Фотоферментация

Фотоферментация — это ферментативное преобразование органического субстрата в биоводород, осуществляемое разнообразной группой фотосинтезирующих бактерий посредством серии биохимических реакций, включающих три стадии, аналогичные анаэробному преобразованию . Фотоферментация отличается от темной ферментации тем, что протекает только в присутствии света .

Например, фотоферментация с помощью Rhodobacter sphaeroides SH2C (или многих других пурпурных несерных бактерий). ^[1]) можно использовать для преобразования низкомолекулярных жирных кислот в водород. ^[2] и другие продукты.

Светозависимые пути

Фототропные бактерии

Фототропные бактерии производят газообразный водород посредством фотоферментации, при которой водород получается из органических соединений. ^[4]

${\ce {C6H12O6 + 6H2O ->[{hv}] 6CO2 + 12H2}}$ ^[4]

Фотолитические производители

Фотолитические продуценты подобны фототрофам, но получают водород из молекул воды, которые расщепляются при взаимодействии организма со светом. ^[4] Фотолитические продуценты состоят из водорослей и некоторых фотосинтезирующих бактерий. ^[4]

${\ce {12H2O ->[{hv}] 12H2 + 6O2}}$ (водоросли) ^[4]

${\ce {CO + H2O ->[{hv}] H2 + CO2}}$ (фотолитические бактерии) ^[4]

Устойчивое производство энергии

Фотоферментация с помощью пурпурных несерообразующих бактерий была исследована как метод производства биотоплива. ^[5] Естественный продукт ферментации этих бактерий, газообразный водород, можно использовать в качестве источника энергии из природного газа. ^[6]^[7] Фотоферментация с помощью водорослей вместо бактерий используется для производства биоэтанола, среди других альтернатив жидкому топливу. ^[8]

Механизм

Бактерии и их источник энергии содержатся в камере биореактора , непроницаемой для воздуха и кислорода. ^[7] В биореакторе поддерживается необходимая температура для видов бактерий. ^[7] Бактерии поддерживаются углеводной диетой, состоящей из простых сахаридов . молекул ^[9] Углеводы обычно получают из отходов сельского хозяйства или лесного хозяйства. ^[9]

Вариации

Помимо форм дикого типа Rhodopseudomonas palustris , использовали генетически модифицированные формы для производства водорода. ученые также ^[5] Другие исследования включают расширение системы биореактора для хранения комбинации бактерий, водорослей или цианобактерий . ^[7]^[9] Производство этанола осуществляется водорослями Chlamydomonas Reinhardtii , среди других видов, в чередующихся световых и темных условиях. ^[8] Циклическое изменение света и темноты также было исследовано с помощью бактерий для производства водорода, увеличивая выход водорода. ^[10]

Преимущества

Бактерии обычно питаются разложившимися сельскохозяйственными отходами или нежелательными культурами, такими как водный салат или патока сахарной свеклы. ^[11]^[5] Большое количество таких отходов обеспечивает стабильный источник пищи для бактерий и продуктивно использует отходы жизнедеятельности человека. ^[5] По сравнению с темным брожением , фотоферментация производит больше водорода за реакцию и позволяет избежать кислых конечных продуктов темного брожения. ^[12]

Ограничения

Основные ограничения фотоферментации как устойчивого источника энергии обусловлены точными требованиями поддержания бактерий в биореакторе. ^[7] Исследователи обнаружили, что поддерживать постоянную температуру для бактерий внутри биореактора сложно. ^[7] Кроме того, питательную среду для бактерий необходимо менять и обновлять без подачи воздуха в систему биореактора, что усложняет и без того дорогостоящую установку биореактора. ^[7]^[9]

