Биотехнологическое получение водорода: различия между версиями

Интерактивная навигация по истории

(Показать все непатрулированные изменения)

[непроверенная версия]

← Предыдущая правка

Содержимое удалено Содержимое добавлено

ВизуальныйВики-текст

Линейный

Текущая версия от 08:46, 19 марта 2023

Действующий водородный элемент, содержащий культуру хламидомонад

Биологическое получение водорода при помощи водорослей — процесс биологического расщепления воды, сопровождающийся выделением молекулярного водорода, которое осуществляется в замкнутом фотобиореакторе одноклеточными зелёными водорослями — хламидомонадами или хлореллами. Данная технология образования биоводорода основана на адаптивном переключении фотометаболизма водорослей в ответ на неоптимальные условия среды и была предложена в 1990-х годах после обнаружении эмиссии водорода культурой хламидомонады Рейнгардта, которую вызвал дефицит серы.

История

В 1939 году немецкий исследователь Ханс Гаффрон^[англ.], работая в Чикагском университете, обнаружил, что изучаемая им зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii иногда переключается с производства кислорода на производство водорода^[1]. Гаффрон не смог установить причину этого переключения. В конце 1990-х годов профессор Анастасис Мелис^[англ.], работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы хламидомонады прекращают осуществлять фотосинтез с выделением кислорода и переключается на выделение водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент — гидрогеназу, не функционирующую в присутствии кислорода. Мелис обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород. Впоследствии был обнаружен другой вид хламидомонад перспективный для целей производства биоводород — Chlamydomonas moeweesi^[англ.].

В 2006 году исследователи из Университета Билефельда и Университета Квинсленда генетически модифицировали одноклеточную водоросль Chlamydomonas reinhardtii таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода^[2]. Получившаяся водоросль-мутант Stm6 может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок, и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.

2006 год — неопубликованная работа из Калифорнийского университета в Беркли (программа реализуется организацией MRIGlobal (англ.), по контракту с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии^[англ.] обещает разработку технологии с 10%-й энергетической эффективностью. Утверждается, что путём укорочения стека хлорофилла Tasios Melis возможно преодолеть 10%-й барьер^[3].

2006 — В Университете Карлсруэ разрабатывается прототип биореактора, содержащего 500—1000 литров культуры водорослей. Этот реактор используется для доказательства реализуемости экономически эффективных систем такого рода в течение ближайших пяти лет.

Биологическая основа

Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием микробиологических систем.

Во время фотосинтеза цианобактерии и зеленые водоросли расщепляют воду на ионы водорода и электроны. Электроны переводятся на ферредоксин, [FeFe]-гидрогеназа переносит их на протоны с образованием газообразного водорода. Фотосистема II Chlamydomonas reinhardtii производит в прямом солнечном излучении 80% электронов, которые в конечном итоге находят свое место в газообразном водороде. LHCBM9 — светособирающий белок II в светособирающем комплексе эффективно поддерживает солнечную энергию. [FeFe]-гидрогеназа требует анаэробных условий, потому что кислород блокирует ее активность. Для изучения метаболических путей применяется спектроскопия Фурье.

Укорочение антенных комплексов

Антенные системы хлорофилла в зеленых водорослях уменьшены или укорочены, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования света в H₂. Укороченная система сводит к минимуму поглощение и расточительное рассеивание света через отдельные клетки, что, в свою очередь, повышает эффективность использования света и повышает продуктивность фотосинтеза в колониях зеленых водорослей.

Конструкция реактора

Особенности конструкции биореактора

Ограничения фотосинтетического производства водорода путём аккумулирования протонного градиента.
Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого газа.
Эффективность фотосинтеза возрастает, если с фотосистемой II связан бикарбонат
Экономическая реализуемость. Энергетическая эффективность — коэффициент преобразования солнечного света в водород — должна достичь 7—10 % (водоросли в естественных условиях достигают в лучшем случае 0,1 %).

Экономичность

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью равной площади штата Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира^{[источник не указан 4770 дней]}. Около 25 000 км² достаточно для возмещения потребления бензина в США. Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои^[4].

Другие способы микробиологического получение водорода

Водородообразующие микроорганизмы широко распространены в природе. Например, растущая культура Rhodopseudomonas capsulata выделяет 200—300 мл водорода на 1 грамм сухой биомассы^[5]. Микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводной природы (крахмал, целлюлоза).

См. также

en:Algaculture — Водорослеводство
Водородная энергетика

Примечания

↑ Gartner J. Algae: Power Plant of the Future? (англ.). Wired (19 августа 2002). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 24 февраля 2007 года.
↑ Hydrogen from algae — fuel of the future? (англ.). Дата обращения: 27 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.
↑ Williams Christopher. Pond life: the future of energy. Hydrogen-producing algae breakthrough (англ.). The Register (24 февраля 2006). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 9 мая 2011 года.
↑ Aldhous Peter. Growing hydrogen for the cars of tomorrow (англ.). New Scientist (22 февраля 2006). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 24 июля 2008 года.
↑ Кондратьева Е. Н., Гоготов И. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981. 342 с.

Литература

Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Зацепин С. С. Проблемы преобразования солнечной энергии путём биофотолиза воды. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978

Ссылки

[1] Gartner J. Algae: Power Plant of the Future? (англ.). Wired (19 августа 2002). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 24 февраля 2007 года.

[2] Hydrogen from algae — fuel of the future? (англ.). Дата обращения: 27 сентября 2007. Архивировано 27 сентября 2007 года.

[3] Williams Christopher. Pond life: the future of energy. Hydrogen-producing algae breakthrough (англ.). The Register (24 февраля 2006). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 9 мая 2011 года.

[4] Aldhous Peter. Growing hydrogen for the cars of tomorrow (англ.). New Scientist (22 февраля 2006). Дата обращения: 29 сентября 2017. Архивировано 24 июля 2008 года.

