تولید هیدروژن بیولوژیک (جلبک): تفاوت میان نسخه‌ها

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
تفاوت جدیدتر ←
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
دیداریویکی‌متن
Mehdi.afsari6 (بحث | مشارکت‌ها)
۶ ویرایش‌ها
صفحه‌ای تازه حاوی «frame|یک رئاکتور زیستی جلبک برای تولید هیدروژن '''تولید هی...» ایجاد کرد
(بدون تفاوت)

نسخهٔ ‏۹ ژوئن ۲۰۱۵، ساعت ۱۱:۱۴

یک رئاکتور زیستی جلبک برای تولید هیدروژن

تولید هیدروژن بیولوژیکی با جلبک، به عنوان روشی برای تقسیم نمودن آب به صورت فتوبیولوژیکی مطرح است که در رئاکتورهای زیستی نوری بسته و بر مبنای تولید هیدروژن به عنوان یک سوخت خورشیدی توسط جلبک انجام می گیرد[۱][۲] . جلبک هیدروژن را در شرایط مشخص تولید می نماید. در سال 2000، مشخص گردید که در صورتی که جلبک رین هارتی از گوگرد تهی سازی شود می‌تواند تولید اکسیژن را تغییر دهد همانند آنچه که در فتوسنتز نرمال صورت پذیرفته و بروز می یابد و به تولید هیدروژن بپردازد[۳][۴].

فتوسنتز

فتوسنتز، در جلبک سبز و سیانوباکتری ها، آب را به یون های هیدروژن و الکترون ها تقسیم می نماید. الکترون ها، در فرودوکسین ها جابجا می شوند[۵]هیدروژنازها آن ها را در گاز هیدروژن تلفیق می نمایند. در کلامیدوموناس رین هارتی فتوسیستم 2، در تبدیل مستقیم نور خورشید، 80% الکترون ها را تولید می نماید که به گاز هیدروژن تبدیل می شوند[۶] . ترکیب فتوسیستم 2 با برداشت کننده نور، می تواند پروتئین LHCBM9 را در پراکنش کارآمد انرژی نور بهبود بخشد[۷] . هیدروژناز نیازمند محیط مناسب می باشد زیرا با اکسیژن غیرفعال می گردد.طیف سنجی مادون قرمز تغییر شکل فوریه، برای ارزیابی مسیرهای متابولیک مورد استفاده واقع می شود[۸].

آنتن تقسیم بندی شده

اندازه آنتن کلروفیل در جلبک سبز، به حداقل رسیده و یا تقسیم بندی شده است تا بدین ترتیب سبب به حداکثر رسیدن کارایی تبدیل خورشیدی فتوبیولوژیکی و همچنین تولید H2گردد. اندازه آنتن CHI تقسیم بندی شده سبب به حداقل رسیدن جذب و پراکنش مواد دفعی نور خورشید توسط سلول های گوناگون می گردد که نتیجه آن کارایی بهتر کاربرد نور و همچنین قابلیت تولید بیشتر فتوسنتزی توسط کشت عمده جلبک سبز می‌باشد[۹].

تاریخچه

در سال 1939، یک محقق آلمانی با نام هانس کافرون، هنگام کار در دانشگاه شیکاگو، مشاهده نمود که جلبکی که بر روی آن تحقیق می نماید تحت عنوان کلامیدوموناس رینهاردی (یک جلبک سبز) برخی مواقع از تولید اکسیژن به تولید هیدروژن تبدیل می گردد[۱۰]. او هیچ گاه دلیل این تغییر را کشف نکرد و در سالیان متمادی، دانشمندان دیگر نتوانستند در تحقیقات خود این مسئله را کشف نمایند. در انتهای دهه 1990، پروفسور آناستاسیوس ملیس به عنوان محققی در دانشگاه کالیفرنیا، در برکلی، کشف نمود در صورتی که محیط کشت جلبک، از گوگرد تهی سازی شود، می تواند از طریق اکسیژن (فتوسنتز نرمال) به تولید هیدروژن وارد شود. او دریافته است که آنزیم محصول این واکنش هیدروژناز می باشد اما هیدروژناز این کارکرد را در حضور اکسیژن از دست می دهد. ملیس دریافت که کاهش مقادیر گوگرد در دسترس برای جلبک اختلالی را در جریان اکسیژن داخلی آن ایجاد می نماید و اجازه می دهد تا هیدروژناز در محیطی قرار گیرد که می تواند در آن واکنش نشان دهد و سبب می شود که جلبک هیدروژن را تولید نماید[۱۱] کلامیدوموناس مواسی به عنوان سویه مناسب برای تولید هیدروژن مطرح بوده و به حساب می‌آید[۱۲].