См. также

Ссылки

^ Редвуд, доктор медицинских наук, Патерсон-Бидл М., Макаски Л.Е. (июнь 2009 г.). «Интеграция темных и светлых стратегий производства биоводорода: на пути к водородной экономике» (PDF) . Обзоры по наукам об окружающей среде и био/технологиям . 8 (2): 149–185. дои : 10.1007/s11157-008-9144-9 . S2CID 83562378 .
^ Тао Ю, Чен Ю, Ву Ю, Хэ Ю, Чжоу Цз (февраль 2007 г.). «Высокий выход водорода в результате двухстадийного процесса темновой и фотоферментации сахарозы». Международный журнал водородной энергетики . 32 (2): 200–6. doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.06.034 .
^ Габриелян, Лилит; Саргсян, Арутюн; Трчунян, Армен (04 сентября 2015 г.). «Новые свойства фотоферментативной продукции биоводорода пурпурными бактериями Rhodobacter sphaeroides: эффекты протонофоров и ингибиторов ответственных ферментов» . Заводы по производству микробных клеток . 14 (1): 131. дои : 10.1186/s12934-015-0324-3 . ISSN 1475-2859 . ПМЦ 4558839 . ПМИД 26337489 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Гимире А., Фрунзо Л., Пироцци Ф., Трабли Э., Эскуди Р., Ленс П.Н., Эспозито Дж. (апрель 2015 г.). «Обзор производства биоводорода темного брожения из органической биомассы: параметры процесса и использование побочных продуктов». Прикладная энергетика . 144 : 73–95. дои : 10.1016/j.apenergy.2015.01.045 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Корнели Э., Адесси А., Ольгин Э.Дж., Рагаглини Г., Гарсиа-Лопес Д.А., Де Филиппис Р. (декабрь 2017 г.). «Биотрансформация водного салата (Pistia stratiotes) в биоводород с помощью Rhodopseudomonas palustris». Журнал прикладной микробиологии . 123 (6): 1438–1446. дои : 10.1111/jam.13599 . hdl : 2434/837874 . ПМИД 28972701 . S2CID 4312887 .
^ Лауринавичене Т, Текучева Д, Лауринавичюс К, Цыганков А (март 2018 г.). «Утилизация сточных вод ликеро-водочных заводов для производства водорода в одностадийных и двухстадийных процессах с фотоферментацией». Ферментные и микробные технологии . 110 : 1–7. doi : 10.1016/j.enzmictec.2017.11.009 . ПМИД 29310850 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Уяр Б (сентябрь 2016 г.). «Конструкция биореактора для фотоферментативного производства водорода». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 39 (9): 1331–40. дои : 10.1007/s00449-016-1614-9 . ПМИД 27142376 . S2CID 31956368 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Коста Р.Л., Оливейра ТВ, Феррейра Дж., Кардозу В.Л., Батиста ФР (апрель 2015 г.). «Перспективная технология получения биоэтанола фотоферментацией». Биоресурсные технологии . 181 : 330–7. doi : 10.1016/j.biortech.2015.01.090 . ПМИД 25678298 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Чжан Ц, Ван Ю, Чжан З, Ли DJ, Чжоу X, Цзин Ю, Гэ Икс, Цзян Д, Ху Дж, Хэ С (апрель 2017 г.). «Фотоферментативное производство водорода из растительных остатков: мини-обзор». Биоресурсные технологии . 229 : 222–230. doi : 10.1016/j.biortech.2017.01.008 . ПМИД 28108074 .
^ Чен С.И., Ян М.Х., Йе К.Л., Лю Ч., Чанг Дж.С. (сентябрь 2008 г.). «Производство биоводорода с использованием последовательных двухэтапных процессов темной и фотоферментации». Международный журнал водородной энергетики . 33 (18): 4755–4762. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.06.055 .
^ Кескин Т., Халленбек ПК (май 2012 г.). «Производство водорода из отходов сахарного производства методом одностадийного фотоферментации». Биоресурсные технологии . 112 : 131–6. doi : 10.1016/j.biortech.2012.02.077 . ПМИД 22420990 .
^ Чандрасекхар К., Ли Ю.Дж., Ли Д.В. (апрель 2015 г.). «Производство биоводорода: стратегии повышения эффективности процесса с помощью микробных путей» . Международный журнал молекулярных наук . 16 (4): 8266–93. дои : 10.3390/ijms16048266 . ПМК 4425080 . ПМИД 25874756 .

Внешние ссылки

[1] Редвуд, доктор медицинских наук, Патерсон-Бидл М., Макаски Л.Е. (июнь 2009 г.). «Интеграция темных и светлых стратегий производства биоводорода: на пути к водородной экономике» (PDF) . Обзоры по наукам об окружающей среде и био/технологиям . 8 (2): 149–185. дои : 10.1007/s11157-008-9144-9 . S2CID 83562378 .

