Βιοϋδρογόνο

Βιοϋδρογόνο (αγγλικά: biohydrogen) ονομάζεται το υδρογόνο που παράγεται με βιολογικές μεθόδους.  Η παραγωγή του από μικροοργανισμούς έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον παγκοσμίως, εξαιτίας των προοπτικών του, ως μια ανεξάντλητη, φθηνή και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. H παραγωγή βιοϋδρογόνου από μικροφύκη, τα οποία έχουν εξελιχθεί να παράγουν υδρογόνο από οργανικά υλικά και βιομάζα, μπορεί να πραγματοποιηθεί με βιοφωτόλυση, με σκοτεινή ζύμωση ή με φωτεινή ζύμωση.

Βιοφωτόλυση

Η βιοφωτόλυση (αγγλικά: biophotolysis) είναι η βιολογική μέθοδος κατά την οποία μικροφύκη χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή αέριου υδρογόνου από νερό. Το χλωροφύκος Chlamydomonas reinhardtii αποτελεί το μικροφύκος με τις μεγαλύτερες προοπτικές στην παραγωγή H_2. Η παραγωγή υδρογόνου σε αυτό τον μικροοργανισμό πραγματοποιείται μέσω δύο καταλυτών, του φωτοσυστήματος ΙΙ και της [FeFe]-υδρογενάσης. Η βιοφωτόλυση διακρίνεται σε άμεση και έμμεση. Η άμεση έχει παρατηρηθεί μόνο σε μικροφύκη και περιλαμβάνει ένα μονοπάτι εξαρτώμενο από το φωτοσύστημα ΙΙ, το οποίο μέσω του φωτοσυστήματος ΙΙ συνδέει απευθείας τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο, σύμφωνα με την αντίδραση H₂O → H_{2 +} ½O_2. Κατά την έμμεση βιοφωτόλυση, ηλεκτρόνια προερχόμενα από τη γλυκόλυση μεταφέρονται στο φωτοσύστημα ΙΙ και ακολούθως μέσω του φωτοσυστήματος Ι μεταφέρονται στην (FeFe)-υδρογενάση. Η στέρηση θείου με σκοπό τη μείωση παραγωγής O₂ από το φωτοσύστημα ΙΙ και κατ’ επέκταση την εγκαθίδρυση αναερόβιων συνθηκών είναι απαραίτητη για τη σύνθεση και λειτουργία της υδρογενάσης, καθώς είναι ευαίσθητη στο O₂.

Με στόχο τη βελτίωση της παραγωγής υδρογόνου από καλλιέργειες C. reinhardtii, στερούμενες θείου, έχουν πραγματοποιηθεί διάφορες προσεγγίσεις, όπως είναι η βελτίωση των συνθηκών καλλιέργειας (συγκέντρωση χλωροφύλλης, φωτεινή ένταση, μίξη και συγχρονισμός καλλιεργειών), η ακινητοποίηση και ενθυλάκωση κυττάρων με αλγινικά ή άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται ως τεχνικές για τη μείωση της ανασταλτικής δράσης του Ο₂, η εφαρμογή ειδικών πρωτοκόλλων καλλιέργειας και ο σχεδιασμός κατάλληλων φωτοβιοαντιδραστήρων (photobioreactors, PBRs) για εργαστηριακή και εξωτερική παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, η αποδοτικότητα της διαδικασίας στις περισσότερες περιπτώσεις δεν ξεπερνά το 1% σε εργαστηριακές συνθήκες και μόνο σε κάποιες περιπτώσεις ξεπερνά αυτό το ποσοστό με τη χρήση μεταλλαγμάτων σε κατάλληλα σχεδιασμένο PBR. Ειδικά, κάτω από ηλιακή ακτινοβολία η παραγωγή είναι ακόμη μικρότερη και βελτιώνεται ελάχιστα με ειδικούς PBRs.

Η δημιουργία γενετικά τροποποιημένων στελεχών του C. reinhardtii έχει επιτευχθεί με σκοπό την υψηλή απόδοση σε υδρογόνο. Κύρια χαρακτηριστικά των μεταλλαγμάτων αυτών είναι το μειωμένο μέγεθος φωτοσυλλεκτικής κεραίας, o υψηλός λόγος της αναπνοής προς τη φωτοσύνθεση, η υψηλή φωτοσυνθετική ικανότητα κατευθυνόμενη προς τη συσσώρευση υδατανθράκων και όχι βιομάζας και η ταχεία επαγωγή των ξανθοφυλλών που προστατεύουν το φωτοσύστημα ΙΙ από απενεργοποίηση.