مسائل اصلی و سنگ بنا

در سال 1997، پروفسور آناستاسیوس ملیس پس از ادامه تحقیقات هانس گفرون کشف کرد که حذف گوگرد می تواند سبب شود که جلبک از تولید اکسیژن به تولید هیدروژن بپردازد. آنزیم هیدروژناز که توسط او کشف گردید محصول این واکنش می‌باشد[۱۳][۱۴]. در سال 2006، محققان دانشگاه بیلفلد و همچنین دانشگاه کوئینزلند، به صورت ژنتیکی، جلبک سبز تک سلولی کلامیدوموناس رینهارتی را به شکلی تغییر داده اند که مقادیر زیاد هیدروژن تولید نمود[۱۵] . STM6 در درازمدت می تواند 5 برابر حجم تولید شده توسط شکل جلبک را تولید نماید و همچنین تا 1.6-2% کارایی انرژی را سبب گردد.

2007- کشف گردید که در صورتی که مس برای محدودسازی تولید اکسیژن اضافه شود، جلبک می تواند از تولید اکسیژن به هیدروژن وارد گردد[۱۶].

2007- آناستاسیوس ملیس، در رابطه با کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی در جهش یافته های TLAX کلامیدوموناس وینهارتی تحقیق می نمود و 15% کارایی را حاصل کرد که نشان می دهد آنتن CHI تقسیم بندی شده می تواند[۱۷] سبب به حداقل رسانیدن پراکنش مواد دفعی حاصل از نور خورشید توسط سلول های گوناگون گردد[۱۸] این فرایند تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی در تولید محدوده ای از سوخت ها شامل هیدروژن نقش دارد.

2008- آناستاسیوس ملیس، در رابطه با کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی در جهش یافته های TLAR از کلومیدوموناس رینهارتی تحقیق می نمودو 25% کارایی را نسبت به حداکثر تئوریک 30% حاصل کرد[۱۹].

2009- یک تیم از دانشگاه تنسی، نوتسفیلد و اوکریج آزمایشگاه ملی عنوان نموده اند که این فرایند بیش از 10 برابر کارایی بیشتری با افزایش دما دارد[۲۰].

2011- افزودن یک آنزیم دارای قابلیت تولید انرژی سبب افزایش سرعت تولید هیدروژن توسط جلبک به میزان حدود 400% خواهد گردید[۲۱].

2011- یک تیم در گروه فتوسنتز آرگون، نشان داده اند که چگونه، ذرات پروتئینی، می تواند با پروتئین های اصلی در جلبک متصل گردند و سبب تولید سوخت هیدروژن با کارایی 5 برابر بیشتر شود[۲۲][۲۳].

2013- دانشگاه آبسالا- در کلامیدوموناس رینهارتی، فتوسیستم 2 در تبدیل مستقیم نور خورشید 80% الکترون هایی را تولید می کند که به گاز هیدروژن تبدیل می گردند[۶].

تحقیق

2008- دانشمندان در بخش انرژی آزمایشگاه ملی آرگون اخیرا تلاش نموده اند تا روشی را پیدا کنند تا بتوانند بخشی از آنزیم هیدروژناز را جدا سازند که گاز هیدروژن تولید می کند و آن را به فرایند اکوسیستم وارد نمایند. نتیجه می تواند تولید مقادیر زیادی گاز هیدروژن باشد که احتمالا با مقادیر اکسیژن ایجاد شده ارتباط دارد[۲۴][۲۵].

2009- حوزه های تحقیق برای افزایش کارایی شامل توسعه و ایجاد هیدروژناز[۲۶] مقاوم با اکسیژن و همچنین افزایش نرخ تولید هیدروژن از طریق بهبود انتقال الکترون می‌باشد[۲۷].

در سال 2009، هیدرومیک پرو رئاکتورهای صفحه ای را آزمایش نموده است[۲۸].

در سال 2013، گرو انرژی سیستم جدیدی را برای تولید مقیاس وسیع هیدروژن از رادیات های زیستی ساختاری ارائه داده است[۲۹].

2014- موسسه دانشگاه رار و مکس پلنک، تولید هیدروژن ریزجلبک ها را با انتقال و مشاهده الکترون ها از اکوسیستم 1 به هیدروژناز افزایش داده اند[۳۰].

جنبه‌های اقتصادی

حدود 25000 کیلومتر مربع برای جایگزین نمودن کاربرد بنزین در آمریکا کفایت می کند. برای اینکه این مسئله در عمل مورد توجه قرار گیرد، این سطح نشان دهنده تقریبا 10% سطح اختصاص یافته به کشت سویا در آمریکا می باشد[۳۱].

