Водород – это абсолютно чистое топливо, что дает при сгорании только Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью – 143 кДж / г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономические, так приятно использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает при участии гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа – фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию 2Н+ + 2е = Н2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных систем Н2-генерирующих. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией. Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.
В зависимости от использования микроорганизмами источников энергии и доноров электронов, микробиологические процессы выделения водорода можно разделить на анаэробные в темноте, светозависимые без выделения кислорода и светозависимые с выделением кислорода (биофотолиз).
Анаэробный процесс выделения водорода в темноте
Микроорганизмы различных таксономических групп при брожении за недостающие в среде таких конечных акцепторов электронов как кислород, нитрат, нитрит, сульфат, восстанавливают протоны, избавляясь таким образом от избытка восстановителя. Скорость образования водорода бактериями при брожении достигает 400 мл / ч на грамм сухой биомассы. При всем разнообразии метаболических путей, в результате которых происходит выделение водорода в темновой фазе микроорганизмами, которые осуществляют различные типы брожения, конечные реакции связаны с разложением пирувата (1), формиата (2), ацетальдегида (3), пиридиннуклеотидов (НАД (Ф ) Н) (4) и конверсией оксида углерода (II) (5):
СН3СОСООН + HS-КоА → СН3СО-SКоА + СО2 + Н2 (1)
НСООН → СО2 + Н2 (2)
СН3-СНО + Н2О → СН3СООН + Н2 (3)
НАД (Ф) Н + Н + → НАД (Ф) + Н2 (4)
СО + Н2О → Н2 + СО2 (5)
Эффективность образования водорода при брожении — 30%, потому что рядом с Н2 образуются и другие вещества (этанол, ацетат, пропионат, бутанол и др.), которые обеспечивают бактериям энергию, которая необходима для их роста. Теоретические расчеты разложения глюкозы для оптимального выхода водорода дают следующую реакцию:
С6Н12О6 + 4 Н2О → 2 СН3СООН + Н2СО3 + 4 Н2, ΔН0 = – 206 кДж / моль
В экспериментах с различными бактериями и их консорциумами обычно получают значения 0,5-4,0 моля Н2/моль глюкозы, при этом максимальные значения выхода получены при использовании термофильных анаэробных бактерий.
В реальных условиях происходит трансформация процесса получения водорода в метаногенезе или других типах брожения. Применяют различные способы селективного подавления роста метаногенных бактерий, основанные на их физиологических особенностях: неспособность к образованию спор, токсическое действие кислорода, более узкий диапазон рН, доступный для роста, наличие специфических ингибиторов (2-брометансульфоновая кислота, йодопропан и ацетилен). Наиболее перспективным в реальных условиях является выбор рН среды биореактора.
Скорость выделения водорода зависит от концентрации активной биомассы и характеристик массообмена самого ферментера. Выделение водорода происходит с большей скоростью за счет применения иммобилизованных или гранулированных микроорганизмов, чем в случае суспензии. При оптимальных условиях при концентрации биомассы 35г / л скорость выделения водорода достигает 15 л Н2/л час., а эффективность составляет 3,5 моль Н2/моль сахарозы. При использовании искусственных волокон при очистке бытовых стоков нами получена скорость выделения водорода 0,6 л / час. л раствора.
Выделение водорода в темновой стадии является перспективным для реализации на практике при переработке органических отходов производства (остатки древесины, пищевые отходы и т.д.). Для внедрения технологии получения водорода необходимо не только оптимизировать отдельные стадии процесса, но и интегрировать в единый технологический цепь процессы подготовки сырья, выделения водорода и удаления нежелательных побочных продуктов, прежде всего органических кислот.
Читайте также: Светозависимое выделение водорода – как источника биотоплива
Автор статьи: Дохторук Андрей, ст. каф. Микробиология и вирусология, Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара
Автор фото в статье: Ляпустина Е.В.