Биотехнологическое получение водорода. Биофотолиз воды

2.4. БИОФОТОЛИЗ ВОДЫ. Солнечная энергетика

Биофотолиз - Справочник химика 21

Повышение цен на традиционные источники энергии (природный газ, нефть, уголь) и угроза их исчерпания побудили ученых обратиться к альтернативным путям получения энергии. Роль биотехнологии в создании экономичных возобновляемых энергетических источников (спиртов, биогенных углеводородов, водорода) чрезвычайно велика. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства. Перспективно продолжение исследований по усовершенствованию и внедрению процессов производства метана, этанола, созданию на основе микроорганизмов (и ферментов) элементов, эффективно производящих электричество, а также по организации искусственного фотосинтеза, в частности биофотолиза воды, при котором можно получать богатые энергией водород и кислород. [c.204] Получение водорода методом биофотолиза 341 [c.5]

Как указывалось, существенным моментом рассмотренных схем является раздельное получение кислорода и водорода в фотопроцессе. В этом отношении они являются моделью первичных стадий фотосинтеза. Если бы удалось разобщить транспорт электронов в фотосинтезирующей системе, то можно было бы ограничить фотосинтез только первичными процессами. Задача фотосинтетического получения молекулярного водорода свелась бы к организации фотокаталитического процесса переноса электронов от воды на протоны. Березин и Варфоломеев [71] предлагают несколько вариантов биофотолиза воды. Один из них представлен на рис. I. 8. [c.47]

Катализирует эту реакцию фермент гидрогеназа, действие которого сильно ингибируется кислородом, который выделяется вместе с водородом (что создает основную проблему для практического применения этого процесса). Основные усилия многих исследователей направлены на ее решение. При помощи генной инженерии проводится создание клеток водорослей с повышенной устойчивостью к кислороду. Однако даже если будут созданы такие микроорганизмы, необходимо будет разделять водород и кислород. Для уменьшения содержания выделяющегося кислорода предлагалось использовать как необратимые (глюкоза), так и регенерируемые (гемоглобин) абсорбенты кислорода. Однако их использование существенно снижает эффективность процесса получения водорода. Поэтому рассматриваются альтернативные процессы, в которых образование кислорода и водорода можно разделить в пространстве и во времени. Например, один из процессов (так называемый непрямой биофотолиз) объединяет несколько стадий. Одноклеточные водоросли или цианобактерии способны использовать солнечный свет для связывания углекислого газа и воды с образованием углеводов [c.43]

Разновидность биофотолиза — процессы выделения водорода из воды с помощью бесклеточных систем, содержащих хлоропласты и гидрогеназу по реакции [c.130]

В системах, имитирующих процессы биофотолиза живых клеток, для разложения воды используются различные органические и неорганические катализаторы. Может, например, быть применен хлорофилл, получаемый из зеленых водорослей либо путем синтеза. Уже есть сообщения о результатах исследований, дающих возможность в перспективе получать искусственный хлорофилл со скоростью, превышающей скорости этого процесса в природных системах. [c.211]

Переработка угля Биофотолиз [c.442]

Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, некоторые биотехнологи, работающие над проблемами энергетики, занялись разработкой двух проблем, решение которых позволило бы повысить эффективность использования солнечной энергии. Во-первых, они пьггаются найти практические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в биомассу, например путем выращивания водорослей при высокой концентрации углекислого газа и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста. Во-вторых, они изучают возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих организмов, т.е. путем биофотолиза. Технически проще всего получать водород, используя интактные сине-зеленые водоросли или процессы ферментации (брожения). Надо сказать,, однако, что если биотехнология всерьез намерена внести в будущем весомый вклад в производство энергии, то ей придется решить нетривиальную техническую задачу на основе биофотолиза разработать сложный реактор, включающий упорядоченные стабильные биофотосистемы. [c.22]

Разработана система биофотолиза воды на основе использования препаратов хлоропластов, экзогенного переносчика электрона (метилвиологен, ферредоксин, бензилвиологен, НАД) и бактериальных гидрогеназ [c.47]

По типу протекающих в клетках микроорганизмов реакций, получение водорода разделяют на ферментативный, фотоферментативный процесс и биофотолиз. Кратко остановимся на них. Для более детального знакомства с особенностями получения водорода при помощи микроорганизмов рекомендуем работы 177—79]. [c.41]

Более перспективны в данном отношении цианобактерии, поскольку выделение ими Нг связано с биофотолизом воды, которая пока остается наиболее дешевым и доступным субстратом. Не прекращаются работы и с водорослями, так как они также способны выделять Нг при разложении воды. Предлагается, кроме того, использовать комплексные системы, образующие Нг, в которые входят разные фототрофы или фототрофы и хемотрофы. [c.634]

