Wiley жаңартылатын энергия
жүктеу/скачать 4,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| 7.9.2 Биосутек
Молекулалық сутегі биоотынның ең келешегі бар түрлерінің бірі болып табылады, өйткені жағу кезінде ол CO 2 (парник әсерін тудыратын газ) бөлмейді, бірақ жану кезінде массаның бірлігіне энергияның көп мөлшерін бөледі. Сутегі отын элементтері технологиясындағы жетістіктер Н2 жану кезінде қарапайым суды бөлетінін, бұл шикізатты ерекше тартымды ететінін түсінеміз. Газ тәрізді сутегі болашақ энергия тасымалдаушы ретінде қарастырылады, себебі ол жаңартылады. Сутегі өндірісімен салыстырғанда сутегі биологиялық өндірісі фотоэлектрохимиялық немесе термохимиялық процестер түрінде бірқатар артықшылықтарға ие. Сутегі табиғи жолмен әртүрлі тәсілдердің көмегімен алынуы мүмкін, оның ішінде биомайлардың бу риформингі, органикалық материалдардың қараңғыда ферментелуі және фотоферментациясы және микробалдырлардың ерекше түрлерімен катализделген су фотолизі. Қазіргі уақытта биосутекті өндіру бойынша қазіргі заманғы зерттеулер орталығында үш негізгі үдеріс бар. Ең тікелей тәсіл – фотосинтездеуші микроағзаларды (цианобактериялар және микробалдырлар) биосутегін өндіру үшін пайдалану. Фотосинтетикалық микроағзалар күн сәулесін пайдалана отырып, судың бір молекуласынан суды электрондарға және оттегіге ажырату қабілетіне ие. Алынған электрондар энергия өнімділігі (электрондардың көлік тізбегі арқылы), Кальвин кезеңін пайдалана отырып, биомассаны өндіру және қант өндірісі үшін пайдаланылады. Басқаша айтқанда, олар гидрогенез ферменттерімен сутегіге түрлендірілуі мүмкін. Бұл жүйенің тартымдылығы – бұл суды субстрат және күн сәулесі ретінде энергия көзі ретінде пайдаланады. Сондықтан теориялық тұрғыдан бұл тәсіл арзан сутегін өндіру үшін болашағы өте зор. Екінші тәсіл сутегі өндірісі үшін аноксигендік фотогетеротрофты микроорганизмдерде (күлгін түйіршікті емес бактериялар) нитрогеназ ферменттерін пайдалануға қатысты. Нитрогеназ функциясы №2 газ тәрізді азотты аммонийге айналдыруға арналған, бұл қоректік ортада органикалық немесе бейорганикалық азот көздері болмаған кезде азотжинақтаушы микроағзаларға өсуге мүмкіндік береді. Нитрогеназ ферменттері сондай-ақ оттегінің болмауы және жарықтың болуы кезінде электрондар мен протондардан сутегіні өңдеуге қабілетті. Жарықта және оттегі болмаған кезде күлгін күкіртті емес бактериялар циклдық аноксигендік фотосинтез арқылы аденозинтрифосфат (АТФ) және электрондарды, сондай-ақ органикалық субстраттардан көміртекті ала алады. Органикалық субстраттардан алынған электрондар нитрогеназ ферменттерін пайдалана отырып сутегін алу үшін пайдаланылуы мүмкін. Күкіртті емес күлгін бактериялардың мұндай фотогетеротрофты өзгергіштігі 119 теориялық тұрғыдан көміртегі метаболизмі үдерісінде пайда болатын электрондардың 100% сутегін өндіруге бағыттауға мүмкіндік береді, себебі анаболикалық бактериялар үшін қажетті электрондардың фотосинтезі арқылы биосинтетикалық реакциялар алуға болады. Бұл әдісті зерттеуді Вашингтон университетінің Кэролайн Харвуд тобы rhodopseudomonas palustris күлгін түйіршікті емес бактерияның үлгісі ретінде пайдалана отырып жүргізді, ал қосымша генетикалық амал-шарғылардың көмегімен 7,5 мл сутегі/литр мәдениетті өндіруге қабілетті R. palustris штаммы алынды, сондай-ақ алдын ала технологиялық жобалар ұсынылды. [18, 55, 58, 59]. Үшінші тәсіл органикалық субстраттарды, мысалы қант, линглоцеллюлоза