Biohidrogênio - Biohydrogen

Produção de hidrogênio microbiano.

Biohidrogênio é o H 2 produzido biologicamente. O interesse é alto por essa tecnologia porque o H 2 é um combustível limpo e pode ser facilmente produzido a partir de certos tipos de biomassa .

Muitos desafios caracterizam essa tecnologia, incluindo aqueles intrínsecos ao H 2 , como armazenamento e transporte de um gás não condensável. Organismos produtores de hidrogênio são envenenados por O 2 . Os rendimentos de H 2 costumam ser baixos.

Princípios bioquímicos

As principais reações envolvem a fermentação de açúcares. Reações importantes começam com glicose , que é convertida em ácido acético :

Uma reação relacionada dá formato em vez de dióxido de carbono :

Essas reações são exergônicas em 216 e 209 kcal / mol, respectivamente.

H 2 produção é catalisada por duas hidrogenases . Um é chamado [FeFe] -hidrogenase; o outro é chamado [NiFe] -hidrogenase. Muitos organismos expressam essas enzimas. Exemplos notáveis ​​são membros dos gêneros Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia e o patógeno Helicobacter . A E. coli é o carro-chefe da engenharia genética das hidrogenases.

Estima-se que 99% de todos os organismos utilizam dihidrogênio (H 2 ). A maioria dessas espécies são micróbios e sua capacidade de usar H 2 como metabólito surge da expressão de metaloenzimas H 2 conhecidas como hidrogenases. As hidrogenases são subclassificadas em três tipos diferentes com base no conteúdo de metal do sítio ativo: ferro-ferro hidrogenase, níquel-ferro hidrogenase e ferro hidrogenase.

As estruturas do sítio ativo dos três tipos de enzimas hidrogenase.

Produção por algas

A produção biológica de hidrogênio com algas é um método de separação fotobiológica da água que é feito em um fotobiorreator fechado baseado na produção de hidrogênio como combustível solar pelas algas . As algas produzem hidrogênio sob certas condições. Em 2000, foi descoberto que se as algas C. reinhardtii forem privadas de enxofre, elas passarão da produção de oxigênio , como na fotossíntese normal , para a produção de hidrogênio.

Fotossíntese

Formação de esferóides baseados em células de Chlorella
Ilustração esquemática que mostra a montagem, organização espacial e funcionalidade dupla de micro-reatores vivos baseados em gotículas multicelulares
Biorreatores baseados em células de algas que podem produzir hidrogênio

A fotossíntese em cianobactérias e algas verdes divide a água em íons de hidrogênio e elétrons. Os elétrons são transportados por ferredoxinas . As hidrogenases Fe-Fe (enzimas) combinam-nas em gás hidrogênio. Em Chlamydomonas reinhardtii Photosystem II produz na conversão direta da luz solar 80% dos elétrons que acabam no gás hidrogênio. A proteína LHCBM9 do fotossistema II de coleta de luz, promove a dissipação de energia de luz eficiente. As Fe-Fe-hidrogenases precisam de um ambiente anaeróbio , pois são inativadas pelo oxigênio. A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier é usada para examinar as vias metabólicas. Em 2020, os cientistas relataram o desenvolvimento de microgotas baseadas em células de algas para reatores microbianos esferóides multicelulares capazes de produzir hidrogênio junto com oxigênio ou CO 2 por meio da fotossíntese à luz do dia sob o ar. O fechamento dos microrreatores com bactérias sinérgicas mostrou aumentar os níveis de produção de hidrogênio.

Clorofila especializada

O tamanho da antena de clorofila (Chl) em algas verdes é minimizado, ou truncado, para maximizar a eficiência da conversão solar fotobiológica e a produção de H 2 . O tamanho da antena Chl truncada minimiza a absorção e o desperdício de luz solar pelas células individuais, resultando em melhor eficiência de utilização da luz e maior produtividade fotossintética pela cultura de massa de alga verde.

Economia

Levaria cerca de 25.000 quilômetros quadrados de cultivo de algas para produzir biohidrogênio equivalente à energia fornecida pela gasolina apenas nos Estados Unidos. Essa área representa aproximadamente 10% da área dedicada ao cultivo de soja nos Estados Unidos.

Problemas de design do biorreator

  • Restrição da produção fotossintética de hidrogênio pelo acúmulo de gradiente de prótons .
  • Inibição competitiva da produção de hidrogênio fotossintético pelo dióxido de carbono.
  • Necessidade de ligação de bicarbonato no fotossistema II (PSII) para atividade fotossintética eficiente .
  • Drenagem competitiva de elétrons pelo oxigênio na produção de hidrogênio de algas.
  • A economia deve atingir preços competitivos para outras fontes de energia e a economia depende de vários parâmetros.
  • Um grande obstáculo técnico é a eficiência na conversão da energia solar em energia química armazenada no hidrogênio molecular.

Tentativas estão em andamento para resolver esses problemas por meio da bioengenharia .

História

Em 1933, Marjory Stephenson e seu aluno Stickland relataram que as suspensões de células catalisaram a redução do azul de metileno com H 2 . Seis anos depois, Hans Gaffron observou que a alga fotossintética verde Chlamydomonas reinhardtii às vezes produzia hidrogênio. No final da década de 1990, Anastasios Melis descobriu que a privação de enxofre induz a alga a mudar da produção de oxigênio (fotossíntese normal) para a produção de hidrogênio. Ele descobriu que a enzima responsável por essa reação é a hidrogenase , mas que a hidrogenase perdeu essa função na presença de oxigênio. Melis também descobriu que esgotar a quantidade de enxofre disponível para as algas interrompia seu fluxo interno de oxigênio, permitindo à hidrogenase um ambiente no qual ela pudesse reagir, fazendo com que as algas produzissem hidrogênio. Chlamydomonas moewusii também é uma cepa promissora para a produção de hidrogênio.

Hidrogênio industrial

Competindo pelo biohidrogênio, pelo menos para aplicações comerciais, estão muitos processos industriais maduros. A reforma a vapor do gás natural - às vezes chamada de reforma do metano a vapor (SMR) - é o método mais comum de produção de hidrogênio a granel em cerca de 95% da produção mundial.

Veja também

Referências

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