Интересные результаты получены при экспериментальном изучении процесса одновременного получения водорода и кислорода путем биофотолиза воды, осуществляемого в анаэробных усло ВИЯХ той же водорослью в кювете, освещаемой лампой накаливания, дававшей интенсивность облучения 125 Вт/м [54]. Облуче ние культуры длилось 3 ч, а последующая выдержка в темноте — 1 ч. Скорость образования На и Ог сохранялась практически пО стоянной в течение более чем 100 ч и составляла для водородг примерно 2,4-10 , а для кислорода — 0,6-10- моль/ч на 1 мг во доросли. Важно отметить, что у второго поколения водорослей [c.207]

chem21.info

Биотехнологическое получение водорода | Солнечное Вики

Файл:Algae hydrogen production.jpg

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.

Микробиологическое получение водорода

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

Биофотолиз воды

Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием микробиологических систем. Производство водорода происходит в биореакторе, содержащем водоросли. Водоросли производят водород при определенных условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, то есть нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода.

Особенности конструкции биореактора

Ограничения фотосинтетического производства водорода путем аккумулирования протонного градиента.
Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого газа.
Эффективность фотосинтеза возрастает, если бикарбоната связан с фотосистемой II (PSII)
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

2006 год — 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 процентной энергетической эффективностью. Утверждается, что путем укорочения стека хлорофилла Tasios Melis возможно преодолеть 10 процентный барьер[3].

Исследования

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.

Экономичность

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью равной площади штата Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира.[источник не указан 2360 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].

История

В 1939 году немецкий исследователь Ханс Гаффрон (англ.), работая в Чикагском университете, обнаружил, что изучаемая им водоросль Chlamydomonas reinhardtii иногда переключается с производства кислорода на производство водорода[5]. 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 Анастасис Мелис (англ.), работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, то есть нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент 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[6]. Другой тип водорослей Chlamydomonas moeweesi (англ.) также перспективен для производства водорода.

См. также

Примечания

Литература

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

Ссылки

ru.solar.wikia.com

Альтернативные источники энергии и их получение — Wiki

Этанол

Это экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н2О. Теплота сгорания этанола 30 кДж/г. Его используют в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10 - 20% добавку к бензину – газохол. В США газохол заменяет 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение газохола планируется в странах Западной Европы. Хотя этиловый спирт можно использовать для приготовления пищи, обогрева, освещения или производства пара и электричества, особой выгоды получить, здесь не удается. Дело в том, что в процессе превращения биомассы в топливо происходит значительная потеря энергии. Энергия тратится на всех стадиях переработки спирта. Больше всего ее тратится на концентрирование и обезвоживание спирта при перегонке. Энергию эту можно получать из отходов растительного сырья (багассы, соломы и т.д.), сжигая древесину или ископаемое топливо, газ, нефть или уголь. Энергозатраты на переработку сырья близки к количеству энергии, получаемой в форме спирта. По этой причине энергообеспечение всего процесса должно идти либо за счет переработки отходов, либо за счет использования самого дешевого топлива.

Химизм и технологические аспекты спиртового брожения. Основной продукт спиртового брожения - этиловый спирт, в незначительных количествах образуются и другие спирты. В основе процесса лежит сбраживание сахаров до пировиноградной кислоты, которая затем декарбоксилируется с образованием ацетальдегида и углекислого газа:

СН3COCOОH = С2Н4О + СО2

Ацетальдегид принимает водород от комплекса кофермента НАД с водородом и превращается в этиловый спирт:

С2Н4О + Н2 = С2Н5ОН

Основной возбудитель спиртового брожения - дрожжи рода Sacсhаromyces, но способностью к сбраживанию углеводов и образованию спиртов обладают и другие низшие грибы и бактерии.

Дрожжи разнообразны по морфологическим признакам. Лучше всего дрожжи развиваются при температуре +25-30 0С в условиях слабокислой реакции среды (рН 4-6) и могут доводить концентрацию спирта в среде до 15-17 %. Дрожжи - классический пример зависимости обмена веществ от условий окружающей среды. Это аэробные организмы, поэтому при получении хлебопекарных и кормовых дрожжей применяется интенсивная аэрация. При отсутствии кислорода дрожжи переходят к брожению. По этой причине технология производства вина, пива, спирта предусматривает анаэробные условия. В качестве субстрата все дрожжи потребляют гексозу. Полисахариды дрожжи, как правило, не используют, но они сбраживают образующиеся в результате гидролиза моносахариды. При гидролизе клетчатки образуются гексозы, а при расщеплении гемицеллюлоз - пентозы. На гексозах выращивают спиртовые дрожжи. Для выращивания кормовых дрожжей пригодны сточные воды многих производств. Используются, например, сточные воды производства лимонной кислоты, расширяется культивирование кормовых дрожжей на отходах нефтепродуктов, то есть их производство решает одновременно две задачи:

получение ценного кормового продукта;
снижение концентрации загрязнения в сточных водах.

Основную массу спирта, вырабатываемого на крупных предприятиях, получают с помощью дрожжей Saccharomyces, обычно S.cerevisiave, но иногда и S.uvarum и S.diastaticus. Первая задача здесь заключается в подборе соответствующих видов дрожжей, подходящих для переработки данного субстрата. Дрожжи S.cerevisiae могут расти на глюкозе, фруктозе, мальтозе и мальтотриозе, то есть на сахарах, содержащихся в крахмалсодержащих растениях. Вид дрожжей S.diastaticus может также использовать декстрины, а виды Kluyveromuces fragilis и K.lactus - лактозу.

Как было отмечено, образование этилового спирта дрожжами - это анаэробный процесс, но для их размножения нужен кислород. В следовых количествах кислород нужен и для поддержания жизнедеятельности клеток, образующих этанол. В ходе метаболизма осуществляется сложная регуляция образования этанола из глюкозы. Сам процесс метаболизма, жизнеспособность клеток, их рост, деление и образование спирта зависят от концентрации субстрата, кислорода и конечного продукта.

Существует три основных способа сбраживания сахарсодержащего сырья: периодический, периодический с повторным использованием клеток и непрерывный.

При периодическом процессе субстрат сбраживается после внесения в него свежевыращенной закваски, полученной в аэробных условиях. Брожение протекает в анаэробных условиях, и весь оставшийся субстрат превращается при этом в спирт. После завершения брожения дрожжи удаляют, и для следующего цикла получения спирта выращивают новую порцию закваски. Размножение дрожжей является дорогостоящей процедурой, так как расходуется много субстрата. При использовании дрожжей по периодической схеме около 5% сахара расходуется на рост клеток и обеспечение энергией синтеза других соединений: глицерола, уксусной кислоты, ацетальдегида и сивушных масел. По этой причине максимальный выход составляет около 48% от субстрата по массе. При использовании дрожжей продуктивность варьирует в пределах от 1 г до 2 г этилового спирта в 1 час на 1 грамм клеток (сухого вещества).

Недостатки периодического процесса (длительное сбраживания и неполное использование субстрата) можно частично устранить, применяя периодическую схему с повторным использованием клеток. При этом в конце цикла дрожжевые клетки отделяют от сброженной пульпы и сохраняют для использования в следующем цикле. По завершении сбраживания концентрация спирта составляет от 6% до 12%. Она зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z.mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах.

В большинстве случаев, поскольку за пищевой спирт нужно платить большой налог, алкоголь денатурируют. Для этого в спирт добавляют вещества, придающие ему горький вкус, или смешивают его с бензином.

Главным побочным продуктом производства являются углекислый газ, сивушные масла и кубовые остатки. Каждый из них имеет определенную ценность, но переработка жидких остатков может быть затруднена. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным, на каждый литр спирта приходится от 12 до 14 литров сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем.

Метан

Получение метана - важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. При переработке сырья в анаэробных условиях участвует смешанная популяция микроорганизмов.

Процесс анаэробного сбраживания отходов, в результате которого образуется биогаз (смесь метана и углекислого газа), называют биометаногенез. Содержание метана в биогазе составляет от 50 до 85 %. Присутствие углекислого газа ограничивает теплотворную способность биогаза, которая в зависимости от содержания СО2 составляет от 20,9 кДж/м3 до 33,4 кДж/м3. Количество образующегося метана в биогазе зависит от содержания белка в сырье: чем оно больше, тем богаче биогаз метаном. Обычно биогаз образуется со скоростью 0,5 м3 на килограмм сухой массы летучих компонентов, время удержания составляет около 15 суток.

Неочищенный биогаз используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как топливо для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В последнем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удаление углекислого газа и сероводорода.

Процесс метанообразования отличается высокой эффективностью: от 90% до 95% используемого углерода переходит в метан.

Толчком к созданию данного эффективного биотехнологического направления послужил энергетический кризис, разразившийся в середине 70-х гг. Производство биогаза стало одним из основных принципов энергетической политики ряда стран тихоокеанского региона: Китая, Индии, Филиппин, Израиля, Латинской Америки, в 70-е годы интерес проявили страны Европы, особенно ФРГ, Франция и страны Африки.

Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов – одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся стран. И хотя при использовании коровьего навоза только четверть органического материала превращается в биогаз, последний выделяет тепла на 20% больше, чем его можно получить при полном сгорании навоза.

В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует более 7 млн. малых установок вместимостью от 10 до 15 литров, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.

Наиболее крупными установками для синтеза метана можно считать свалки бытового мусора. О самой возможности использования метана, образующегося в таких мусорных кучах, задумались, когда стали искать способы для предотвращения взрывов и пожаров, возникающие в результате выделения в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре при образовании куч, быстро используется аэробными бактериями и грибами, в результате чего условия в них становятся анаэробными. Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой, либо грунтовыми водами. Если буферная способность материала достаточна для поддержания нейтральных значений рН, то складываются благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в смеси с углекислым газом. Собирают его при помощи труб, проложенных в толще мусора под пленкой.

Водород

Водород - это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь воду. Отличается исключительно высокой теплотворной способностью 143 кДж/г. Химические и электрохимические методы получения водорода неэкономичны, поэтому весьма актуально использование микроорганизмов, способных выделять водород в процессе своей жизнедеятельности.

Перспективным считается модификация самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки.

Биотехнологи изучают возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих организмов, то есть путем биофотолиза.

Биофотолиз

Биофотолиз - процесс образования водорода Н2 и кислорода О2 из воды с помощью микроорганизмов.

Более тридцати лет назад было сделано замечательное открытие. Установлено, что если взять мембраны, содержащие хлорофилл, и добавить к окружающему раствору ферменты (гидрогеназы), действующие как катализаторы, то на свету будет происходить разложение воды на водород и кислород. Сегодня уже созданы небольшие фотореакторы, в которых при определенных условиях образование водорода идет с надлежащей скоростью, до нескольких литров водорода в минуту. Однако фотобиологический способ получения водорода еще не вышел из стен лаборатории.

Технически проще всего получить водород, используя интактные сине-зеленые водоросли или процессы ферментации (брожения).

Опыты с цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и зелеными водорослями показали, что они способны образовывать водород и кислород путем прямого фотолиза воды. Лежащий в основе этого явления процесс фотосинтеза сформировался в результате генно-инженерной деятельности Природы. Процесс выделения водорода водорослями протекает с участием ферментов гидрогеназы или нитрогеназы.

Фотосинтезирующие бактерии не способны разлагать воду, но могут на свету образовывать большие количества водорода (без примесей кислорода) или аммиака. Для этого им нужны только простые органические и неорганические субстраты. Такие вещества содержатся в промышленных отходах, и поэтому превращение солнечной энергии фотосинтезирующими бактериями вполне может быть сопряжено с переработкой отходов.

Высокоэффективными продуцентами водорода являются пурпурные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации (закреплении) в агарозном теле дают до 180 мкмоль водорода за 1 час в пересчете на 1 мг бактериохролофилла.

Реферат Биотехнологическое получение водорода

Реферат на тему:

План:

1 Микробиологическое получение водорода
2 Биофотолиз воды
- 2.1 Особенности конструкции биореактора
- 2.2 Основные вехи
- 2.3 Исследования
- 2.4 Экономичность
- 2.5 История

Введение

1. Микробиологическое получение водорода

2. Биофотолиз воды

Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием микробиологических систем. Производство водорода происходит в биореакторе, содержащем водоросли. Водоросли производят водород при определенных условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т. е. нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода.

2.1. Особенности конструкции биореактора

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

2.2. Основные вехи

2006 – Исследователи из университета Билефельда (en:University of Bielefeld) и университета Квинсленда(en:University of Queensland) генетически модифицировали одноклеточную водоросль en:Chlamydomonas reinhardtii таким образом, что она стала производить существенно большие количества водорода [1]. Новый мутант en:Stm6 может, в течение долгого времени производить в пять раз больше водорода, чем его предок, и давать 1,6—2,0 % энергетической эффективности.

2006 – Неопубликованная работа из Беркли (en:University of California en:Berkeley) (Программа реализуется Мидвест Исследовательским Институтом( en:Midwest Research Institute), по контракту с en:NREL) обещает разработку технологии с 10 процентной энергетической эффективностью. Утверждается, что путем укорочения стека хлорофилла en:Tasios Melis возможно преодолел 10 процентный барьер [2]

2.3. Исследования

2.4. Экономичность

Ферма водородопроизводящих водорослей площадью со штат Техас производила бы достаточно водорода для покрытия потребностей всего мира. Около 25 тыс. квадратных километров достаточно для возмещения потребления бензина в США. (Это в десять раз меньше чем используется в сельском хозяйстве США для выращивания сои) [3].

