БИОТОПЛИВО ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Ла Хойя, Калифорния; фабрика по выращиванию водорослей в Нью-Мексико

ФОТОВОДОРОД

Фотоводород — условное название водорода, произведённого при помощи искусственного или естественного освещения (фотодиссоциация).

Водород рассматривается в качестве главного энергоносителя будущего, отчасти превосходящего основные современные энергоносители – нефть и природный газ. Теплотворная способность водорода достаточно высока (28.53 ккал/кг), это в 2.8 раза выше бензина.

Главным преимуществом биологических методов получения водорода над химическими и электрохимическими является то, что процессы катализируется микроорганизмами при относительно невысоких температурах и атмосферном давлении в окружающей среде. Кроме того, микроорганизмы могут восстановить и сконцентрировать энергию из таких водных органических ресурсов, как промышленные сточные воды

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА

На данный момент предложены и разработаны разные виды биологических способов получения водорода, которые условно можно разделить на две группы:

-способы, для осуществления которых необходимо присутствие света;

-способы, осуществление которых не зависит от освещения.

По механизму образования водорода можно выделить следующие процессы:

-биофотолиз воды зелёными микроводорослями (прямой) и цианобактериями (непрямой);

-фоторазложение органических веществ фотосинтезирующими бактериями;

-темновая ферментация органических веществ анаэробными бактериями (брожение);

-гибридные системы, в которых используются фотосинтетические и анаэробные бактерии.

Прямой фотолиз воды –осуществляют зелёные микроводоросли по

реакции:

2Н2О + hv = 2H2 + O2.

Образование водорода зелёными водорослями сопряжено с осуществлением ими оксигенного фотосинтеза, который может быть охарактеризован двумя фазами. Первая фаза протекает на свету. Результат световой реакции – трансмембранный градиент протонов и выделение кислорода. Для протекания световой фазы действуют две фотосинтетические системы: фотосистема I (ФС I) и фотосистема II (ФС II). Квант света поглощается пигментами в клетках фотосинтезирующих микроорганизмов в ФС I или в ФС II или сразу в обеих системах. Это вызывает расщепление воды на кислород, протоны и электроны. Электроны через ФС I передаются ферродоксину. Ферредоксин является железосодержащим белком, выполняющим функцию переносчика электронов к ферменту гидрогеназе. Вторая фаза – темновая, в которой гидрогеназа катализирует образование водорода. Суть прямого биофотолиза заключается в том, что кислород и водород образуются одновременно, но в разных фотосистемах: в ФС II и ФС I соответственно. Несмотря на различные способы улучшения технологии получения водорода путём прямого биофотолиза, скорость его образования не превышает 2-3 мл/л·ч.

Непрямой биофотолиз представляет собой совокупность двух реакций, осуществляемых цианобактериями, у которых водород выделяется за счёт наличия гидрогеназы и нитрогеназы:

6СО2 + 12Н2О + hv = С6Н12О6 + 6O2; С6Н12О6 + Н2О + hv = 12H2 + 6CO2.

Процессы выделения кислорода и водорода разделены в пространстве и во времени. На первом этапе, в процессе фотосинтеза углекислый газ метаболируется в углеводы. На втором этапе, сочетаются два процесса темнового брожения и фото-ферментации. При темновом брожении происходит превращение углеводов в уксусную кислоту и диоксид углерода в анаэробных условиях. Затем, в анаэробных условиях, уксусная кислота полностью разлагается на водород и углекислый газ.

Нитрогеназа катализирует реакцию ассимиляции молекулярного азота из воздуха; азот восстанавливается до аммиачной формы, при этом образуется водород:

N2 + 6e– + 6H+ + 16ATP = 2NH4+ + 16ADP + 16Pi + H2

Цианобактерии являются единственными организмами, которые могут выделять водород в воздушной атмосфере в присутствии кислорода. Скорость образования ими водорода в несколько раз выше, чем у зелёных микроводорослей, и составляет 10-40 мл/л·ч

Способность к фоторазложению органических веществ фотосинтезирующими бактериями также рассматривают для разработки технологии получения водорода.

Процесс протекает в строго анаэробных условиях. Его осуществляют пурпурные несерные бактерии с помощью нитрогеназы в условиях недостатка любых форм азота с использованием световой энергии и широкого спектра неорганических кислот.

СН3СООН + 2Н2О + hv = 4Н2 + 2СО2.

В случае иммобилизации клеток данных бактерий на пористом стекле, продукция водорода может увеличиться до 1,1 л/л матрицы·ч.

Использование гибридных систем на основе клеток анаэробных и фотосинтетичесих бактерий. Многие анаэробные водород- продуцирующие бактерии сбраживают сахара с образованием единственного продукта – уксусной кислоты. Клетки фотосинтетических бактерий могут эффективно её использовать, разлагая на свету на водород и углекислый газ в анаэробных условиях.

Биохимический процесс может быть описан в данном случае двумя реакциями:

С6Н2О6 + 2Н2О = 2СН3СООН + 2СО2 + 4Н2; анаэробные бактерии 2СН3СООН + 8Н2О + hv = 8Н2 + 4СО2 фотосинтетические бактерии.

Несмотря на высокую перспективность получения водорода биологическими способами, на сегодняшний день его производство такими способами не вышло за пределы пилотных установок, так как описанные выше технологии требуют дальнейшего совершенствования. Нельзя пока утверждать, что в России биохимическая водородная энергетика находит достаточную для развития поддержку со стороны государственных структур, хотя данное направление относят к приоритетным в стране.