2.1. Микробные биореакторы, производящие H2 для топливных элементов

Различные бактерии и морские водоросли, например Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Clostridium butyricum, Clostridium acetobutylicum, и Clostridium perfringens, как было найдено, способны выделять водород в анаэробных условиях [11-16] Самый эффективный процесс производства H2 наблюдался при ферментации глюкозы в присутствии Clostridium butyricum (штамм IFO 3847, 35 ммоль/час H2  на 1 г микроорганизмов при 37°C) [17].  Рисунок слева показывает микробный процесс ферментации посредством Escherichia coli, приводящий к получению H2 как типичный пример микробного производства топлива. 

 Примеры бактерий, используемых в микробных ячейках биологического топлива:

Escherichia coli и Enterobacter aerogenes - факультативные анаэробы, которые ферментируют и глюкозу, и лактозу как источник углерода и получения H2, но не производят сероводород.  

Представители рода Clostridium - грам-положительные бактерии, формирующие вытянутые споры, анаэробы. Эти подвижные бактерии вездесущи в природе и особенно любят почву. Под микроскопом они проявляются как длинные барабанные палочки с выпуклостью, расположенной на терминальных концах. Грамм-окраска - хороший метод для идентификации Clostridium, потому что клетка поглощает краску, в то время как спора остается неокрашенной. Clostridium показывает оптимум роста, когда высаживается на агаре в крови при температуре человеческого тела. В условиях стресса, однако, бактерии формирует споры, более толерантные к критическим условиям, неприемлемым для активных бактерий. В активной форме эти бактерии вырабатывают  мощные экзотоксины, которые являются ответственными за такие болезни как столбняк, ботулизм и газовая гангрена.

Clostridium acetobutylicum

Clostridium perfringens

 

Преобразование углевода в водород достигнуто применением мультиферментной системы. В бактериях этот путь, как полагают, включает преобразование глюкозы в 2 моль пирувата и 2 моль NADH. Пируват затем окисляется пируват - ферредоксин оксидоредуктазы с получением ацетилкоэнзима А, CO2 и восстановленного ферредоксина. NADH-ферредоксин оксидоредуктаза окисляет NADH и восстанавливает ферредоксин. Восстановленный ферредоксин повторно окисляется, формируя водород посредством гидрогеназы. В результате, 4 моль водорода получаются от 1 моль глюкозы в идеальных условиях (уравнения 3-6). Однако, только приблизительно 1 моль H2 на 1 моль глюкозы был получен при оптимальных условиях в реальной системе. Так как выход H2 - только приблизительно 25 % теоретического выхода [18], усовершенствование производства водорода методами генной инженерии и скрининг новых производящих водород бактерий возможны для более эффективного преобразования энергии. Глюкоза - дорогой субстрат, поэтому для производства водорода, используемого в топливной ячейке, были успешно применены промышленные сточные воды, содержащие пищевые субстраты для водород-производящих бактерий [17].

                       

Иммобилизация производящих водород бактерий, Cl. Butyricum, имеет большое значение, потому что она стабилизирует относительно неустойчивую гидрогеназную систему. Чтобы стабилизировать биокаталитический процесс, бактерии были введены в полимерные матрицы, например, полиакриламид [17], агаровый гель [19-20] и фильтровальную бумагу [18]. Иммобилизованные микробные клетки непрерывно производили H2 в анаэробных условиях в течение недель, тогда как неиммобилизованные клетки бактерий были полностью дезактивированы меньше чем через 2 дня [19].

H2/O2-топливная ячейка (сетка Pt-чернь-никель в роли анода и сетка Pd-чернь-никель в роли катода, отделенные нейлоновым фильтром и используемые при комнатной температуре) была связана с биореактором, производящим водород [19,20]. Получаемый H2 собирался и транспортировался к анодному отделению топливной ячейки, где газ использовался как топливо (ур.7). Ток и напряжение на выходе зависели от скорости производства водорода в ферментаторе. Например, напряжение открытой цепи (Voc) 0.95 V и плотность тока короткой цепи (isc) 40 мА см-2 были получены при потоке H2 минимум 40 мл/мин. Биотопливная ячейка, работающая при установившихся условиях в течение 7 дне,й демонстрирует постоянный ток в 500-550 мА [20]. 

Литература:

11. K. Lewis, Bacteriol. Rev., 30, 101(1966).

12. R.K. Thauer, F.H. Kirchniawy, K.A. Jungermann, Eur. J. Biochem., 27, 282 (1972).

13. S. Raeburn, J.C. Rabinowitz, Arch. Biochem. Biophys., 146, 9 (1971).

14. K.A. Jungermann, R.K. Thauer, G. Leimenstoll, K. Deker, Biochim. Biophys. Acta, 305, 268 (1973).

15. R.K. Thauer, K.A. Jungermann, K. Deker, Bacteriol. Rev., 41, 100 (1977).

16. T. Akiba, H.P. Bennetto, J.L. Stirling, K. Tanaka, Biotechnol. Lett., 9, 611 1987).

17. S. Suzuki, I. Karube, Appl. Biochem. Bioeng., 4, 281 (1983).

18. S. Suzuki, I. Karube, H. Matsuoka, S. Ueyama, H. Kawakubo, S. Isoda, T. Murahashi,  Ann. N.Y. Acad. Sci., 413, 133 (1983).

19. I. Karube, S. Suzuki, T. Matunaga, S. Kuriyama, Ann. N.Y. Acad. Sci., 369, 91 (1981).

20. S. Suzuki, I. Karube, T. Matsunaga, S. Kuriyama, N. Suzuki, T. Shirogami, T. Takamura, Biochimie, 62, 353 (1980).