występuje głównie w postaci związanej, tzn. w postaci związków chemicznych, które, by uwolnić z nich wodór cząsteczkowy, należy koniecznie przetworzyć.

Tu jest miejsce na reklam.
Zobacz cennik

Skąd go brać?

Obecnie wodór na skalę przemysłową pozyskuje się poprzez kraking paliw kopalnych, elektrolizęwody lub z materiałów odnawialnych poprzez termiczny rozkład biomasy. Procesy takie są kosztowne i mogą mieć negatywny wpływ na środowisko. Alternatywą dla nich mogą stać się procesy mikrobiologiczne, oparte na naturalnych właściwościach metabolicznych mikroorganizmów. W trakcie procesów przekształcania energii przez bakterie w ściśle określonych warunkach środowiskowych jako uboczny produkt reakcji metabolicznych może powstawać wodór gazowy. W rachubę wchodzą trzy procesy metaboliczne. Są to: fermentacja substratów organicznych przeprowadzana przez niektóre bakterie heterotroficzne, fotorozkład substancji organicznych prowadzony przez bakterie fotoheterotroficzne oraz biofotoliza wody prowadzona przez cyjanobakterie.

Fermentacja

Niektóre bakterie heterotroficzne w warunkach beztlenowych dla uzyskania energii utleniają związki organiczne do krótkołańcuchowych kwasów organicznych. Produktem ubocznym takiej reakcji może być wodór. Można uzyskać w ten sposób od 1,4 do 2,6 mola wodoru na 1 mol utlenianej glukozy. Oprócz tego powstają produkty odpadowe w postaci krótkokołańcuchowych kwasów organicznych. Wśród mikroorganizmów przeprowadzających procesy tego typu można wyróżnić m.in. bakterie z rodzaju Ervinia, Aeromonas, Serratia. Ciekawe efekty uzyskano, stosując bakterie z rodzaju Clostridium izolowane z przewodów pokarmowych termitów. Bakterie te produkują do 4,46 mola wodoru na 1 mol glukozy. Jak do tej pory jest to najwyższa wydajność produkcji wodoru opisana u bakterii heterotroficznych.

Fotorozkład

Inną wspomnianą grupą bakterii zdolnych do produkcji wodoru są fotoheterotrofy. Wykorzystują one krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe i energię słoneczną do uzyskania energii metabolicznej. Rhodobacter sphaeroides RV w warunkach naświetlenia i w obecności kwasu masłowego produkuje około 10 moli lub - w obecności octanu - 8 moli wodoru na 1 mol substratu. Produktem ostatecznym takiej reakcji są dwutlenek węgla i woda. Niektóre sinice z rodzaju Anabena, Nostoc są zdolne do fotobiolizy wody. W wyniku tego procesu powstaje wodór cząsteczkowy. Jest on jednak mało wydajny ze względu na niską sprawność nitrogenazy (enzymu odpowiadającego za proces syntezy wodoru) oraz na jego dużą energochłonność. Optymalnym sposobem mikrobiologicznej produkcji wodoru jest tworzenie systemów hybrydowych, pozwalających na łączenie w jednym bioreaktorze bakterii fermentujących produkujących wodór z fotoheterotrofami. W systemach takich bakterie heterotroficzne fermentujące degradują węglowodory do wodoru i kwasów organicznych. Powstałe w tym procesie kwasy organiczne są odprowadzane do fotobioreaktora, w którym prowadzona jest hodowla bakterii fotoheterotroficznych, takich jak np. z rodzaju Rhodobacter.  Pozwala to na uzyskanie około 12 moli wodoru na 1 mol glukozy.

Utylizacja odpadów

Produkcja wodoru może być wiązana z utylizacją odpadów. Prowadzone są próby nad wykorzystaniem odpadów organicznych pochodzących z przetwórstwa spożywczego. Między innymi wykorzystuje się tu odpady z fabryk tofu, ścieki zawierające melasę i inne odpady organiczne, w których zawarte są poli- lub monosacharydy. Z jednej strony zapobiega to dostaniu się do środowiska nadmiaru substancji odżywczych, z drugiej dostarcza paliwa do ogniw wodorowych. Uzyskiwanie wodoru w sposób opisany powyżej jest jednak na razie niezadowalające. Wyniki nie pozwalają stosować wymienionych metod na skalę przemysłową.

Czy zatem opłacalna jest bioprodukcja wodoru?

Na obecnym etapie badań trudno jednoznacznie odpowiedzieć na takie pytanie. Nie należy zapominać, że redukcja H+ do gazowego wodoru jest niekorzystną energetycznie alternatywną drogą utlenienia w komórce, dającą komórce bakteryjnej niewielką ilość energii. Niski potencjał redoks pary H+/H2 będzie powodował, że uprzywilejowana będzie redukcja innych obecnych w środowisku jonów o wyższym potencjale redoks,  takich jak jony azotanowe (V), siarczany (V), utlenione jony metali. Przyszłość należy jednak do odnawialnych źródeł energii, do których wodór się przecież zalicza. Dlatego bioprodukcja wodoru wymaga dalszych badań, które pozwolą na zastosowanie tych metod w procesach biotechnologicznych. Poznanie genów odpowiedzialnych za procesy produkcji wodoru pozwoli na zastosowanie metod inżynierii genetycznej do  modyfikacji i intensyfikacji tych procesów. Bioprodukcja wodoru może zatem okazać się skuteczną metodą dywersyfikacji źródeł pozyskiwania energii.

źródło: ekopartner

Mikrobiologiczna produkcja wodoru

Promocje:

PROMOCJE: