Современные подходы к производству биоводорода

1.

Современные подходы к производству биоводорода
Выполнил: ст. гр. МТБ02-23-01
Козлов Д.В.
Проверил: проф., док. хим. наук
Зорин В.В.

2.

В настоящее время остро стоит вопрос о поиске альтернативных источников энергии и
разработке новых энергетических технологий, связанных с получением энергии и тепла с
помощью возобновляемых ресурсов и сырья.
Стимулы
к
поиску
альтернативных
источников энергии:
- рост численности населения планеты;
- увеличение спроса на энергию;
- истощение запасов ископаемого топлива;
- пагубное влияние продуктов сгорания на
окружающую среду.
2

3.

Биоводород – водород, полученный биологическим способом. Он не имеет запаха и
цвета.
Преимущества биоводорода:
- экологически чистый источник энергии;
- высокой теплоты сгорания;
- возможностью его получения из практически неограниченного по запасам сырья;
- нетоксичность;
- возможность вторичной переработки;
- высокая эффективность преобразования в другой вид энергии.
Применение биоводорода
Источник энергии
Пищевая промышленность
Обработка стали
Химическая промышленность
3

4.

Сырьё
Сахаросодержащее
Целлюлозосодержащее
Крахмалосодержащее
Также биомасса водорослей может быть использована в качестве субстрата для
производства биоводорода.
4

5.

Производство биоводорода из лигноцеллюлозных отходов
5

6.

Производство биоводорода из отходов животноводства
6

7.

Производство биоводорода из промышленных отходов
7

8.

Методы получения водорода
Термохимические
Биологические
Электрохимические
Преимущества биологического метода:
- процессы проходят при относительно невысоких температурах и атмосферном давлении;
- экологичность;
- низкая стоимость.
В настоящее время известно, что молекулярный водород способны выделять
микроорганизмы различных групп: зеленые микроводоросли, цианобактерии и анаэробные
бактерии.
8

9.

Классификация биологических методов получения водорода
На данный момент предложены и разработаны разные виды биологических способов
получения водорода, которые условно можно разделить на две группы:
способы, для осуществления которых необходимо присутствие света;
способы, осуществление которых не зависит от освещения.
По механизму образования водорода
Биофотолиз воды
Гибридные системы
Темновая ферментация
Фоторазложение органических веществ
9

10.

Проблемы биологических методов
Производство водорода биологическим путем сталкивается с рядом трудностей:
- низкая эффективность и продуктивность процесса;
- чувствительность ферментов, катализирующих выделение водорода, к содержанию
кислорода в окружающей среде;
- отделение водорода из получаемой газовой смеси и его очистка и некоторые другие.
Подходы к решению проблем
Метаболические
Технические
Генетические
10

11.

Схематическое изображение раздельного гидролиза и ферментации для производства
биоводорода
11

12.

Схематический процесс одновременного осахаривания и ферментации для производства
биоводорода
12

13.

Перспективы процесса консолидированной биопереработки для производства
водорода
13

14.

Биофотолиз воды
Зелёные водоросли и цианобактерии могут выделять молекулярный водород в
фотосинтетических реакциях, используя воду, являющейся источником электронов, и
солнечный свет в качестве источника энергии.
Биофотолиз воды
Прямой фотолиз воды
Непрямой биофотолиз
Прямой фотолиз воды – её разложение на водород и кислород с помощью световой
энергии – осуществляют зелёные микроводоросли по реакции:
Такой
процесс
могут
осуществлять
клетки
хорошо
изученной
водоросли
Chlamydomonas reinhardtii
14

15.

Непрямой
биофотолиз
представляет
собой
совокупность
двух
реакций,
осуществляемых цианобактериями, у которых водород выделяется за счёт наличия
гидрогеназы и нитрогеназы:
Такой процесс могут осуществлять бактерии Anabaena sp., Calothrix sp., Oscillatoria sp.,
Synechococcus sp. и Gloebacter sp.
Прямой и непрямой биофотолиз имеют ряд недостатков:
- необходимость использовать освещение высокой интенсивности;
- низкая фотохимическая эффективность процесса (не более 5 %);
- ингибирующее воздействие кислорода на гидрогеназу в клетках.
15

16.

Фоторазложение органических веществ осуществляется пурпурными несерными бактериями благодаря
присутствию нитрогеназы в условиях недостатка любых форм азота с использованием световой энергии и
широкого спектра органических кислот, в частности уксусной кислоты:
Примером таких бактерий могут служить Rhodobacter sphaeroides.
Использование фоторазложения органических веществ фотосинтетическими бактериями имеет
ряд преимуществ в сравнении с биофотолизом воды:
- процесс характеризуется высокой степенью конверсии субстрата в водород;
- клетки фотосинтетических бактерий могут эффективно использовать широкий спектр
органических веществ в процессе синтеза водорода.
Но применение таких клеток имеет недостатки: наличие у нитрогеназы чувствительности к
кислороду и низкая эффективность конверсии световой энергии (не более 5 %).
16

17.

Особенно перспективна темновая ферментация, которая позволяет решить две задачи: производство
энергии и утилизация органических отходов.
Процесс темновой ферментации происходит при росте бактерий на различных субстратах; его общая схема:
где РУR – пируват; СоА – кофермент А; Fd – ферредоксин, ох и red – окисленная и восстановленная формы.
Осуществляют бактерии рода Clostridium: Clostridium acetobutylicum, Clostridium thermocellum,
Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium beijrinckii.
Преимущества темновой ферментации:
- светонезавивсимый процесс;
- широкий выбор субстратов;
- ценные побочные продукты;
- анаэробный процесс;
- процесс может протекать непрерывно.
Недостатки темновой ферментации:
- с повышением парциального давления водорода
скорость его накопления уменьшается и происходит
сдвиг в сторону образования промежуточных
продуктов;
- образование водорода в смеси с углекислым газом.
17

18.

Принципиально
новые
возможности
открывает
использование
системы
микроводорослей
и
ферментативных клеток для биофотолиза. Реакцию фоторазложения воды на водород и кислород можно
провести с применением микроскопических водорослей и анаэробных продуцентов водорода. Схему
процесса можно представить в следующем виде:
Первая стадия процесса (темновая) — реакция, которую эффективно проводят анаэробные
микроорганизмы рода Clostridium, вторая стадия — фотосинтез в микроскопических водорослях.
На данный момент использование гибридных систем для получения водорода не реализовано на
практике, так как их создание сопряжено со сложностью реакторов, в организации процесса в целом, а также
с существенными физиологическими различиями между клетками анаэробных и фотосинтетических
бактерий.
18