바이오수소

Biohydrogen
미생물 수소 생산.

바이오 수소는 생물학적으로2 [1]생산되는 H이다.H는 청정연료로 특정 [2]바이오매스로부터 쉽게 생산할 수 있어2 이 기술에 대한 관심이 높다.

응축 불가능한 가스의 저장 및 운송과 같은 H 고유의2 문제를 포함하여 이 기술의 특성을 나타내는 많은 과제가 있습니다.수소를 생산하는 유기체는 O에 의해2 독살된다.H의2 수율은 종종 낮다.

생화학적 원리

주요 반응은 설탕의 발효를 포함한다.중요한 반응은 아세트산으로 [3]변환되는 포도당으로부터 시작됩니다.

관련된 반응은 이산화탄소 대신 포름산염을 생성한다.

이러한 반응들은 각각 216 kcal/mol과 209 kcal/mol만큼 발열된다.

H생산은2 두 가지 수소화효소에 의해 촉매된다.하나는 [FeFe]-수소효소이고 다른 하나는 [NiFe]-수소효소입니다.많은 생물들이 이 효소들을 발현한다.주목할 만한 예로는 클로스트리디움, 데술포비브리오, 랄스토니아, 그리고 병원체 헬리코박터이다.대장균은 수소화효소의 [4]유전자 공학을 위한 일꾼이다.

전체 유기체의 99%가 이수소(H2)를 이용하는 것으로 추정되고 있다.이 종들의 대부분은 미생물이고 H를 대사물로 사용하는2 그들의 능력은 Hydrogenase로 [5]알려진 H 금속 효소의 발현에서2 비롯됩니다.수소화효소는 활성 부위 금속 함량에 따라 철-철 수소화효소, 니켈-철 수소화효소 및 철 수소화효소의 세 가지 다른 종류로 분류된다.

세 가지 유형의 하이드로게나아제 효소의 활성 부위 구조.

조류에 의한 생산

조류에 의한 생물학적 수소 생성은 [6][7]조류가 태양 연료로 수소를 생산하는 것을 기반으로 폐쇄형 광생물반응기에서 이루어지는 광생물학적 물 분할 방식이다.조류는 특정한 조건하에서 수소를 생산한다.2000년에 C. reinhardtii 조류가 황을 빼앗기면 그들은 일반적인 광합성과 마찬가지로 산소 생산에서 [8][9][10]수소 생산으로 전환한다는 것이 발견되었다.

광합성

Formation of Chlorella cell-based spheroids
Schematic illustration showing the assembly, spatial organization and dual functionality of multicellular droplet-based living micro-reactors
수소를 생산할[11] 수 있는 조류 세포 기반 생물 반응기

시아노박테리아와 녹조의 광합성은 물을 수소 이온과 전자로 쪼개요.전자는 페레독신 [12]위로 운반된다.Fe-Fe-수소효소(효소)는 그것들을 수소 가스로 결합시킨다.Chlamydomonas reinhardtii에서 광계 II는 [13]수소가스에 도달하는 전자의 80%를 햇빛의 직접 변환으로 생성한다.광수집 복합 광계 II 광수집 단백질 LHCBM9는 효율적인 광에너지 [14]방산을 촉진한다.Fe-Fe-수소효소는 산소에 의해 불활성화되기 때문에 혐기성 환경을 필요로 한다.푸리에 변환 적외선 분광법은 대사 [15]경로를 조사하기 위해 사용된다.2020년 과학자들은 공기 중의 대낮에 광합성을 통해 산소 또는2 CO와 함께 수소를 생산할 수 있는 다세포 구상 미생물 원자로를 위한 녹조 세포 기반 마이크로 액체 개발을 보고했다.마이크로 리액터를 시너지 박테리아로 둘러싸면 수소 [16][11]생산량이 증가하는 것으로 나타났다.

특화된 엽록소

녹조의 클로로필(Chl) 안테나 크기는 광생물학적 태양 변환 효율과2 H 생산을 극대화하기 위해 최소화되거나 잘립니다.잘린 Chl 안테나의 크기는 개별 셀에 의한 태양광의 흡수 및 낭비적 방산을 최소화하여 녹색 [17]조류 질량 배양에 의한 광이용 효율과 광합성 생산성을 향상시킵니다.

경제학

미국에서만 휘발유에 의해 공급되는 에너지와 맞먹는 바이오 수소를 생산하려면 약 25,000 평방 킬로미터의 녹조 농사가 필요합니다.이 지역은 미국 [18]콩 재배 면적의 약 10%를 차지한다.

바이오리액터 설계 문제

  • 양성자 구배 축적을 통한 광합성 수소 생성 제한.
  • 이산화탄소에 의한 광합성 수소 생성의 경쟁 억제.
  • 효율적인 광합성 활동을 위한 광계 II(PSII)에서의 중탄산염 결합 요건.
  • 조류의 수소 생산에서 산소에 의한 전자의 경쟁적인 배수.
  • 경제학은 다른 에너지원에 대한 경쟁력 있는 가격에 도달해야 하며 경제학은 몇 가지 매개변수에 의존합니다.
  • 주요한 기술적 장애물은 태양 에너지를 분자 수소에 저장된 화학 에너지로 전환하는 효율이다.

이러한 문제를 생물 공학을 통해 해결하려는 시도가 진행 중이다.

역사

1933년, 마조리 스티븐슨과 그녀의 학생 스틱랜드는 세포 현탁이 H와 함께 메틸렌2 블루의 감소를 촉진한다고 보고했다. 6년 후, 한스 가프론은 녹색 광합성 조류 클라미도모나스 라인하르디이(Chlamydomonas reinhardii)가 때때로 [19]수소를 생산하는 것을 관찰했다.1990년대 후반에 아나스타시오스 멜리스는 황의 결핍이 조류로 하여금 산소 생산에서 수소 생산으로 전환하도록 유도한다는 것을 발견했다.그는 이 반응에 책임이 있는 효소가 하이드로게나아제라는 것을 알아냈지만, 하이드로게나아제가 산소의 존재 하에서 이 기능을 상실했다는 것을 알아냈다.멜리스는 또한 조류가 이용할 수 있는 유황의 양이 감소하면 조류가 반응할 수 있는 환경을 만들면서 그들의 내부 산소 [20]흐름이 방해된다는 것을 발견했다.Chlamydomonas moewusii는 또한 [21][22]수소 생산에 유망한 변종이다.

공업용 수소

바이오 수소를 위한 경쟁은, 적어도 상업적인 용도로는, 많은 성숙한 산업 공정이다.천연가스의 증기 개질 - 때로는 증기 메탄 개질(SMR)이라고도 불리는 -은 세계 [23][24][25]생산량의 약 95%에서 벌크 수소를 생산하는 가장 일반적인 방법입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크