در سال 2004، سازمان انرژی آمریکا، قیمت فروش 2.6 دلار به ازای هر کیلوگرم را به عنوان هدف برای اقتصادی ساختن تولید هیدروژن تجدید پذیر مطرح نموده است و 1 کیلوگرم از انرژی تقریبا معادل با 1 گالن بنزین می باشد. برای دستیابی به این هدف، کارایی تبدیل نور به هیدروژن باید به 10% برسد در حالی که در سال 2004 تنها کارایی 1% در این زمینه حاصل گردیده است و در سال 2004، قیمت فروش واقعی برابر با 13.3 دلار به ازای هر کیلوگرم تخمین زده شده است[۳۲].

بر مبنای تخمین هزینه DOE سال 2004، برای اینکه یک ایستگاه سوخت گیری بتواند 100 اتومبیل در روز را سوخت رسانی کند نیازمند 300 کیلوگرم می باشد. با استفاده از تکنولوژی های موجود، یک سیستم مشخص با تولید 300 کیلوگرم در روز نیازمند 110 هزار مترمربع منطقه استخر، 0.2 کیلوگرم در لیتر غلظت سلول و جهش یافته آنتن تقسیم بندی شده و 10 سانتیمتر عمق استخر می باشد[۳۳].

مسائل مرتبط با طرح رئاکتور زیستی یا بیورئاکتور

  • محدودیت تولید هیدروژن فتوسنتزی با تجمع گرادیان یا شیب پروتون.
  • بازدارندگی رقابتی تولید هیدروژن فتوسنتزی با دی اکسید کربن.
  • نیاز به پیوند بی کربنات در فتوسیستم 2 برای فعالیت فتوسنتزی کارآمد.
  • زهکش خروج غیرعادی الکترون ها با اکسیژن در تولید هیدروژن توسط جلبک.
  • جنبه های اقتصادی باید به قیمت رقابتی و یا با منابع دیگر انرژی دست یابند و این مسئله وابسته به چندین مورد از پارامترهای گوناگون می باشند.
  • یکی از موانع فنی حائزاهمیت در این زمینه کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی ذخیره شده در هیدروژن مولکولی می باشد.

تلاش های گوناگونی در حال پیشرفت است تا بدین ترتیب بتوان مسائل را از طریق مهندسی زیستی پاسخ گفته و برطرف نمود.