биомассасын, анаэробты ферменттеу үшін өнеркәсіптік, тұрмыстық және ауылшаруашылық қалдықтарын пайдалана отырып ферменттік бактериялармен сутегін алу болып табылады. E. coli, Enterobacter aerogenes және Clostridium butyricum сияқты соңғы ферменттеу өнімі ретінде сутегін өндіретін микроағзалардың бірнеше топтары белгілі. "Қараңғылық ферменттеу" реакциясы жарық энергиясын талап етпейді, сондықтан олар күн мен түн бойы үздіксіз органикалық қосылыстардан сутегін өндіруге қабілетті. Дегенмен, сутегі өндірісі ферменттік микроағзалармен пайдаланылатын электрондардың бірнеше акцепторларының бірі ғана болып табылады, ал басқа да ферменттеудің соңғы өнімдері сутегіден тыс пайда болады [55, 60, 61]. Фотосинтетикалық микроағзалардың көмегімен биологиялық сутегін алу үшін, мысалы, айқын жабық қорап сияқты қарапайым күн реакторын пайдалану талап етіледі, ал екінші жағынан, сутегі электрохимиялық өндірісі үшін күн энергиясы негізінде суды ыдырату арқылы энергияға қойылатын жоғары талаптары бар күн батареяларын пайдалану талап етіледі. Дегенмен, оның технологиялық өміршеңдігі едәуір дәрежеде табиғи газдың бу риформингінің классикалық үдерістерін, мұнайды айдауды және көмірді газдандыруды ауыстыруға қабілетті үлкен ауқымда H 2 өндірудің экономикалық тиімді сарқылмайтын жүйелерін әзірлеуге байланысты. [14, 19]. Сутектің бөлінуі көптеген фототроф ағзалардың ерекшелігі болып табылады, оның ішінде микробалдырлардың, цианобактериялардың және анаэробты фотосинтетикалық бактериялардың бірнеше жүздеген түрлері бар. Қазіргі уақытта Chlamydomonas reinhardtii эукариотикалық сутегінің ең үздік фотосинтетикалық өндірушісі болып табылады, және де Nostoc және Synechocystis цианобактериялары да H2 өндірісі үшін үміткерлер ретінде көп үміт күттіретін мәртебе бар [62, 63]. Микробалдырлармен сутектің бөлінуі қараңғыда анаэробты инкубациялық кезеңнен кейін туады; гидрогеназа (простетикалық топ ретінде Fe бар) осындай инкубация кезінде көрінеді және ерекше белсенділігі жоғары H2 өнімін жанама жарықпен катализациялайды. Бұл фермент ядрода кодталады, бірақ кемелденген ақуыз орналастырылған және хлоропласт стромасында жұмыс істейді. Сутегін өндіру үшін фотосинтетикалық аппаратпен жарықты сіңіру маңызды мәнге ие, себебі ол электрондар мен протондарды босататын судың тотығуын тудырады және аталған электрондардың ферредоксинге (Fd) ауыстырылуын жеңілдетеді. Осылайша, бұл ферредоксин Fe-гидрогеназа үшін электрондардың физиологиялық доноры болып табылады, сондықтан ол бұл ферментті микробалдырлар хлорқайнауқатында электрондардың көлік тізбегімен байланыстырады [19, 64, 65]. Цианобактерияларды блашақ энергия тасымалдаушы, молекулалық сутегін (H 2 ) өндіру үшін пайдалануға болады. Цианобактериялар оттекті фотосинтездің екі негізгі реакциясы нәтижесінде пайда болатын электрондарды тікелей H 2 өндіруге, оларды күн энергиясы мен судан жаңартылған H2 өндіру үшін тартымды етеді. Цианобактериялар H 2 өндірісінің екі табиғи жолын пайдалана алады. Бірінші жол - H 2 өндіретін нитрогеназдармен азотты бекіту, ал екінші жол H 2 өндіру үшін екі бағыттағы гидрогеназаның белсенділігін пайдаланады. Нитрогеназаларға АТФ талап етіледі, ал екі бағыттағы гидрогеназалар Н 2 өндірісі үшін АТФ талап етпейді, бұл оларды айтарлықтай үлкен айналымы бар Н 2 өнімі үшін неғұрлым тиімді және қолайлы етеді [9, 14, 66–68]. жүктеу/скачать 4,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|