[5] Кондратьева Е. Н., Гоготов И. Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981. 342 с.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
-[[Файл:Algae hydrogen production.jpg|frame]]
+[[Файл:Algae hydrogen production.jpg|thumb|Действующий водородный элемент, содержащий культуру хламидомонад]]
+'''Биологическое получение водорода при помощи водорослей''' — процесс биологического расщепления [[Вода|воды]], сопровождающийся выделением [[молекулярный водород|молекулярного водорода]], которое осуществляется в замкнутом [[биореактор|фотобиореакторе]] одноклеточными [[Chlorophyta|зелёными водорослями]] — [[Chlamydomonas|хламидомонадами]] или [[Chlorella|хлореллами]]. Данная технология образования [[биоводород]]а основана на адаптивном переключении фотометаболизма водорослей в ответ на неоптимальные условия среды и была предложена в 1990-х годах после обнаружении эмиссии водорода культурой [[Chlamydomonas reinhardtii|хламидомонады Рейнгардта]], которую вызвал дефицит [[сера|серы]].
-'''Биологическое получение водорода''' при помощи водорослей — процесс биохимического расщепления воды, осуществляемый замкнутым фотобиореактором, основанный на получении водорода водорослями. Точные условия выделения водорода водорослями неизвестны. В 2000 году было обнаружено, что водоросли вида ''C. reinhardtii'' при нехватке серы перейдут от выделения кислорода (как при нормальном фотосинтезе) к выделению водорода.
+== История ==
-== Микробиологическое получение водорода ==
+В 1939 году немецкий исследователь {{нп5|Гаффрон, Ханс|Ханс Гаффрон||Hans Gaffron}}, работая в [[Чикагский университет|Чикагском университете]], обнаружил, что изучаемая им зелёная водоросль ''[[Chlamydomonas reinhardtii]]'' иногда переключается с [[оксигенный фотосинтез|производства кислорода]] на [[производство водорода]]<ref>{{cite web |url=https://www.wired.com/news/technology/0,1282,54456,00.html |title=Algae: Power Plant of the Future? |author=Gartner J. |lang=en |publisher=Wired |date=2002-08-19 |access-date=2017-09-29 |archive-date=2007-02-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20070224151135/http://www.wired.com/news/technology/0,1282,54456,00.html |deadlink=no }}</ref>. Гаффрон не смог установить причину этого переключения. В конце 1990-х годов профессор {{нп5|Мелис, Анастасис|Анастасис Мелис||Anastasios Melis}}, работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка [[сера|серы]] хламидомонады прекращают осуществлять фотосинтез с выделением кислорода и переключается на выделение водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент — [[гидрогеназа|гидрогеназу]], не функционирующую в присутствии кислорода. Мелис обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород. Впоследствии был обнаружен другой вид хламидомонад перспективный для целей производства [[биоводород]] — ''{{нп5|Chlamydomonas moeweesi}}''.
-{{заготовка раздела}}
-Водородообразующие [[микроорганизмы]] широко распространены в природе. Например, растущая культура ''[[Rhodopseudomonas capsulata]]'' выделяет 200—300 мл водорода на 1 грамм сухой биомассы<ref>Кондратьева Е. Н., Гоготов И. Н. ''Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов''. М.: Наука, 1981. 342 с.</ref>.
-Микробиологическое образование водорода может идти из соединений [[углеводы|углеводного]] характера ([[крахмал]], [[целлюлоза]]).
+В 2006 году исследователи из [[Университет Билефельда|Университета Билефельда]] и [[Университет Квинсленда|Университета Квинсленда]] генетически модифицировали одноклеточную водоросль ''[[Chlamydomonas reinhardtii]]'' таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода<ref>{{cite web |url=http://www.fuelcellsworks.com/Supppage5197.html |title=Hydrogen from algae — fuel of the future? |accessdate=2007-09-27 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070927050605/http://www.fuelcellsworks.com/Supppage5197.html |archivedate=2007-09-27  |lang=en}}</ref>. Получившаяся водоросль-мутант ''Stm6'' может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок, и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.
-== Биофотолиз воды ==
+ год — неопубликованная работа из [[Калифорнийский университет в Беркли|Калифорнийского университета в Беркли]] (программа реализуется организацией [[MRIGlobal]] ([[:en:MRIGlobal|англ.]]), по контракту с {{нп5|Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (США)|Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии||National Renewable Energy Laboratory}} обещает разработку технологии с 10%-й энергетической эффективностью. Утверждается, что путём укорочения стека хлорофилла Tasios Melis возможно преодолеть 10%-й барьер<ref>{{cite web |url=https://www.theregister.co.uk/2006/02/24/pond_scum_breakthrough/ |title=Pond life: the future of energy. Hydrogen-producing algae breakthrough |author=Williams Christopher |date=2006-02-24 |publisher=The Register |lang=en |access-date=2017-09-29 |archive-date=2011-05-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110509143055/http://www.theregister.co.uk/2006/02/24/pond_scum_breakthrough/ |deadlink=no }}</ref>.