2.5. История

В 1939 году немецкий исследователь en:Hans Gaffron, работая в Чикагском университете (en:University of Chicago), обнаружил, что изучаемая им водоросль "Chlamydomonas reinhardtii" (зеленая водоросль) иногда переключается с производства кислорода на производство водорода. [4] Gaffron не обнаружил причину этого переключения. В течение многих лет причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х годов профессор en:Anastasios Melis, работая исследователем в Беркли, обнаружил, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т. е. нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он обнаружил ответственный за это поведение фермент гидрогеназу, теряющий эти функции в присутствии кислорода. Melis обнаружил, что серное голодание прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы таким образом, что она становится способна синтезировать водород. [5] Другой тип водорослей en:Chlamydomonas moeweesi также перспективен для производства водорода.

Примечания

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 путем биофотолиза воды. — Итоги науки. М.: ВИНИТИ, 1978

wreferat.baza-referat.ru

ПРОИЗВОДСТВО БИОЛОГИЧЕСКОГО ВОДОРОДА

Биоэнергия

Химия. Образование водорода происходит в живых клетках в процессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органических молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.

В идеале биофотолиз представлен следующим уравнением: 2Н2О + hv 2Н2 + 02 dG = + 113,4 ккал.

Одновременное выделение кислорода и водорода усложняет дело, так как получаемая смесь является взрывоопасной, а также. вследствие необходимости разделения двух газов.

В микроорганизмах образование водорода происходит при участии гидрогеназы. Высшие растения не имеют этого фермента в своем фотосинтетическом аппарате и не образуют водорода; однако внутриклеточный экстракт из высших растений при добавлении активного препарата гидрогеназы выделяет водород. Обычно фотолитическое образование водорода в природе не происходит, но оно может быть вызвано, например, азотным голоданием сине-зеленых водорослей и манипулированием с бесклеточными системами. По литературным источникам, получение водорода предполагает использование клеток или экстрактов высших растений, сине-зеленых водорослей, зеленых и других водорослей, а также фотосинтетических бактерий.

Технология. Даже на лабораторном уровне не удалось продемонстрировать практического метода получения чистого водорода на основе биофотолиза. Сине-зеленые водоросли выделяют смесь водорода и кислорода с эффективностью около 1 %, а внутриклеточные экстракты высших растений — с еще более низкой эффективностью [35]. Все системы характеризуются недостатком стабильности, так как в целых клетках необходимое условие азотного голодания ослабляет организмы и происходит потеря фотосинтетического пигмента. Период жизни внутриклеточных систем недолог вследствие воздействия ферментов на структурные липиды и белки, а также вследствие повреждения, вызываемого действием света и свободных радикалов. Сама гидрогеназа также нестабильна.

Все целые клеточные системы характеризуются необходимостью сохранения физиологического состояния всего клеточного аппарата; это ведет к чрезмерному потреблению энергии, в результате чего наблюдается падение эффективности фотолитической реакции. Здесь необходим поиск очень тонкого и точного равновесного состояния. В-настоящее время изолирование внутриклеточных систем представляется затруднительным, и в долгосрочном плане они менее стабильны, чем целые клеточные системы; современные исследования посвящены поискам методов стабилизации этих систем. Как системы целых клеток, так и однофазные внутриклеточные системы, испытанные до настоящего времени, образуют смесь водорода и кислорода. Разделение реакций выделения водорода и кислорода теоретически возможно путем использования промежуточного носителя окислительно-восстановительного потенциала, регенерирующего водород с использованием гидрогеназы, однако такой носитель до сих пор не найден.

В заключение следует сказать, что биологические методы производства водорода на свету применяются только пока в лабораториях. Практическая технология может появиться только через несколько десятилетий после проведения фундаментальных исследований в этой области.

Анаэробное разложение биомассы

Применение метода анаэробного разложения биомассы в развивающихся странах. Издержки производства при использовании небольших реакторов определить нелегко. По имеющимся данным, начиная с 1972 г. в Китае было построено семь миллионов небольших …

Моторный спирт

Из всех процессов производства биотоплива процесс превращения углеводов растений в моторный спирт, по-видимому, в наибольшей степени завладел общественным мнением и значительно укрепил статус биоэнергии. Благоприятные экономические показатели в Бразилии и …

Растительные масла

Растительные масла, каучук, эфирные масла и-растительные воска имеются в продаже по доступным ценам. Сравнение цен на некоторые продукты-приводится в таблице 48. Разница в цене между дешевыми растительными и минеральными маслами …

msd.com.ua