מדענים חוקרים דרכים חדשניות לייצר אנרגיה נקייה, ואחד מהגבול המבטיחים ביותר הוא חיידקים הנדסיים לייצר דלק מימן מתחדש. גישה ביולוגית זו מציעה אלטרנטיבה בת קיימא לדלקים מאובנים ויכולה להפחית באופן דרמטי את פליטת גזי החממה תוך מתן נושא אנרגיה רב-תכליתי לתחבורה, ייצור חשמל ותהליכים תעשייתיים.בניגוד לשיטות ייצור מימן קונבנציונליות שמתבססות על דלקים מאובנים, ייצור מימן ממריץ נתיבי אנרגיה טבעיים המופעלים על ידי אור השמש, שינויים ושינויים גנטיים, ואקלים אורגניים, ומשתנים, עומדים בפני התפתחותיים גנטיים, ומשתנים, ומשתנים, עומדים בפני התפתחותיים גנטיים, ומשתנים, ומשתנים, ומשתנים, עומדים בפני התפתחותיים של טכנולוגיות אורגניזמים גנטיות, שעומדים על פני כדוריות ומשתנים, ומשתנים, ומשתנים מתקדמים, ומשתנים, מאחורי התפתחותיים של טכנולוגיות גנטיות, ואקלים מבוזרים על פני כדור הארץ, שעומדות, ומשתנים, העומדות על מנת לשפר את תהליכי ייצור מבוזרים על מנת לשפר את המשתנים גנטיות, ומשתנים, ומשתנים גנטיות על מנת לשפר את תהליכי ייצור מבוזרים על פני כדוריות, העומדות על פני כדור הארץ, העומדות על פני כדור הארץ, ואקלים גנטיות על מנת לשפר את תהליכי ייצור מבוזר

מהו דלק מימן ומדוע זה משנה?

דלק הידרוגן הוא אנרגיה גבוהה, אפס פליטה דלק כי, כאשר נעשה שימוש בתא דלק, מייצרת רק מים כמוצר לוואי.יש לו צפיפות אנרגיה gravimetric כמעט שלוש פעמים של בנזין, מה שהופך אותו מועמד מצוין עבור כוח כלי רכב כבד, מטוסים, וספינות. Hydrogen יכול גם להיות נשרף ישירות טורבינות או מנועי בעירה פנימית, והוא משמש מפתח להאכיל עבור ammonia, ייצור כימי, ייצור מחדש.

כיום, הרוב המכריע של מימן מיוצר באמצעות תיקון אדים (SMR), תהליך המשחרר פחמן דו חמצני. על פי FLT:0U.S. המחלקה לאנרגיה מנטאלית של אנרגיה מתחדשת 1, ייצור מימן גלובלי אחראי על כ 830 מיליון טון של CO2 בשנה. כדי לממש את הפוטנציאל המלא של מימן כמו נושאת אנרגיה נקייה, ייצור חייב להשתנות מחדש שיטות כגון אלקטרו-אורגניציה המופעלת על ידי רוחות סולאריות או מינרלים ביולוגיים.

מימן ירוק המיוצר על ידי חיידקים מהונדסים מציע מספר יתרונות ייחודיים: הוא יכול לפעול בטמפרטורות ומלחצים, אינו דורש זרז נדיר או יקר, והוא יכול לנצל זרמי פסולת כמו הזנות.זה מציב ייצור מימן ביולוגי כפתרון בעל פוטנציאל נמוך, מבוזר שמשלים טכנולוגיות אנרגיה מתחדשות אחרות.

ייצור מימן

מיקרואורגניזמים יכולים לייצר מימן באמצעות מספר מסלולים מטבוליים נפרדים.הבנת מסלולים אלה חיונית לחיידקים הנדסיים עם תשואה משופרת ועוצמה.

BioPhotolysis

ביופוטואליזה ישירה, המיקרואורגניזמים פוטוסינתזה פוטוסינתזה כגון אצות ירוק או cyanobacteria פיצול מולקולות מים באמצעות אנרגיה סולארית, שחרור חמצן ומימן. התהליך הוא אנלוגי לתגובות האור של photoynthesis אבל עם גז מימן כמו המוצר הסופי במקום אנרגיה כימית מאוחסן בסוכרים. האנזים אחראי הוא בדרך כלל מימן שמקבל אלקטרונים מן שרשרת אלקטרוסינתזה פוטוסינתזה מהירה, למרות שלעתים קרובות סובל מתמונות אלקטרוניות ישירות, למרות שמפונקציות ישירות מחלבון.