+[[2006]] — В [[Университет Карлсруэ|Университете Карлсруэ]] разрабатывается прототип биореактора, содержащего 500—1000 литров культуры водорослей. Этот реактор используется для доказательства реализуемости экономически эффективных систем такого рода в течение ближайших пяти лет.
+== Биологическая основа ==
 Биофотолиз воды — [[фоторазложение|разложение]] воды на водород и кислород с участием микробиологических систем.
-Производство [[водород]]а происходит в [[биореактор]]е, содержащем [[водоросли]]. [[Водоросли]] производят водород при определенных условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка [[сера|серы]] биохимический процесс производства [[кислород]]а, то есть нормальный [[фотосинтез]], переключается на производство водорода.
+Во время фотосинтеза  цианобактерии  и зеленые водоросли  расщепляют воду на ионы водорода и электроны. Электроны переводятся на ферредоксин, [FeFe]-[[гидрогеназа]] переносит их на протоны с образованием газообразного водорода. [[Фотосистема II]]  ''Chlamydomonas reinhardtii'' производит в прямом солнечном излучении 80% электронов, которые в конечном итоге находят свое место в газообразном водороде. LHCBM9 — светособирающий белок II в светособирающем комплексе эффективно поддерживает солнечную энергию. [FeFe]-гидрогеназа требует анаэробных условий, потому что кислород блокирует ее активность. Для изучения метаболических путей применяется [[спектроскопия Фурье]].
+===Укорочение антенных комплексов ===
+Антенные системы хлорофилла в зеленых водорослях уменьшены или укорочены, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования света в H<sub>2</sub>. Укороченная система сводит к минимуму поглощение и расточительное рассеивание света через отдельные клетки, что, в свою очередь, повышает эффективность использования света и повышает продуктивность фотосинтеза в колониях зеленых водорослей.
+==Конструкция реактора==
 === Особенности конструкции биореактора ===
-* Ограничения фотосинтетического производства водорода путем аккумулирования [[протонный градиент|протонного градиента]].
+* Ограничения фотосинтетического производства водорода путём аккумулирования [[протонный градиент|протонного градиента]].
 * Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого газа.
-* [[Эффективность фотосинтеза]] возрастает, если бикарбоната связан с [[фотосистема II|фотосистемой II]] (PSII)
+* [[Эффективность фотосинтеза]] возрастает, если с [[фотосистема II|фотосистемой II]] связан [[бикарбонат]]
 * Экономическая реализуемость. Энергетическая эффективность — коэффициент преобразования солнечного света в водород — должна достичь 7—10 % (водоросли в естественных условиях достигают в лучшем случае 0,1 %).
-=== Основные вехи ===
-{{заготовка раздела}}
- год — исследователи из [[Университет Билефельда|Университета Билефельда]] и [[Университет Квинсленда|Университета Квинсленда]] генетически модифицировали одноклеточную водоросль ''[[Chlamydomonas reinhardtii]]'' таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода<ref>http://www.fuelcellsworks.com/Supppage5197.html</ref>. Получившаяся водоросль-мутант ''Stm6'' может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок, и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.
- год — неопубликованная работа из [[Калифорнийский университет в Беркли|Калифорнийского университета в Беркли]] (программа реализуется организацией [[MRIGlobal]] ([[:en:MRIGlobal|англ.]]), по контракту с [[Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (США)|Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии]] ([[:en:National Renewable Energy Laboratory|англ.]] обещает разработку технологии с 10 процентной энергетической эффективностью. Утверждается, что путем укорочения стека хлорофилла Tasios Melis возможно преодолеть 10 процентный барьер<ref>http://www.theregister.co.uk/2006/02/24/pond_scum_breakthrough/</ref>.
-=== Исследования ===
-[[2006]] — В [[Университет Карлсруэ|Университете Карлсруэ]] разрабатывается прототип биореактора, содержащего 500—1000 литров культуры водорослей. Этот реактор используется для доказательства реализуемости экономически эффективных систем такого рода в течение ближайших пяти лет.
 === Экономичность ===
-Ферма водородопроизводящих водорослей площадью равной площади штата [[Техас]] производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира.{{Нет АИ|19|11|2011}} Около 25&nbsp;000 км² достаточно для возмещения потребления [[бензин]]а в [[США]]. Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои<ref>[http://www.newscientist.com/channel/earth/energy-fuels/mg18925401.600-growing-hydrogen-for-the-cars-of-tomorrow.html There has been an error - New Scientist<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>.