منابع

  1. ↑ 2013 - Gimpel JA, et al Advances in microalgae engineering and synthetic biology applications for biofuel production
  2. ↑ Hemschemeier, Anja; Melis, Anastasios; Happe, Thomas (2009). "Analytical approaches to photobiological hydrogen production in unicellular green algae". Photosynthesis Research. 102 (2–3): 523–540. doi:10.1007/s11120-009-9415-5. ISSN 0166-8595. PMC 2777220. PMID 19291418.
  3. ↑ Wired-Mutant Algae Is Hydrogen Factory
  4. ↑ http://www.science.org.au/nova/newscientist/111ns_002.htm
  5. ↑ Peden, E. A.; Boehm, M.; Mulder, D. W.; Davis, R.; Old, W. M.; King, P. W.; Ghirardi, M. L.; Dubini, A. (2013). "Identification of Global Ferredoxin Interaction Networks in Chlamydomonas reinhardtii". Journal of Biological Chemistry. 288 (49): 35192–35209. doi:10.1074/jbc.M113.483727. ISSN 0021-9258. PMID 24100040.
  6. ↑ ۶٫۰ ۶٫۱ Volgusheva, A.; Styring, S.; Mamedov, F. (2013). "Increased photosystem II stability promotes H2 production in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii". Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (18): 7223–7228. doi:10.1073/pnas.1220645110. ISSN 0027-8424.
  7. ↑ Grewe, S.; Ballottari, M.; Alcocer, M.; D'Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, J. H.; Bassi, R.; Kruse, O. (2014). "Light-Harvesting Complex Protein LHCBM9 Is Critical for Photosystem II Activity and Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii". The Plant Cell. 26 (4): 1598–1611. doi:10.1105/tpc.114.124198. ISSN 1040-4651. PMC 4036574. PMID 24706511.
  8. ↑ Langner, U; Jakob, T; Stehfest, K; Wilhelm, C (2009). "An energy balance from absorbed photons to new biomass for Chlamydomonas reinhardtii and Chlamydomonas acidophila under neutral and extremely acidic growth conditions". Plant Cell Environ. 32 (3): 250–8. doi:10.1111/j.1365-3040.2008.01917.x. PMID 19054351.
  9. ↑ Kirst, H.; Garcia-Cerdan, J. G.; Zurbriggen, A.; Ruehle, T.; Melis, A. (2012). "Truncated Photosystem Chlorophyll Antenna Size in the Green Microalga Chlamydomonas reinhardtii upon Deletion of the TLA3-CpSRP43 Gene". Plant Physiology. 160 (4): 2251–2260. doi:10.1104/pp.112.206672. ISSN 0032-0889. PMID 23043081.
  10. ↑ Algae: Power Plant of the Future?
  11. ↑ Reengineering Algae To Fuel The Hydrogen Economy
  12. ↑ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013). "De novo transcriptomic analysis of hydrogen production in the green alga Chlamydomonas moewusii through RNA-Seq". Biotechnology for Biofuels. 6 (1): 118. doi:10.1186/1754-6834-6-118. ISSN 1754-6834. PMID 23971877.
  13. ↑ http://www.ucop.edu/research/publications/pdf/doe2000.pdf Department of Energy report winter 2000]
  14. ↑ 2005-The anaerobic life of the photosynthetic alga
  15. ↑ Hydrogen from algae - fuel of the future?
  16. ↑ Surzycki, R.; Cournac, L.; Peltier, G.; Rochaix, J.-D. (2007). "Potential for hydrogen production with inducible chloroplast gene expression in Chlamydomonas". Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (44): 17548–17553. doi:10.1073/pnas.0704205104. ISSN 0027-8424.
  17. ↑ Kirst, H; García-Cerdán, JG; Zurbriggen, A; Melis, A (2012). "Assembly of the light-harvesting chlorophyll antenna in the green alga Chlamydomonas reinhardtii requires expression of the TLA2-CpFTSY gene". Plant Physiol. 158 (2): 930–45. doi:10.1104/pp.111.189910. PMID 22114096.
  18. ↑ Tetali, SD; Mitra, M; Melis, A (2007). "Development of the light-harvesting chlorophyll antenna in the green alga Chlamydomonas reinhardtii is regulated by the novel Tla1 gene". Planta. 225 (4): 813–29. doi:10.1007/s00425-006-0392-z. PMID 16977454.
  19. ↑ DOE 2008 Report 25 %
  20. ↑ Iwuchukwu, IJ; Vaughn, M; Myers, N; O'Neill, H; Frymier, P; Bruce, BD (2010). "Self-organized photosynthetic nanoparticle for cell-free hydrogen production". Nat Nanotechnol. 5 (1): 73–9. doi:10.1038/nnano.2009.315. PMID 19898496.
  21. ↑ Yacoby, I.; Pochekailov, S.; Toporik, H.; Ghirardi, M. L.; King, P. W.; Zhang, S. (2011). "Photosynthetic electron partitioning between [FeFe]-hydrogenase and ferredoxin:NADP+-oxidoreductase (FNR) enzymes in vitro". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (23): 9396–9401. doi:10.1073/pnas.1103659108. ISSN 0027-8424.
  22. ↑ Utschig, Lisa M.; Dimitrijevic, Nada M.; Poluektov, Oleg G.; Chemerisov, Sergey D.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). "Photocatalytic Hydrogen Production from Noncovalent Biohybrid Photosystem I/Pt Nanoparticle Complexes". The Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (3): 236–241. doi:10.1021/jz101728v. ISSN 1948-7185.
  23. ↑ Utschig, Lisa M.; Silver, Sunshine C.; Mulfort, Karen L.; Tiede, David M. (2011). "Nature-Driven Photochemistry for Catalytic Solar Hydrogen Production: A Photosystem I–Transition Metal Catalyst Hybrid". Journal of the American Chemical Society. 133 (41): 16334–16337. doi:10.1021/ja206012r. ISSN 0002-7863. PMID 21923143.
  24. ↑ Algae Could One Day be Major Hydrogen Fuel Source Newswise, Retrieved on June 30, 2008.
  25. ↑ Melis A and Happe T (2001). "Hydrogen Production: Green Algae as a Source of Energy". Plant Physiol. 127 (3): 740–748. doi:10.1104/pp.010498. PMC 1540156. PMID 11706159.
  26. ↑ Photobiological hydrogen production—prospects and challenges
  27. ↑ http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/production/pdfs/photobiological.pdf 2005-A prospectus for biological H2 production]
  28. ↑ Hydrogen from microalgae
  29. ↑ Hydral Energy Systems
  30. ↑ Rumpel, Sigrun; Siebel, Judith F.; Farès, Christophe; Duan, Jifu; Reijerse, Edward; Happe, Thomas; Lubitz, Wolfgang; Winkler, Martin (2014). "Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to hydrogenase". Energy Environ. Sci. 7 (10): 3296–3301. doi:10.1039/C4EE01444H. ISSN 1754-5692.
  31. ↑ Growing hydrogen for the cars of tomorrow
  32. ↑ 2004-Updated Cost Analysis of Photobiological Hydrogen
  33. ↑ 2004- Updated cost analysis of photobiological hydrogen production from chlamydomonas reinhardtii green algae
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=تولید_هیدروژن_بیولوژیک_(جلبک)&oldid=15398980»