BioPhotolysis

ביופוטליזה עקיף מפריד בין השלבים החמצן לבין ייצור מימן באופן זמני או מרחבי.לדוגמה, cyanobacteria הראשון לתקן CO2 לפחמימות באמצעות פוטוסינתזה, אז, בתנאים אוקסטיים, תסיסה אלה תרכובות מאוחסנים לייצר מימן. גישה זו מפחיתה חשיפה חמצן אבל מוסיפה מורכבות ולהפחית יעילות כוללת החוקרים הם חקר שני עיצובים ביולוגיים שלב שני, כי מפרידים את השלבים.

צילום: Photoferation

photofermentation מבוצעת על ידי חיידקים סגולים שאינם sulfur כגון:0Rhodobacter sphaeroidesFLT:1 ; חיידקים אלה משתמשים אנרגיה קלה להמיר חומצות אורגניות (למשל, acetate, Butyrate) לתוך מימן ו CO2 באמצעות האנזים חנקן.

הזעם האפל

תסיסה אפלה מסתמכת על חיידקים heterotrophic כי לשבור פחמימות בתנאים אנאירוביים לייצר מימן, יחד עם חומצות אורגניות ו- Solnts. Organisms כמו FLT:0Clostridium butyumricumFLT:1 ו-FLT:2 merconobacter arogenesFLT 3 הם מימן טבעי, ללא אור אלקטרודינמי, 000 הוא מסוגל יותר לספוג מזון נוזלי CVal עוד 4.

מפתח Bacterial סטרינס בשימוש במחקר הידרוגן

בעוד שמיקרואורגניזמים רבים יכולים לייצר מימן, רק מעטים הונדסו באופן נרחב לייצור משופר.

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה][דרוש מקור]]][דרוש מקור]]: [=][דרוש מקור]] [ב[[1924]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[1924]] [[1924]] [[[[1924]] [[1924
  • (ב) [ה]ה'[דרוש מקור]] [ה], [ה],] [ה], [ה]]]], [הידועה ב-[[1924]],] ב[[1924]], ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]

הנדסה גנטית מתקרבת ל Boost Hydrogen Yield

חיידקי הנדסה לייצר מימן בשיעורים רלוונטיים תעשייתיים דורש גישה רבת פנים הכוללת גינום, הפניה מסלול, והסרקת צווארי בקבוק רגולטוריים.

אופטימיזציה של Hydrogenase Enzymes

(הופנה מהדף H+ + 2e- ⁇ H2 יש שלושה שיעורים עיקריים: [Fe]-hydrogenases (ארוכים אך רגישים) [NiFe]-hydrogenases (יותר O2-סובלנות אבל לאט), ו[Fe]- רק מימןases להתמקד בשיפור החמצן, שיפור האלקטרוניקה, והפיקוח של מספרים של תאים קלים (Flosed) ו-HD2-Flosed Reductions (Flosed Reductions) .

« « OUTING WAYS

(ב) בתנוחת כהים, תשואות מימן מוגבלות על ידי מסלולים מטבוליים המתחרים, הצורכים פחתות ערך (לדוגמה, לקטט, אתנול, וייצור סצ'יואן מסיטה את כל האלקטרונים ממימן.

ביולוגיה סינתטית והנדסת מטאבולי

כלים ביולוגיה סינתטית מודרניים -CRISPR-Cas9, multix אוטומטיים הנדסת גנום (MAGE), ורכב DNA מודולרי - אפשרו שחזור מהיר של חילוף החומרים.חוקרים בנו ⁇ סינתטיים כי זוג ביטוי מימן עם מקדם מימן חזק, בלתי ניתן לחנך ו an ribosome ribosome אתר מחקר אחד ידוע שפורסם בF:0meab EngineeringFal Engineeringalrated 1, ADD) של ספרת דם מסוג 3.