+Ферма водородопроизводящих водорослей площадью равной площади штата [[Техас]] производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира{{Нет АИ|19|11|2011}}. Около 25 000 км² достаточно для возмещения потребления [[бензин]]а в [[США]]. Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои<ref>{{cite web |url=https://www.newscientist.com/channel/earth/energy-fuels/mg18925401.600-growing-hydrogen-for-the-cars-of-tomorrow.html |title=Growing hydrogen for the cars of tomorrow |date=2006-02-22 |author=Aldhous Peter |publisher=New Scientist |lang=en |access-date=2017-09-29 |archive-date=2008-07-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080724151200/http://www.newscientist.com/channel/earth/energy-fuels/mg18925401.600-growing-hydrogen-for-the-cars-of-tomorrow.html |deadlink=no }}</ref>.
+== Другие способы микробиологического получение водорода ==
-=== История ===
+Водородообразующие [[микроорганизмы]] широко распространены в природе. Например, растущая культура ''[[Rhodopseudomonas capsulata]]'' выделяет 200—300 мл водорода на 1 грамм сухой биомассы<ref>Кондратьева Е. Н., Гоготов И. Н. ''Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов''. М.: Наука, 1981. 342 с.</ref>. Микробиологическое образование водорода может идти из соединений [[углеводы|углеводной]] природы ([[крахмал]], [[целлюлоза]]).
-В 1939 году немецкий исследователь [[Гаффрон, Ханс|Ханс Гаффрон]] ([[:en:Hans Gaffron|англ.]]), работая в [[Чикагский университет|Чикагском университете]], обнаружил, что изучаемая им водоросль ''[[Chlamydomonas reinhardtii]]'' иногда переключается с [[производство кислорода|производства кислорода]] на [[производство водорода]]<ref>[http://www.wired.com/news/technology/0,1282,54456,00.html Algae: Power Plant of the Future?<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>. Гаффрон не смог обнаружить причину этого переключения. В течение многих лет причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х годов профессор [[Мелис, Анастасис|Анастасис Мелис]] ([[:en:Anastasios Melis|англ.]]), работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка [[сера|серы]] биохимический процесс производства [[кислород]]а, то есть нормальный [[фотосинтез]], переключается на производство водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент [[гидрогеназа|гидрогеназу]], теряющий эти функции в присутствии кислорода. Мелис обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород<ref>[http://www.wired.com/wired/archive/10.04/mustread.html?pg=5 Wired 10.04: Must Read<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>. Другой тип водорослей ''[[Chlamydomonas moeweesi]]'' ([[:en:Chlamydomonas moeweesi|англ.]]) также перспективен для производства водорода.
 == См. также ==
 * [[:en:Algaculture]] — Водорослеводство
-* [[Водоросли]]
 * [[Водородная энергетика]]
-* [[Биоводород]]
 == Примечания ==
@@ Строка 42: / Строка 40: @@
 == Литература ==
-* Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Зацепин С. С. ''Проблемы преобразования солнечной энергии путем биофотолиза воды''. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978
+* Варфоломеев С. Д., Зайцев С. В., Зацепин С. С. ''Проблемы преобразования солнечной энергии путём биофотолиза воды''. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978
 == Ссылки ==
-* [http://window.edu.ru/window_catalog/files/r21259/9808_058.pdf Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии] {{ref-pdf}}
+* [http://window.edu.ru/window_catalog/files/r21259/9808_058.pdf Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии] {{Wayback|url=http://window.edu.ru/window_catalog/files/r21259/9808_058.pdf |date=20080302060755 }} {{ref-pdf}}
-* [http://www.wired.com/news/technology/0,70273-0.html Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory]
+* [https://web.archive.org/web/20060827033219/http://www.wired.com/news/technology/0%2C70273-0.html Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory]
 * [http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e0g.htm FAO]
 * [http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review06/pdp_11_melis.pdf Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures]
-[[Категория:Биотопливо]]
+[[Категория:Производство биотоплива]]
 [[Категория:Водородная энергетика]]

Биотехнологическое получение водорода: различия между версиями

Текущая версия от 08:46, 19 марта 2023

Содержание

История

Биологическая основа

Укорочение антенных комплексов

Конструкция реактора

Особенности конструкции биореактора

Экономичность

Другие способы микробиологического получение водорода

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

Биотехнологическое получение водорода: различия между версиями

Текущая версия от 08:46, 19 марта 2023

История

Биологическая основа

Укорочение антенных комплексов

Конструкция реактора

Особенности конструкции биореактора

Экономичность

Другие способы микробиологического получение водорода

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

Поиск