Σκοτεινή ζύμωση

Η σκοτεινή ζύμωση (αγγλικά: dark fermentation) είναι η τεχνολογία κατά την οποία γένη βακτηρίων χρησιμοποιούν υδατάνθρακες, είτε τους δομικούς είτε τους αποθηκευμένους στο κύτταρο τους, πρωτεΐνες, και λιπίδια του κυττάρου τους ως υποστρώματα για την παραγωγή υδρογόνου. Με άλλα λόγια, παράγεται υδρογόνο απουσία φωτός, νερού και οξυγόνου. Πραγματοποιείται από υποχρεωτικά αναερόβια ή προαιρετικά αναερόβια βακτήρια, με κυρίαρχα γένη τα Clostridium και Enterobacter, ή από μικτή καλλιέργεια βακτηρίων. Στην τελευταία περίπτωση πρέπει να εφαρμοσθεί μια προεπεξεργασία για την επιλογή και ενίσχυση των παραγωγών υδρογόνου, με πιο συνηθισμένη τη θερμική επεξεργασία. Σκοπός της προεπεξεργασίας είναι να αποτραπούν τα κύτταρα από την απελευθέρωση ενδοκυτταρικών βιολογικών μορίων και να υδρολυθούν πολύπλοκοι όμο- και ετεροπολυσακχαρίτες. Παραδείγματα προεπεξεργασίας αποτελούν η χρήση αραιωμένων οξέων, η αποδιοργάνωση του κυττάρου με τη χρήση ξηρής ή υγρής θερμότητας, η  θερμότητα παρουσία υψηλών πιέσεων ή λόγω μικροκυμάτων, και οι υπέρηχοι. Τα περισσότερα πρωτόκολλα περιλαμβάνουν τη χρήση χημικών ουσιών σε συνδυασμό με υψηλές θερμοκρασίες.

Η σκοτεινή ζύμωση είναι μια απλή και οικονομικά συμφέρουσα διαδικασία συγκριτικά με τη βιοφωτόλυση, μιας και αποφεύγει τους περιορισμούς που επιβάλλει η μικρή αποδοτικότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας. Οι μέγιστες αποδόσεις επιτυγχάνονται με τα πιο απλά υδατανθρακικά μόρια. Με άλλα λόγια, οι υδατάνθρακες πρέπει να απελευθερωθούν από το κύτταρο του μικροφύκους ώστε να παραχθεί υδρογόνο, γεγονός που πραγματοποιείται με την υδρόλυση του κυτταρικού τοίχους. Το υδατανθρακικό περιεχόμενο της βιομάζας των μικροφυκών όσο και οι στρατηγικές υδρόλυσης αποτελούν πολύ σημαντικό παράγοντα για την απόδοση παραγωγής υδρογόνου. H σκοτεινή ζύμωση πραγματοποιείται είτε σε μεσόφιλες είτε σε θερμόφιλες συνθήκες, με τις θερμόφιλες να δίνουν καλύτερες αποδόσεις.

Φωτοζύμωση

Η φωτοζύμωση (αγγλικά: photofermentation) αποτελεί τη μέθοδο εκείνη κατά την οποία οργανικά υποστρώματα μετατρέπονται σε υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα παρουσία φωτός ως πηγή ενέργειας. Παράδειγμα οργανισμών που έχουν την ικανότητα φωτεινής ζύμωσης αποτελούν τα πορφυρά μη θειικά βακτήρια.

Προοπτικές και έρευνα

Εξαιτίας των υψηλών τιμών των καυσίμων και των προβλημάτων που δημιουργούνται λόγω της εξάρτησης της κοινωνίας από τον άνθρακα, το H₂ θα αποτελέσει το «καθαρό» καύσιμο του μέλλοντος για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη. Συγκεκριμένα, η παραγωγή βιοϋδρογόνου από μικροφύκη διαθέτει προοπτικές, μιας και αποφεύγει το δίλημμα «τροφή ή καύσιμα» που θέτουν τα βιοκαύσιμα πρώτης γενιάς, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλει στην ανακύκλωση και στον καθαρισμό του νερού, καθώς η καύση του H₂ και του Ο₂ μπορεί να παραγάγει καθαρό αποσταγμένο νερό. Παρόλα αυτά, η χρήση του είναι ακόμη οικονομικά ασύμφορη, εξαιτίας των χαμηλών αποδόσεων παραγωγής του και των τεχνικών δυσκολιών που αντιμετωπίζονται, όπως, ενδεικτικά, είναι οι υψηλής ενέργειας μέθοδοι συλλογής των μικροφυκών και η δυσκολία συνεχούς καλλιέργειάς τους σε μεγάλη κλίμακα. Δεδομένου, ωστόσο, ότι το βιοϋδρογόνο παρουσιάζει μια επιλογή περιβαλλοντικά φιλική για την παραγωγή ενέργειας χρήζει αδιαμφισβήτητα ιδιαίτερης ερευνητικής προσοχής σε τομείς όπως η μείωση του κόστους παραγωγής, μεταφοράς και αποθήκευσης αλλά και σε τομείς όπως η γενετική τροποποίηση των μικροφυκών, με σκοπό την αύξηση απόδοσης παραγωγής.