אספקה אלקטרונית

ייצור מימן דורש אספקה קבועה של אלקטרונים.גישות כוללות overexpressing ferredoxin (תורם אלקטרוני טבעי עבור מימן רבים), הנדסת pyruvate:ferredoxidoreductase כדי לשעשע יותר אלקטרונים, ולהציג מערכות אלקטרונים מלאכותיות.חלק מהקבוצות הוסיפו מעבורות מבוססות פלבנון סינתטיות שמשפרות העברה בין בריכת החמצן האדולר ומימן.

היתרונות של ייצור מימן Bacterial Hydrogen

  • (FLT:0) הזנות מחדש: FLT:1 Bacteria יכול לייצר מימן באמצעות אנרגיה סולארית, מים ו- CO2 (עבור מסלולים פוטוסינתזה) או מביומסה פסולת (למחלה חשוכה) זה הופך את התהליך לפחמן-נפטי או אפילו פחמן-ניטרלי בשילוב עם פחמן לכידת.
  • (FLT:0)Low Costure: ייצור ביולוגי של 1FLT לא דורש זרז יקר כמו פלטינה, ולא טמפרטורה גבוהה או לחצים.העלויות העיקריות הן בנייה ביולוגית וטיפול בהזנה, העלות המטבולית יכולה להתחרות עם מימן אלקטרוליטי.
  • (FLT:0) ידידותיות סביבתית:FreaLT:1) התהליך פולט גזי חממה - למעשה, תסיסה אפלה צורכת פסולת אורגנית שאחרת תמחק ותשחרר את מתאן.המרק תסיסה השונה יכול לשמש כתיקון אדמה או להאכיל לתוך העיכול האנירובי.
  • ייצור:0 (הייצור) הממוסד: FLT:1 כורים Bacterial ניתן לסולקו למטה ליחידות קטנות, מודולריות המתאימות לחוות, למפעלי טיפול במים פסולת או קהילות מרוחקות.

אתגרים ומכשולים

למרות ההבטחה, מכשולים משמעותיים נשארים לפני ייצור מימן חיידקי ניתן לשיווק.

חוסר יעילות נמוך ו-Yeld

גם עם הזנים המונדסים ביותר, התשואות מימן עדיין מתחת למקסימום תרמודינמי. עבור תסיסה אפלה, התשואות המעשיות הן בדרך כלל 2-3 מ"ל H2 ל גלוקוז (מקסימום תיאורטי: 12 מ"ל) יעילות ההמרה האנרגיה של אור למימן ביופוטוזיס לעתים רחוקות עולה 2–3%, בהשוואה ל -10% ל 10-15% עבור photovoltaiclysis אלקטרוליטי.

רגישות חמצן

הידרוגנזים, במיוחד סוגים של ביופוטציה, פגומים באופן בלתי הפיך על ידי חמצן מולקולרי.זהו מראה עבור ביופוטואליזה ישירה, שבו פיצול מים מייצר O2 כתוצר.אסטרטגיות להתגבר על זה כוללים מימן סובלני חמצן (גילו באופן טבעי בחיידקים כגון FLT:0Ralstonia eutrophaveF1), שני תאים הפעלה-אוקריבים, אשר מאפשר באופן טבעי מיקרו-קוגניבה (או-קוגניבה) לטיפוח-בקית (מחדש) או מיקרו-בקית (FLTsic).

סקלאלה של bioreactors

ייצור מימן ביולוגי דורש bioreactors גדולים, סטריליים עם תאורה מבוקרת (עבור מערכות פוטוטרופיות) או ניהול אנירובי זהיר.שמירה על תנאי קוסמטיקה בקנה מידה הוא יקר ורגיש אנרגיה.יתר על כך, גז מימן יש שפע נמוך ויכול לצבור, יצירת מגבלות להעברה המונית.חדש - כמו כורים, צינורות קולנוע, צינורות חמימים, מערכות ביו-סרט - הם מבוססים כדי להתגבר על בעיות אלה.

בטיחות ותביעות סודיות

באמצעות אורגניזמים מהונדסים גנטית (GMOs) בסביבות פתוחות או למחצה מעלה סוגיות ביו-בטיחות ורגולציה.רוב המערכות המסחריות ישתמשו כנראה ביולוגיים סגורים כדי למנוע בריחה.בנוסף, מימן הוא מאוד דלגן; טיפול נכון ומערכות זיהוי נדרשים.