[2] Тао Ю, Чен Ю, Ву Ю, Хэ Ю, Чжоу Цз (февраль 2007 г.). «Высокий выход водорода в результате двухстадийного процесса темновой и фотоферментации сахарозы». Международный журнал водородной энергетики . 32 (2): 200–6. doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.06.034 .

[3] Габриелян, Лилит; Саргсян, Арутюн; Трчунян, Армен (04 сентября 2015 г.). «Новые свойства фотоферментативной продукции биоводорода пурпурными бактериями Rhodobacter sphaeroides: эффекты протонофоров и ингибиторов ответственных ферментов» . Заводы по производству микробных клеток . 14 (1): 131. дои : 10.1186/s12934-015-0324-3 . ISSN 1475-2859 . ПМЦ 4558839 . ПМИД 26337489 .

[:4-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Гимире А., Фрунзо Л., Пироцци Ф., Трабли Э., Эскуди Р., Ленс П.Н., Эспозито Дж. (апрель 2015 г.). «Обзор производства биоводорода темного брожения из органической биомассы: параметры процесса и использование побочных продуктов». Прикладная энергетика . 144 : 73–95. дои : 10.1016/j.apenergy.2015.01.045 .

[:3-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Корнели Э., Адесси А., Ольгин Э.Дж., Рагаглини Г., Гарсиа-Лопес Д.А., Де Филиппис Р. (декабрь 2017 г.). «Биотрансформация водного салата (Pistia stratiotes) в биоводород с помощью Rhodopseudomonas palustris». Журнал прикладной микробиологии . 123 (6): 1438–1446. дои : 10.1111/jam.13599 . hdl : 2434/837874 . ПМИД 28972701 . S2CID 4312887 .

[:0-6] Лауринавичене Т, Текучева Д, Лауринавичюс К, Цыганков А (март 2018 г.). «Утилизация сточных вод ликеро-водочных заводов для производства водорода в одностадийных и двухстадийных процессах с фотоферментацией». Ферментные и микробные технологии . 110 : 1–7. doi : 10.1016/j.enzmictec.2017.11.009 . ПМИД 29310850 .

[:1-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Уяр Б (сентябрь 2016 г.). «Конструкция биореактора для фотоферментативного производства водорода». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 39 (9): 1331–40. дои : 10.1007/s00449-016-1614-9 . ПМИД 27142376 . S2CID 31956368 .

[:5-8] Перейти обратно: ^а ^б Коста Р.Л., Оливейра ТВ, Феррейра Дж., Кардозу В.Л., Батиста ФР (апрель 2015 г.). «Перспективная технология получения биоэтанола фотоферментацией». Биоресурсные технологии . 181 : 330–7. doi : 10.1016/j.biortech.2015.01.090 . ПМИД 25678298 .

[:2-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Чжан Ц, Ван Ю, Чжан З, Ли DJ, Чжоу X, Цзин Ю, Гэ Икс, Цзян Д, Ху Дж, Хэ С (апрель 2017 г.). «Фотоферментативное производство водорода из растительных остатков: мини-обзор». Биоресурсные технологии . 229 : 222–230. doi : 10.1016/j.biortech.2017.01.008 . ПМИД 28108074 .

[10] Чен С.И., Ян М.Х., Йе К.Л., Лю Ч., Чанг Дж.С. (сентябрь 2008 г.). «Производство биоводорода с использованием последовательных двухэтапных процессов темной и фотоферментации». Международный журнал водородной энергетики . 33 (18): 4755–4762. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.06.055 .

[11] Кескин Т., Халленбек ПК (май 2012 г.). «Производство водорода из отходов сахарного производства методом одностадийного фотоферментации». Биоресурсные технологии . 112 : 131–6. doi : 10.1016/j.biortech.2012.02.077 . ПМИД 22420990 .

[12] Чандрасекхар К., Ли Ю.Дж., Ли Д.В. (апрель 2015 г.). «Производство биоводорода: стратегии повышения эффективности процесса с помощью микробных путей» . Международный журнал молекулярных наук . 16 (4): 8266–93. дои : 10.3390/ijms16048266 . ПМК 4425080 . ПМИД 25874756 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]