מחקר ופרק דרך

(ב-2023) הוא עבר במהירות.ב.ב.ב.אוניברסיטת קיימברידג' הנדסה זן של ההרחבה:0.E. coliveFLT:1 אשר הפיק מימן מ-Partration of CO2duction - עם פרודוקטיביות של 1.2 L2 ל- L לשעה, בין המדווחים הגבוהים ביותר עבור מערכת ביולוגית.

חוקרים במעבדת האנרגיה הלאומית (NRELVERFLT:1 פיתחו קונסורציום של cyanobacteria וחיידקים heterotrophic הפועלים יחד כדי לייצר מימן באופן רציף במשך יותר מ -30 ימים. אספקת cyanobacteria קבועה פחמן לטרופסים, אשר לאחר מכן תסת אותו למימן.

השדרה המבטיחה היא השילוב של ייצור מימן חיידקי עם תאים אלקטרוליטיים מיקרוביאליים (MECs) במערכות אלה, חיידקים חמצון חומר אורגני ב aode, יצירת אלקטרונים לנסוע לקטודה שבו מימן מפותח, או על ידי זרז או על ידי חיידקי מינאאז-expressing. MECs יכול להשיג תשואה גבוהה יותר מאשר לבד, מחקרים אחרונים הוכיחו יעילות עם 80% עודף פסולת.

כיוונים עתידיים וזמינות מסחרית

כדי לעבור ממעבדה בקנה מידה למציאות מסחרית, יש צורך במספר התפתחויות במקביל:

  • (FLT:0Strain שיפור:FLT:1 המשך הנדסה מטבולית, מונחה על ידי למידת מכונה מודלים בקנה מידה גנום, צריך לדחוף תשואה קרוב יותר למקסימום התיאורטי. ביולוגיה סינתטית גישות, כמו בניית ביוסנסורים תאיים שלמים הדוגלים תפוקה מימן בזמן אמת, יזרז מחזורי עיצוב.
  • (FLT:0) לו-קומות ביולוגיים: ההרחבה 1 (Cliph:1) חומרים זולים יותר, כגון שקיות פלסטיק ופלדה דלת-חלד, בשילוב עם פרוטוקולים סטריליזציה פשוטים, יכולים להפחית את עלויות ההון.
  • (FLT:0) ביו-רפינים משולבים: FLT:1 ייצור מימן Bacterial ניתן בשילוב עם עיכול אנירובי, ייצור ביותנול, או טיפול במים פסולת.לדוגמה, תסיסה כהה ניתן להשתמש כשלב ראשון לייצר מימן וחומצות אורגניות, אשר לאחר מכן ניזונים לעיכול methanogenic עבור ביוגז נוסף.
  • (FLT:0) תמיכה פוליבית ותמחור פחמן: FIRLT:1, כפי שממשלות מיישמות תקנות פליטות מחמירות יותר ותמריצים עבור מימן ירוק (למשל, זיכויי מס מימן נקיים של חוק אינפלציה בארה"ב), המקרה הכלכלי של מימן ביולוגי משתפר.

על פי דוח של סוכנות האנרגיה הבינלאומית לאנרגיה הבינלאומית, הביקוש העולמי למימן צפוי להגיע ל-150 מיליון טון עד 2030, וייצור מימן פחמן נמוך חייב להגיע במהירות כדי לעמוד ביעדים אקלים. מימן Bacterial, בשילוב עם אלקטרוליטיזה, יכול לספק חלק מהביקוש הזה, במיוחד עבור יישומים מבוזרים שבהם כורים ביולוגיים קטנים הם יעילים ביותר.

מסקנה

חיידקי הנדסה לייצר דלק מימן מתחדשים מייצגים התכנסות נועזת של ביולוגיה סינתטית, ביוכימיה והנדסת סביבה.בעוד אתגרים של יעילות, רגישות חמצן ורמתיות להישאר, פריצות דרך האחרונות בכלים גנטיים, עיצוב כור, ושילוב תהליכים הם בהתמדה לסגור את הפער לכדאיות מסחרית.על ידי רתום היכולות המטבוליות הטבעיות של מיקרובים ושיפור אותם עם שינויים גנטיים מדויקים, מדענים הופכים מעבדה לתוך מסלול אמיתי המיוצר ממשת של אנרגיה נקייה מפני מציאות מדומה.